3D打印技术在人工膝关节置换术中的应用价值研究

赵意华 杨志远(.郑州大学第五附属医院 脊柱骨病科 河南 郑州 450000； .焦作市第二人民医院 河南 焦作 45400)

3D打印技术在人工膝关节置换术中的应用价值研究

赵意华1杨志远2
(1.郑州大学第五附属医院 脊柱骨病科 河南 郑州 450000； 2.焦作市第二人民医院 河南 焦作 454001)

目的探讨3D打印技术在人工膝关节置换术中的应用价值。方法对2015年1月至2016年6月焦作市第二人民医院骨三科收治的40例行单侧人工膝关节置换术患者的临床资料进行回顾性分析，根据治疗方案不同分为传统手术组和3D打印组，各20例。比较两组患者手术时间、总出血量、下肢力线偏差、术后6个月纽约特种外科医院(HSS)膝关节评分。结果3D打印组患者手术时间短于传统手术组，总出血量少于传统手术组，下肢力线残差小于传统手术组，术后HSS膝关节评分高于传统手术组，差异有统计学意义(P均<0.05)。结论采用3D打印技术辅助行人工膝关节置换术，治疗效果好，可有效缩短手术时间、减少总出血量，显著改善下肢力线。

膝关节置换术；3D打印技术；疗效

膝关节置换术是临床治疗严重膝骨关节疾病的切实有效方法，适用于严重的膝关节疼痛、不稳、畸形、日常生活活动严重障碍，经过保守治疗无效或效果不显著的患者，能够有效恢复患者下肢力线，显著缓解患者疼痛、活动受限等症状[1]。精确的下肢力线是人工膝关节置换术的关键所在，传统的定位法主要依赖术者经验，易出现较大误差。3D打印技术辅助人工膝关节置换术主要是通过术前行CT检查精确测量下肢力线，重建股骨髁及胫骨平台，并设计和制作相应的截骨模具，使得截骨更加精确，进而获得更好的生物学力线，提高患者术后恢复效果，现已成功应用于临床并获得骨科医师及患者的认可[2]。本研究通过回顾性分析接受不同手术方案行单侧人工膝关节置换术患者的临床资料，旨在探讨3D打印技术在人工膝关节置换术中的应用价值。

1 资料与方法

1.1一般资料对2015年1月至2016年6月焦作市第二人民医院骨三科收治的40例行单侧人工膝关节置换术患者的临床资料进行回顾性分析。纳入标准：①原发单侧膝关节重度骨性关节炎[纽约特种外科医院(hospital for special surgery knee score，HSS)膝关节评分<60分]；②既往无膝关节手术史；③膝关节无严重的内外翻畸形及骨缺损；④髌骨活动良好，无明显畸形；⑤同侧髋关节无僵直及脱位；⑥无严重内科疾病及重度骨质疏松。排除条件：术后功能锻炼依从性不佳者(排除术后人为因素)。40例患者中男27例，女13例；年龄为60～78岁，平均(68.5±4.9)岁；行左侧膝关节置换术22例，右侧18例；发病时间为3～15 a，平均(8.9±3.1)a。根据患者手术方式不同分为3D手术组和传统手术组，各20例，两组患者一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05)。3D打印模型由河南理工大学骨科研究所提供技术支持，所采用手术器械及膝关节假体均为同一品牌。

1.2治疗方法所有手术均由同一术者主刀并由同一治疗组医师完成。

1.2.1手术方法 传统手术组患者接受连续硬膜外麻醉，仰卧体位，术前大腿根部预置止血带，常规消毒铺巾；取患膝关节前正中切口，打开关节腔后常规切除增生滑膜及骨赘，切断前后交叉韧带；股骨端采用股骨髓内外翻 5°定位进行截骨，截骨平面垂直于股骨机械轴；胫骨平台采用髓外定位后倾3°进行截骨，处理髁间并去除膝关节后方骨赘，测量安装试模，评估软组织情况，并行相应的软组织松解；大量生理盐水冲洗后，安装膝关节假体，冲洗并清除残留骨水泥，根据术中情况修整髌骨，但不做髌骨置换；常规放置引流管逐层闭合手术切口，术后厚棉垫加压包扎。3D打印组患者术前行双下肢全长及患膝CT扫描，获取数据，计算机模拟分析下肢力线并确定截骨量，个体化设计截骨模具，采用3D打印技术重建1∶1膝关节假体模型，并打印截骨模具；截骨时以模具3个定位接触面为参考，在股骨髁及胫骨平台相应位置，以刮勺刮除局部软骨(由于CT数据不能显示软骨，放置截骨模具时需刮除接触部位软骨层)，安装固定截骨模具后进行股骨髁及胫骨平台截骨，余操作同常规手术。见图1。

