3D 打印技术在急性膝关节损伤诊疗中的应用*

吴小宝 冯坤 刘珍琦 田大为

车祸及高空坠落等高能量致伤因素常致急性膝关节损伤发生，常为膝关节前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）、后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）、内侧副韧带（medial collateral ligament，MCL）、外侧副韧带（lateral collateral ligament，LCL）等一根或者多根韧带损伤，合并血管神经损伤、韧带复合体损伤及关节内撕脱性骨折、半月板损伤，严重者导致胫骨平台骨折和膝关节脱位，并发骨筋膜室综合症，影响膝关节的稳定性及功能[1-2]。本院自2016 年1 月至2018 年1 月对急性膝关节损伤患者结合影像学资料，采用3D 打印技术构建膝关节损伤模型，用于辅助诊断及术前规划，医患沟通，获得准确的术中定位点，缩短了手术时间，取得满意的临床效果，现汇报如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

纳入标准：急性膝关节损伤患者行手术治疗。排除标准：①开放性损伤患者；②合并神经或血管损伤、骨筋膜综合征需要急诊手术的患者；③合并膝关节病理性骨折。

回顾性分析本院2016 年1 月至2018 年1 月收治的急性膝关节损伤病例8 例，全部采用3D 打印技术构建膝关节损伤模型辅助诊疗，如膝关节脱位前和复位后的3D 打印模型。其中，男6 例，女2 例，平均年龄（29.21±5.31）岁；车祸伤4 例，摔伤4 例；全部为单侧膝关节损伤。所有患者均在伤后2～28 h 内急诊入院，受伤至手术时间为3～13 d。其中，前交叉韧带（ACL）、后交叉韧带（PCL）、内侧副韧带（MCL）和外侧副韧带（LCL）等4 条韧带损伤3 例，前交叉韧带（ACL）合并胫骨平台骨折等1 条韧带损伤3 例，ACL、PCL 与MCL 3 条韧带损伤1 例，MCL 1 条韧带损伤1 例。术前Lysholm 膝关节评分[3]（26.18+6.03）分，IKDC 评分（30.25+7.01）分。

1.2 3D 打印模型制作及术前准备

所有患者行常规X 线检查（锐柯DRX-Evolution 系统，美国），接着行CT（Phillips 128 排螺旋CT）及MRI（GE SIGNA 3.0T，美国）检查。若合并血液循环障碍，行血管造影排除动静脉栓塞。

患者CT 数据以Dicom 格式保存待用。CT 数据导入Mimics 14.0 软件（Materialise 公司，比利时）。设定226-1 448 Hu 阈值；区域增长，分割相邻骨图像，去除非目标数据，重建三维模型。三维几何模型数据以STL 格式导出到3D 打印机（GP-1500，Roclok 公司，荷兰）配套的软件，分层处理，处理完数据以gcode 格式导入3D 打印机，本机使用PLA（聚乳酸）材料，打印温度设定210℃。参考影像学资料，结合3D 打印模型，明确膝关节损伤的类型，3D打印模型可以精准地提供每个患者的重要解剖标识，借助骨性解剖标识，笔者在模型上使用直硬管模拟关节镜头设计手术入路，明确每个入路的手术视野，根据手术目的进行调整，确定个性化进针点等手术入路；对于胫骨平台骨折患者，根据3D 打印模型，明确最佳手术入路，制订术前规划，进行手术操作演练，甚至是术前钢板的选择、预弯、螺钉大小的选择，术中辅助操作，完成医患沟通，如病情介绍、治疗方案、术后康复训练等内容。

1.3 手术方法

所有手术由一名主任医师完成，其对复杂膝关节损伤具有丰富的临床经验。有膝关节脱位的患者急诊行手法复位，复位困难时在麻醉下进行，必要时切开复位。待患者膝关节肿胀消退，二期行韧带、半月板及骨折的处理，一般为伤后2 周左右。

