3D打印技術在脛骨高位截骨術中的應用現狀

余偉杰，劉愛峰，陳繼鑫

(天津中醫藥大學第一附屬醫院，國家中醫針灸臨床醫學研究中心，天津 300381)

脛骨高位截骨(high tibial osteotomy，HTO)是治療膝內側骨關節炎的一種有效“保膝”方法，通過轉移不良下肢力線(hip-knee-ankle angle，HKA)，改善內側間室軟骨磨損情況，延緩膝骨關節炎(knee osteoarthritis，KOA)進展[1]，包括內側開放楔形截骨術和外側閉合楔形截骨術。傳統手術方式往往借助術者手術經驗、C臂機下反復透視確定理想截骨方案，容易造成截骨量過多，手術時間、術中出血量增加，術后脛骨平臺骨折、后傾角改變、矯正過度或矯正不足等并發癥的發生，影響治療效果[2]。因此，精確的術前規劃和精細的術中操作是獲得滿意手術效果的必要條件。與此同時，人們對治療方式和手術效果的要求也不斷增加，越來越強調個體化、精準化治療。3D打印技術的出現為HTO個體化、精準化治療提供了新的可能。

1 資料和方法

1.1 資料來源 由第一作者應用計算機檢索PubMed、萬方數據庫、知網數據庫中2010至2020年出版的相關文章，英文檢索詞為“3D printing”、“high tibial osteotomy”、“knee osteotomy”、“patient-specific instrumentation”；中文檢索詞為“3D打印”、“脛骨高位截骨”、“膝骨關節炎”、“截骨導板”。

1.2 納入標準 (1)論述HTO原理、并發癥及臨床應用的文章；(2)論述3D打印技術及其分類的文章；(3)論述3D打印技術輔助HTO治療膝骨關節炎的相關文章。

1.3 排除標準 (1)重復性研究；(2)與主題相關性差的研究。

1.4 質量評估 通過上述計算機檢索和人工檢索，共檢索到300余篇參考文獻，按納入標準進行人工篩選，排除與主題相關性差及重復、陳舊的文獻，最終納入38篇文獻。納入研究的文獻包括6篇中文，32篇英文。其中包含有綜述、META分析、臨床試驗、動物試驗等。文獻檢索流程見圖1。

圖1 文獻檢索流程圖

1.5 數據提取 本研究信息記錄側重于3D打印技術輔助HTO治療膝骨關節炎的應用進展。

2 3D打印的原理及其分類

3D打印技術起源于20世紀80年代，也稱為增材制造技術(additive manufacturing，AM)或快速成型技術(rapid prototyping，RP)，是一種基于“加法制造”原理，以計算機生成的三維圖像為基礎，將陶瓷、液體、粉末、金屬、塑料以及活細胞等材料通過分層加工、逐層堆疊實現數字模型轉換為實體3D模型的數字化成型技術[3]。醫學3D打印通過MRI、CT、超聲等手段采集圖像數據后，先以醫學數字成像和通信(digital imaging and communication in medicine，DICOM)格式保存，再導入到Mimics、Osirix或Meshlab等數據加工軟件中，根據目標區域的閾值范圍對骨、軟骨、肌肉等組織數據信息進行相應的分割截取，整個過程也稱為“閾值分割”。分割完成后，將體素數據轉換為3D網格數據，生成“表面網格”，從而形成平滑的曲面。最后，將數據轉換為標準鑲嵌語言(standard tessellation language，STL)格式后導入到3D打印機中進行3D打印[4]。

目前，根據打印方式可分為：(1)光聚合固化打印。通過特定波長的光照射，逐層固化光敏樹脂材料，包括紫外激光照射的光固化成型技術(stereolithography appearance，SLA)、數字光處理技術(digital light processing，DLP)和連續光固化技術(continuous direct light processing，CDLP)等，具有精度高、速度快的特點，廣泛應用于牙科、醫療器械、解剖模型等領域。(2)粉末熔化技術。依靠局部加熱來燒結或熔融粉末材料(金屬合金、聚合物、陶瓷、塑料等)，實現層疊打印，包括選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)、直接金屬激光燒結(direct metal laser sintering，DMLS)、選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)和電子束熔融(electron beam melting，EBM)等，具有較好的生物相容性，可用于假體、內植物和導航模板制作等領域。(3)噴墨打印。利用噴墨精準地噴射到基板上，實現逐層打印，是3D生物打印的主要方式，較多用于組織工程支架的制作，包括多噴頭成型(multijet modeling，MJM)、蠟沉積成型(wax deposition modeling，WDM)、激光誘導正向轉移(laser-induced forward transfer，LIFT)和粘合劑噴墨(binder jetting，BJ)等。(4)擠壓打印。將打印材料從噴頭擠壓堆積成型，包括熔融沉積成型(fused deposition modeling，FDM)和直寫成型技術(direct ink writing，DIW)。其中FDM技術較多應用于藥物研制、模型制作；DIW是3D生物打印細胞懸浮液、細胞水凝膠和細胞外基質溶液的最常用技術[5]，由于其具有數字精度，且能根據需要定制個性化模型，廣泛應用于醫學教育、術前規劃、醫學假體或矯形術、術中個體化器械、內植物制作、生物組織工程等領域[6]，近年來隨著3D打印技術的不斷發展，手術技術的不斷進步，使得該技術在HTO中的應用得到飛躍發展。

