3D打印截骨导板在内侧开放楔形胫骨高位截骨术中的应用研究

高润子，高衡，汪树林，张永祥，沈计荣

(1.南京中医药大学，江苏 南京 210023；2.南京中医药大学附属医院，江苏 南京 210029；3.江苏省中医院，江苏 南京 210029)

《中华医学会骨科学分会骨关节炎诊治指南(2007年版)》指出，60岁以上人群中骨关节炎的发病率可达50%[1]。膝关节作为下肢负重的主要关节之一，是骨关节炎的好发部位。自1961年Jackson等[2]提出外侧闭合楔形胫骨高位截骨术治疗内翻畸形引起的膝关节内侧骨关节炎的方法以来，胫骨高位截骨(high tibial osteotomy，HTO)现已广泛应用于纠正内翻畸形、治疗膝关节内侧间室骨关节炎等方面。随着计算机技术、材料学和3D打印机的发展，基于增材制造技术的3D打印技术在骨科已广泛应用于手术模型、康复器械、个体化内植物及手术导板[3]。国内关于3D打印技术辅助内侧开放楔形胫骨高位截骨术(medial open wedge high tibial osteotomy，MOWHTO)的临床报道较少，本文将以此为背景，回顾性研究采用3D打印截骨导板辅助下的MOWHTO技术治疗膝骨关节炎伴内翻畸形14例15膝的影像学数据和临床疗效，探讨3D打印辅助下MOWHTO的可行性，为精准化、个体化MOWHTO治疗膝关节骨关节炎提供一种方法。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本组共14例15膝，其中男5例5膝，女9例10膝；年龄47～67岁，平均年龄55.1岁；单膝13例，双膝1例。患者身体质量指数(body mass index，BMI)平均24.7。术前予X线评估患者膝关节力线，内翻角度6°～16.5°，平均10.0°。

1.2 纳入及排除标准 纳入标准：a)年龄小于70岁(女性小于65岁)；b)膝关节屈曲畸形小于10°，胫骨内翻畸形大于5°，胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle，MPTA)小于85°；c)外侧半月板及软骨功能正常；d)患者主要表现为内侧关节间隙疼痛，经保守治疗无效；e)有较强保膝愿望，并选择胫骨高位截骨手术方式者，签署知情同意书，随访资料完整。排除标准：a)严重关节退变(AhlbackⅢ级及以上)或合并严重髌股关节炎者；b)膝关节屈曲畸形大于15°者；c)严重膝关节不稳定者(胫骨外侧推力下，不稳定大于等于1 cm)；d)既往患膝有手术史、感染史，术前双下肢B超有血栓者；e)膝关节外侧间室存在软骨磨损及半月板损伤者；f)类风湿性关节炎患者；g)合并肝、肾、神经系统等严重原发性疾病者。

1.3 3D打印导板制备 术前予患者拍摄标准站立位双下肢站立位全长X线片，确定目标力线后，设计外侧合页点和截骨线，以Miniaci法在X线片上测量截骨角度。连接股骨头中心和Fujisawa点，以此为目标力线。连接合页点和踝关节中心，以此连线为半径，绕合页点旋转，直至与目标力线相交，此旋转角度即为设计需矫正角度(见图1)。

术前拍摄膝关节CT，以DICOM格式导出数据，将数据导入宝葫芦软件(上海锋算计算机技术有限公司)，进行膝关节建模、截骨面设计、喷涂钉道、导板设计、导板生成等计算机设计过程，将膝关节模型和导板模型数据以Stl格式保存，并导入3D打印软件Cura(Ultimsker公司)中，导出Gcode打印代码，最后用艾利斯通3D打印机以聚乳酸(polylactic acid，PLA)材料打印出胫骨模型及截骨导板，采用低温等离子消毒后，应用于术中辅助手术(见图2～3)。

