3D 打印截骨模块应用于膝关节置换中的分析研究

李庆奇

单县中心医院骨科，山东菏泽 274300

人口老龄化程度地加深，使我国骨关节炎（OA）的发病率逐渐呈现上升趋势[1]。 对于某些膝关节终末期疾病来说， 临床中的有效治疗方法是全膝关节置换术（TKA）。 TKA 的使用，对于患有直接关节疼痛，以及生理力线（下肢）恢复情况较好，关节功能恢复情况理想[2]。TKA 术在近年来较为常用，患者的力线（下肢）恢复情况、假体安装位置等因素，一定程度上对该治疗的效果起到了决定作用[3-4]。 若相关操作或材料出现问题，会影响患者术后生活质量， 甚至需要在短期内进行翻修手术[5]。 随着医疗水平与3D 打印技术逐渐发展，复杂创伤骨折、脊柱固定等治疗中，已经逐渐涉及到该技术地使用，效果理想[6]。 在全膝关节置换领域中，通过3D 打印技术可以实现个性化手术截骨模板的制定， 利于提高匹配性与精准性， 进而使得患者的手术效果得到良好保证，有效延长患者假体使用时间。 故该次研究方便选取该院于 2017 年 1 月—2020 年 1 月收治的 100 例全膝关节置换术患者进行分析，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

方便选取该院收治的需要进行TKA 的100 例患者作为该次研究中的研究对象。 根据所用材料的不同，将其分为 Control 组（常规材料）与 Observation 组（3D 打印模块材料）。 Control 组 50 例患者中，男性 34 例，女性16 例；年龄 58~73 岁，平均年龄（64.14±4.28）岁；病程3~18 年，平均病程（11.53±3.27）年；体质指数为（26.32±3.18）kg/m2。 Observation 组 50 例患者中，男性 32 例，女性 18 例；年龄 58~74 岁，平均年龄（64.62±4.31）岁；病程 3~19 年， 平均病程 （12.02±3.15） 年； 体质指数为（26.17±3.22）kg/m2。两组患者一般资料比较差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。 该次研究在医学伦理委员会批准与监督下进行。 工作人员已告知患者与其家属研究内容，保证其自愿参加。 入组患者皆需签署同意书等相关文件。

纳入标准：患者经保守治疗后无显著效果，拟行单侧膝关节置换的骨关节炎或类风湿关节炎患者； 经彩超检查，患者双下肢静脉无异常现象。

排除标准：患者存在全膝关节置换术禁忌证；患者凝血功能异常；膝关翻修术患者；肝肾等脏器功能不全患者。

1.2 方法

截骨模块制作。 患者于术前应进行全面影像学检查，将得出数据以Dicom 格式导入Mimics.14 软件（Materialis 公司），并对患者下肢进行三维重建，以STL 格式保存其骨骼模型。 于2D 视图下进行胫骨平台后倾角、股骨外旋角及外翻等数据的测定。 并确定手术中应使用的胫骨及其假体型号， 设计胫骨与股骨侧截骨模块，利用 Replicator-2 3D 打印机（Makor Bot 公司）与聚乳酸材料进行打印。 术前对其进行低温等离子消毒。

手术过程。 所有患者需由统一主刀医生进行手术，行腰硬联合麻醉， 静脉滴注氨甲环酸 （国药准字H31020040） 与相应抗生素于上充气式止血带前。 Observation 组，切口于患者膝关节前正中，由髌骨内缘进入，使膝关节骨充分显露，并将滑膜组织增生部分、前后较差韧带、半月板松解软组织等切除。 将3D 打印截骨模块，在咬除胫骨近端和股骨骨赘及关节软骨后，紧密贴合于患者胫骨近端、胫骨远端皮质，完成胫骨、股骨关节面的截骨。 Control 组则根据厂家提供的常规截骨模板股骨与胫骨侧截骨， 并通过股骨开髓进行髓内下截骨定位。 试模时，需在复位膝关节观察其膝关节屈伸活动度等良好的情况后取出。 使用脉冲式枪冲洗膝关节后，进行膝关节假体及垫片安装，防止负压引流管并逐层缝合。 向患者关节腔内注射2 g 氨甲磺酸（国药准字H20140640）于止血带放松前，并夹闭引流管，使用弹性绷带对下肢进行适当加压包扎。