3 3D打印技術在脛骨高位截骨術中的應用現狀

近些年HTO的應用給早期內翻畸形KOA患者提供了“保膝”治療選擇，避免了過早進行全膝關節置換術(total knee arthroplasty，TKA)。術前的個性化方案及術中的精準截骨是HTO手術取得滿意療效必不可少的因素。3D打印技術可以實現個性化手術方案及術中應用個體化截骨導板(patient-specific instrumentation，PSI)做到精準截骨，也能為HTO翻修提供新的選擇，在實現HTO的個體化、精準化治療中具有重要作用。

3.1 術前規劃 骨科醫生通常依據X線、CT、MRI等影像信息和手術經驗進行手術方案的制定，但由于解剖部位的復雜性，圖像數據缺乏三維立體感，容易造成術中截骨量過多、脛骨平臺后傾角改變、矯正不足或過度等情況的發生[2]。通過3D打印技術創建個性化截骨或自身解剖模型實現術前規劃，是目前3D打印技術在HTO手術方案制定中最主要的應用方式。利用此模型，一方面可以模擬患者術后HKA情況，確定截骨位置、大小、角度等，制定出精確、個性化截骨方案，為之后的術中精準截骨奠定基礎；另一方面可以將術后實際效果與術前規劃的理想力線進行比較，評估手術效果；同時，術者還能在3D模型上進行模擬截骨，提高術中操作的熟練度和準確性。除此之外，基于截骨模型可向患者解釋病情，交代手術過程及術中存在的風險。

雙下肢負重位全長像是HTO術前測量髖膝踝角(hip knee ankle angle，HKA)的必要影像檢查，對于截骨位置的選擇至關重要。由于患者體位的改變，容易造成測量的HKA在術前和術中出現誤差，影響手術效果。Victor等[7]利用CT圖像創建患側和健側的脛骨、股骨模型，高精度地定位髖、膝、踝中心，模擬鋼板、螺釘放置位置、切割位置和方向，要求術后HKA與理想目標的誤差在冠狀面上小于1°，矢狀面上小于2°。Jones等[8]通過3D打印技術生成髖、膝、踝模型，在空間坐標系中進行畸形分析，確定脛骨近端內側角(medial proximal tibial angle，MPTA)和脛骨近端后側角(posterior proximal tibial angle，PPTA)的矯正角度，在術前進行模擬截骨，以期在冠狀面和矢狀面上取得滿意的截骨角度。Perez-Mananes等[9]將內側膝骨關節炎患者分成兩組，一組以熱塑性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)為原料，應用FDM打印技術制作脛骨模型和PSI，在術前對克氏針置入的位置和方向、楔形截骨的位置、尺寸進行模擬，同時使用此模型來確認PSI的匹配度；另一組采用傳統術前規劃，發現前者在楔形截骨位置的準確性、手術時間、透視時間等方面較傳統術前規劃組有顯著優勢，具有可重復性，值得臨床推廣應用。Kwun等[10]以ABSplus-P430為原料，利用FDM打印技術制作截骨模型，在豬脛骨上進行了HTO手術，發現截骨角度和脛骨平臺后傾角(posterior tibial slope，PTS)在截骨前后與理想效果無明顯差異。Kim等[11]在Kwun等研究的基礎上開展臨床試驗，根據CT三維圖像模擬截骨平面和撐開的截骨間隙，以生物相容性材料ABS-M30i為原料，應用FDM打印技術制作3D模型，對20例內翻畸形KOA患者進行術前規劃，結果顯示術后患者HKA、機械股脛角(mechanical femorotibial angle，mFTA)得到有效改善，同時保留了PTS，避免了前交叉韌帶出現伸展受限和負荷增加，認為3D打印技術可以在保持PTS不變的情況下實現更精確的下肢矯正。陳金國等[12]將47例患者分為兩組，一組術前在2D視圖下測量出截骨位置、角度和截骨量，應用FDM打印技術制作截骨模塊，術中行外側閉合楔形HTO聯合關節鏡清理，術后隨訪HSS評分較術前顯著提高；另一組采取傳統力線桿定位，發現前者手術時間、術中出血量、C臂透視次數均少于傳統組。Lin等[13]通過3D打印技術制作脛骨樣本，在體外對楔形截骨的內側寬度、牽張高度和牽張角度進行生物力學分析，認為臨床應用三角公式截骨時需要進行一定的校正，將理論基礎和臨床實踐有效結合。

