3D打印技術在全膝關節置換術中的應用價值

劉金輝,聶喜增,李　鋒,謝　磊,劉　博

(河北省石家莊市第三醫院，河北 石家莊 050011)

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3D打印技術在全膝關節置換術中的應用價值

劉金輝,聶喜增,李鋒,謝磊,劉博

(河北省石家莊市第三醫院，河北 石家莊 050011)

目的評價3D打印技術用于全膝關節置換術的臨床療效及安全性。方法將接受初次單側全膝關節置換(TKA)的患者40例隨機分為2組，3D組20例采用3D打印輔助TKA手術，術前根據CT掃描數據建模行膝關節3D打印，制作膝關節模型，并計算截骨量，截骨角度，根據測量數據選取適合的膝關節假體。常規組20例采用常規TKA手術。記錄2組手術時間和手術出血量(術中出血量+術后引流量)，評估2組術后2周時HSS膝關節評分、膝關節活動度及下肢力線的改善情況，比較2組并發癥發生情況。結果3D組手術時間明顯短于常規組(P<0.05)，手術出血量明顯少于常規組(P<0.05)。2組術后2周膝關節活動范圍、HSS膝關節評分、術后股骨與脛骨機械軸夾角比較差異均無統計學意義(P均>0.05)。2組術中和術后均未見明顯并發癥。結論3D打印技術輔助TKA手術對患者膝關節功能、下肢力線和關節活動度的改善情況與常規TKA手術無異，但手術時間更短、手術出血量更少。

全膝關節置換術；三維成像；3D打印技術

全膝關節置換術(total knee arthroplasty，TKA)是目前臨床上治療膝關節炎病變最為有效的手術方案。傳統TKA使用器械復雜，而且手術步驟繁瑣,手術中還需要根據大量的骨性標志進行截骨，常導致截骨不當、脛骨上端后側皮質穿孔或假體松動等并發癥[1]；術中安裝髓內定位桿等定位工具操作也增加了失血量及發生脂肪栓塞的風險。3D 打印是近年來興起的一種全新材料技術并迅速應用到醫學治療領域。使用 3D 打印技術輔助傳統TKA可使手術順利施行，效率升級[2]。本研究采用隨機對照方法，探討了應用 3D 打印技術輔助TKA與傳統治療方案臨床療效的區別，旨在為3D打印技術的臨床推廣提供依據，現報道如下。

1　臨床資料

1.1一般資料選取2014年5月—2015年6月經膝關節正側位X射線片證實的原發病變明確的40例晚期膝關節骨關節炎或類風濕關節炎患者，均經保守治療無效，擬行單側膝關節置換，患者對本研究知情同意；排除有膝關節手術史者，凝血功能異常者。采用隨機數字表按入院時病例號隨機分為2組：3D組20例，男4例，女16例； 年齡58～79(66.3±6.4) 歲；骨關節炎18例，類風濕關節炎2例；術前HSS膝關節評分為35～46(41.1±4.4)分，膝關節活動度(85.4±18.9)°。

常規組20例，男5例，女15例；年齡 56～80(67.9±8.2) 歲。骨關節炎 17例，類風濕關節炎3例；術前 HSS膝關節評分為 32～48 (40.7±5.9) 分，膝關節活動度(83.6±21.7)°。2組年齡、性別、原發病及病情比較差異均無統計學意義 (P均>0.05)，有可比性。本次研究經本院倫理委員會批準。

1.2方法

1.2.1術前準備2組術前常規行心電圖、肺功能、下肢深靜脈彩色超聲及血生化、凝血功能檢查，了解患者重要臟器功能及有無手術禁忌證。并進行下肢全長正側位X射線、膝關節CT掃描檢查。CT掃描范圍為膝關節上下10 cm，到達附著髕韌帶的脛骨結節位置；層距1.25 mm 或1 mm。