1.3 观察指标

观察其围术期出血量、手术时间，以及MFT 与HSS评分情况。 MFT 为患者快关节到其膝关节中点连线，与膝关节中点连线到踝关节中点连线夹角， 可通过X 线片检查。 HSS 为膝关节评分满分为100 分， 包括疼痛、功能、肌力、活动范围、屈曲畸形以及关节稳定情况。 判定：优：＞85 分；良：70~84 分；中：60~69 分；差：＜59 分。于术后3 个月时进行记录。

1.4 统计方法

采用SPSS 19.0 统计学软件对数据进行统计学分析,计量资料以（）表示，组间差异比较以t检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者围术期出血情况及手术时间对比

Control 组围术期出血量与手术时间情况， 均不及Observation 组情况理想，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

表1 两组患者围术期出血情况及手术时间对比()

表1 两组患者围术期出血情况及手术时间对比()

组别 围术期出血量（mL） 手术时间（min）Control 组（n=50）Observation 组（n=50）t 值P 值431.26±168.76 206.27±128.81 7.494＜0.001 82.67±10.53 70.53±3.64 7.705＜0.001

2.2 两组患者MFT 与HSS 评分情况对比

于患者术后3 个月时，评估其MFT 情况，两组患者差异无统计学意义（P＞0.05）。HSS 评分方面差异无统计学意义（P＞0.05）。 见表 2。

表2 两组患者MFT 与HSS 评分情况对比()

表2 两组患者MFT 与HSS 评分情况对比()

组别MFT（°） HSS（分）Control 组（n=50）Observation 组（n=50）t 值P 值2.64±1.73 2.25±1.36 1.253 0.213 87.33±3.52 86.52±2.79 1.275 0.205

3 讨论

3D 打印是增材制造技术（AM）的一种俗称[7]。 该技术通过三维CAD 进行数据设计，采用液体、粉末、丝、片、板、块等离散材料，逐层累加制造物体的技术[8]。 与传统的材料去除方式、材料成型方式相比，3D 打印技术是一种由下而上的材料累加制造工艺。 随着3D 打印技术的逐渐成熟，其在医学领域中也逐渐普及，由最初的金属、尼龙、陶瓷等单一固体粉末，发展成为如今的液体、凝胶、细胞等[9]。 我国人口老龄化程度逐渐加深，骨关节炎的发病率也在逐年增加。 根据相关调查表示，社区人群中，骨关节炎的患病率在60 岁以上人群中已经达到了60%以上。而且，随着骨关节炎病情地逐渐发展，最为有效、可靠的治疗方式就是全膝关节置换术[10-15]。然而， 以往传统的全系关节置换过程中， 下肢力线测量、截骨角度、截骨量选择，以及假体尺寸与放置角度等方面都会对手术进程、 治疗效果及预后情况产生直接影响，甚至会需要患者在短期内再次进行翻修手术，影响患者生活质量，增加患者经济压力。3D 打印技术的逐渐成熟使全膝关节置换术面临更多的可能性[16]。现阶段，3D 打印技术已经逐渐应用与关节周围骨折、 骨肿瘤、 复杂性脊柱骨盆髋臼等手术方案中， 并向临床普及。 而且，在全膝关节置换领域中，可以通过3D 打印技术进行个性化手术截骨模板制作，从而使假体的尺寸、角度等更加精准，提高与本体的匹配程度，最终实现延长假体使用期限、缩短手术时间、减少术中出血量等目标，利于患者术后恢复，并减少并发症[17-18]。

