3D打印應用于膝關節骨缺損修復重建1例

陸聲，羅浩天，陳家瑜，高明，梁金龍

1.云南省數字骨科重點實驗室,云南省第一人民醫院骨科,昆明理工大學附屬醫院骨科，昆明 650032；2.中國人民解放軍聯勤保障部隊第920醫院骨科，昆明 650032

膝關節受到高能量暴力會造成股骨遠端、脛骨近端嚴重骨折，髁部失去正常解剖形態，同時合并關節內軟組織結構損傷。對此類骨缺損治療需采用植骨重建，但植骨床的處理及植骨結構、形態的塑造很棘手，骨折復位內固定困難[1]。3D打印技術制作的模型可以幫助醫生對傷情做出準確判斷，指導術前規劃，為術中的骨折復位提供便利[2～4]。Hurson等[5]曾利用3D打印技術為髖臼骨折患者制作等比例的三維物理模型輔助手術。Bagaria等[4]將導航模板應用于復雜骨折的手術治療。何興容等[6]制作股骨遠端的導航模板，成功應用于股骨遠端關節內粉碎性骨折的手術治療。本臨床病例利用3D打印模塊輔助創傷性股骨外側髁塑形，實現缺損區域的植骨重建，隨訪8年，療效滿意。

1 資料與方法

1.1 病例資料

患者女性，20歲，騎摩托車摔傷致左膝高能量開放性損傷，皮膚及膝關節腔破裂，髕骨及膝關節關節面外露，股四頭肌斷裂，合并皮膚軟組織及骨缺損。CT顯示：左股骨外髁骨折并骨缺損（圖1）。患者急診入住原成都軍區昆明總醫院（現中國人民解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院）骨科，入院后對皮膚、軟組織損傷及開放性骨折程度進行評價（表1）。

表1 皮膚、軟組織損傷及開放性骨折分型Tab.1 Classification of skin,soft tissueand open fracture

1.2 研究方法

1.2.1 Ⅰ期清創術 急診行清創探查術，術中見膝關節開放性骨折，髕骨外露，股四頭肌遠端斷離，髕韌帶與髕骨分離，膝關節囊破裂，前交叉韌帶股骨止點撕裂，股骨外髁骨質缺損（包括大部分股骨髁外側關節面）占股骨遠端的1/3。予以徹底清創，盡量修復損傷軟組織，閉合膝關節囊，石膏固定，見圖1。

圖1 受傷后CT、X線片顯示股骨外側髁骨折并骨質缺損a：冠狀面CT掃描圖像b：軸位CT掃描圖像c、d：Ⅰ期清創術后X線片正側位，術畢植入引流管，患肢給予石膏固定Fig.1 CTscansand X-ray filmsof thepatient showed fractureand bonedefect in thelateral femoral condylea,b:Coronal and axial plane CT scan images;c,d:Anteroposterior and lateral X-ray films after primary debridement showed drainagetubewasimplanted and thelimb wasfixed with plaster

1.2.2 后續治療規劃 年輕患者，患肢股骨外側髁缺失累及外1/3負重面，影響膝關節負重及遠期關節功能。擬行治療方案：左股骨外髁同種異體骨植骨并結構重建術；3D打印模塊輔助同種異體骨結構重塑。

1.2.3 3D打印模塊及模擬修復術 采用64排螺旋CT（GE公司，美國）對患者雙側膝關節進行薄層掃描，層厚0.625 mm。將CT原始圖像數據以Dicom格式導入Mimics10.01軟件（Materialise公司，比利時），利用閾值分割（Thresholding）和區域增長（Region growing）功能分別三維重建出雙側股骨及股骨關節面的曲面模型。對健側股骨以正中矢狀位為參考進行鏡像（Mirror）運算，建立與患側股骨一致的股骨模型。運用融合配準（Align）功能對患側股骨和鏡像后股骨進行融合配準，最后通過布爾運算（Boolean）得到缺損的股骨髁三維數據。在Mimics10.01軟件中規劃手術方案，模擬修復術，演示手術效果。利用SPS350B固體激光快速成型機（陜西恒通智能機械有限公司），以光敏樹脂14120（DSM Somos公司，美國）為材料，打印缺損股骨外側髁模型和股骨外側髁關節面曲面模型。將加工完成的模型進行后處理，去除殘余支撐，進行光固化增強物理性能，低溫等離子消毒、備用,如圖2。

圖2 3D模塊設計制作及術前模擬a、b：利用鏡像重建患側股骨外髁缺損區c、d：將設計好的缺損部分模塊和股骨外側髁缺損區模擬配準e：3D打印模塊實體及同種異體骨塊，上為股骨關節面的曲面模型，中為股骨外髁缺損部分模型，下為備用的同種異體骨Fig.2 Design and preoperativesimulation of 3-Dprinting modulea,b:Mirror image was used to reconstruct the defect area of the affected lateral femoral condyle;c,d:The defect module was matching the femoral condyle for accurate registration and preoperative simulation;e:The 3D printed module entity.The upper portion was the curved surface model of the femoral joint,themiddle was thedefectiveportion of thefemoral condyle,and thelower wasthespareallograft bone

