3 D打印技术辅助下行全膝置换术与传统全膝置换术的比较

王增辉，朴成哲*，孙明，周宏宇

3 D打印技术辅助下行全膝置换术与传统全膝置换术的比较

王增辉1，朴成哲1*，孙明1，周宏宇2

（1.沈阳医学院附属中心医院，辽宁 沈阳 110024；2.沈阳医学院附属第二医院）

3D打印技术即三维结构打印技术，是通过3D打印机，以数字模型文件为基础，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体。通过3D打印技术打印个性化截骨组件辅助下行全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）比传统TKA有以下优势：采用个性化切模、无需髓内定位器、术中假体安放简便、有效降低术中出血量和心脑血管栓塞并发症的发生率。3D打印技术辅助下行TKA可提前模拟手术并制定最佳手术方案，以达到术中精确定位、减少手术用时、个体化精准治疗的目的，这是医学未来发展的趋势。

3D打印技术；全膝关节置换术；数字模型文件

全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是目前全世界治疗膝关节晚期骨性关节炎病变最为有效常用的手术方式，通过行TKA及术后相关的功能锻炼，可使患者恢复膝关节的正常行走功能，疗效确切［1-4］。每年全世界完成超过100万例TKA［5］。由于全球人口的老龄化问题和人们对生活质量要求的不断提高，使得关节置换手术的数量显著提高，估计到2030年行TKA的患者将增加数倍［6］。3D打印技术即三维结构打印技术，是通过3D打印机，以数字模型文件为基础，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体［7］。相对于传统TKA，3D打印技术辅助下行TKA具有较多优势。统本文对3D打印技术辅助下行TKA与传统TKA的比较进行了综述。

1 传统T K A简介

对中晚期骨性关节炎及膝关节顽固性疼痛的患者通常采用TKA手术方式治疗。随着对传统TKA的不断认识及研究，骨科医生发现传统TKA存在一些缺陷，如术后感染、失血、假体松动、假体与周围软组织的撞击等，这些缺陷均可导致植入假体的早期失效或假体使用的时间减短，假体的失效将导致患者面临再次手术或多次手术的结果，使得治疗周期延长及治疗费用增高，而且大多数的结局是导致患者存在一定的功能障碍，其中患者的失血量是影响患者术后康复的主要因素之一［8-11］。传统TKA需安放股骨髓内定位杆等定位器械进行定位，这一操作增加了出血量及脂肪栓塞发生的风险，并且由于反复多次的使用同一截骨组件易造成器械的磨损并增加了以后进行截骨的不精确性［12］。由于股骨解剖标志大多扪及不清，在传统TKA中股骨髓内定位导向器对股骨侧的截骨非常重要，入口的位置对股骨远端截骨存在着巨大的影响，可在矢状面上造成5度的偏差，故术前应仔细阅读X线片，看是否存在髓腔过宽或股骨弓过大，这些都会导致术中导向错误。股骨髓外定位导向器一般只在当股骨外弓畸形严重，骨折后畸形愈合，髓腔狭窄或同侧股骨被其它内置物堵塞时才使用，而且不能用它作为主要标志。因此传统TKA股骨侧还是主要以髓内定位导向器为主，并且股骨前后截骨决定着股骨假体的旋转对线以及屈曲间隙的形状，外旋过大将导致内侧屈曲间隙增加，导致膝关节屈膝位不稳定，股骨假体内旋可导致髌骨向外侧倾斜，髌股关节不稳等问题。通常用内外髁连线，前后轴线，股骨后髁及胫骨近端截骨面这几个轴线来确定股骨假体的旋转对线。胫骨近端的截骨相对简单一些，截骨角度应与胫骨力线垂直，胫骨后倾截骨角度一般与假体相关，现大多数假体的聚乙烯衬垫已包含3度后倾，这种设计使其能够获得更加准确的后倾角度，胫骨截骨时应避免髌韧带及侧副韧带的损伤［13-14］。

2 3 D打印个性化截骨组件行T K A与传统T K A的比较

2.1 3D打印技术 3D打印技术已被广泛地应用于各个领域。由于3D打印技术可以将计算机中的数字模型转换为实物的优点，目前已被临床所应用［15-17］，其在医疗领域中主要用于制造器官、手术器械、实物模型、人工假体等［18］。

