3D 打印个性化导航截骨导板在膝关节置换中的应用研究进展

吴小宝 冯 坤 田大为

湖北医药学院附属国药东风总医院骨关节外科，湖北十堰 442000

关节置换是终末期膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）的有效治疗方式，可以减轻疼痛，改善膝关节功能，重建下肢力线，提高患者的生活质量[1]。膝关节置换种类多样，常见有全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）、膝关节单髁置换术（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）等。膝关节置换的影响因素较多，如精准的截骨直接决定了假体位置的放置[2-3]。目前常采用的截骨方法有测量截骨法、平衡间隙法，甚至手术导航、骨科机器人等先进的数字化技术[4]，截骨效果不一。3D 打印个性化导板（patientspecific instrument，PSI）也应用于膝关节置换截骨中，具有良好的临床效果，本文对其进行综述。

1 膝关节结构、膝关节置换种类及目前截骨方法

膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨组成，构成内侧股胫关节（内侧间室）、外侧股胫关节（外侧间室）和髌股关节（髌股间隙）[5]。在下肢冠状面，存在负重轴、机械轴及解剖轴。下肢负重轴也称身体纵轴线，与地面垂直。下肢力线也称作下肢机械轴线，与负重轴存在3°外翻。解剖轴相对于人体中线大约有9°外翻，因此机械轴与解剖轴二者之间存在6°夹角，此夹角也称远端股骨角[6]；股骨解剖轴与胫骨解剖轴在膝关节中心相交形成一向外侧的夹角，称为胫股角[7]，约174°。在矢状位，股骨有一前弓，正常成人股骨前弓角为（10.6±1.8）°[8]。见图1。

根据KOA 波及的间室不同，可对相应间室进行置换。根据置换间室数量可分为：单间室置换、双间室置换及三间室置换。单间室置换包括单髁置换、髌股关节置换；双间室置换包括单髁置换联合髌股关节置换；三间室置换为TKA。

影响膝关节置换的因素很多，如手术指征的选择、手术技巧、假体的选择、术后的功能锻炼等因素。下肢力线和假体旋转轴线的准确定位是关乎膝关节置换手术成败的两个关键因素[9]。

在膝关节置换中，截骨是其中最重要的一步，关系到术中对位对线、假体的位置。目前主要截骨方法是术者根据患者膝关节畸形特点，设计截骨角度，术中通过截骨导板进行截骨，其效果更多与术者的临床经验有关，主观性较强，其手术的可靠性与精确性受到了质疑。近年来，随着数字化技术的发展，计算机导航、机器人[10]等数字技术应用在关节置换中，弥补了传统关节置换定位不准的缺陷，但由于其存在需要术前注册、学习曲线长及费用高等一系列问题，未取得广泛应用。

2 3D 打印

3D 打印是指利用数字信息创建物理模型的一系列制造技术[11]，又名快速原型制作技术[12-13]。增材制造、快速成型、快速制造、实体自由制造等，分别从不同侧面表达了这一技术的特点。3D 打印技术可以制作出任何理想的物体[14]，操作简单，对硬件场地要求低，受到了各行各业广泛的青睐。

目前3D 打印技术在医学中主要分为以下3 个阶段，初级阶段：主要是聚乙烯材料制造各种类型的模型，广泛应用于医学的诊断和教学实践中。中级阶段：即直接打印出人体内的植入物，达到个性化诊疗。高级阶段：打印人体器官，即生物打印。

3 3D 打印导航截骨导板在关节置换中的应用

膝关节置换术涉及股骨及胫骨多次截骨，术中需要多次使用不同截骨导板进行。而作为一种工具，3D打印导航截骨导板体现了术者对膝关节置换手术原理及步骤的理解，来辅助完成一部分或者多部分的截骨步骤，起到简化手术步骤，提高手术精准性的作用，因此打印截骨导板种类多样，作用不一。目前截骨导板主要在全膝关节置换及单髁置换中应用。

3.1 3D 打印导航截骨导板在TKA 中的应用

TKA 目前在临床使用较多，首先进行股骨远端及胫骨近端截骨，完成伸直间隙截骨；再参考股骨旋转轴线完成屈曲间隙截骨，即前后髁的截骨；还需完成胫骨平台旋转定位，股骨髁间截骨。TKA 单纯股骨侧需要完成6 次截骨，具体见图2。主要通过术者术前规划确定截骨角度，术中通过解剖标识，通过定位钉固定截骨导板完成截骨。TKA 有很多截骨的关键步骤，如股骨开髓点的确定、截骨导板的定位钉放置点、截骨导板的放置。目前3D 打印导板在TKA中使用较多，主要为3D 打印定位钉导板和截骨槽导板。

3.1.1 股骨开髓点定位导板 股骨开髓点是用于寻找股骨解剖轴，临床定位于后交叉韧带止点上方1 cm左右，是股骨远端截骨关键的第一步。术前术者会根据患者影像学资料进行相应调整，若开髓点偏前，易形成假体过伸，造成notch 骨折；若开髓点偏后，则易形成假体过屈安置[15]。借助于3D 打印，孙茂淋等[16-17]制作了开髓点定位导板，同时将股骨通髁线定位孔设计在导航导板上。采用四点固定，固定位置分别位于股骨内上髁（2 处）、外上髁（1 处）及前髁（1 处），发现该导板能准确定位股骨入髓位置，并且能够确定股骨外旋角度并定位，将两个功能集合在一个导板上，使其对股骨远端外翻截骨及后髁外旋截骨均能够有指导意义，明显缩短了入髓深度，实现快速定位股骨髁上轴方向，定位准确，还能检验及校对股骨前后髁截骨准确性。股骨开髓点定位导板具体病例见图3。

