个体化数字导板结合3D打印技术在旋转铰链型人工膝关节置换术中的应用

潘 伟 郝永强 严孟宁 戴尅戎

膝关节（股骨下端及胫骨上端）为骨恶性肿瘤的好发部位，随着新辅助化疗的广泛开展，越来越多的学者主张保肢治疗。目前研究［1］表明，肿瘤局部合理处理联合术后综合治疗（化疗、放疗）的保肢疗法5年生存率与截肢术相当。近年来随着人工关节制作工艺的改进及个性化设计的发展，旋转铰链型人工膝关节置换术显示出较多优势。但由于骨肿瘤解剖部位复杂，且手术难度大，技术要求高，常规的关节置换术仍达不到满意的效果。为了达到精确切除肿瘤并尽可能恢复患膝功能的目的，我院采用个性化数字导板结合3D打印技术辅助旋转铰链型人工膝关节置换术治疗16例膝关节肿瘤患者，初步随访显示临床效果满意。现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2011年6月至2014年7月，收治膝关节肿瘤患者16例（16膝），其中男9例，女7例，年龄16～63岁。所有肿瘤均为原发性，其中骨肉瘤15例，骨巨细胞肉瘤1例。肿瘤发生部位均为胫骨近段。Enneking分期Ⅰa期1例，Ⅰb期5例，Ⅱa期7例，Ⅱb期3例。对所有患者均实施全膝关节置换术。

1.2 人工关节

所有患者均采用旋转铰链型人工膝关节（上海晟实医疗科技有限公司）。旋转铰链型人工膝关节由金属股骨髁、胫骨平台、聚乙烯垫片及锁定装置4个部分组成，其中金属胫骨平台包括向足端延伸的胫骨近段。假体金属部分由钴铬钼合金制成，有左、右之分。假体关节活动度：水平面呈±10°旋转，轴向3 mm活动，矢状面上关节活动度0°～125°，假体自带6°外翻角。股骨假体与胫骨假体之间有锁定装置，两者不易脱位。对于截骨较多的患者，可根据切骨范围选择大小不同的股骨假体及胫骨假体进行组合。

1.3 膝关节三维解剖模型建立与导板设计

术前患者行下肢64排螺旋CT（扫面电压120 kV，电流时间积205.59 mAs，扫描层厚小于1 mm）及3.0T MRI扫描。将扫描获得的病变骨骼断面图像以DICOM格式导入Simpleware三维建模软件，运用Threshold、Floodfill等功能分别重建病变部位骨及软组织的三维解剖模型。将根据CT图像重建的硬组织模型与根据MRI图像重建的软组织模型在Simpleware软件CAD模块中进行装配，生成骨肿瘤复合三维模型。将STL格式的复合模型导入Geomagic逆向工程软件中，定位三维参考平面，确定肿瘤切除范围及假体安装方案，设计截骨导板（图1、2）并以STL格式输出。将输出的截骨导板STL格式文件导入快速成型机前处理软件，应用熔融沉积成型技术制备病变骨骼模型和截骨导板。

1.4 手术方法

采取全身麻醉，取平卧位，常规安装下肢充气止血带以备术中使用。切口起自髌上约4～5 cm处，止于胫骨拟截骨水平远侧2～3 cm处。切口上部经股直肌内侧及股中间肌进入膝关节，绕髌骨内缘切开，在髌骨内缘保留部分股四头肌扩张部以利于缝合，沿髌韧带内缘切开至胫骨粗隆。沿该切口向远侧切开深筋膜及骨膜，向内外侧进行肌肉间剥离，将骨膜及一层肌肉保留在肿块上。切开近侧胫腓关节，注意保护腓总神经，并尽量保留外侧副韧带。横断十字韧带和内侧副韧带，根据术前计划横断胫骨，截骨前先在胫骨正前方作刻痕标记，再将胫骨近段连同肿瘤一并切除。股骨远端假体安装时，先安装截骨导板（图3）以引导截骨，再进行肿瘤精确切除。冲洗伤口后，先置放股骨侧标准假体，胫骨近端肿瘤切除后扩大髓腔，再置入髓腔栓安装假体并进行骨水泥固定。假体前方标记应正对胫骨残端上的刻痕，紧压假体至骨水泥固化。根据垫片试件选择并置入适当厚度的聚乙烯垫片，置放旋转轴（缓冲销）。髌韧带编织后固定于胫骨假体上端的金属缝合孔中。以腓肠肌内侧头肌瓣转移覆盖人工关节，并将转移的肌瓣缝合至髌韧带上进行加强，以重建伸膝装置。冲洗后留置负压引流，关闭切口（图4）。