2.2 3D打印个性化截骨组件行TKA与传统TKA的比较 由于传统的TKA缺乏客观标准及更科学化的手术方案，使术中准确定位截骨、假体型号选择及假体的位置安放难以达到个体化，超过65%的早期手术失败的主要原因是术中假体安放位置不佳、下肢力线不准确［19-20］，这些都是临床医生现在迫切想解决的问题。传统TKA手术中使用的截骨组件仅适用于四分之三的手术患者，而其余的四分之一接受手术的患者理想截骨角度与通用截骨组件角度差异较大，特别是对膝关节骨性关节炎存在严重的内翻畸形、外翻畸形及关节软骨完全丢失的患者［21］。传统TKA由于以上的各种原因均可缩短假体的使用年限，并且传统TKA的手术器械多而杂、术中截骨组件安放复杂费时，进而需要主刀医生根据大量的骨性标志安放截骨组件进行截骨。截骨成功的标准的主要有以下几个原则：假体大小适合，假体位置能使下肢力线恢复正常，屈曲伸直位均能达到软组织平衡及很好的髌骨轨迹。如果主刀医生对手术器械的使用不够娴熟、对下肢力线判断不够精确或者是其他任何的小差错，都会导致截骨不够精确、假体早期失效、膝关节软组织不平衡等严重问题［12］。在行TKA手术过程中精准的解剖定位及娴熟的使用截骨组件是手术成功的主要因素。3D打印个性化切模辅助行TKA术中所用的个性化截骨组件，是术前通过用计算机软件对患者从髋关节到踝关节的CT扫描信息进行三维重建数字模型，再进行测量、切割设计出最佳截骨组件［22］。在计算机上使用快速成形技术与图形拟合技术来确定截骨角度及假体横截面的对线，并通过3D打印机打印出截骨组件及1：1的股骨远端和胫骨近端。在手术前通过预先打印出的个体化截骨组件对股骨及胫骨进行截骨，并预先选择最适合患者的膝关节假体型号，术中截骨完全依照术前在计算机里所设计的截骨角度进行截骨以恢复下肢正常的力线，而不是传统手术截骨组件的通用截骨角度，而且使用3D打印技术打印出来的个性化截骨组件不需要使用其它的任何导向器，不需要考虑股骨髓内导向器入口的偏差对截骨的影响及股骨前后截骨对旋转对线的影响，而且能有效地减少患者的出血量和脂肪栓塞等并发症的发生率。研究表明，行单侧传统TKA手术的患者超过50%需要输血，其术中出血量大约为100～500 ml，术后引流量大约为300～800 ml，隐性失血量大约为 500～800 ml［23］，估计总失血量可高达 1 000～1 500 ml［24］。传统 TKA 手术的多数患者需要输血治疗，而输血治疗本身又存在着很多的潜在风险［25-28］。自体输血虽然降低一些风险，但其需要更多的医疗费用。行传统TKA手术股骨截骨时进行股骨髓腔定位时股骨髓腔被打开，在这个过程中可造成松质骨及髓内血管的损坏，导致股骨髓腔大量渗血，进而导致术中及术后失血量增多［29-30］。3D打印技术是通过术前在计算机上使用快速成形技术与图形拟合技术确定截骨角度和假体横截面的对线，从而使下肢力线恢复到最适角度，假体安装更为合适，膝关节假体周围软组织更加平衡［7］。个性化截骨模块的使用使得手术时间得以缩减和手术器械消毒费用减少。3D打印技术是使TKA的假体对线达到准确、创伤更小的新技术，但其在影像资料和制作截骨组件上需要花费一些费用，并且在与患者交流的时候不能将此技术称为“定制的TKA假体”，此种说法曾被用于商业目的。刘峰等［31］通过研究3D打印个性化切模辅助下行TKA与传统TKA在手术时间、术中失血量、术后引流总量、术后3个月膝关节HSS评分等指标上进行对比，结果表明3D打印个性化切模辅助下行TKA在手术时间、术中失血量、术后引流量及术后3个月膝关节HSS评分等方面要明显优于传统TKA，差异有统计学意义。另外吴东迎等［12］通过对40例初次行单侧TKA的患者研究发现，应用3D打印截骨组件辅助的TKA手术比常规TKA手术具有手术时间更短、出血量更少等优点。

综上所述，将3D打印技术应用于TKA中，是医学与现代科学技术的巧妙结合。在TKA手术中应用3D打印技术打印个体化截骨组件辅助行TKA手术的技术已经非常成熟了，只需术前采取患者髋关节到踝关节CT影像学数据，并在计算机上通过使用快速成形技术与图形拟合技术来确定截骨角度及假体横截面的对线使下肢力线恢复正常。术前预测术中使用假体大小、截骨面和截骨的角度，使手术过程更加简单化。另一个优点是应用3D打印个体化截骨组件辅助下行TKA手术时无需打开股骨髓腔，将减少股骨髓腔术中及术后的出血。通过3D打印技术打印个体化截骨组件辅助下行TKA手术具有个体化、精准化、缩短手术时间、减少创伤等优点，手术技术的提高将减少术后并发症［32］。

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Comparison of Conventional and 3D Printing-assisted Total Knee Arthroplasty

WANG Zenghui1， PIAO Chengzhe1*， SUN Ming1， ZHOU Hongyu2
（1 The Central Hospital Affiliated to Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China；2.The Second Affiliated Hospital of Shenyang Medical College）

Three-dimensional（3D） printing technology refers to processes used to create a three-dimensional object in which layers of material are formed using digital model data from a 3D model under computer control to create an object.Compared with the conventional total knee arthroplasty（TKA），3D printing-assisted TKA possesses the advantages of personalized block printed from a 3D model， no intramedullary nail locator， simple replacement of prosthetic components， reduced intraoperative blood loss and decreased incidence of cardiovascular and cerebrovascular complications.3D printing-assisted TKA can simulate the operation in advance and develop the best surgical program to achieve accurate positioning during surgery， reduce the operation time， and achieve individualized precision treatment，which is the future of medical development.

3D printing technology； total knee arthroplasty； digital model data

R687.4

A

1008-2344（2017）06-0527-03

10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.06.020

朴成哲（1963—），男（朝鲜族），主任医师，研究方向：骨关节外科.E-mail：25739996@163.com.

2017-03-27

（毛亚萍编辑）