3.2 PSI 3D打印患者PSI是滿足HTO手術精確性的一種方法。PSI通常是以術前下肢CT數據為基礎，通過3D打印技術制作出與患者目標骨靶向區域緊密結合，進行定位引導截骨的輔助器具[14]。它不僅提高了操作準確性，減少了手術時間，同時實現了個體化截骨。

Jones等[8]應用3D打印技術，將尼龍材料構成的PSI固定在內、外踝和腓骨頭處輔助原始定位，減少脛骨近端截骨器占用面積，達到標準微創皮膚切口。Chaouche等[15]通過對100例內側KOA患者進行PSI輔助下的開放楔形HTO，比較了HKA、MPTA、PPTA術前所需矯正角度與術后CT測量的實際矯正值的差值，結果顯示三者差值均在1°以內，認為手術具有較高的精確度，但缺乏三維平面截骨準確性評估。Munier等[16]對10例患者使用3D打印PSI輔助手段，通過脛骨預鉆孔，PSI引導截骨達到預鉆孔與板孔相匹配的矯正，術后3個月截骨部位均愈合，術后1年HKA、MPTA在冠狀面上與目標值相差均小于2°，僅有1例患者術后矢狀面PTS與術前規劃相差大于2°。Fucentese等[17]以聚酰胺P2200為原料，應用SLS打印技術制作出23例患者脛骨三維模型及PSI，術后平均HKA矯正精度可達(0.8±1.5)°，平均PTS變化為(1.7±2.2)°，認為PSI輔助下的HTO手術可以精準矯正HKA，同時保持術前PTS的角度。但上述PSI在使用TomoFix鎖定鋼板固定楔形開口時，拉力螺釘置入預鉆孔可能會產生較大誤差[18]。在此基礎上，Yang等[19]通過SLA技術，將生物相容性樹脂固化為具有鋸切深度的PSI，為雙平面截骨提供導向平面，術后患者下肢負重線比率(weight bearing line，WBL)與目標值之間的誤差為1.76%，PTS的誤差為1.9%，出血量在20 mL以下，不僅減少手術時間和輻射，還做到了精準截骨。Jacquet等[20]認為PSI除了提高HTO截骨準確度外，也縮短了臨床醫生的學習曲線，減輕手術醫生焦慮程度，減少了手術和透視時間，鼓勵臨床醫生開展此技術。Jud等[21]模擬PSI在HTO中的錯誤放置位置，分析其對軸向矯正和截骨術的影響，結果顯示PSI在可控范圍內的移位對軸向矯正沒有影響；在冠狀面，2.5°的旋轉移位造成4.2°～4.4°的外翻角度；大于等于5 mm近端平移移位，會增加HTO手術失敗的風險，且較多發生在矢狀面；使用帶有額外穩定鉤的PSI可以顯著降低螺釘錯誤放置的風險。

國內的一些研究同樣也證實了3D打印截骨導板的臨床優勢，劉云濤等[22]術前分析16例KOA患者脛骨平臺后傾程度，根據雙平面截骨線確定截骨平面后，以聚乳酸或鈦合金為原料進行3D打印PSI，配合關節鏡檢查，術中未出現“合頁”骨折，術后HKA、PTS均在理想范圍內，認為此技術可維持術后PTS不變。高潤子等[23]應用FDM技術將聚乳酸原料制成PSI輔助HTO，術后14例患者WBL、MPTA、關節線相交角(jointlineconvergenceangle，JLCA)得到有效改善，同樣保留了PTS，且未出現低位髕骨。高小康等[24]應用3D打印PSI治療，患者術中創傷較小，可積極配合醫護人員進行早期膝關節屈曲、直腿抬高等功能鍛煉，6～8周后可開始完全負重。陳國仙等[25]在閉合楔形HTO治療中以聚乳酸為原料，應用FDM打印技術制作PSI輔助截骨手術，術后優良率達到了95%，HKA恢復良好，認為3D打印技術解決了術中透視次數過多和反復截骨的問題，取得滿意療效。

分析相關文獻，3D打印PSI優點主要有：(1)基于患者CT數據制作的模板，體現了個性化原則；(2)實現下肢精準截骨，對HKA、MPTA、PPTA、WBL、JLCA具有顯著改善，同時保留了術前PTS；(3)縮短了手術時間，減少了出血量和透視次數，避免了反復截骨；(4)縮短臨床醫生的學習曲線，方便低年資醫生開展HTO手術；(5)降低螺釘錯誤放置的風險，提高手術成功率。