1.4 手术方法 患者全麻后取平卧位，做自关节水平线至鹅足纵行切口设计，充分暴露胫骨后缘及后内侧后，将术前低温等离子消毒过的截骨导板与骨面贴合于最服帖位置，从克氏针孔中依次钻入2枚克氏针，针尖突破对侧皮质后C型臂透视，确定克氏针所在位置，并用同长度克氏针测量出钻入克氏针的深度。摆锯沿两克氏针确定平面行水平截骨，截骨深度为钻入克氏针深度减去1 cm，以保留1 cm外侧合页，随后行上行截骨。骨刀层叠撑开截骨间隙，撑开角度为术前设计角度。随后在外翻应力状态下，C型臂透视下肢力线。力线杆两端分别固定于股骨头中心和踝关节中心，透视中若力线杆恰好通过Fujisawa点则矫形完成，若落于该点内侧，则矫形不足，需适当增加撑开角度，若落于该点外侧，则矫形过度，可适当减少撑开角度[4]。力线调整满意后，维持住撑开角度，植入Tomofix钢板，固定完成后，C型臂透视正侧位，观察钢板位置(见图4)。

图1 截骨角度测量示意

1.5 术后康复、处理及观察指标 术后第1天开始功能锻炼，术膝屈伸无限制，扶助行器下地，患肢可部分负重，负重约15～20 kg，并根据疼痛程度逐步增加负重。术后6周复查膝关节正侧位X线片，观察到截骨面出现骨愈合征象，可开始完全负重。术后拍摄双下肢站立位全长X线片及术膝负重位正侧位X线片，测量下肢负重线比率(weight bearing line，WBL)、MPTA、关节线相交角(joint line conergence angle，JLCA)、胫骨后倾角(posterior tibial slope，PTS)、髌骨高度(patellar height，PH)等。术后3个月、6个月、1年对患者进行随访，术后6个月及1年对患者进行Lysholm评分。

a 将CT数据导入宝葫芦软件 b 膝关节建模

c确定截骨平面及合页点，截骨线指向腓骨小头

d 克氏针(术中以此固定截骨导板) e 喷涂截骨导板范围

f 生成截骨导板 g 调整导板位置使其术中易于贴合骨面 h 完成导板设计

图2 3D打印导板制备流程

1.6 统计学方法 应用SPSS 19.0统计软件对数据进行分析。术前术后WBL、MPTA、JLCA、PTS接近正态分布，采用配对t检验；以P<0.05为差异有统计学意义，P<0.01为差异有显著性。

2 结 果

WBL由术前(12.17±15.43)%转移至术后的(63.50±1.52)%，P=0.010，术前及术后下肢负重线比率差异有显著性；JLCA由术前(3.22±1.58)°减少到术后的(1.17±0.90)°，P=0.020；MPTA由术前的(82.18±2.03)°改善至术后的(90.25±2.08)°，P=0.028，术前及术后胫骨近端内侧角差异有统计学意义。

PTS由术前(12.29±4.81)°改变为术后(12.13±4.44)°，P=0.890，术前及术后胫骨后倾角差异无统计学意义；Caton指数由术前(1.10±0.09)减小至术后的(0.97±0.11)，P=0.017，术前及术后髌骨高度差异具有显著统计学意义，但术后所有病例均未出现低位髌骨(见图5)。

14名患者均获得随访，1例患者术后出现术肢张力性水疱，经定期换药后恢复。所有患者均未出现感染、下肢静脉血栓、截骨不愈合等并发症。随访时Lysholm评分由术前(85.03±5.70)分提升至术后6个月时(95.28±4.52)分，P=0.014，术后1年Lysholm评分(96.13±4.18)分，P=0.011；术后6个月及1年与术前相比，Lysholm评分明显提高，但术后1年与术后6个月相比，差异无统计学意义(P=0.17)。术后1年随访时，12例患者Lysholm评分达到优秀，2例达到良好，优秀率85.7%。

图3 安装3D打印截骨导板 图4 患者手术前后双下肢全长X线片对比

图5 患者手术前后PTS及PH对比

生活化教学是新型的教学模式，教师在课堂教学时，按照学生知识掌握水平和认知能力相结合，采取有针对性的进行辅导、教学.高中物理老师应结合生活上的经验，将生活实际当中与物理相关知识进行总结，把生活中存在的原理、规律融入到物理教学中.高中物理生活化教学模式的广泛应用，可以帮助学生把那些难懂的、抽象的物理知识更加生动的展示给学生，培养学生独立思考的能力，培养学生的思维逻辑.