1.2.23D組根據掃描數據進行計算機三維建模，經計算機系統測定股骨外翻角、外旋角及脛骨平臺后傾角，并進行手術策劃,確定術中使用的股骨及脛骨假體型號，以及術中股骨遠端、后髁、脛骨近端截骨量與截骨角度。根據建模數據設計個體化的手術截骨切模，將手術截骨切模數字文件傳輸到3D 打印機中,利用快速成型技術打印出聚酰胺截骨切模實物?；颊呷⊙雠P位，全麻生效后于膝關節前正中初切開皮膚，沿髕骨內側、四頭肌腱至脛骨結節內側處做一個弧形切口，打開關節囊及髕上囊，負壓吸凈囊內黃色關節積液，屈膝90°髕骨外翻，清除周圍組織及骨贅，松解外側軟組織。在脛骨近端安裝好打印的脛骨近端切模，保證接觸面貼合良好，然后沿切模進行截骨，截骨角度及截骨量根據術前計算機計算結果，無需打開髓腔；準確安裝放置試模及髁間截骨后，于脛骨近端打孔，用脈沖水槍以生理鹽水1 500～2 000 mL清洗膝關節，使用骨水泥將脛骨、股骨截骨面進行鋪墊以安裝膝關節墊片及假體，保證整個手術過程測量力線良好，手術結束后留置負壓引流管，逐層縫合手術切口。

1.2.3常規組采用標準全膝關節置換術。手術暴露過程與 3D組相同，術中使用常規截骨導板進行截骨，并判斷假體型號，截骨過程中需打開髓腔。

1.2.4術后處理2組均常規使用低分子肝素鈉抗凝，給予抗生素預防感染，術后 1～2 d拔除引流管,術后3 d床上行持續被動運動機功能鍛煉，術后7 d行輔助功能鍛煉。

1.3觀察項目記錄2組手術時間、手術出血量、術后引流量及并發癥發生情況。測量2組術前及術后2周的膝關節活動度及股骨與脛骨機械軸的夾角(MFTA)。采用 HSS膝關節評分評價膝關節功能恢復情況。記錄術中、術后并發癥。

2　結　　果

2.1手術情況2組術中截骨操作均順利，術中未予輸血治療。術后第3天均拔除引流管，術后2周拆線，均未使用支具治療。2組術中及術后均未出現明顯并發癥。

2.22組手術時間和手術出血量比較3D組手術時間明顯短于常規組(P<0.05),手術出血量顯著少于常規組(P均<0.05)。見表1。

表1　2組手術時間和手術出血量比較±s)

2.32組手術前后膝關節活動度比較術前2組膝關節活動范圍比較差異無統計學意義(P>0.05)。術后2周，2組膝關節活動范圍均顯著提高(P均<0.05)，但組間比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2　2組手術前后膝關節活動度比較±s，°)

2.42組手術前后HSS膝關節評分比較術前2組HSS膝關節評分比較差異無統計學意義(P>0.05)。術后 2周，2組HSS膝關節評分均顯著提高(P均<0.05)，但組間比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表3。

表3　2組手術前后HSS膝關節評分比較±s，分)

2.52組手術前后下肢力線比較術前2組MFTA比較差異無統計學意義(P>0.05)。術后 2周，2組MFTA均顯著改善(P均<0.05)，但組間比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表4。