A：术前CT下肢力线；B：3D打印模型和截骨模具；C：术后X线片；D：术中模具定位。

图13D打印技术在人工关节置换术中的应用图解

1.2.2术后处理 术后嘱患者抬高患肢，常规应用止痛药物，预防性使用抗生素72 h，术后第2天开始使用低分子肝素抗凝治疗，术后48 h拔除引流管，并记录总引流量；术后第1、3、7天复查血常规、生化，根据实验室检查结果给予患者补液等对症支持治疗。术后即开始行股四头肌收缩及踝泵功能锻炼，术后第3天给予患者CPM机辅助功能锻炼，术后第4天指导患者在助行器辅助下下地行走，复查膝关节X线片，并做CT下肢全长片以了解假体位置并评价下肢力线情况；术后2周切口愈合拆线即可出院；术后第1、2、3、6个月定期来院复查，了解患者恢复情况并给予其功能锻炼指导。

1.3观察指标统计两组患者手术时间、总出血量(术中出血量+术后引流量)，术后第6个月HSS膝关节评分，并根据影像学评估下肢力线情况。

2 结果

3D打印组患者手术时间短于传统手术组，总出血量少于传统手术组，下肢力线残差小于传统手术组，术后HSS膝关节评分高于传统手术组，差异均有统计学意义(P<0.05)。见表1。

3 讨论

有研究表明，人工膝关节置换术的远期疗效与下肢力线的偏差密切相关，下肢力线误差大于3°极易出现膝关节受力不均，导致人工膝关节早期出现松动，关节功能不良[3]。下肢力线的恢复主要取决于准确的截骨和精确的软组织平衡，传统手术主要依靠解剖结构进行髓内机械定位，术中截骨量、角度、假体型号选择及软组织松解与术者经验有一定关系，尤其是对于膝关节严重内外翻畸形及股骨发育畸形或骨折畸形愈合患者，由于缺乏常规髓内机械定位做参考，导致术中更易出现下肢力线偏差[4-5]。临床通过对患者远期效果观察发现，微小的下肢力线偏差即可导致假体的磨损加快，影响假体使用寿命[6]。因此，传统的手术方法已不能完全满足手术需要，患者个体化的治疗已成为现代医学发展的需要。

表1 两组患者手术相关指标水平比较

3D打印技术的出现，给人工膝关节置换术提供了新的革新[7]。术前可通过行双下肢CT扫描，根据患者病情不同，重建膝关节1∶1的三维模型，根据下肢力线及膝关节软骨磨损情况，为患者设计截骨平面并制作股骨、胫骨及髁间截骨器以进行个体化精确截骨。本研究结果提示，与传统膝关节置换术相比，3D人工膝关节置换术可行个体化设计，在力线恢复及截骨量控制方面更为精确，临床效果更好，手术所需时间更短，力线偏差更小，术后随访患者膝关节功能恢复良好。但通过观察术中操作过程发现，虽然截骨模具设计有3个接触面与截骨区相对应以便定位放置，但刮除骨面软骨并放置截骨模具仍需术者依据经验，参考模型解剖结构进行大致定位，缺乏客观的指标精确定位，由此引起的人为偏差客观上是存在的，并和术者经验密切相关。因此，虽然采用3D打印技术辅助行人工膝关节置换术，治疗效果好，可有效缩短手术时间、减少总出血量，显著改善下肢力线，但在模具安放定位设计方面仍有一定不足之处，如果能加以改进，将能使该技术的精确性得到进一步提高。

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[6] 闫祥甲,李彦林,肖渝,等.三维数字化技术在膝关节置换中的应用[J].中国修复重建外科杂志,2016,(10):1306-1310.

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10.3969/j.issn.1004-437X.2017.23.023

2017-02-17)