3-D打印技术在全膝关节置换术中临床应用

张伟金玉林

3-D打印技术在全膝关节置换术中临床应用

张伟①金玉林①

目的：探讨3-D打印技术在全膝关节置换术中临床应用疗效。方法：对6例行全膝关节表面置换的患者，术前行膝关节3-D打印，制作关节模型，测量术前截骨量，截骨角度，术前根据测量数据制定符合的膝关节假体。测量术中的手术时间，假体术中与术前的匹配度，采用HSS膝关节评分对手术后患者短期膝关节功能活动情况进行评价。结果：6例患者手术中假体使用与术前制定符合，手术时间及出血量较过去减少，术后膝关节功能改善明显，未出现感染、假体下沉。结论：3-D打印技术应用于全膝关节置换术降低了手术难度，减少了手术时间、出血量，术后膝关节活动功能好，是未来发展的一种趋势。

3-D打印； 全膝关节置换； 临床应用

3-D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。最早起源于19世纪末的美国，随着智能化的发展，3-D打印技术逐步成熟，并应用于各行业，影响着人们的生活。近年来，3-D技术应用于医学行业有广泛的报道，苏格兰科学家 Faulkner-Jones等利用细胞打印出人造肝脏组织[1]。本院将3-D打印技术运用于全膝关节置换，取得良好的临床效果，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本组6例患者，男3例，女3例，

68～81岁，平均74.6岁。纳入标准：（1）符合骨关节炎诊断标准。（2）所有病例手术前均全面体检及辅助检查，并经1位资深主任医师手术治疗，手术后住院2周以上。（3）所有骨关节炎病例均为Holden Ⅳ级病例（即严重硬化、关节间隙消失）。

1.2 方法

1.2.1 术前准备 术前行关节X线片、膝关节CT扫描。术前有内科疾病的请相关内科科室会诊、治疗。待病情平稳，无明显手术禁忌证时进行手术。

1.2.2 方法 CT扫描范围：包括髋关节、膝关节、踝关节。所需的解剖结构包括：获得轴向平面的所有切片髋关节影像（髂前上棘至耻骨联合）；膝关节影像（膝关节上下100 mm，包括胫骨结节附着的髌韧带）；踝影像（踝关节以下至跟骨中央）。切片厚度和间距：建议轴向平面切片1.25 mm×1.25 mm或1 mm×1 mm，当需要增加层厚时，层厚不得低于2 mm。视野（FOV）使用同一的视野，在扫描过程中不要改变，需要仔细对准腿以获得股骨头、膝关节和踝。切片时，不要随意改变X和Y轴的坐标原点，即所有CT切面具有同一个坐标系，数据格式：DICOM，CT设备通用格式。图像通过计算机建模软件（CAD）建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，后通过成快速成型文件格式STL将三维数字化模型输入3-D打印机。打印机将打印出膝关节模型，术前根据模型畸形的矫正程度，假体安放位置评估、模拟操作，并制定合适的假体。本文对患者左腿手术进行股骨假体设计（图1～图6）及胫骨假体设计（图7～图9）。术中根据术前测量截骨量进行截骨，并安放定制的假体，记录手术时间及假体的匹配度。

图1　股骨全长模拟图

图2　左膝关节模拟图

图3　开髓

图4　角度

图5　截骨量

图6　模拟假体

图7　定位（胫骨）

图8　截骨

图9　模拟假体

1.3 术后处理 术后3 d使用抗生素预防切口感染，术后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝关节功能锻炼。

2 结果

患者平均手术时间为45 min，较过去减少；出血量减少；下床时间为术后3 d，术中假体使用与术前定制假体匹配，截骨及假体放置均一次成功。随访3个月～1年，未出现关节感染、假体松动现象。患者膝关节HSS评分均大于85分，屈伸活动功能好，改善明显。

3 讨论

3.1 3-D打印技术的原理 3-D打印技术是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。其基本原理为：（1）设计过程：首先通过计算机建模软件（CAD）建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，后通过成快速成型文件格式STL将三维数字化模型输入3-D打印机。（2）打印过程：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料利用激光束或热熔喷嘴等方式，在平面方向X-Y方向黏结成截面形状，然后在Z坐标方向将各层截面进行逐层叠加，粘合起来从而制造出一个实体。与传统的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐层增加”材料的方式来制作三维实体[2]。