1.5 术后处理

术后早期需进行康复锻炼，以免重要肌群废用性萎缩。术后早期要求患者在床上进行股四头肌收缩训练，术后3周开始进行主动膝关节屈伸活动，根据情况决定患者扶拐下地行走时间。

2 结果

术中输血400～600 mL，平均450 mL，平均手术时间3 h。所有肿瘤均包膜外完整切除，术中肿瘤边界冰冻切片均呈阴性。术后患肢血供良好，无感染发生，伤口一期愈合，常规予以化疗。所有患者均能在术后4～6周扶单拐或弃拐行走，术后3个月恢复室内活动和室外行走，行走时无步态不稳定感，能上下楼梯。所有患者均行胫骨近段截除、假体置换及髌韧带重建，其中15例术后伸膝功能恢复满意，伸膝时能对抗中度以上阻力并能维持立姿，另1例术中发现胫骨侧血管畸形，术后患肢循环血供较差，经再次手术减压、清创无效后获得家属同意予以截肢，术后恢复良好。所有患者均获随访，随访时间为5～44个月，平均31个月。除1例术后行截肢术外，其余患者均根据Enneking骨骼肌肉肿瘤术后下肢功能评定标准进行评定［2］，结果优9例，良5例，差1例，总优良率达88.1%。术后膝关节活动度为伸膝0°、屈膝90°～115°（平均106°）。有4例（骨肉瘤3例，骨巨细胞肉瘤1例）出现局部复发或远处转移，术后肿瘤药敏试验显示为不敏感，其中1例骨肉瘤术后6个月发现肺部转移灶，随后给予肺部病灶γ射线治疗联合放疗，术后15个月局部复发，进行截肢，术后20个月死亡；1例骨肉瘤复发后行局部病灶切除联合化疗，术后5个月出现肺部转移，术后8个月死亡；1例骨肉瘤术后出现肺部转移，进行化疗，于术后19个月因肺部转移瘤继发肺部感染而死亡；1例骨巨细胞肉瘤术后局部复发伴肺部转移放弃治疗，至末次随访仍带瘤生存。其余患者无局部复发或转移征象。本组患者出现假体断裂1例，无感染、皮肤局部坏死、腓总神经损伤及假体脱位等并发症发生。

图1 、2 截骨导板模型

图3 术中截骨导板使用

图4 典型病例：患者男性，54岁，右侧胫骨近端骨巨细胞瘤，行局部病灶刮除术，术后2年复发 a.术前X线片示右胫骨近端骨质破坏 b、c.膝关节重建术后X线片

3 讨论

膝关节周围肿瘤切除后重建包括生物学重建和机械性重建，生物学重建主要有瘤段切除灭活再植术、带血管的自体骨或异体骨移植重建术，机械性重建主要是各种类型人工关节置换术。由于人工关节置换术具有肢体功能恢复满意、手术操作相对简单等优点，目前已成为肿瘤切除重建的主流和发展方向。多数学者［3］经长期跟踪随访认为，人工关节置换术具有并发症少、恢复快、功能好等优点。近年随着CAD和3D打印技术的兴起［4］，一些学者开始将其用于辅助骨肿瘤切除、假体安装等，并取得一定效果，术前应用CT、MRI等图像融合技术可准确确定骨肿瘤界限。三维模型在术中可辅助切除骨肿瘤，以利于减少手术创伤、缩短手术时间、减少术中出血量和降低并发症发生率等。而3D打印技术的应用使得重建的膝关节更符合生理需求，减少了假体松动现象，提高了患者满意度。模拟手术可预先获知在术中可能遇到的问题，事先实施预防性措施，通过比较各方案的优劣程度找出最佳的手术方案，且术前还可在计算机上反复预演，加深对手术方案的熟练掌握。此外，术前给患者及其家属进行三维模型模拟展示，可减轻患者心理负担，提高患者自信心。