3 讨 论

胫骨高位截骨经过50年的发展，已成为矫正内翻膝及治疗膝骨关节炎安全、有效的手术方式[5-6]，目前主要有外侧闭合楔形截骨和内侧开放楔形截骨两种手术术式。外侧闭合楔形截骨，虽然有截骨面完全接触，有利于截骨块愈合的优势，但其手术中需要截断腓骨，腓神经损伤并发症风险较高；另外因其需去除楔形骨块，截骨端闭合后导致胫骨平台向外偏距增加，可能会增加日后膝关节置换难度[7]。临床上越来越多的手术医生倾向于采用内侧开放楔形截骨的方法，但通过文献回顾后发现，术后PTS增加和PH降低的问题多有报道，Wu等[8]对22项研究，总计2 582例行内侧开放或外侧闭合楔形胫骨高位截骨的患者进行的Meta分析指出，行MOWHTO的患者可获得更大的术后膝关节活动度，但术后PTS会显著增加，PH则明显降低。PTS的增加会影响膝关节的屈伸活动，增加前交叉韧带的张力，导致钢板前置，并拉紧内侧韧带和肌肉[9]。髌骨高度的降低会增加髌骨关节的压力，当压力超过了髌股关节软骨的适应能力，则将引起软骨退化[10]。以上两个因素都将加速HTO手术的失效，增加此后TKA的操作难度。

针对内侧开放楔形截骨会导致PTS增加的情况，不少医生通过改良手术方式来避免，如Lee等[11]建议截骨时前方截骨开口距离为后方的67%，Noyes等[12]则建议这一比例为50%。但Jo等[13]在16具尸体上进行外侧合页点位置研究后则指出前后方截骨比例并不能纠正PTS增加的问题，若使合页点处于标准位置，则术后胫骨后倾角无明显增加，对照组中合页点位置在标准合页点下1 cm，结果胫骨后倾角有不同程度的增加。为了避免术后PTS增加，我们采用3D技术，术前对合页点精准设计，术中使用截骨导板精准定位外侧合页点，结果显示术后患者胫骨后倾角无明显增加，这也与Jo等的观点相印证。在我们本次MOWHTO的研究中发现，髌骨高度Caton指数由术前(1.10±0.09)减小至(0.97±0.11)，P=0.017，术前术后Caton指数差异具有显著统计学意义。Gooi等[14]回顾性研究了106例接受MOWHTO患者的影像资料，发现髌骨高度Caton指数由术前(0.93±0.084)减少至(0.82±0.13)，我们的研究与其相一致。目前认为胫骨结节上截骨和低位髌骨发生有关，而我们分析3D打印截骨导板并不能改变MOWHTO胫骨结节上截骨的手术方式，因此不能有效减少髌骨位置降低的发生率。降低截骨平面可有效解决髌骨位置降低的发生，luo等[15]所采用的胫骨结节下截骨便报道手术前后髌骨高度无明显改变。

HTO手术将下肢应力由关节软骨已损伤的内侧间室转移到外侧间室，显著减轻了患者疼痛及活动障碍。Fujisawa等[16]指出，当力线得到有效矫正后，内侧间室软骨破坏将不再进展。Hoorntje等[17]研究显示术后患者功能恢复良好，较关节置换患者活动量明显增加。3D打印截骨导板在HTO中的应用，不仅保留了HTO手术改善下肢力线、为软骨再生提供应力条件、延缓关节置换时间等优点，还增加了手术操作的精准性，不增加术后PTS，因而会减少对膝关节的屈伸活动及前交叉韧带张力的影响，延长HTO的生存时间。此外使用3D打印截骨导板可减少手术时间和术中透视次数，减少患者及手术医生的放射线暴露时间，并且能帮助刚接触此术式的医生较快掌握该操作。