该研究中通过3D 打印技术打印截骨模块，并为患者进行膝关节置换术。 观察两组患者围术期出血情况与手术时间情况， 可知Observation 组患者围术期出血量更少，手术所用时间更短。 传统治疗方式需要医生更具临床经验选择适合患者的不同型号的截骨模块进行膝关节置换手术，并通过手工方式进行调节，目测下确定患者下肢力线[10]。 但治疗过程中，需打开患者股骨髓腔，因此极易导致患者出血量增多。 而3D 打印技术，并不需要进行开髓腔定位。故而，3D 打印技术患者的出血量更少，利于后期恢复。 白志刚等[11]人在其研究中同样探讨了3D 打印技术在群膝关节置换中的临床效果。3D打印组患者与常规技术组患者的术后2 d 出血量与手术时间分别为（173.8±120.7）、（293.0±111.5）mL、（61.6±11.5）、（80.1±11.4）min（P＜0.05）。 其结论与该次研究结果相似，该次研究中，Observation 组Control 组患者的围术期出血量与手术时间分别为 （206.27±128.81）mL、（70.53±3.64）min、 （431.26±168.76）mL、 （82.67 ±10.53）min。 随着生活水平的提高与医疗技术的进步，我国老龄化程度加深的同时，膝关节骨关节炎（OA）的发病率也逐渐表现出增加趋势，严重危害老年人身体健康。 对于严重畸形、骨缺损等较为复杂的病情，使用常规技术治疗存在一定困难，且很难保证治疗效果。 数字技术在近年来迅猛发展， 可以有效借助计算机进行手术过程模拟，也能够确定假体型号、截骨角度、厚度等相关重要数据。 基于此，手术中相关难题就得到了较为妥帖的解决， 且极大程度上减少因器具准确不充分而带来的手术风险。 个体化3D 打印截骨模块制作需要在计算机导航（CANS）技术的辅助下进行，进而可以使术中截骨假体对线及安放对位的准确对与精确性得到显著提升。 但由于该技术在术中操作较为复杂，会导致手术时间延长，且对医护人员要求较高、设备较为昂贵，故目前没有在临床中进行大范围推广。 全膝置换术患者需要患者在术前进行CT 数据扫描，以此为参考进行个体化截骨模块数据的确定，后进行相关数字处理，将其转化为合理数字信息， 再通过计算机辅助软件进行合理设计与M3D 重建，对患者MFTA（股骨、胫骨机械轴夹角）、LDFA （冠状位股骨解剖轴与股骨通踝线夹角）、MPTA （冠状位胫骨解剖轴与平台切线夹角）， 以及STCA（胫骨后倾角）等数据进行三维重建，并计算相关截骨参数、确定孔位、方向与假体型号，最终通过3D 打印技术将其实现为1:1 模型与截骨实物。与常规手术相比，3D 打印技术只需要确定胫骨与股骨踝相应位置，便可进行截骨安装，不需要借助复杂器械，从而大大减少了手术时间，降低了因髓腔开放而带来的出血发生率[12]。而且，通过3D 打印技术构建出的1:1 关节模型，可以使医护人员及患者与其家属更直观的了解到疾病的特点、病损情况以及相应治疗方案，利于治疗进程开展。该次研究中，与患者术后3 个月，对其MFT 与HSS 评分情况进行评估。 可以发现使用3D 打印材料进行手术的患者与传统方式进行手术的患者， 在其关节功能恢复方面并不存在显著差异，预后较为理想。 但3D 打印技术在全膝关节置换术中仍然存在不足， 如现阶段常使用的计算机辅助软件中，并没有纳入患者肌肉、关节囊、韧带等软组织方面参数，不利于对其膝关节稳定性进行分析。 这也是目前3D 打印技术中继续工作人员关注与解决的问题。

综上所述，将3D 打印截骨模块方式运用在膝关节置换术中， 可以有效减少患者的围术期出血量以及手术时间，利于患者恢复，预后情况较好。