表4　2組手術前后MFTA比較

3　討　　論

雖然TKA是治療膝關節炎最為有效的方法，但是隨著臨床應用的深入，傳統TKA的缺點日益暴露，手術操作繁瑣、手術器械復雜、需按患者病情大范圍截骨，這些缺點限制了TKA的臨床推廣。TKA術中截骨操作的精確程度也會影響術中假體的安放，從而決定假體的使用壽命。醫生技術不夠熟練、未能掌握膝關節變形情況時還可能引起截骨不當、脛骨上端后側皮質穿孔及假體松動等各種并發癥，嚴重影響患者預后。目前臨床上常用的機械引導裝置及截骨工具是根據患者骨骼大小在術中與不同型號的試模逐一進行比對匹配，假體大小的選擇往往取決于術者的經驗而非客觀數據。由于醫生依靠術中髓內外定位裝置及自身的臨床經驗決定手術操作,主觀判斷術中截骨的數量和角度、假體的大小、旋轉的角度以及軟組織平衡情況，缺乏客觀的、量化的手術設計和數據,使得術中不能進行精確截骨定位、假體選擇及假體擺放,而超半數的早期失敗患者與術中假體擺放不當、力線不合適有關[3-4]。而且，常規手術利用髓內外定位導向裝置進行定位截骨,術中需要打開股骨髓腔進行定位,且髓內定位在打開髓腔后脂肪組織較易進入血管，增加了術后發生脂肪栓塞的風險；在骨骼發育異常、骨折畸形愈合或骨折內固定術后等情況時，髓內定位桿無法順利插入，或即使能夠插入髓腔但卻沒有了定位的價值，只能根據術前的X射線片或臨床經驗進行判斷，故而髓內定位不可避免存在誤差，而股骨和脛骨假體對線內外翻大于4°時即可導致聚乙烯襯墊磨損明顯加速[5]，對于手術遠期效果影響重大。而計算機導航輔助TKA雖然具有植入假體位置準確、術后下肢力線和軟組織平衡更理想的優點，但術中反復測量試模與關節的匹配程度，延長了手術時間[6]。

自從Faulkner-Jones 等于2012年首次采用3D打印技術打印出了第一個人造肝臟組織，該技術已經快速進入了醫學領域。目前 3D打印技術在骨科臨床中主要涉及了骨科實物模型、手術輔助材料和內植物等的打印[8-11]，尤其在關節疾病的外科治療中優勢明顯。利用 3D打印技術制作假體的初始穩定性及早期骨長入良好，短期療效滿意[12]；有學者采用3D打印技術打印出髖臼模型，以輔助對髖關節嚴重畸形患者行人工全髖關節置換術，可以保證假體組件按計劃精確植入[13]?？爹i德等[14]認為應用計算機CT三維重建技術預測骨科內植物的大小和位置具有較高的準確性和可行性較高。該方法通過影像學檢查獲取患者的膝關節數據，并在計算機輔助下轉化為三維模型，采用 3D打印機打印出實體手術截骨切模，保障了切模完美匹配，也減少了TKA手術時間和手術出血量，提高了術后假體生存率及膝關節功能。再者，由于術前打印出了完美匹配的截骨切模，術中不用打開髓腔，從而減少了手術出血量和術中脂肪栓塞發生的概率。為了避免機械引導裝置及截骨工具因不同人群膝關節大小、形態存在的較大差異而出現截骨精確度低的情況，采用3D打印技術依據患者CT掃描數據建模打印出實體模型進行截骨，使截骨操作真正依據客觀數據而非主觀經驗，從而保障了假體放置準確和完美。3D打印切模技術根據患者影像學信息經計算機建立三維模型測定股骨外翻及外旋角和 脛骨平臺后傾角等數據，確定股骨遠端和后髁截骨量以及脛骨近端截骨量和截骨角度，術中不必反復比對截骨量和截骨角度。正是由于應用3D打印技術于術前確定植入物的類型、大小和位置有利于術者制定個體化的手術方案，能夠使手術更加精準，縮短手術時間并減少術中使用工具的數量[15]。

本研究結果顯示，應用3D打印技術輔助TKA手術時間明顯短于常規TKA，手術出血量也顯著少于常規組，而術后下肢力線、術后 2周膝關節活動度及HSS膝關節評分與常規組比較差異均無統計學意義，且未見明顯的膝內外翻并發癥。表明3D打印技術輔助 TKA術后療效滿意，有很大推廣價值。由于3D打印技術作為一個新生事物未能普及，本研究納入樣本量較少，且未進行長期效果觀察，故本研究結果的可靠性還有待大樣本的長期對照研究來驗證。

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1008-8849(2016)16-1760-04

2015-09-18