3.1.2 匹配股骨远端截骨器、四合一截骨器定位钉孔位置的定位导板 在TKA 中，截骨导板通过定位钉进行固定，错误的定位钉位置将导致截骨导板位置异常，最终导致截骨异常，定位钉也是影响假体位置的重要因素。牛鸣等[18]制作了3D 打印导板，其定位钉孔的位置与传统胫骨侧、股骨远端截骨器的定位钉孔位置保持一致，而邱冰等[19]所设计的3D 打印导板中增加了四合一截骨器的定位钉孔位置，通过固定骨钉的位置决定定位导板位置，将截骨器沿骨钉安装、固定完成膝关节伸直间隙和屈曲间隙的截骨；术者无需打开髓腔，减少了深度静脉血栓及因髓内定位引起的髓内出血、脂肪栓塞等手术并发症的出现[20-21]，简化手术过程；而且通过移动接骨板可以实现截骨的加截和减截，由术者控制截骨量大小，给术者更多的选择。具体病例见图4。

3.1.3 股骨远端和胫骨近端的截骨导板 尹治辉等[22]定制个性化膝关节置换截骨导板，为股骨远端和胫骨近端截骨导板，即所谓的膝关节置换的“第一二刀”，完成膝关节伸直间隙截骨操作；无需股骨开髓，减少对股骨髓腔损伤，但是截骨量术前已经确定，术中不能更改，仅用于伸直间隙的截骨，膝关节屈膝间隙仍需要传统截骨导板完成。这是全膝关节置换使用最多的3D 打印截骨导板。具体病例见图5。

3.1.4 股骨四合一截骨导板 术前术者对PSI 放置的位置，截骨厚度、角度进行综合规划，并进行模拟操作，设计股骨远端及四合一截骨导板，刘云可等[23]制作个性截骨导板，行股骨侧四合一截骨，即此导板能够一次完成股骨远端和前后髁截骨，即膝关节伸直屈膝间隙的截骨，该导板仅需髓腔外定位，截骨操作更加简单，术前即对截骨量和角度进行设计，对术前规划的准确性有高度依赖；而截骨必须与相应假体相匹配，否则会造成截骨假体不匹配等灾难性后果。

3.2 3D 打印导航截骨导板在UKA 中的应用

UKA 是治疗内外单间室骨性关节炎的一种重要手段。其胫骨截骨与TKA 相同，按照胫骨平台进行7°后倾截骨，而股骨截骨为后髁截骨及远端研磨截骨[24-25]。

3.2.1 胫骨截骨槽截骨导板 樊宗庆等[26]制作了胫骨截骨槽截骨导板，导板贴服后安装固定，沿截骨导板直接截骨。

3.2.2 股骨和胫骨定位钉截骨导板 Ollivier 等[27]及聂宇等[28]设计制作的胫骨近端定位孔导板，放置于关节表面，使其与关节表贴服后钻孔打钉固定，确定切割导向器的方向。顾飞等[29]设计的PSI 增加了股骨定位钉孔的位置，术中保留股骨内髁、髁间窝及胫骨平台骨赘便于导板定位，导板与骨面贴服后固定，钻孔插入定位钉，在定位钉上套入相匹配的截骨器截骨。

4 应用3D 打印导航截骨导板的优缺点及展望

应用该导板的优点：①术前规划，通过术前采集患者下肢影像学资料，精确测量下肢力线，确定截骨角度及截骨量[19]；②术前演练，术前1∶1 打印实物模型进行术前演练操作，可缩短学习周期；③简化手术操作过程，提高手术精度，通过3D 打印导板辅助手术可减少手术时间[30]，保证假体安放的准确性和下肢力线恢复的精准性。④实现个性化截骨，目前传统方式截骨相对固定和程序化，使用3D 打印导板则可实现手术的个性化。⑤根据截骨量可预测膝关节置换假体大小[29]。

应用该导板的缺点：①CT 扫描无软骨特征，故术前设计需综合考虑软骨厚度，术中截骨模板定位孔时，需清理关节表面定位孔处软骨及多余骨赘[22，26]。②导板需稳稳与关节面或者骨面贴服，贴服度影响截骨的精准性，而充分剥离会增加出血量，延长手术时间。③住院费用增加，术前需采集全下肢立位X 线，及膝关节MRI、CT 会额外增加患者的费用。④住院时间的增加，3D 打印模型及导板的制作，需额外延长患者2～3 d 的住院时间。⑤3D 打印设备及材料的费用较高[31-33]。

综合所述，3D 打印截骨导板在关节置换中拥有较高的临床应用价值，随着3D 打印技术的成熟和普及，结合3D 打印膝关节假体，手术将实现精准化，膝关节置换将造福更多患者。