3.2 3-D打印技术在外科中的应用 3-D打印技术作为一种新发展的技术，发展迅速，目前已在工业制造、生物医疗等得到了长足发展，并取得了一定的成效，近年来已逐渐应用于骨科领域，完善了骨科复杂手术的术前准备，使手术由复杂变简单化。它通过采集术前CT、X线等影像数据，经过CAD计算机软件处理，输入快速成型机器，制成实体硬组织一致的模型，有助于术前准确了解硬组织的细微解剖结构及病变与周围结构的关系，提示截骨线、骨块移动的位置信息等，起到指导手术的作用[3]。在口腔颌面部应用上，Levine等[4]将该技术应用于下颌骨重建术、正颌手术、颌面部创伤修复和颞颌关节重建术等70余例手术，取得良好的重建及手术效果。Mazzoni等[5]通过打印导板，术前模拟引导手术，并在术前及术后和CT影像进行手术的传统术中下颌骨4个解剖位点（髁突外侧点、下颌骨正中点、下颌骨牙弓曲度和髁突空间位置）进行术中具体位置与术前规划的偏差，认为在导板引导下的个性化骨板植入术可大大缩短手术时间，提高手术精确性，尤为在髁突空间位置和下颌骨牙弓曲度作用明显。将该技术应用于脊柱及复杂骨盆手术应用研究方面，有报道取得良好的手术效果。Guarino 等[6]将3-D打印技术应用于10例小儿脊柱侧凸及3例复杂骨盆骨折，结果表明该技术提高复杂骨盆骨折分类的准确性及椎弓根钉植入的准确性，减少医源性脊髓损伤几率，并缩短手术时间。Sun等[7]分别将3-D打印技术应用于骨盆肿瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后设计个性化人工半骨盆假体，取得了满意临床效果。而在一些特异性高的手术上，3-D打印技术不仅可以模拟骨骼实体，还可以根据手术要求制备个体化手术器械。Lee等[8]应用该技术制备了个体化股骨假体和股骨髓腔导向器，使手术更精准，成功为2例石骨症患者施行人工全髋关节置换术。在关节外科应用上，3-D打印技术因其可以为患者“量身定制”个体化模型，使关节置换中假体型号的选择、假体安放位置的准确性以及畸形的矫正程度等技术难题得到解决。这使得关节严重畸形、软组织严重挛缩的患者的术前手术方案的制定简单化、准确化，从而提高关节外科复杂高难度手术的成功率，使手术更精确、更安全。Won等[9]报道利用该技术成功为21例髋关节严重畸形患者制定手术方案术中明显缩短了手术时间、出血量，术后影像学提示假体匹配良好。Sciberras等[10]首次将该技术应用于1例复杂髋关节翻修术，根据3-D打印技术制作的假体，进行详细的术前评估和模拟操作，手术获得了成功。He等[11]利用3-D打印技术制备了半膝关节和人工骨模具，分别通过快速铸造和粉末烧结成型技术制备出个体化钛铝合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨，并将组装后的复合半膝关节假体植入患者体内，术后随访表明该复合半膝关节假体与周围组织、骨骼匹配良好，并且具有足够的机械强度。

本院应用3-D打印技术应用于全膝关节表面置换术，有利于制定最佳手术方案，指导开展个体化关节外科手术，术前有效确定植入物的类型、大小和位置，使手术操作更精准，手术一次性完成，减少了操作、术中使用工具数量，从而减少了手术时间，取得了良好的临床疗效。这与报道的临床实践相符合[12]。