1.2.4 手術過程 傷后2月患肢屈膝＜90°，伸膝正常，負重后疼痛，創面完全愈合，接受Ⅱ期手術修復骨缺損。患者取右側臥位，患側膝關節屈曲60°，沿股四頭肌和髕腱外緣延伸至脛骨結節下方取15 cm長的切口，切開關節囊，將髕骨翻向內側顯露關節腔及股骨遠端關節面，見股骨外側髁1/3負重關節面缺損，部分纖維組織生長，刮除其纖維組織、清理植骨床，將3D打印股骨髁缺損模塊與股骨缺損區試配，二者匹配良好，可拼成一個完整的股骨髁關節面；取骨庫預定的備用同種異體骨1塊，使用咬骨鉗、骨刀、骨銼等工具依照試模形狀及股骨關節面的曲面模型對其進行切削，打磨成與3D模塊形狀、輪廓一致的植骨塊，以股骨關節面曲面模型進行校對和驗證滿意后，植入外側髁缺損區，直視下復位，完成同種異體骨結構性重建，使股骨內外髁恢復為一個整體。考慮到盡量減小創傷及節省住院費用，選擇2枚加壓空心釘固定植骨塊。術后患膝石膏固定，如圖3。

圖3 修復重建術中圖片a：植骨床準備b：對照3D打印的股骨外側髁和股骨關節面曲面模型，將備用同種異體骨進行塑形，獲得所需形態植骨體的立體結構，試配成功 c：完成缺損區同種異體骨重建Fig.3 Restoration imagesduring reconstructiona:Preparation of bonegraft bed;b:Theallograft bonewasaccurately shaping and perfectly fitting;c:Thedefect areawas reconstructed perfectly

1.2.5 術后處理與隨訪 術后4周開始主動活動，逐漸拄拐下地、規范康復訓練，定期隨訪。持續隨訪8年，觀察植骨區影像變化及關節功能恢復情況，做出HSS評分。

2 結果

3D打印模塊輔助股骨外髁結構性植骨重建術后2年內患膝關節偶感疼痛，步行等功能活動逐漸恢復正常，患肢未見明顯內、外翻畸形及肌肉萎縮等；影像學示：患肢力線正常，股骨外髁植骨塊少量吸收，前、后交叉韌帶及外側副韌帶有損傷，予行左側膝關節鏡探查術，見關節內滑膜明顯增生，關節面退變、毛糙，股骨外側髁骨移植部位愈合，部分被吸收，表面欠光滑，關節鏡下予以清理及軟組織修復。隨訪8年期間，主觀感覺滿意，患膝功能、外觀及影像學表現均呈良性發展，除部分植骨塊吸收外未見明顯慢性疼痛、骨性關節炎、關節面旋轉畸形、膝關節攣縮畸形等不良事件發生，未見明顯致殘因素，左膝關節無疼痛，步態正常，活動無明顯功能受限，膝關節活動范圍能夠滿足日常生活需要，患肢各肌力未見明顯減退，膝關節穩定。末次隨訪HSS評分83分，見表2，圖4～6。

圖4 術后即刻（a、b）及術后3個月（c、d）X線正側位片 股骨外髁缺損區解剖結構恢復，兩側股骨髁連續性完整，未見明顯塌陷及結構不穩Fig.4 Anteroposterior and lateral X-ray films immediately(Fig.4 a,b)and 3 months after the operation（Fig.4 c,d)showed that the anatomical structure of the defect area of the femoral condyle was restored,and the continuity of the femoral condyle on both sideswascompletewithout obviouscollapseor structural instability

表2 術后1月～8年隨訪期間HSS評分Tab.2 HSSscoresof follow-up for 1 month to 8 years

表格說明：HSS評分系統是由美國特種外科醫院（hospital for special surgery，HSS）于1976年提出，用于評估膝關節術前術后功能，包括疼痛、功能、關節活動度、肌力、膝關節屈曲畸形、膝關節不穩定等6個方面，滿分100分，表示癥狀、功能及外形完全正常，有疼痛、功能受限或畸形則評分減低

圖5 術后復診影像資料a、b：術后2年X線片顯示股骨外髁完整，內外側髁處于同一水平，未見明顯塌陷及下肢力線偏移c、d：術后2年半CT掃描顯示股骨外髁植骨區部分吸收，關節面完整，未見明顯塌陷，膝關節力線滿意Fig.5 Postoperativefollow-up imaging dataa，b:Two years after the operation,anteroposterior and lateral X-ray images showed that the integrity of the femoral condyle was retained and at the same level,without obvious collapse and changes of the limb alinement;c,d:Two and a half years after surgery,CT scans showed partial absorption in the bone graft area of the external femoral condyle,surface of thearticular wascomplete,no obviouscollapsewas observed,and thelimb alinement of the kneewassatisfactory

