精准截骨在膝关节骨关节炎全膝置换术中的应用

蔡 建，陈陆平

膝关节骨关节炎是一种慢性关节疾病，主要好发人群为老年人[1]。对于晚期患者，全膝关节置换（total knee arthroplasty，TKA）是首选的治疗方法，效果较为理想。但随着疾病进展，患者膝关节间隙逐渐消失，关节与髌骨的关系出现紊乱，如果术中不能精确截骨，将直接影响伸膝和屈膝间隙的平衡，导致伸膝装置出现假体位置不良等问题。近年来随着数字骨科学的发展，3D打印技术在四肢骨折精准化治疗、TKA个性化截骨、胸腰椎椎弓根钉精确置入等方面得到广泛应用[2-4]，大大提高了手术的安全性和准确性，增强了手术效果，提升了医疗质量。我科近年来采用3D打印技术精准截骨辅助TKA手术，效果良好，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2013年1月至2015年8月汕尾市人民医院收治的80例膝关节骨关节炎患者作为研究对象，根据不同的治疗方式，按随机数字表法将患者分为观察组与对照组，每组40例。观察组基于膝关节CT数据结合计算机软件精确匹配选择合适假体，CAD设计并3D打印TKA截骨导航模板，术中在导航模板辅助下精准截骨；对照组采用常规TKA手术。所有患者均符合膝关节骨关节炎的临床诊断标准，两组患者性别、年龄、病程、损伤侧别等一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性，见表1。

表1 两组患者一般资料比较（n=40）

1.2 治疗方法

1.2.1 对照组 患者硬膜外全麻后取仰卧位，于大腿根部使用止血带。采取膝前正中切口，由髌骨内侧进入骨关节，清理关节腔内的髌上囊、髌下脂肪垫、滑膜和外侧半月板，切除十字交叉韧带、内外侧挛缩的软组织，松解后侧关节囊，清除股骨远端和胫骨近端的骨赘。结合髓内定位系统切除股骨关节面，截骨时将股骨远端关节外翻7°左右，并外旋至3°左右。结合髓外定位系统截去胫骨关节面，截骨厚度约10 mm，截骨面向后倾斜5°左右。试模调试，直至下肢力线正常、膝关节屈伸间隙平衡、内外侧软组织平衡、髌骨轨迹正确。手术过程中需结合髌骨受损情况决定是否替换髌骨，若不需替换，则将髌骨周围增生的骨赘清除干净，髌骨周围行电灼去神经化处理，于对应受损位置植入大小相同的假体，骨水泥固定。如果髌骨磨损严重，则按常规方法进行髌骨置换。此过程中需特别注意避免损伤血管和神经，及时止血，复位时检查膝关节的屈伸状况，满意后再行固定。手术结束后在下膝关节内部或外部置入负压引流管，逐层缝合关闭。

1.2.2 观察组 术前使用64排螺旋CT（Philip公司，荷兰）采集患者膝关节扫描数据，扫描条件为电压120 kV、电流160 mA、层厚1 mm，采集到的CT数据以DICOM格式存储，然后导入计算机，通过Mimics 17.0软件（Materialise公司，比利时）生成三维重建的膝关节模型，在Mimics软件中打开保存的数据，对膝关节三维模型进行旋转观察和三维测量。提取膝关节对应骨性表面解剖数据，计算机辅助设计导航模板，其中股骨远端个性化截骨模板用以引导股骨远端截骨，胫骨近端个性化截骨模板用以引导胫骨近端准确截骨。模板采用金属粉末3D打印后高温高压消毒备用。

常规入路显露关节，暂不清除股骨髁及胫骨平台边缘骨赘，充分暴露与截骨模板接触的骨面，确定导板上定位孔与下定位孔的位置，去除半月板等残余结构；将截骨模板与骨面紧密贴合，然后以固定钉固定，再次确认截骨角度、厚度与术前计划一致后，完成股骨远端和胫骨近端的截骨；假体安装按照常规操作完成。

1.3 观察指标

采用视觉模拟量表（visual analogue scale，VAS）评分对患者的疼痛情况进行评估[5]；分别采用美国膝关节协会评分（American knee society knee score，AKS）标准、美国特种外科医院（Hospital for Special Surgery，HSS）评分系统以及西安大略和麦克马斯特大学（Western Ontario and Mc.Master Universities，WOMAC）骨关节炎指数评分，对患者术后3、6、12个月的膝关节功能恢复情况进行评估[6-8]。

1.4 统计学方法

应用SPSS 21.0统计软件进行分析，计量数据以均数±标准差（±s）表示，手术前后比较采用重复测量的方差分析，组间两两比较采用LSD-t检验，两组比较采用两独立样本t检验，计数资料以例表示，比较采用卡方检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

观察组患者手术时间、术中出血量、住院时间明显少于对照组（P＜0.05）。两组患者术后2 d VAS疼痛评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。不良反应方面，观察组术后深静脉栓塞2例，对照组深静脉栓塞3例、腓总神经损伤1例，两组不良反应发生率比较无明显差异（P＞0.05）。见表2。

