3D打印技术在胫骨高位截骨术中的应用

白六莉，李佳义，刘佳敏，马磊，李宗瀚，黄江，曹光磊，安帅

(首都医科大学宣武医院骨科，北京 100053)

膝关节骨关节炎是骨科常见的中老年慢性退行性疾病，骨关节炎40岁人群的患病率为10%～17%，而60岁人群可达50%，75岁以上人群中则高达80%[1]。在合并膝内翻畸形的患者中更容易发生内侧间室磨损，从而发生膝关节内侧间室的骨关节炎，影响患者日常生活[2-3]。这种膝内翻的主要原因是胫骨侧的畸形。胫骨高位截骨术(high tibial osteotomy，HTO)是目前治疗膝关节内侧骨关节炎合并膝内翻畸形的可靠方法，其原理是通过调整下肢力线纠正膝关节内翻从而进行负重应力的重新分布，达到膝关节内侧间室减压的目的。对于终末期的膝关节骨关节炎患者来说，人工全膝关节置换手术(total knee arthroplasty，TKA)是目前主要选择的手术方式。但该手术切除了交叉韧带，损失了膝关节的本体感觉，影响了膝关节自然状态的运动学，从而术后有较高的不满意度[4]。如果能够在膝关节炎早期通过矫正下肢力线、减轻内侧关节面负荷、阻止疾病的进展，则可推迟甚至避免实施TKA。

1963年，Coventry[5]首次报道应用外侧闭合楔形胫骨高位截骨术治疗早期膝关节骨关节炎。随后大量关于HTO手术治疗内翻膝关节炎的临床应用研究表明，该术式在矫正力线、缓解疼痛、延缓关节退变方面疗效确切[6-8]。HTO逐渐成为适合相对年轻活跃，并伴有一定程度胫骨内翻的膝骨关节炎患者的手术方式。然而，HTO手术矫正精确度以及术后维持情况都不稳定。高精度截骨的病例10～15年长期生存率最高可达94%，从而避免后续进行全膝关节置换术，达到保膝效果[9]。而部分病例因手术技术和测量定位方法问题，长期生存率相对较低，且并发症较多[10]。近年来HTO逐渐由外侧闭合楔形胫骨高位截骨术(closed wedge high tibial osteotomy，CWHTO)向内侧开放楔形胫骨高位截骨术(openwedge high tibia osteotomy，OWHTO)转变，配合双平面截骨加钢板锁定，长期疗效和生存率都更加满意，5年生存率80%～98%，10年生存率可达74%～86.6%[11]。尽管如此，现行方法仍存在透视次数高、术中力线和术后力线不一致、定位截骨困难等不足。3D打印则是解决这些问题的可行方法，通过术前、术中辅助简化HTO，提高截骨精度，减少辐射，更适合经验相对不足的年轻医生。本文回顾阐述近年来3D打印技术应用于胫骨高位截骨术的研究进展，探讨其用于治疗膝关节骨关节炎的发展方向。

1 3D打印技术在HTO中的应用

1.1 术前计划模型 术前计划模型可分为胫骨近端模型及楔形截骨块模型两类，用于：(1)准确规划截骨间隙大小，以纠正冠状面和矢状面轴向偏差；(2)检测截骨后可能出现的膝关节屈伸空间损害。胫骨近端模型用于术前模拟，可配合截骨导板使用，辅助术中合页点精准定位，确定术中截骨导板使用的适应度[12]。楔形截骨块模型可于手术设计时再现实际截骨的内侧高度和倾角，并在术中插入截骨间隙辅助钢板固定，维持截骨角度，可取得满意的力线纠正结果[13-14](见图1)。

1.2 截骨导向器 截骨导向器也称个体化截骨导板(patient-specific instrumentation，PSI)，是目前应用较广泛的3D打印辅助HTO设计。截骨导板可依照术前计划引导术中截骨位置、方向和深度准确定位，辅助医生实行截骨与撑开，精确建立截面、空间距离、成角关系等复杂空间结构，通过个性化设计提高手术精度并缩短手术时间，为大幅减少手术时间、出血量、透视次数提供了可能，从而降低翻修率、减少并发症发生[15-17](见图2)。

目前应用于HTO领域的截骨导向器主要存在两种设计理念。应用较为广泛的是局部骨面贴合导板设计，由Victor和Premanathan[18]于2013年首次使用，14例患者成功实施根据导板所示截骨槽的设定位置进行截骨。这种设计可与个体骨表面结构吻合，在各平面均显示出良好的精度，且术后愈合良好，膝关节功能评分显著提高[19]。在此基础上，又有导板增加了撑开校准功能，导板本身设计有校准孔，仅于撑开角度与预期一致时两校准孔可用校准杆对齐，从而减少术中透视剂量[16]。但局部依附导板设计存在导板面积较大、软组织剥离较多，缺乏术中检验工具等问题[20]。Jones等[10]提出另一种使用远端骨标志定位的截骨钉道导板设计理念，依靠远端骨标志放入导板，引导导针植入，取出导板由导针定位锯切。其所需切开剥离的范围更小，理论上可减少伤口感染、不愈合等并发症，但可能导致精度降低，操作过程也较为繁琐。

a 术前模拟胫骨近端模型 b 楔形截骨块模型 c 术中维持撑开角度大体照 a 个体化定制截骨导向器 b 术中确定截骨平面和撑开角度

1.3 植入骨模型 3D打印技术可用于HTO术后个性化植入物的制作，塑造形状复杂、结构精细的植入物，满足不同患者的需求。且3D打印可实现多孔钛材料、钛(Ti)/羟基磷灰石复合材料等植入物的制作，增加其生物力学相容性[21-22]。