3.3 3-D打印技术目前存在的缺点 3-D打印技术可以将抽象的三维数字模型转变成为直观、立体的实物模型，降低了高难度手术的术前准备、减少了手术时间、提高了手术的成功率，作为一项革命性的新技术，其颠覆了传统医疗模式。但3-D打印目前仍然存在使用上的缺点。（1）因该项技术尚未得到广泛推广，3-D打印的使用费用高，包括3-D打印设备的购置、运行，打印材料及相关专业人员费用，大多数患者不能承担其费用，在部分地区仅用于医学研究。（2）打印材料不能满足临床医学的需求。目前大多打印的假体因其材料使用有限，不具有生物相容性、可降解性，大多仅用于模型供术前准备，而不是作为实体安放于体内。（3）3-D技术因打印模型的个体化，使得在打印部分要求较高的模型时，耗时时间较长，且该项技术要求院内学科合作，这使得急诊手术在3-D打印技术中不占优势。

3.4 3-D打印技术在关节外科应用中的展望 尽管3-D打印在目前存在部分缺点，但其在未来关节外科发展中必会起到决定性的作用。目前在生物医学领域，3-D打印技术已被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造，以及细胞或组织打印等方面[13]。3-D打印技术被广泛应用于组织工程骨和软骨研究领域，在关节外科修复重建领域展示了良好的应用。采用3-D打印技术制备的组织工程支架材料不仅具有与缺损组织相匹配的解剖外形，同时也具有满足细胞黏附、增殖的内部三维多孔结构[14]。Billiet等[15]应用该技术辅以微米、纳米技术，可根据需要设定特定的孔隙率、交联，显著提高支架的生物学及力学性能，使其有利于细胞黏附、增殖、分化，从而促进骨组织生长及骨折愈合等。Lee 等[16]和Woodfield等[17]将3-D打印的骨软骨支架应用于动物实体，取得良好的效果。Xu等[18]利用静电纺丝和喷墨打印相结合的方法制作组织工程软骨。将活细胞和支架材料一同打印是3-D打印技术在关节外科基础研究领域应用的进步性标志，但如何实现细胞在支架内按照预制组织结构进行精准分布、如何构建营养通道血管、如何提高打印组织的机械性能等，都是未来研究方向[18]。随着3-D打印技术的不断发展，自体“生物型人工关节”将在未来成为可能。

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医学论文表与图的写作要求

一、制表的基本要求

1.重点突出，简单明了，主谓分明，层次清楚。

2.结构完整，有自明性，表的内容不要与文字、插图重复。

3.表中的量、单位、符号、缩略语等须与正文一致。

二、图应具有自明性，即只看图、图题和图例，不阅读正文，就可理解图意；内容不要与文字、表格重复；类型应与资料性质匹配。

1.线条图要求线条均匀、主辅线分明，并使数轴上刻度值的标法符合数学原则。

2.照片图要求有良好的清晰度和对比度，层次分明，反差适中，没有杂乱的背景。

3.图高度与宽度的比例一般掌握在5∶7左右。

4.图中的量、单位、符号、缩略语等须与正文一致。

The Clinical Application of 3-D Printing Technology in Total K nee Arthroplasty

ZHANG Wei，J IN Yulin.//Medical Innovation of China，2014，11（24）：130-134

Objective：To analysis clinical efficacy of 3-D printing technology in total knee arthroplasty.Method：Six patients with total knee resurfacing arthroplasty， 3-D printing used preoperative， production joint model， osteotomy amount， osteotomy angle were mesured， knee prosthesis developed in line with the measured data preoperative. The operative time， prosthesis match were measured implant intraoperative， and knee functional activities in short term was assessed by HSS knee score.Result：The prosthesis developed in line with the preoperative used in six patients，the operative time and blood lost were reduced than in the past， knee function was good according to HSS knee score，infection， prosthetic subsidence， limited joint function did not appeard.Conclusion：3-D printing technology for total knee arthroplasty reduces surgical difficulty， the operative time and blood lost are reduced， knee function well postoperative， it is a trend of future development.

3D printing technology； Total knee arthroplasty； Clinical efficacy

10.3969/j.issn.1674-4985.2014.24.045

2014-04-01） （本文编辑：蔡元元）

①云南省普洱市人民医院 云南 普洱 665000

张伟

First-author’s address：The People’s Hospital of Puer，Puer 665000，China