3D打印在伴有股骨侧关节外畸形初次膝关节置换术中应用体会

韩文锋，　王　宁，　刘欣伟，　何　勇，　孙保飞，　张敬东，　侯明晓

沈阳军区总医院 骨科 全军重症战创伤救治中心，辽宁 沈阳　110016



·3D打印技术·

3D打印在伴有股骨侧关节外畸形初次膝关节置换术中应用体会

韩文锋，王宁，刘欣伟，何勇，孙保飞，张敬东，侯明晓

沈阳军区总医院 骨科 全军重症战创伤救治中心，辽宁 沈阳110016

目的探讨3D打印技术在伴有股骨侧关节外畸形的初次全膝关节置换术(TKA)中的应用。方法选取沈阳军区总医院自2013年7月至2016年1月收治的伴有股骨侧关节外畸形患者8例，应用 3D打印技术辅助初次膝关节置换。结果所有8例患者均获得1～3年的随访。HSS评分由术前的平均34.5分提高至术后的平均87.0分。下肢机械轴线由术前的平均内翻偏移14.6°改善至术后的平均内翻偏移2.1°。未见感染，骨延迟愈合、不愈合，血栓栓塞等并发症，中远期疗效良好。结论应用3D打印技术辅助的TKA可有效恢复下肢机械轴线，并且能够简化手术过程、缩短手术时间，术后临床效果满意。

3D打印技术；骨关节炎；膝；畸形；关节成形术；置换

全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)的长期生存率取决于术中精确的软组织平衡和术后下肢力线的良好恢复[1]。当存在膝关节外畸形时，需要通过精准的膝关节内截骨才能恢复患肢的机械轴线，而股骨侧的畸形更是极大的增加了术中截骨的难度。股骨的畸形大多是由骨折后的畸形愈合导致。代谢性骨病、应力性骨折、股骨过度的弯曲、既往截骨矫形手术史也是导致股骨畸形的重要原因[2]。股骨侧的畸形导致股骨远端截骨髓内定位杆置入困难甚至无法置入，而3D打印技术的出现，有效地解决了这一问题。目前，该技术已经应用于骨科临床，用于手术辅助材料以及手术内植物的打印[3-5,8]。由于伴有膝关节外畸形的膝关节初次置换手术难度大、病例少见。本研究对沈阳军区总医院自2013年7月至2016年1月收治的股骨侧关节外畸形8例患者应用 3D打印技术辅助初次膝关节置换，取得了满意的疗效。现报道如下。

1　对象与方法

1.1研究对象选取伴有股骨侧关节外畸形患者8例。其中，男性5例，女性3例；年龄39～72岁，平均年龄63.9岁。男性患者均为股骨骨折畸形愈合导致的膝关节外畸形；女性患者为代谢性骨病导致的股骨过度弯曲。所有患者的股骨畸形仅累计冠状面和矢状面中的一个平面。见表1。

1.2治疗方法

1.2.1术前准备所有患者术前均行患肢正侧位、站立位、双下肢全长正位、患肢股骨全长正侧位X线及患侧下肢全长CT薄扫(0.625 mm)及重建。使用CT所得数据通过计算机模拟膝关节周围截骨、重建下肢立线，应用3D技术(爱康公司)打印出患肢膝关节模型及截骨导板。术前再次利用3D模型，经科室讨论，设计出成熟的手术方案，明确手术禁忌证，给予膝关节置换术。

1.2.2手术方法手术按照常规膝关节置换方法，全身麻醉，患者取仰卧位，选择膝关节正中切口，沿髌骨内缘切开关节囊，切除滑膜囊，将髌骨向外侧翻开，屈曲膝关节显露关节内结构，清理增生滑膜，切除前、后交叉韧带及半月板。特制骨刀清除胫骨平台表面软骨，将3D打印的胫骨近端导板紧密贴合胫骨近端骨皮质，通过导板完成胫骨近端截骨。清除股骨髁表面软骨，将3D打印的股骨远端导板紧密贴合在股骨远端前侧骨皮质及股骨髁表面，在导板指引下对股骨远端进行截骨，截骨外翻角度及截骨量于术前由计算机计算完成，无须术中反复测算。截骨过程中不打开髓腔(无须髓内定位杆)。放置间隙测块，测试下肢立线及伸直间隙。根据测试，适当地行软组织松解。股骨远端截骨根据术前计算机模拟的假体型号选择对应的四合一截骨块对股骨进行截骨，胫骨常规截骨。安装试模满意后，脉冲枪冲洗膝关节。截骨面铺垫骨水泥，安装膝关节假体及垫片，测量力线良好。放置负压引流管，逐层缝合。

表1　本组8例患者一般资料

1.2.3术后处理术后给予抗凝、抗感染、止痛、补液等对症处置。术后24～48 h拔除引流管，复查患肢膝关节正侧位X线。术后第3天，指导患者患肢功能锻炼方式以及在助行器辅助下下床行走。术后第8天，复查站立位双下肢全长正位X线。术后第12天，拆线出院。

1.3观察指标观察并记录患者术后并发症发生情况，统计患者HSS评分[6]以及机械轴线内翻角度。

2　结果

所有8例患者均获得1～3年随访。所有患者术后HSS评分均较术前有明显的提高。患肢机械轴线由术前的平均内翻(14.6°±6.4°)改善至术后平均内翻(2.1°±0.9°)，差异有统计学意义(P<0.05)。末次随访时，膝关节活动度平均(110.0°±15.0°)，与术前平均(78.5°±13.5°)比较，差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。所有患者围术期均未发生感染、栓塞等并发症。5例患者术中、术后均未输血。