患者麻醉满意后，取平卧位，患肢大腿根部常规上止血带。所有患者先行关节镜检查，确认关节内损伤，若合并半月板、韧带关节囊卡压，行等离子刀松解、复位。根据半月板损伤类型和程度进行缝合术或成形术。软骨损伤及撕脱性骨折者，较小骨块易形成游离体予以摘除，较大骨块行可吸收螺钉内固定。韧带断裂采用自体腘绳肌肌腱重建，对于该肌腱无法满足重建要求者，采用部分腓骨长肌肌腱。采用残端定位法建立交叉韧带胫骨和股骨骨道，胫骨侧行挤压钉固定，股骨侧行可吸收横穿钉固定，膝关节屈曲80°位固定后交叉韧带，30°位固定前交叉韧带。对于急性内外侧副韧带损伤者，结合术前影像学资料明确韧带断裂部位，3D 打印模型确定韧带股骨胫骨侧止点，于韧带撕裂骨床处打入1～2 枚带线铆钉编织缝合。对于合并胫骨平台骨折的患者，结合3D 打印模型，设计手术入路，行钢板内固定，术中反复使用关节镜，辅助复位及明确复位情况。

术中及术后行前后抽屉试验、Lachman 试验明确前后交叉韧带稳定情况；侧方应力试验明确内外侧副韧带稳定恢复情况。抗生素术后24 h 内使用，2 周拆线。下肢支具固定6～8 周，术后1 周支具保护下下地部分负重。

1.4 评价指标

统计本组病例手术时间、伤口感染或缺血性坏死等并发症情况，以及内固定松动、断裂的情况。分别采用Lysholm 评分系统及IKDC 2000 评分系统评估患者膝关节功能情况，选取时间点为术前1 d，术后3、6、10、12 个月，记录各期关节活动度及手术并发症发生情况。

1.5 统计学方法

统计分析使用SPSS 13.5 软件进行。计量数据以均数±标准差表示，两组间分析比较采用检验，多组间分析采用单因素方差统计处理；计数资料采用卡方检验。<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

全部患者无失访发生，随访时间12～14（13.02±0.71）个月。手术时间（100.23±20.10）min，无伤口感染、缺血性坏死发生，无顽固性关节腔积液，未见韧带松弛发生，无内固定失效发生。术后膝关节力线良好，无膝关节内外翻畸形、膝关节不稳定、绞锁、关节僵硬发生。术后12 个月膝关节活动度为（125.25±10.09）°。以膝关节术后12 个月的Lysholm 评分为最终膝关节功能评分，8 个病例中优5 例，良2 例，可1 例，优良率达87.50%。

典型病例：患者，男，42 岁。摔伤后致急性膝关节损伤，为前交叉韧带损伤，内侧副韧带断裂，外侧半月板撕裂，内侧半月板损伤，手法复位后择期行前交叉韧带重建术，内侧副韧带缝合术，内侧半月板成形术及外侧半月板缝合术。手术前后影像见图1。

图1 A-C.伤后CT；D、E.术前MRI 扫描；E、F.复位后X 线（白色箭头表示segond 骨折）；H、I.复位后MRI 扫描；J、K.3D 打印模型；L.重建后的CT 扫描；M、N.重建术后的X 光片，示膝关节对合可，力线准确

表1 患者术前、术后Lysholm 评分、IKDC 评分比较（，分）

表1 患者术前、术后Lysholm 评分、IKDC 评分比较（，分）

3 讨论

膝关节稳定性依赖于膝关节的骨性结构及关节内外韧带、半月板等软组织结构。骨性结构包括髌骨、股骨髁远端和胫骨髁。内、外侧四联复合体等关节外结构在膝关节稳定中占据了重要作用。关节内重要结构包括半月板、前后交叉韧带[4]。

急性膝关节损伤为临床常见复杂损伤，一般为单根或者多根韧带损伤，合并半月板损伤、撕脱性骨折、韧带复合体损伤，严重者发生胫骨平台骨折和膝关节脱位，而超过一半的膝关节脱位患者入院前已经自行复位，易产生漏诊，影响诊疗。故对任何一个导致2根及以上的多根主要韧带损伤的病例，必须考虑膝关节脱位可能[5-7]。韧带损伤严重影响膝关节的稳定性，而平台骨折及关节内撕脱性骨折极易造成创伤性关节炎的发生。

急性膝关节损伤手术的核心是重建正常的关节结构和力线，包括骨折的复位固定、韧带的缝合或者重建、半月板的处理。目前，膝关节镜是处理关节内疾病首选的诊疗手段。关节镜下探查可明确疾病损伤类型，并行韧带及半月板修复、撕脱性骨折的固定，疗效可靠，可信度高[8-9]。