圖6 術后8年圖片a、b：術后8年X線正側位片 內固定已取出，股骨外髁植骨區少量骨質吸收，患肢力線滿意，脛骨平臺水平，膝關節未見明顯內、外翻畸形c、d：術后8年隨訪外觀像 患肢無明顯疼痛和活動受限，膝關節無明顯不穩，膝關節伸直0°、屈膝＞150°，HSS評分83分Fig.6 Images of the patient 8 years after surgerya,b:Anteroposterior and lateral X-ray images review of 8 years after the operation showed that the internal fixation had been removed,and a small amount of bone was absorbed in the bone graft area.The limb alinement of the knee was satisfactory,the tibial plateau was horizontal,and there were no obvious varus deformities;c,d:Eight years after the operation,the affected limb showed no obvious pain,limited mobility,and no obvious knee instability.Therangeof motion of thekneejoint wasgreater than 150°and the HSSscorewas83

3 討論

膝關節在屈曲狀態受到來自前方的暴力作用時，易致股骨髁分離及股骨遠端、脛骨近端粉碎性骨折。如果呈開放性骨折，常會導致骨折塊游離體外，造成嚴重的骨缺損。股骨的解剖軸呈9°外翻，負重軸呈30°外翻[7]，所以股骨髁比較容易骨折。此類創傷的治療，關節面的解剖復位是獲得膝關節最佳功能的先決條件[8,9]，超過15°的內、外翻會引起創傷性關節炎[10]。大段的骨缺損重建需要植骨材料具有相同的組織、形態學結構和幾何尺寸，盡可能滿足骨長入，以利骨折愈合。而關節周圍的骨缺損，形狀不規則，異體骨塊較難匹配，植骨床處理及植骨結構和形態的塑造較為棘手。術中難以精確重建關節面高度、恢復患肢力線，術后常因力線不正或關節面不平而導致關節退變加速、植骨塊過度吸收及骨性關節炎等并發癥。目前，怎樣將植骨替代物準確塑形，達到和原解剖形態一致的結構支撐依然是比較棘手的問題。

本病例為創傷性膝關節骨缺損的年輕患者，損傷較重，對關節面修復重建要求較高，需要最佳匹配的結構支撐和成骨塑形，盡可能地恢復關節功能、減少術后并發癥。由于自體骨移植來源有限，不適用于大區域的缺損，所以選用同種異體骨塑造出高仿真形態特征的結構支撐，對缺損區域進行形態和功能的修復重建，達到永久性支撐和替代。術前做好完整的規劃，基于CT數據的預處理，利用Mimics軟件得到缺損區骨的復雜曲面結構的反求與仿形建模，通過3D打印獲得準確度和光順度很好的三維實體模型，保證術中準確重建股骨外髁支撐結構及膝關節生物力學的復制。術中依照3D打印模型對備用植骨體進行切削，打磨，塑造出跟健側形狀和表面輪廓對稱的植骨塊，實現對患側缺損區的“重構”，再利用股骨關節面曲面模型進行校對和驗證。匹配滿意后，將異體骨固定，使股骨內外髁修復為一個整體，完成骨缺損修復重建。

早在1979年已有個體化定制金屬內置物用于彌補患者腫瘤切除術后骨盆缺損[11]。近年來，3D打印技術廣泛地應用于醫學領域。通過3D打印技術制作出模塊實體，可以進行術前模擬，制定個體化的實施方案，預估手術效果[12～14]。本病例基于3D打印模塊的輔助，順利實現對植骨塊的精準切削、塑形，與缺損區進行準確的匹配，達到完整的形態修復，進一步驗證了3D打印模塊的精確性。其優勢在于：利用計算機輔助技術對備用骨支架或骨替代物構建，有效修復缺損區，解決當前骨缺損塑形的操作難題。另外，骨組織的三維重建提供了傳統手段無法獲得的解剖信息，為術前模擬操作提供了視覺交互手段，還可以使患者及家屬全面了解自身病情，獲得滿意的醫患交流。3D打印模塊具備與目標模型輪廓的一致性，將二維平面獲取的信息轉換為三維實體，其精確度可以達到0.1 mm，準確復制出目標模型，滿足理想的結構“復原”。最后，本方法使手術重建、固定更加精準、簡便、可靠，縮短了手術時間，減小手術創傷及術后并發癥，取得滿意的效果。數字化技術為骨缺損修復重建提供了一種新的路子，值得臨床推廣應用。

本病例治療存在一些不足，同種異體骨沒有骨誘導作用，成骨效能低，可能導致遠期骨吸收，仍然有可能發生創傷性關節炎、植骨區塌陷和肢體力線不正等并發癥。術中因考慮減少創傷而選擇空心釘內固定方式帶有主觀性，可能跟遠期骨吸收有關。另外，雖然正常股骨髁軟骨均勻分布，關節軟骨關節面的曲率近似于股骨髁的骨關節面，但怎樣將股骨軟骨納入3D打印，基于MRI重塑軟骨面，全面減小誤差，仍待進一步研究。隨著組織工程的概念提出，骨髓來源的間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）有望應用于臨床，它將促進生物替代物的研制，大大維持和改善肢體的功能。后續研究還需要納入大宗病例，通過長期隨訪對比研究，進行經驗總結。