表2 两组患者手术一般情况、VAS评分及不良反应发生率比较（n=40）

患者获随访12～24个月，平均随访时间14个月。两组患者术后3、6、12个月AKS膝关节功能评分及膝评分、HSS评分、WOMAC评分均明显优于术前，且术后观察组上述评分均明显优于对照组（P＜0.05），见表3。患者均未出现假体移位、骨质塌陷并发症。典型病例见图1。

表3 两组患者手术前后膝关节AKS评分、HSS评分及WOMAC评分比较（±s，n=40，分）

表3 两组患者手术前后膝关节AKS评分、HSS评分及WOMAC评分比较（±s，n=40，分）

注：AKS：美国膝关节协会评分；HSS：特种外科医院；WOMAC：西安大略和麦克马斯特大学

AKS膝关节功能评分AKS膝评分组别P值P值F值观察组对照组t值P值术前22.5±6.7 22.5±6.3 0.008 0.961术后3个月28.4±6.9 23.4±6.4 2.187 0.045术后6个月32.5±8.0 25.9±7.3 3.260 0.003术后12个月36.5±9.3 28.2±8.3 5.388 0.000 F值11.475 3.288 0.000 0.012术前25.7±8.3 25.8±8.3 0.028 0.977术后3个月28.8±5.7 26.3±5.1 2.072 0.042术后6个月34.2±8.5 28.0±8.3 3.301 0.001术后12个月37.9±10.2 31.5±8.8 2.376 0.047 9.054 3.529 0.000 0.010 HSS评分WOMAC评分组别F值P值F值P值观察组对照组t值P值术前39.4±4.7 39.4±4.9 0.002 0.986术后3个月53.9±5.9 40.3±6.2 10.050 0.000术后6个月78.4±8.3 68.0±7.3 3.255 0.026术后12个月92.4±9.3 85.1±9.3 6.182 0.000 428.301 393.900 0.000 0.000术前52.9±5.8 52.6±5.4 0.035 0.925术后3个月34.5±6.3 38.3±5.2 2.941 0.004术后6个月29.0±8.8 34.0±9.9 2.372 0.040术后12个月20.4±2.4 24.8±2.2 8.550 0.000 172.801 139.621 0.000 0.000

图1 膝关节骨关节炎全膝关节置换精确截骨手术前后图片（男，70岁，以“膝关节疼痛10年余”入院）1A术前左膝正侧位片提示左膝骨性关节炎，关节间隙狭窄，内侧明显 1B术前左膝三维建模（按照层厚0.625 mm薄层扫描三维重建解剖模型）1C术前三维匹配，选择合适型号假体 1D，1E术中股骨远端、胫骨近端截骨模板引导精准截骨 1F术后1周左膝正侧位片提示假体安放位置满意，大小匹配良好

3 讨论

3.1 膝关节骨关节炎的手术治疗

膝关节骨关节炎多由膝关节外伤、肥胖、劳损或遗传导致[9]，发病以老年人居多。传统药物治疗效果不明显，副作用大，疗效欠佳[10-11]。近年来随着骨关节外科治疗技术的日趋成熟，膝关节骨关节炎的治疗水平有了很大的提高。然而，膝关节结构复杂，关节面形式多样，大大增加了手术治疗的难度。根据X线平片测量数据和术中经验选择膝关节置换假体型号，存在假体大小匹配不良、安放位置欠佳、手术关节僵硬疼痛等问题。

3.2 数字化精确截骨技术辅助TKA手术

3.2.1 术前精确设计截骨方案 目前CT机配备有重建三维图像的软件，但仅能提供可视图像，信息十分有限，医生无法与其互动，无法实施虚拟手术。本研究在三维模型上测量膝关节解剖参数，从三维空间上选择合适的假体型号，精确设计截骨厚度和截骨方向，实现三维截骨手术方案的制定，很好地解决了TKA手术的安全性、准确性问题。

3.2.2 3D打印金属导板辅助TKA精确截骨 快速成型技术是一种以数字模型文件为基础，借助液态材料固化、粉末材料（如塑料、金属粉末等）粘合或烧结逐层堆积，进而达到物体构造的先进制造技术[12]。近年来迅速兴起的3D打印就是其中的代表性技术[13]，主要的打印材料有光敏树脂、有机高分子等液态材料和塑料、砂、金属、陶瓷等粉末材料。本研究采用的打印材料为金属粉末，具有成型精确度高、力学强度高、耐高温等特点，可以有效引导电钻钻孔和摆锯截骨等手术操作。

传统TKA手术术中需反复多次调整截骨，测量试模与关节的匹配程度，而通过3D打印技术制成的手术导航模板可实施精确引导，能够一次性完成精准手术操作，提升手术精度，提高假体安装的准确性，促进下肢力线的恢复，减少手术创伤，改善膝关节功能，延长假体生存时间[14]。

