3D 打印个性化导板在胫骨结节远端单平面截骨术中的应用

谭冶彤，田向东，王 剑，朱光宇，马 晟，胡元一，韩昶晓，陈汉东，黄 叶，丁天送

（1.北京中医药大学第三附属医院微创关节科，北京 100029；2.北京中医药大学研究生院，北京 100029）

胫骨高位截骨术（high tibial osteotomy，HTO）是目前治疗内侧间室膝骨关节炎的有效方法，长期随 访 结 果 良 好［1，2］。胫 骨 结 节 远 端 单 平 面 截 骨 术（distal tibial tuberosity-high tibial osteotomy，DTTHTO）是HTO 的术式之一，由台湾花世源教授所创，其截骨线经过胫骨结节下三分之一，有效避免了髌骨高度的改变，并且单平面的截骨术方便调整力线，近年来在国内应用广泛［3］。但由于截骨面涉及广泛骨皮质，在截骨区撑开时更容易导致对侧合页断裂，对临床结果产生不利影响［4，5］。DTT-HTO通过保留足够的对侧合页厚度，并对合页进行钻孔弱化的方法降低合页断裂风险［6］，对截骨位置的精度和术者操作要求更高。以往截骨位置与钻孔弱化选点更多依靠术者的操作熟练度与临床经验，但仍会存在一定误差，特别是对于刚接触该术式的外科医生。随着计算机、3D 打印技术的发展，基于患者个性化定制的各类3D 打印导板广泛应用于HTO的不同术式。其根据手术需要进而精准化手术操作流程，弥补了术者操作误差，极大提高了手术成功率［7-9］。目前尚无关于3D 打印导板在DTT-HTO中的应用的相关报道。基于此，本研究回顾了我院行3D 打印导板辅助DTT-HTO 患者的临床资料，并与单纯行DTT-HTO 患者进行比较，以探讨3D打印导板的应用优势。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：（1）行3D 打印导板辅助DTT-HTO或单纯行HTO 的内侧间室膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）患者；（2）年龄40～75 岁；（3）患膝Kellgren-Lawrence 分级≥2 级；（4）内翻畸形10°～25°，屈曲孪缩畸形＜15°；（5）随访数据及影像学资料完整。

排除标准：（1）非手术操作的意外导致透视次数增多或手术时间延长；（2）术后随访意外致合页断裂等术肢二次损伤；（3）既往膝关节手术史；（4）合并类风湿性关节炎、痛风性关节炎等骨病致膝关节损伤。

1.2 一般资料

根据纳排标准共纳入2017 年8 月～2019 年8 月于本院行DTT-HTO 治疗的内侧间室KOA 患者75例，其中男性21 例，女性54 例，年龄43～74 岁，平均（52.29±7.89）岁。根据是否使用3D 打印导板分为导板组（n=39）与常规组（n=36），两组患者术前基线资料无显著差异（P＞0.05），具有可比性，见表1。

表1 两组患者基线资料比较Tab 1 Comparison of baseline data between the two groups

1.3 术前准备及导板制备

所有患者拍摄双下肢负重位全长片、双膝非负重正侧轴位片以及双下肢CT。CT 扫描重建包括胫骨平台上7 cm 到胫骨平台下13 cm，层厚0.5 mm。将患者CT 传送至Materialize mimics 20 软件重建下肢3D 模型，通过Materialize 3-matic 12 软件进行补缺、修饰并设计导板模型，最后使用3D 打印机（Mass Portal，The Pharaoh ED）打印（图1），包装并用环氧乙烷低温消毒后备用。

图1 胫骨结节远端单平面截骨术3D打印个性化导板示意图Fig 1 Schematic diagram of 3D printing patient-specific instrumentation of DTT-HTO

1.4 手术方法

手术由同一名高年资医师完成。患者取仰卧位，采用蛛网膜下腔阻滞麻醉联合持续硬膜外麻醉。首先于胫骨前内侧关节线下约1 cm 做纵行切口长约5 cm，逐层切开显露鹅足肌腱，分离鹅足肌腱、内侧副韧带深层及骨膜，显露胫骨；沿胫骨近端斜向胫腓穹窿打入1 枚克氏针（图2a），使克氏针经过胫骨结节远端至胫腓穹窿下约0.5 cm，并使其与两股骨髁顶端连线呈30°，与胫骨纵轴呈60°，此为确定的截骨线（图2b）。截骨时先用钝头拉钩沿截骨线置入胫骨外侧，以保护外侧血管神经，将截骨导板放置于截骨区，并使用克氏针通过固定孔固定（图3），然后用骨锯沿导板确定的截骨线方向进行截骨（图2c），并保证胫骨外侧保留约1 cm 合页。后将三孔钻孔导板放置于截骨区并固定，使用2.8 mm克氏针对合页进行钻孔弱化，同样方法固定两孔钻孔导板并弱化（图2d，图4）。弱化结束后助手于术者对侧一手抵住截骨端外侧，另一手握住踝关节辅助撑开器进行截骨区撑开（图2e），同时保持踝关节适度外旋。在C 型臂下透视使股骨远端两髁连线与腓骨纵轴线呈93°。在胫骨开口处植入同种异体骨，放置π 型锁定金属板，螺钉固定（图2f）。常规组：除截骨、钻孔弱化时不使用导板外，其他操作与导板组相同。两组患者术后均常规使用抗生素抗感染。术后第1 天行踝关节踝泵锻炼，第2 天开始行直腿抬高、膝关节屈伸活动锻炼，第3 天助行器辅助非全负重下地行走，8～10 周可逐渐过渡为全负重行走。