人工膝关节根据功能主要分为单轴铰链型和旋转铰链型。单轴铰链型人工膝关节为全限制性人工关节，只能提供矢状面上的伸屈活动，应力较集中，易导致松动或断裂及加快垫片磨损，且术后假体松动发生率较高，并可出现膝前痛等并发症，目前已很少用于临床。近年膝关节生物力学研究［5］显示，行走时膝关节伸屈活动度为0°～69°，同时伴有内外旋（4.1°～13.3°，平均8.6°）和内外翻（平均11°）。本研究所采用的旋转铰链型人工膝关节在设计上充分考虑了这一生物力学特点，基本克服了单轴铰链型人工膝关节的缺陷，独立的铰链装置有效地将股骨、胫骨侧假体及聚乙烯垫片串联起来，且可制约小腿前后向与侧方平移，并提供10°以内的内外翻，允许轴性旋转。膝关节旋转中立位时，垫片凹面与股骨关节面相嵌合，即两者叠合后的总厚度最小。膝关节旋转后，垫片凹面与股骨关节面叠合后的总厚度逐渐增加，使关节周围的软组织张力随旋转角度的增加而增大，从而制约了进一步旋转，同时加强了膝关节稳定性，并促使其恢复原位。该膝关节置换术操作简单，易在术中调整厚度并置放假体。在进行肿瘤切除和假体置放时，要求对位准确，假体置放偏移可能导致膝关节力线改变，出现髌骨不稳、术后疼痛等，最终发生假体松动［5］。胫骨近段切除后需进行髌韧带止点及伸膝装置重建。在假体设计与手术技术上应注意：①在假体胫骨粗隆部制备髌韧带固定装置，戴尅戎等［5］采用的带凹槽固定装置取得很好效果，但由于安装步骤较为复杂，需要髌腱远端保留部分骨片以便于嵌入凹槽，因此不适用于髌韧带远端有肿瘤浸润的患者，本研究中我们在原有基础上对胫骨假体作了不同水平的缝合孔道，以便于编织后的髌韧带或人工髌韧带固定，不同平面的孔道设计提供了术中调试余地，同时对孔道出口进行打磨处理以免切割编织线；②伸膝装置重建，即应用腓肠肌内侧头肌瓣转移覆盖人工关节，并将转移的肌瓣缝合至髌韧带上进行加强，从而尽可能地恢复患肢伸膝功能，同时满足对人工关节的软组织覆盖，以避免发生术后感染。

［1］ 李佩佳，赵汉平，宁志杰，等.可旋转铰链式膝关节在骨肿瘤保肢术中的应用［J］.中国矫形外科杂志，2005，13（23）：1771－1773.

［2］ Enneking WF，Dunham W，Gehhardt MC.A system for the functional evaluation of reconstructive procedures after surgical treatment of tumors of the musculoskeletal system［J］.Clin Orthop Relat Res，1993，286：241－246.

［3］ 李东升，冯峰，王新江，等.旋转铰链型人工膝关节置换治疗膝部恶性骨肿瘤［J］.中国矫形外科杂志，2006，14（21）：1620－1621.

［4］ He J，Li D，LU B.Custom fabrication of a composite hemi－knee joint based on rapid prototyping［J］.Rapid Prototyping J，2006，12（4）：198－205.

［5］ 戴尅戎，倪诚，王成焘，等.定制型膝肿瘤假体的设计与临床应用［J］.中华骨科杂志，2003，23（10）：606－610.