3D打印个性化截骨导板在全膝关节置换术中的研究进展

余浪波综述，彭笳宸审校

0 引 言

3D打印技术起源于20世纪80年代，随着3D打印技术的发展，该技术开始应用于临床并在骨科得以广泛应用，目前，3D打印技术在骨科的应用主要包括[1]：①能够相对准确反映四肢骨折的实际损伤情况。②降低椎弓根螺钉的穿孔率，减小插入角度的误差。③帮助医师在骨肿瘤切除手术中制定最佳手术方案。④打印出组织工程支架，促进软骨及骨缺损修复。⑤为髋关节置换术提供新的手术方案。⑥制作个性化截骨导板(personalized osteotomy guide, PSI)及模型。其中，通过制作精确的膝关节模型，应用于术前评估、手术设计演练、教学演示以及医患沟通等；利用3D打印的PSI进行术中截骨，辅助全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)的完成。其中，PSI股骨截骨模块用于确定股骨外翻角度，截骨水平，力线对准，旋转和股骨假体的尺寸，而患者PSI胫骨截骨模块则用于确定胫骨力线对准，截骨水平以及胫骨倾斜度和旋转度[2]。其中，3D打印PSI则在TKA中应用广泛并取得较好效果。TKA术的成功与否取决于膝关节的定位、间隙以及软组织平衡，而三者均依赖于安放假体的正确位置，应用3D打印PSI可通过术前设计和演练考虑到任何轻微的畸形或骨赘，并可事先确定假体大小、位置和旋转[3-5]，从而有利于调整下肢力线，使其接近于中立位力线，又使假体位置安放更加精准；在3D打印PSI辅助下对股骨远端和胫骨近端截骨可以获得精确的截骨量，与传统手术、计算机导航下手术相比，具有更好的手术效果和精确性[6-8]。本文主要就3D打印PSI在TKA中的研究进展作一综述。

1 3D打印PSI历史由来

2006年，OtisMed公司在美国开发了3D打印的PSI，第一次将3D打印的PSI临床应用到TKA手术中。此后3年，美国约有23000个TKA手术中均使用了3D打印PSI。然而，2009年美国食品和药物管理局(FDA)要求停止该产品的使用，是因为需要对现有软件程序进行修改。2010年，美国Stryker公司收购了OtisMed公司，在对软件程序进行更新以及升级3D打印设备后，FDA对该产品予以批准，并于2012年推出最新的3D打印的PSI产品[9],并取得了广泛应用。国内学者于2014年将3D打印PSI应用于临床TKA术。我国食品药品监督管理总局(CFDA)分别于2015、2016年批准了3D打印人工髋关节假体和3D打印人工椎体的使用。尽管3D打印技术在全球的应用逐步扩大，但对3D打印膝关节假体植入的临床应用还在进一步研究中[10-11]。因此，本文主要探讨3D打印PSI在TKA术中的应用进展。

2 3D打印PSI在TKA的应用步骤

首先，患者进行膝关节的CT或MRI检查，通过MRI或CT相关影像学资料，创建计算机辅助设计(computer aided design，CAD)，并进一步转换为医学数字成像和通信。通过在CAD上设计组件，设计转换为STL文件，通过专业人员进行导板个性化设计与制作，最终交付给3D打印机打印出3D打印PSI和关节模型。其次，运用3D打印技术复制患者的膝关节模型，还原骨质破坏及软骨的磨损程度，有利于术者进行手术预演和设计，并减少手术意外并降低复杂膝关节置换的手术难度。最后，对进行消毒等术前准备工作，利用3D打印的PSI辅助术中截骨[12]。其中，利用3D打印PSI进行的髓外定位截骨方式是根据机械轴垂直方向来进行截骨，与传统手术相比，可克服因解剖轴与机械轴的差异所致的准确性有限的问题。具体步骤如下：①常规入路显露关节，但保留股骨髁及胫骨平台边缘骨赘;②与PSI 接触的骨面需充分暴露，去除半月板等残余结构;采用专用工具刮除与截骨导板接触的平台和股骨髁面软骨;③将3D打印的PSI与骨面紧密贴合，然后以固定钉固定，确认截骨角度与厚度与术前计划一致后，完成股骨远端和胫骨近端的截骨；④利用股骨髁前后轴线和通髁线确定股骨外旋，常规完成股骨前后髁截骨;⑤使用间隙测量器测量屈伸间隙，屈曲位内外侧平衡;⑥松解内侧副韧带浅层后半部分至伸直位平衡;⑦使用事先预测好大小的假体完成安装[13]。