图2 胫骨结节远端单平面截骨术术中图片Fig 2 Photographs for DTT-HTO

图3 截骨导板固定使用示意图Fig 3 Schematic diagram of fixation of osteotomy guide plate

图4 钻孔导板固定使用示意图Fig 4 Schematic diagram of fixation of drilling guide plate

1.5 评价指标

围手术期记录比较两组手术时间、透视次数、合页骨折率、术中出血量、术后下地时间、住院时间。影像学资料测量比较两组手术前后下肢力线比率（weight bearing line，WBL）（图5a）、胫骨平台后倾角（posterior tibial slope，PTS）（图5b）与髌骨高度指数（Caton-Deschamps index，CDI）（图5c）；随访资料记录术前及术后1、3、12 个月的视觉模拟疼痛（visual analogue scale，VAS）评分与美国特种外 科医院（Hospital for Special Surgery，HSS）评分，比较膝关节功能恢复情况。

图5 WBL、PTS、CDI 测量方法Fig 5 Measurement methods of WBL，PTS and CDI

1.6 统计学处理

应用SPSS20.0 软件进行数据处理，计量资料以均数±标准差（±s）表示；计数资料以例数和百分比表示。样本参数服从正态分布且方差齐，手术时间、透视次数、术中出血量、下地时间、住院时间、WBL、PTS、CDI、VAS 及HSS 的组间比较采用两独立样本t检验，WBL、PTS、CDI 组内前后比较采用配对样本t检验；VAS 与HSS 评分组内多点比较采用重复测量的方差分析。合页骨折率组间比较采用χ2检验；P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 围手术期情况

两组患者均未出现因手术感染、血栓、神经血管损伤等严重并发症；常规组3 例合页骨折，导板组未出现合页骨折；导板组的合页骨折率、手术时间、透视次数、术中出血量均低于或短于常规组，差异有统计学意义（P＜0.05）；导板组与常规组术后下地时间与住院时间差异无统计学意义（P＞0.05）（表2）。

表2 两组患者围手术期资料比较Tab 2 Comparison of perioperative data between the two groups

2.2 影像评估

导板组和常规组WBL 有明显改善，两组的WBL 手术前后差异有统计学意义（P＜0.05），PTS与CDI 手术前后差异均无统计学意义（P＞0.05）；两组WBL、PTS、CDI 组间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）（表3）。

表3 两组患者影像资料结果比较（±s）Tab 3 Comparison of image data results between the two groups（±s）

表3 两组患者影像资料结果比较（±s）Tab 3 Comparison of image data results between the two groups（±s）

注：WBL：下肢力线比率（weight bearing line），PTS：胫骨平台后倾角（posterior tibial slope），CDI：髌骨高度指数（Caton-Deschamps index）。

指标WBL时间点术前术后t P导板组(n=39)18.21±2.74 61.09±1.23 19.274＜0.001 9.03±2.94 9.16±3.32 1.210 0.544 0.94±0.22 0.93±0.16 0.993 0.197常规组(n=36)17.79±2.49 60.42±4.18 24.098＜0.001 9.27±2.79 9.09±2.66 0.937 0.218 0.95±0.19 0.92±0.24 0.528 0.442 1.224 2.003 0.829 0.274 tP PTS 术前术后0.782 1.293 0.119 0.424 tP CDI 术前术后0.733 0.294 0.482 0.591 tP

2.3 随访结果

两组患者均获得12～26 个月［（18.74±6.21）个月］的随访；和术前相比，导板组和常规组的VAS 和HSS 评分均有显著改善，差异用统计学意义（P＜0.05）。两组VAS、HSS 评分组间比较差异均无统计学意义（P＞0.05）（表4）。

表4 两组患者随访评分结果与比较（分，±s）Tab 4 Comparison of VAS and HSS scores between the two groups（Score，±s）

表4 两组患者随访评分结果与比较（分，±s）Tab 4 Comparison of VAS and HSS scores between the two groups（Score，±s）