2 3D打印辅助HTO较传统HTO手术比较

2.1 下肢力线矫正精度 HTO发展至今，精确执行力线矫正被公认为是手术成功的关键之一。目前多数传统HTO术中仅依靠手摸体表标志和手扶力线杆透视的方法来估测下肢力线，术中误差可能较大，难以达到计划截骨角度[23]。也有报道使用PACS图像进行规划，该方法可以保证计划矫正角度，却存在无法维持术中矢状面的问题[24]。

3D打印于术前行计算机辅助三维图像重建，数字格式的使用可以选择性地放大测量的参考区域，精确计划截骨。实物打印也为医生提供更直观的模拟方案。术中依靠PSI引导手术定位，行HTO时可植入楔形截骨模型维持矫正间隙，确保截骨角度完全遵循术前计划。Yang等[16]研究了10例使用PSI辅助HTO的患者，所有患者实际矫正平均值[距胫骨内侧平台边缘外侧(60.2±2.78)%]与计划校正值一致。高小康等[25]比较常规截骨与截骨导向器辅助截骨治疗40例膝内翻畸形合并骨关节炎，结果显示3D打印组术后力线偏差比值更小，下肢力线矫正更精确。且有研究显示，在一定自由度内即使PSI出现错位，对下肢力线矫正仍没有影响[26]。在三维校正精度方面，3D打印也展示出其良好的优越性，各平面均能达到计划角度，同时不存在传统HTO术后的胫骨后平台变化问题[27-28]。

2.2 透视次数和累积放射剂量 不论对传统HTO还是3D打印手术来说，透视的使用都必不可少。在一项传统与新技术对照研究中[12]，传统技术每次术中干预所需的透视图像平均为55张，而3D打印平均仅需8张(6～14张)，辐射暴露减少6.9倍。Jacquet等[29]针对HTO截骨导向器在学习曲线后透视图像数量的研究中也指出，学习曲线为9例时平均拍摄图像仅为(4±1)张。赵大鹏等[30]应用截骨导向器辅助的OWHTO术19例与20例常规截骨比较，截骨组术中透视次数仅(17.5±2.7)次，而传统组透视次数(22.2±3.2)次，3D打印组透视次数明显更少。

此外，术前膝关节CT扫描辐射暴露水平仅0.16 mSv，远低于术中透视所需的每分钟20～200 mSv[16]。如果在保证手术参数与计划一致的情况下，PSI可仅通过对准杆与近、远孔同轴来实现下肢力线负重比率监测，从而避免使用透视和导航系统，降低辐射剂量。

2.3 临床功能评分 下肢力线的矫正将有效阻止内侧间室软骨破坏进展。3D打印在HTO中的应用，不仅保留了HTO手术改善下肢力线的优点，还增加了手术精准性，维持胫骨后倾角度，因而减少对膝关节的屈伸活动及前交叉韧带张力的影响，术后患者活动量明显增加[31]。Chaouche等[32]调查100例使用PSI的OWHTO患者，术后HKA矫正精度高，且膝关节损伤和骨关节炎评分(the knee injury and osteoarthritis score，KOOS)等评估项目2年内结果均得到显著改善。高润子等[33]证实术后下肢负重线比率、Lysholm评分等均优于术前，1年后随访效果优良。3D打印研究中观察到的功能评分常优于传统手术，但其功能结果优越性的证明仍存在随访时间短(1～2年)和对照组缺乏等限制[19，24，34]。

2.4 生存率和翻修率 实施HTO手术的患者中有部分面临着翻修问题，一般采用全膝关节置换方式。HTO生存率并不稳定，高者10年生存率可达90%，而也有报道5年生存率只有78%，10年生存率仅52%[35]。造成翻修的常见危险因素为高龄(>60岁)、女性以及患有糖尿病、骨质疏松、高脂血症等原发疾病[36]。目前还未见关于3D打印辅助HTO翻修率的报道，与这项技术开展时间较短、随访年限不足有关。

2.5 并发症发生情况 3D打印辅助HTO时由于未改变手术基本方法，故仍存在合页骨折、骨延迟愈合、髌骨高度下降等并发症可能[37-39]。但由于3D打印截骨操作更精确，多数无上述并发症报道。此外3D打印技术明显缩短手术时间，具有降低感染率的潜在临床优势[12，24-25，29]。陈金国等[23]包含47例的对照研究中3D打印组未出现术后感染，而传统截骨组中有1例出现术后感染症状。

3 总结与展望

胫骨高位截骨术被称为治疗膝关节骨关节炎的保膝手段，由于保留了自身的韧带等结构，相较全膝关节置换、单髁置换等手术方法，患者术后保留了正常膝关节运动。3D打印技术在这一术式的基础上，帮助医生制定更加个体化的治疗方案，达到精确截骨，并且简化操作、缩短手术时间、减少辐射量等，保证了HTO手术矫正效果。但目前3D打印技术在HTO中的应用还未形成系统化的操作流程，无法作为普及工具，且缺乏长期研究证明精确力线矫正与良好的临床结果相关。关于3D打印的具体应用方式也需要继续进行探索与比较。综上所述，3D打印在胫骨高位截骨术中的应用研究仍处在较初步阶段，还需技术创新与临床研究找到标准化的应用方法。相信凭借其突出的自身优势以及技术的不断成熟，3D打印技术在胫骨高位截骨术中的辅助应用将越来越广泛。