3 3D打印PSI在TKA中的临床应用

3.1 应用效果膝关节下肢力线的恢复和假体安放的位置是TKA成功的关键因素[14]。而传统TKA，术前仅根据膝关节X线或CT判断下肢力线的偏移、股骨外翻角、股骨外旋角等角度进行手术预测，且膝关节的旋转也会影响角度判断，可能会导致手术误差。同时，股骨力学轴线和解剖轴线不一致，传统上大部分截骨定位是通过保持股骨外翻角固定来实现的，所以当股骨侧弓或畸形时可能会导致相应的误差；常规手术髓内或髓外定位器械手术方法标准单一，无法满足个体化的需求。据统计，即使是经验丰富的关节外科医师，其实施的TKA术下肢力线偏离中立位平均值超过3°的几率也高达20%[15-16]。在Iorio等[17]研究中，通过对TKA术后的患者进行5年的随访得出，所有患者的结果测量数据之间无显著差异，五年生存率为93%～97%。Ikram等[18]利用3D打印技术进行TKA术，通过术前预测截骨量与术中实际截骨量的比较，显示90%的截骨误差<1 mm，且所有TKA术后无并发症发生，无1例发生感染；陈国仙等[19]对比PSI辅助TKA术前设计的截骨厚度与术中实际的截骨厚度，其测量值差异均无统计学意义。对于股骨弯曲畸形严重的患者，传统手术常由于定位导向器难以插入股骨髓腔而增加手术难度，在3D打印的PSI未应用于临床之前常有如下三种方案：TKA术同期行关节外截骨矫形；先实施关节外畸形矫正，再行TKA术；TKA术中关节内截骨加软组织平衡[20-21]。而张凤军等[22]利用3D打印技术对股骨关节外畸形的患者进行TKA术，并联合术中松解膝关节内外侧软组织技术，术后取得较好的效果，患肢机械轴得到矫正，膝关节活动度明显增强以及HSS评分显著提高，且差异均具有统计学意义。另有研究在3D打印的PSI辅助下对重度膝关节炎并下肢畸形患者进行TKA术后，认为在3D打印PSI不仅可简化手术步骤、节约手术时间，还获得较好的假体位置和下肢力线[23-24]。相比传统手术，3D打印PSI更适合高龄、一般情况差的患者。综上，3D打印PSI辅助TKA术可更好恢复下肢力线、提高膝关节HSS评分，精确截骨、简化手术步骤、节约手术时间等，尤其在骨性关节炎合并关节外畸形的TKA术中优势更为明显。

3.2 与传统手术比较近年来，随着骨性关节炎患者的不断增加，TKA术得以广泛应用的同时也引发了一些新的问题，如假体尺寸预测，截骨定位以及软组织平衡等。对此，国内外骨科医师进行了新的探索。有研究表明3D打印PSI组和传统手术相比，3D打印PSI组患者手术出血量更少以及手术时间更短[25-27]。Rahm等[28]结论是，相对于传统手术和计算下导航手术，PSI的优势在于避免严重的误差并实现理想的胫骨后倾角，但3D打印PSI的额外成本和制造时间阻碍了其推广应用。与传统手术不同，3D打印PSI使用简单、学习曲线较短，更适用于身体质量指数较高以及关节外畸形的患者，对于假体大小的预测也更加准确[29]，并且可提高TKA手术精度和疗效[30]。有学者通过临床研究发现PSI在截骨精确度上明显优于传统手术及计算机导航手术，并且节约手术时间，但在术后下肢力线的偏移上无明显差异[31-32]；而Yan等[20]研究则表明3D打印PSI、传统手术组、计算机导航下手术组三者无明显影像学和临床差异。只有刘浩等[33]研究表明PSI在术后下肢力线的恢复效果优于传统手术。综上，3D打印PSI相较于传统手术及计算机导航手术主要有以下优势：节约手术时间、减少出血量以及截骨精确度较高。目前，3D打印PSI在患者术后下肢力线的恢复效果上并未体现较大优势，可能是因为相关研究随访时间不足所致，术前术后下肢力线的对比并不能体现差异。因此，在3D打印技术以及3D打印PSI的研究上，还需要更多的骨科医师进行探索，为3D打印技术能更好地应用于骨科打下坚实基础。