注：VAS：视觉模拟疼痛评分（visual analogue scale），HSS：美国特种外科医院评分（Hospital for Special Surgery score）。

指标VAS时间点术前术后1 个月术后3 个月术后12 个月t P导板组(n=39)5.54±1.28 4.07±2.19 3.26±1.09 1.08±0.71 277.542＜0.001 53.78±8.11 56.69±9.27 69.18±6.29 78.29±4.28 422.781＜0.001常规组(n=36)5.62±1.44 3.97±1.98 3.41±0.92 1.02±0.74 264.931＜0.001 54.94±7.26 55.92±8.92 70.14±7.19 79.32±4.19 401.255＜0.001 1.427 1.002 0.427 0.291 0.142 0.284 0.191 0.426 FP HSS 术前术后1 个月术后3 个月术后12 个月0.492 0.746 1.294 2.103 0.755 0.091 0.244 0.118 FP

3 讨论

HTO 通过胫骨开口矫正下肢力线，将内侧间室的压力向外侧转移，从而达到治疗内侧间室KOA的目的［10］；精准的手术操作成为HTO 成功的关键因素之一。但对于缺乏经验和刚接触HTO 的外科医生，没有仪器设备的辅助很难达到精准手术，而不够精确的手术操作会加大合页或胫骨平台骨折、胫骨坡度变化、矫正过度或不足等并发症的发生率［11，12］。Jenny 等［13］研究认为约20%使用传统HTO的患者没有得到适当的力线矫正，合页或胫骨平台骨折的发生率高达11%［14］。随着3D 打印技术的兴起，基于患者与HTO 不同术式特点设计的各类导板在临床广泛应用，提高了手术的成功率、降低了各类并发症的发生率。Kim 等［15］研究发现3D 打印导板辅助HTO 与传统HTO 相比能获得更精准的力线矫正。Wu 等［16］的一项系统综述也表明3D 打印技术辅助HTO 具有更高的准确性。本研究结果表明导板组与截骨组的力线矫正程度无明显差异，这可能由于该术式力线矫正位置参考术中两股骨髁连线与腓骨纵轴的夹角，并且导板并未直接参与截骨区撑开操作。

胫骨结节远端单平面截骨术为一刀切式截骨，操作相对简单，方便术中调整力线，并且结节下截骨能有效避免髌骨位置改变［17］。但由于截骨面涉及广泛的骨皮质愈合相对缓慢，截骨预留合页不足或过多以及撑开时易造成对侧合页断裂或既发胫骨平台骨折，且为单平面的切口需要内固定有足够抗旋转能力，因此可采用五孔钻孔弱化对侧合页与π 型锁定金属板固定提供足够抗旋转力以弥补手术劣势［6，18］。但术中操作时由于无法直接观察到对侧合页，因此截骨、弱化时需不断透视确保手术精准度，并且过多或不精准的截骨与钻孔极易导致合页断裂，影响手术效果。

根据DTT-HTO 的手术特点设计的3D 打印个性化导板由截骨导板、三孔钻孔导板、两孔钻孔导板组成。截骨导板主要保证骨锯截骨时沿预先设定的截骨线，减少人为操作导致过多的偏差与骨量流失，并确保预留对侧合页的足够厚度。三孔、两孔钻孔导板用于辅助五孔钻孔弱化，以保证钻孔均匀分布于对侧合页上，提升弱化效率，并极大地降低了在撑开时对侧合页骨折的几率。本研究结果也表明导板组的合页骨折发生率、术中出血量、透视次数、手术时间均低于或短于常规截骨组。3D 打印导板的应用能够有效标准化手术流程，降低手术技术门槛，有利于缺乏经验的外科医生更好地掌握操作技术［19，20］。但导板的术前制作周期长且费用成本较高，且术中存在视线遮挡、器械故障、测量打印偏差等意外，故还应根据患者与手术实际情况决定是否应用导板。

研究的局限性：（1）回顾性研究证据等级较低，不能有效控制影响结果数据的变量；（2）常规组的合页骨折率、手术时间、透视次数等会随术者熟练度提升逐渐改善，存在一定数据偏倚；（3）研究具有较好的短期随访结果，但对骨关节炎影响评估与手术生存率还需更长期的随访确定。

作者贡献度说明：

谭冶彤：第一作者，负责论文写作，数据分析；田向东：通讯作者，课题项目的总策划人与总负责人，保障课题成功进行，手术干预实施者；王剑：负责受试者筛选；朱光宇：负责受试者筛选；马晟：协助通讯作者实施手术干预；胡元一：协助通讯作者实施手术干预；韩昶晓：负责数据搜集；陈汉东：负责数据搜集；黄叶：协助数据分析；丁天送：协助数据分析。