对于多根韧带损伤，有学者主张分期修复，认为一期修复手术时间长、创伤大、术后功能锻炼困难。但随着关节镜手术的推广及提高，一期重建多根韧带手术难度降低，手术时间缩短，治疗费用降低，早期康复训练可尽快恢复关节功能，大幅提高手术疗效[10-11]。对于胫骨平台骨折，膝关节镜检查也是重要的诊治手段，可以在关节镜下辅助复位，检查复位情况。

3D 打印为增材制作，借助数字文件，逐层打印，完成几何体的构造，不受形状和材料的限制，是制作方式划时代的革新[12-14]，现已广泛应用于各行各业[15]。借助于先进的数字化3D 打印技术，1∶1 打印膝关节损伤模型，是骨科X 线、CT 及MRI 等常规影像学资料之外的第四种医患沟通的途径，具有真实直观性，无需专业知识，能够简单快速地了解病情，有利于医患之间的沟通。关节镜能够直观地展示关节内病变，但手术视野小，容易受手术入路影响；而3D 打印模型能够提供宏观、立体、多角度的视角，有助于医生在脑内构建膝关节损伤的病理特征，借助模型特殊解剖点进行精准的定位，特别适合胫骨平台骨折。

本组病例全部采用3D 打印技术制造骨折脱位前后的模型，用于医患沟通，因为模型真实直观，有助于医患之间沟通，患者及家属对病情的认知度高，对诊断、治疗及康复依从性高，提高了治疗效果。医生可以借助模型进行术前规划，设计手术入路，术前演练，术前模型操作，完成个性化诊疗。术中借助模型对手术进行验证，提高手术的精准性，有利于缩短手术时间。

对于半月板损伤，目前倾向于使用半月板缝合器的全内缝合技术，但是由外到内缝合法也是医生需要掌握的手术技巧，对于半月板前角或根部等损伤，借助3D 打印模型，寻找膝关节内的解剖位点，作为半月板缝合的标识，提高了进针的准确性，手术效果。

等长重建是膝关节韧带损伤修复的重要原则，以前交叉韧带重建为例，股骨骨道出口位于等距点，胫骨骨道位于原交叉韧带止点中心的前后约2 mm，不能靠前，避免髁间窝的撞击。术前借助3D打印模型，可以明确股骨外髁的等距点，避免住院医师嵴等错误股骨定位点，提高了骨道的准确定位。借助3D 打印模型，本组4 根韧带损伤的严重患者，一般在一个半止血带时间即可完成手术，手术创伤小，手术时间较前明显缩短。

对于合并胫骨平台骨折的患者，本组患者结合3D 打印模型，术前进行骨折的复位，钢板螺钉选择，甚至提前预弯钢板，进行骨折的固定，以达到最佳的贴附，提高钢板的固定强度，减少了术中钢板处理需要花费的时间。根据钢板的固定位置对手术切口进行设计，术中使用膝关节镜检查及辅助复位，发现结合3D 打印模型，手术切口选择更加精准、创伤小、复位效果满意、手术时间短。

本组病例无手术并发症发生，术后影像学资料提示韧带位置准确，关节力线良好，关节稳定，膝关节术后12 个月的膝关节活动度（125.25±10.09）°，Lysholm 评分优良率达87.50%，患者膝关节功能良好，充分体现了数字化3D 打印模型结合关节镜的优势，模型为关节镜手术提供了更精准的定位，提高了关节镜微创手术的疗效。

但是目前常见3D 打印模型为骨骼模型，膝关节结构复杂，骨骼3D 打印模型对手术规划作用有限，不能完全取代人体标本。3D打印模型制作从获取数据，到模型制作完成，需要3～7 d，这对于急诊患者的诊治具有局限性。同时3D 打印机昂贵的价格也限制了其临床的应用。随着3D 打印技术的发展，复合材料一期打印骨骼、韧带、软骨、血管、神经等结构，打印速度提高，价格下降，3D 打印模型将对手术提供更重要的指导作用。

综上所述，数字化3D 打印技术在诊疗急性膝关节损伤中，能够提供逼真的膝关节损伤模型，有利于医患之间的沟通，提高了韧带重建骨道选择的准确性，为半月板缝合不同方法提供解剖标识，尤其在胫骨平台骨折的复位、钢板的选择固定、切口的设计等方面具有重要作用，值得推广使用。