表2　本组8例患者术前、术后疗效比较±s)

注：与术前比较，①P<0.05

3　典型病例

患者男性，58岁，股骨骨折术后多年，股骨仍留有畸形，后继发膝关节骨性关节炎。患者术前行常规下肢全长正位及双膝关节正侧位X线检查，双下肢CT薄扫。应用3D打印技术，打印出患肢膝关节模型及截骨导板。术中常规使用膝关节假体行膝关节置换术。见图1～3。

图1　3D打印单膝关节置换术前后正侧位X线影像对比(a.术前；b.术后2 d)

图2膝关节模型及截骨导板术前设计(患侧下肢全长CT薄扫所得数据对患肢进行重建，排除胫骨平台及股骨颗处表面软骨的干扰，由计算机设计相应的截骨角度及厚度，打印出截骨导板及股骨远端、胫骨近端模型)

图3　膝关节置换术术中操作(术中安放截骨导板前，使用特殊器械刮除胫骨、股骨表面软骨，使用截骨导板须紧密贴合)

4　讨论

临床上，伴有股骨侧膝关节外畸形的膝关节初次置换患者十分少见。股骨侧的畸形使患肢机械轴线发生明显改变。这极大地增加了膝关节初次置换手术的难度。因此，术前手术方案的制定十分重要。传统的手术方式不能直观地了解畸形的具体情况，难以在术前明确关节内截骨的方法。这只能依靠手术医师的临床经验或通过关节外截骨，来实现患肢机械轴线的恢复。关节外截骨存在以下缺点：(1)患者需要多次手术，住院时间长、花费大；(2)手术时间长、创伤大，术中、术后失血量多；(3)矫正畸形的失误率大；(4)出现术后并发症的概率大，如肺栓塞、感染、创口不愈合等[7]；(5)使用特殊的关节假体及钢板等截骨材料，增加患者住院费用；(6)股骨侧的畸形导致股骨髓腔定位困难。

3D打印技术在临床上的应用是医学界的一大进步。3D打印的试模与患者的生理结构完全一致，术前就可以对患者的病情有直观的了解。术前应用3D打印的试模设计成熟的手术方案，并且可以在试模上行预截骨，直至取得满意的截骨方式。3D打印出的截骨模板使用方便，无须开髓定位，安装后截骨准确，提高了手术的精准度，节省了手术时间，降低了手术难度，降低了因开髓等操作导致的并发症发生率。使用3D打印技术辅助复杂的膝关节置换是未来发展的趋势[8]。膝关节置换术中股骨侧截骨的精确度十分重要，直接影响术中假体安放的情况，进而影响患者术后假体的使用年限。传统的截骨方式需要反复多次的试模，使用大小不同型号的模具逐个比对，术者的主观成分居多。对合并股骨侧畸形的情况，不论髓内还是髓外定位都难以获得准确的下肢立线。3D打印的截骨导板依据患者的个人数据打印截骨模具，截骨客观、准确、快速。应用3D打印技术辅助膝关节置换需要注意的要点：(1)对患者使用高分辨率的CT检查，扫描范围应包括患侧的全下肢CT薄扫；(2)由于关节软骨在CT扫描中不显像，因此，手术时须充分清楚关节表面软组织及软骨，使截骨导板与患者股骨、胫骨骨性接触充分；(3)手术费用相对增加。本研究尚存在许多不足，其中首要的就是纳入的病人数量较少，仅为8例，所得数据具有的临床指导意义有限。其次，本次研究的最长随访时间为3年，最短随访时间为1年，缺少长期随访的数据。

综上所述，3D打印技术应用在伴有股骨侧关节外畸形的初次膝关节置换术中，可以明显缩短手术时间、减少出血量、降低手术难度。但由于本研究为单中心研究，需要进一步联合多个关节置换中心做大样本数据统计，所得结果的准确性会更高。

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3D printing technology in the primary total knee arthroplasty with severe extra-articular femoral deformity

HAN Wen-feng,WANG Ning,LIU Xin-wei,HE Yong,SUN Bao-fei,Zhang Jing-dong,HOU Ming-xiao

(Department of Orthopedics,The General Hospital of Shenyang Military Command,Shenyang 110016,China)

ObjectiveTo explore 3D printing technology in the primary total knee arthroplasty(TKA)with severe extra-articular femoral deformity.MethodsA retrospective study was performed on 8 patients with severe extra-articular femoral deformity who received 3D printing technology in the primary TKA in The General Hospital of Shenyang Military Command from July 2013 to January 2016.ResultsAll 8 patients received 1-3 years of follow up.The mean HSS score increased from preoperative 34.5 points to postoperative 87.0 points.The average deviation of mechanical axis of lower limb was improved from preoperatively 14.6°of varus excursion to postoperative 2.1°of varus excursion.No complications such as infection,delayed union,nonunion or DVT were found,the medium and long term curative effect was good.ConclusionThe application of 3D printing technology assisted TKA can effectively restore limb mechanical axis,simplify the operation process,shorten the operation time,and postoperative clinical effect is satisfactory.

3D printing technology;Osteoarthritis;Knee;Abnormality;Arthroplasty;Replacement

韩文锋(1977-)，男，黑龙江哈尔滨人，副主任医师，硕士

张敬东，E-mail:zhangjingdongdr@163.com；

侯明晓，E-mail:houmingxiao188@163.com

2095-5561(2016)05-0260-05

R687.4

A

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.02

2016-09-06