3D打印个性化截骨导板在外侧入路外翻膝关节置换术中的应用

陈志伟，李沐哲，李辉云，冉 讯，江佩师，魏 福，刘俊彦，罗旭灵

(南华大学附属第一医院关节骨科，湖南省衡阳市421001)

膝关节外翻是一种较少见的膝关节畸形，常常伴有膝关节的骨性改变和软组织改变，如股骨外侧髁发育不良或骨缺损、胫骨平台后外侧骨缺损、外侧软组织挛缩、内侧软组织松弛，其严重破坏了膝关节的下肢力线，导致膝关节疼痛、活动障碍[1-3]。目前，股骨远端内翻截骨术、髁上杵臼截骨联合关节镜技术可以改善下肢力线，恢复患肢功能，但是随畸形进展和磨损加重，膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)可能是最后的治疗措施[4]。3D打印技术是以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，通过重建患者三维解剖模型、设计个性化导板，术中贴合骨面即可快速精确截骨，已成为医学领域的领先制造技术，广泛应用于骨科临床[5-8]。目前，针对3D打印辅助外侧入路TKA术治疗外翻性骨关节炎的临床研究未见报道，本文对此进行了报道。

1 资料和方法

1.1 一般资料

回顾性选择2019年1月—2020年1月于本院关节外科行单侧全膝关节置换术的膝关节外翻畸形患者12例。其中采用传统手术者为传统手术组，共6例；男3例，女3例，平均年龄(74.8±8.6)岁。采用3D打印个性化截骨导板者为3D打印组，男2例，女4例，平均年龄为(71.8±4.3)岁。两组年龄、性别、患侧、Keblish分级情况差异无显著性(表1)。

表1 两组一般资料的比较

本研究经本院伦理委员会的批准，并经患者及家属知情同意。纳入标准：伴有膝关节外翻畸形的膝关节骨关节炎；初次单侧全膝关节置换；手术入路为外侧入路；影像学资料完整；术后配合随访。排除标准：膝关节内翻畸形或无畸形的骨关节炎；手术入路为内侧入路或其他非外侧入路；非初次关节置换；患有严重的循环系统、中枢神经系统疾病或恶性肿瘤；影像学资料不完整；术后不配合随访。

1.2 手术方法

按照快速康复理念，所有患者术前进行常规影像学检查包括下肢全长X线片、膝关节MRI。术前4 h禁食，常规采用硬腰联合麻醉或者全麻，术前30 min静脉滴注抗生素罗氏芬1 g，氨甲环酸15 mg/kg，切皮前常规使用止血带，均采用膝关节外侧入路行TKA术，均由同一组高年资主任医师完成。

传统手术组：取膝关节正中稍偏外侧皮肤切口，自髌骨外侧“Z”字形切开关节囊和外侧支持带，暴露膝关节，根据股骨髓内定位法进行股骨远端截骨，胫骨截骨，根据术中情况松解髂胫束止点、外侧副韧带、腘肌腱及后外侧关节囊以获得屈伸间隙的软组织平衡，安装膝关节假体。

3D打印组：术前行膝关节CT平扫，依据患者影像学数据，使用mimics21.0进行三维建模；使用3-matic软件对模型进行相关测量，保持股骨外翻5°～6°，在股骨远端截骨平面垂直于下肢力线后行股骨远端截骨；当软件显示股骨外侧髁缺损以至于无法截骨时，测量缺损的大小，术前准备好相应大小的垫片和假体，以减少手术时间。确定合适的截骨平面后进行导板的设计，最终将导板和三维模型输出为stl格式，利用3D打印机进行打印(图1)。模板打印后常规等离子消毒。股骨侧3D打印导板截骨，胫骨侧传统方法截骨。术中暴露膝关节股骨和胫骨后，比对打印的股骨和患者的股骨大小验证打印的初步效果。将个性化设计的截骨导板贴附于患者股骨远端，完全贴合后于设计的固定孔内打入克氏针固定导板，截骨槽内使用摆锯完成股骨截骨，胫骨采用传统方式截骨；屈伸膝关节测量膝关节活动度，根据术中情况松解外侧软组织以获得内外侧的软组织平衡，安放胫骨和股骨假体，置入衬垫，屈伸膝关节测量膝关节活动。常规放置引流管，关节腔内鸡尾酒灌注，逐层关闭切口(图2)。手术视频见二维码。

图1 3D打印个性化截骨导板的制作

图2 3D打印个性化截骨导板辅助单侧全膝关节置换术治疗膝关节外翻操作过程

1.3 术后处理

术后切口处加压包扎，常规冷疗、镇痛，术后引流管放置24 h，计算引流量；并常规预防性使用抗生素48 h，术后12 h开始抗凝至14天。术后6 h行踝关节主动屈伸以及患肢肌肉等长收缩锻炼；如无特殊不适在医生指导下可尽早下床行适当功能锻炼，复查膝关节正侧位片。

1.4 主要观察指标

分别于手术后第1、第6个月进行随访，复查X线评估手术愈合情况，采用KSS评分对膝关节功能进行评价。比较传统手术组和3D打印组手术时间、术中出血量、术后引流量及胫骨股骨机械轴夹角(MFTA)、KSS临床和功能评分、并发症等情况。

1.5 统计学处理

2 结 果

2.1 两组手术时间、术中出血量、术后引流量和MFTA的比较

所有手术均顺利进行，外翻畸形得到完全矫正(图3)。3D打印组手术时间明显低于传统手术组(P<0.05)，术中出血量明显低于传统手术组(P<0.05)；而术后引流量也低于传统手术组，但差异无统计学意义(P>0.05)。此外，与传统手术组比较，3D打印组MFTA能获得更加精确的下肢力线重建(P<0.05；表2)。