3.3 術后翻修 Spahn等[26]通過對46篇關于HTO的研究進行Meta分析，發現HTO術后10年翻修率大約為30%。對于HTO手術失敗的患者，最終可能需要進行TKA，其增加了患者痛苦和經濟負擔，且術后常見關節僵硬、活動受限、功能受損等并發癥[27]。3D打印技術為需要進行HTO翻修手術的患者提供了新的選擇。Jones等[28]對4例患者進行翻修手術，通過創建虛擬的3D下肢模型，在空間坐標系中模擬反轉楔形截骨，利用尼龍材料進行3D打印制作PSI，術中配合單髁置換(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)確認截骨角度并進行矯正，術后患者MPTA、PPTA、HKA均得到有效改善，且無并發癥發生，這是首例截骨術聯合單髁置換治療翻修HTO的報道。

4 思考與展望

3D打印技術在HTO中可以實現術前精準規劃，通過制作解剖或截骨模型制定理想手術方案；術中PSI輔助手術做到精準截骨；術后配合UKA進行HTO翻修手術，各方面優點已對其進行綜述。但3D打印技術在HTO的應用也存在一定局限性：(1)制備3D模型花費大量時間，尤其是三維成像和數據處理方面。(2)3D打印成本較高，主要是與打印材料相關，解剖或截骨模型的原料包括ABS、ABSplus-P430、ABS-M30i等[9-11]，PSI材料包括醫用尼龍[8]、聚酰胺P2200[17]、生物相容性樹脂[19]、聚乳酸[22-23，25]、鈦合金[22]等，原料相對單一，不同材料成本不同[29]。(3)3D打印方式較單一。根據上述研究提供的具體打印方式或根據3D打印機類型分析其原理，發現術前規劃中解剖模型的制作主要以FDM打印技術為主[9-12]，PSI制作包括SLS[17]、SLA[19]和FDM[23，25]打印技術，仍未確定最佳的打印方式。(4)以CT資料為基礎創建的三維模型，增加了患者承受的輻射總劑量。(5)臨床醫生往往不具備3D打印專業知識，需與專業技術人員相互配合。(6)在創建3D骨模型過程中，3D打印可能會導致骨結構周圍相關軟組織、動脈、神經等信息丟失，尤其是在HTO中。Spahn等[30]研究證實HTO可以修復部分軟骨損傷，術后約60%的深層軟骨可以再生；中醫同樣重視膝關節周圍軟組織功能，強調“骨正筋柔”理念貫穿整個“保膝”治療當中[31]。因此，軟骨及其他周圍軟組織信息的丟失可能會造成術后療效評估方面不全面，影響治療效果。(7)3D打印實物需要進行消毒、滅菌，不同材質的滅菌方案是手術成功必不可少的一環，主要包括環氧乙烷消毒[9]、蒸汽滅菌[8，17，19]、低溫等離子消毒[24-25]等。(8)大部分3D打印模型具有靜態和無生命特征，無法充分模擬動態的人體組織[32]。此外，Martelli等[33]對158項3D打印技術在外科中的應用進行系統評價，結果顯示制作3D解剖模型占71.5%，手術導航器具和模板占25.3%，兩者是目前3D打印技術的主要應用領域，整體應用范圍相對較窄。3D打印技術在HTO中的應用研究還存在選取樣本量較小，缺少長期、大樣本的隨機對照試驗來驗證遠期手術效果。

隨著3D打印技術的發展和應用材料的更新，越來越多的技術應用于外科領域。3D打印中的低強度超聲可以促進干細胞的增殖和分化，HTO有望聯合干細胞治療KOA[34]；基于MRI創建的3D模型具有出色的組織特征，可以在改變患者下肢影像檢查方式的同時減少電離輻射[35]；Idaszek等[36]利用微流體打印噴頭制作3D結構的軟骨組織，在體外能夠促進軟骨細胞分化，在體內具有促進軟骨修復的潛能，聯合HTO為軟骨缺損的KOA治療提供了新的方向；多材料3D打印機的使用可以模擬不同的組織，術前通過增加截骨周圍軟組織信息，降低術中損傷神經、血管的風險，提高手術成功率[37]；4D打印技術在3D打印基礎上加入時間維度，可以模擬人體組織的動態愈合和再生過程[38]，為將來HTO術后軟骨修復過程和機制研究提供模擬模型。盡管目前3D打印技術仍然存在一定局限性，但其精準化、個體化特點與醫學發展方向相吻合，相信未來3D打印技術可以更好地與HTO及其他“保膝”手術相結合，為“保膝”理念的推廣提供幫助。