本研究有以下不足：a)由于样本量较小，本研究主要分析了3D打印截骨导板对HTO术后PTA和髌骨高度的影响，且对比主要来自于与文献中传统手术的数据比较，存在一定偏倚。b)目前我们设计的3D打印截骨导板，尚只应用于水平截骨面，对与水平截骨面呈110°的上行截骨面尚不能做到精准设计。c)与传统手术方式相比较，不能减少髌骨位置降低的发生率。

参考文献：

[1]中华医学会骨科学分会.骨关节炎诊治指南(2007年版)[J].中华骨科杂志，2007，27(10)：793-796.

[2]Jackson JP，Waugh W.Tibial osteotomy for osteoarthritis of the knee[J].Acta Orthop Belg，1982，48(1)：93-96.

[3]高宗强，张格林，吴玮，等.3D打印技术在骨科中的应用及展望[J].中国医学教育技术，2016，30(3)：252-255.

[5]Coventry MB，Ilstrup DM，Wallrichs SL.Proximal tibial osteotomy.A critical long-term study of eighty-seven cases[J].J Bone Joint Surg(Am)，1993，75(2)：196-201.

[6]Masrouha KZ，Sraj S，Lakkis S，et al.High tibial osteotomy in young adults with constitutional tibia vara[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2011，19(1)：89-93.

[7]张纪，杜辉，黄野，等.胫骨高位截骨术：闭合与开放楔形截骨对比[J].临床军医杂志，2016，44(2)：128-132.

[8]Wu L，Lin J，Jin Z，et al.Comparison of clinical and radiological outcomes between opening-wedge and closing-wedge high tibial osteotomy：A comprehensive meta-analysis[J].Plos One，2017，12(2)：0171700.

[9]王兴山，黄野.开放楔形胫骨高位截骨术的研究进展[J].中华关节外科杂志(电子版)，2016，10(5)：525-529.

[10]Kobayashi H，Saito T，Koshino T.Immunolocalization of carboxy-terminal type Ⅱ procollagen peptide in regenerated articular cartilage of osteoarthritic knees after reduction of mechanical stress[J].Osteoarthritis Cartilage，2002，10(11)：870-878.

[11]Lee YS，Park SJ，Shin VI，et al.Achievement of targeted posterior slope in the medial opening wedge high tibial osteotomy：a mathematical approach[J].Ann Biomed Eng，2010，38(3)：583-593.

[12]Noyes FR，Goebel SX，West J.Opening wedge tibial osteotomy：the 3-triangle method to correct axial alignment and tibial slope[J].Am J Sports Med，2005，33(3)：378-387.

[13]Jo HS，Park JS，Byun JH，et al.The effects of different hinge positions on posterior tibial slope in medial open-wedge high tibial osteotomy[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2017，25(5)：1007.

[14]Gooi SG，CXY C，MKL T，et al.Patella Height Changes Post High Tibial Osteotomy[J].Indian J Orthop，2017，51(5)：545-551.

[15]Luo CA，Lin SC，Hwa SY，et al.Biomechanical effects of plate area and locking screw on medial open tibial osteotomy[J].Comput Methods Biomech Biomed Engin，2015，18(12)：1263-1271.

[16]Fujisawa Y，Masuhara K，Shiomi S.The effect of high tibial osteotomy on osteoarthritis of the knee.An arthroscopic study of 54 knee joints[J].Orthop Clin North Am，1979，10(3)：585-608.

[17]Hoorntje A，Witjes S，Kuijer PP，et al.High Rates of Return to Sports Activities and Work After Osteotomies Around the Knee：A Systematic Review and Meta-Analysis[J].Sports Med，2017，47(11)：2219-2244.