具体而言，数字化精确截骨技术主要有以下优点：①术前将患者影像学信息输入计算机，准确测定股骨外翻及外旋角、胫骨平台后倾角，明确假体型号、术中股骨远端及后髁截骨量、胫骨近端截骨量与截骨角度，无需术中通过反复比对来确定截骨量与截骨角度，节省了手术操作时间[15-17]。②应用3D打印精确截骨技术，TKA术中软组织剥离较少，不开髓腔，出血少、创伤轻微，有效降低了感染及脂肪栓塞的风险。③术前对患者下肢力线进行三维重建，有力保证了假体位置置入的准确性，减轻患者痛苦，提高了手术的安全性。

国内的临床报道结果亦表明，应用3D打印技术在术前确定植入物的类型、大小和位置，有利于术者制定个体化的手术方案，手术更加精准，缩短了手术时间，减少了术中使用工具的数量，改善了患者术后膝关节功能[18-19]。本研究中观察组患者手术时间、术中出血量、住院时间均少于常规TKA组，且观察组患者术后AKS膝关节功能评分、膝评分以及HSS评分和WOMAC评分均明显优于对照组（P＜0.05），说明术前三维设计在选择假体型号、截骨部位与厚度等方面具有独特优势，手术疗效得到了明显提高。

总之，采用数字化精确截骨技术辅助TKA手术，术前可通过三维模型准确了解膝关节病变情况，根据三维设计及仿真模拟结果完善手术方案，通过三维测量解剖参数和三维模型精确选择合适型号假体，借助个性化辅助手术导航模板引导精准截骨手术操作，最终实现简化TKA手术操作、提高手术精确性、促进患者膝关节功能康复的目的。

[1]陆艳红,石晓兵.膝骨关节炎国内外流行病学研究现状及进展[J].中国中医骨伤科杂志,2012(6):81-84.

[2]Upex P,Jouffroy P,Riouallon G.Application of 3D printing for treating fractures of both columns of the acetabulum:benefit of pre-contouring plates on the mirrored healthy pelvis[J].Orthop Traumatol Surg Res,2017,103(3):331-334.

[3]邱冰,张明娇,唐本森,等.基于3D打印个性化手术导航模板辅助下的人工全膝关节置换[J].中国组织工程研究,2015,19(48):7731-7735.

[4]Xu W,Zhang X,Ke T,et al.3D printing-assisted preoperative plan of pedicle screw placement for middle-upper thoracic trauma:a cohort study[J].BMC Musculoskelet Disord,2017,18(1):348.

[5]Myles PS,Troedel S,Boquest M,et al.The pain visual analog scale:is it linear or nonlinear?[J].Anesth Analg,1999,89(6):1517-1520.

[6]Insall JN,Dorr LD,Scott RD,et al.Rationale of the Knee Society clinical rating system[J].Clin Orthop Relat Res,1989(248):13-14.

[7]Marshall JL,Fetto JF,Botero PM.Knee ligament injuries:a standardized evaluation method [J].Clin Orthop Relat Res,1977(123):115-129.

[8]Bellamy N.Pain assessment in osteoarthritis:experience with the WOMAC osteoarthritis index[J].Semin Arthritis Rheum,1989,18(4 Suppl 2):14-17.

[9]向湘松,谢诗涓,熊莺.老年人膝关节骨性关节炎影响因素分析研究[J].中国骨质疏松杂志,2011,17(7):613-616.

[10]胥少汀,葛宝丰,徐印坎.实用骨科学[M].北京:人民军医出版社,2006.

[11]野战涛,张卫平.膝关节骨性关节炎的治疗进展[J].临床误诊误治,2010,23(8):783-786.

[12]张鹰,杨宇,刘大鹏,等.数字化快速成型技术在全膝关节置换术中应用[J].临床军医杂志,2016,44(3):234-237.

[13]刘帅,姚庆强,周进,等.计算机辅助设计与3D打印个性化截骨导板辅助人工全膝关节置换术的精准度研究[J].中国骨与关节损伤杂志,2017,32(6):580-584.

[14]倪鹏辉,杨晶,程奎,等.3D打印截骨定位导向板在膝关节置换术中的应用研究[J].中国数字医学,2017,12(1):52-54.

[15]吴东迎,袁峰,吴继彬,等.3D打印截骨导板在人工全膝关节置换术中的应用[J].中华骨科杂志,2015,35(9):921-926.

[16]Stindel E,Briard JL,Merloz P,et al.Bone morphing:3D morphological data for total knee arthroplasty[J].Comput Aided Surg,2002,7(3):156-168.

[17]胡军,姚庆强,刘帅,等.3D打印辅助全膝关节置换术的临床应用[J].中华关节外科杂志:电子版,2017,11(2):11-16.

[18]邬波,柳椰,马旭,等.3D打印个性化导航模板在全膝关节置换术中的应用[J].中国骨与关节损伤杂志,2017,32(2):148-151.

[19]朱庭标,张勇,赵爱彬,等.3D打印切模辅助全膝关节置换术的初步临床研究[J].中华损伤与修复杂志:电子版,2016,11(4):278-282.