4 3D打印PSI的不足与展望

目前，尽管3D打印PSI具有很多有优点并在临床应用中获得较好手术效果，但仍存在一些不足：①3D打印PSI制作精确度有误差。CT不能显示膝关节软骨，这可能是误差的来源之一，且尽管可基于MRI重建关节以及软骨等软组织，但运动伪影可能导致3D打印PSI的模型不够精准，可能会影响术前手术预演以及截骨精确度[34]。目前，相关研究人员可基于图像修正以及基于硬件的修正来减少运动伪影导致的误差，如有恒定角速度的伪影校正法、迭代算法以及凸集投影法，这些方法[35]的应用有可能极大的减少误差，为PSI制作的精确度提供保障，有望取代CT作为3D打印PSI的首选检查。②3D打印成本较高。相比传统手术，3D打印设备、材料、术前预演假体、3D打印PSI以及额外的影像学检查是费用增加的主要原因，因此增加了患者的经济负担，也限制了3D打印技术的推广应用。③3D打印材料种类繁多，但可内植入于患者体内的少之又少，且目前3D打印技术不能打印出机械强度、生物力学以及微观结构均能达到理想要求的骨组织或假体。因此3D打印技术应用与TKA手术也仅局限于术前预演假体及PSI，3D打印膝关节假体植入的应用还需进一步研究。而聚醚醚酮是全芳香族半结晶性的热塑性特种工程塑料，其复合型材料如碳纤维增强聚醚醚酮具有弹性低强度高的特点，在关节置换中里可有效减少应力屏蔽及由其引起的骨吸收、骨萎缩及假体松动等并发症[36]，因此，聚醚醚酮及其复合材料的应用可能为此带来希望。④制作周期较长。影像学的检查及数据采集、3D打印PSI设计、交付3D打印机打印，整个过程可能会增加患者额外的2～3 d住院时间。⑤需要多学科合作。包括组织工程、生物材料、临床医学及影像学等领域共同合作，才能保证质量又能保证效率，这让3D打印技术在大部分医院开展困难[37-39]。⑥行业缺乏对3D打印设备的评估标准，国家层面需要加强监管，需要尽快完善3D 打印医疗产业相关法律法规，以便促进其在医学中的规范发展[40]。

随着3D打印技术的革新与发展，希望未来可缩短制作周期，并开发质量过硬且成本更低的3D打印设备和材料，减少制作成本，从而为患者减轻经济负担并推广应用；为减少误差，需要继续完善相关影像学修正方法，如上述伪影校正法、迭代算法以及凸集投影法等，还需要完善个性化匹配标准，统一假体匹配标准与手术导板设计方案；且3D 打印医疗产业相关法律法规要完善，可使得该技术的临床应用更加规范合理；此外，需要进一步开发3D打印生物支架与细胞，加大假体材料和制作工艺的创新力度，相关研究显示骨髓间充质干细胞具备多向分化潜能，且易于获得、易于培养，可成为未来生物活性关节置换的理想种子细胞之一[41-44]，为未来实现具有生物活性的膝关节假体的置换、植入的工厂化生产打下坚实基础。最后，在其他方面，还包括3D打印活性细胞、3D打印支架的广泛应用，甚至可以打印出具有生物活性的组织或器官，并进行工厂化生产。相信3D打印PSI的潜力是巨大，不仅仅局限于TKA手术，还可是创伤、脊柱、其他关节置换手术，甚至利用3D打印组织或器官实现人工移植的目的。

5 结 语

随着3D打印技术的飞速发展，使得3D打印PSI在TKA术中应用取得较大进步。随着人口老龄化的增长，TKA手术的数量逐步增多，而3D打印PSI给TKA术带来了便利，其理论优势在于有利于调整下肢力线，使其接近于中立位力线，又使假体位置安放更加精准。而下肢力线以及假体位置安放又主要取决于股骨远端和胫骨近端截骨，在3D打印PSI的辅助下，正好可获得精确的截骨量。基于3D打印技术，使得骨科医师在3D打印PSI的帮助下获得很多便利，虽然从检查、设计以及术后疗效分析来看，3D印PSI或许存在一些不确定因素，但是3D打印PSI的优点是值得肯定的，我们需要在克服挑战的同时为患者带来更优质的选择。总之，3D打印是一项简便、实用、成熟的技术，在医学以及骨科领域的应用正在逐步增多，目前这样一种新型技术，符合个体化、精准化要求，临床应用效果优势明显，具有较大的发展潜力。