图3 3D打印个性化截骨导板辅助单侧全膝关节置换术治疗患者术前、术后X线

表2 两组手术时间、术中出血量、术后引流量和MFTA的比较

2.2 两组KSS临床和功能评分的比较

两组患者术前KSS临床和功能评分差异无显著性(P>0.05)。与术前比较，传统手术组和3D打印组术后6个月KSS临床评分和功能评分均明显增加(P<0.05)。与传统手术组比较，3D打印组在术后6个月能获得更好的膝关节活动度和功能(P<0.05；表3)。

表3 两组患者KSS临床和功能评分的比较 单位：分

2.3 两组患者并发症的比较

患者伤口均一期愈合，无感染、假体松动、位置不满意、腓总神经损伤等表现。出院后所有患者均获得随访，随访结果显示，所有患者均获得良好的膝关节功能，下肢力线恢复，至末次随访未发生感染、假体松动、膝关节不稳定等并发症，无严重并发症。

3 讨 论

膝关节外翻畸形常见的病因为骨关节炎、类风湿性关节炎、股骨外髁发育不良，创伤、营养不良、肥胖亦与其发病有关[9]。对于外翻膝严重程度的界定，临床上常使用Keblish分级，即依据胫股解剖外翻角(AVA)进行分级，<15°为轻度畸形，15°～30°为中度畸形；>30°为重度畸形[10]。全膝关节置换术是临床上治疗中晚期膝关节外翻性骨关节炎最常用的方式[3,10]。虽外翻膝占比较少，但其常常伴有股骨外侧髁发育不良等骨性畸形和外侧软组织挛缩等软组织异常，手术难度相对较大，对医生的要求较高，外翻膝术后并发症发生率也相对较高，也因此对其手术入路、假体选择、软组织松解顺序目前尚未达到统一[3]。

目前已有两种不同的方法用于膝关节外翻患者的全膝关节置换术：前内侧入路和前外侧入路。Gunst等[11]比较内侧入路和外侧入路TKA术对于轻度外翻畸形的治疗效果发现，内侧入路和外侧入路的手术时间、术后KSS临床和功能评分差异无显著性，但外侧入路在技术上更加复杂。陈鹏等[12]研究指出，通过恰当的术中截骨和软组织松解平衡,采用内侧入路TKA术治疗合并轻中度膝外翻畸形的骨关节炎可有效改善膝外翻畸形,临床疗效满意。近几年,国内外许多研究对两种入路进行了深度的研究和系统的分析,多数文献认为外侧入路的治疗效果优于内侧入路，对于重度膝关节外翻畸形的患者，外侧入路的优势会更加明显[13-14]。外侧入路能直接进入病变部位，暴露出挛缩的软组织结构，术中松解更加直接，减少了对髌骨血运的不利影响；此外，能明显改善伸肌装置对线及髌骨轨迹。但该入路对手术医师的要求较高，髌骨不易内翻，关节旋转定位困难，安装假体后易出现切口闭合困难，但通过延长手术切口、冠状面Z字形切开关节囊、由远端到近端屈曲位缝合关节囊等措施可有效预防以上困难发生[15]。因此，膝关节外翻畸形是全膝关节置换术中的一个难题，而外侧入路是一种可靠的、有应用前景的入路选择。

3D打印技术是以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，已成为医疗保健和医学领域的领先制造技术，已经广泛应用于骨科临床[16]。有研究表明，与传统TKA比较，3D打印辅助TKA可明显缩短手术时间和住院时间[17]。但针对3D打印辅助外侧入路TKA术治疗外翻性骨关节炎的临床研究未见报道。膝关节外翻的患者常存在股骨外髁缺损、外侧副韧带等软组织挛缩、内侧副韧带松弛、髌骨外侧脱位等一系列问题，所以传统全膝关节置换术变得比较复杂，术后效果也相对较差，需要一种新的方式或技术去改善其治疗效果[18]。3D打印辅助TKA术仅需导板贴合，无需骨髓腔内操作，减少了血液的流失。导板贴合骨面即可快速精确截骨，恢复下肢力线，保证手术效果的同时也为患者省下了时间[19]。此外，由于膝外翻患者股骨外髁缺损，传统抱髁确定旋转中心的方法难以实现，3D打印个性化截骨导板技术可以克服这一困难，根据患者的CT数据建立三维模型；同时可以测量、切割患者的解剖模型，设计出个性化的能贴合骨面的截骨导板；当软件显示股骨外侧髁缺损以至于无法截骨时，可测量缺损的大小，术前备好相应大小的垫片和假体，从而避免了术中反复测试合适大小的假体，大大减少了手术时间，从而减少术中出血量和术后引流液量。此外，对于骨架特别小的患者，往往担心最小型号的假体是否能安装后起到良好的作用，而精准截骨模拟、导板技术可以克服该问题。

本研究3D打印组手术时间、术中出血量、MFTA角度均小于传统手术组；而术后引流量两组差异无统计学意义，这可能是由于案例较少存在偏倚、引流管的具体位置不同、术后患者运动量和膝关节姿态不一等导致。与传统手术组比较，3D打印组术后6个月随访KSS临床和功能评分更高。这总体上说明，与传统TKA相比，3D打印个性化截骨导板辅助全膝关节置换术治疗外翻膝的临床疗效更佳。本研究也存在一些不足，如入选的病例数有限，无法根据膝外翻畸形的严重程度分类去验证两组的差异；为回顾性研究而非随机对照实验；随访时间较短等等。其疗效仍有待长期大样本的前瞻性研究验证。