3D打印应用于膝关节骨缺损修复重建1例

陆声，罗浩天，陈家瑜，高明，梁金龙

1.云南省数字骨科重点实验室,云南省第一人民医院骨科,昆明理工大学附属医院骨科，昆明 650032；2.中国人民解放军联勤保障部队第920医院骨科，昆明 650032

膝关节受到高能量暴力会造成股骨远端、胫骨近端严重骨折，髁部失去正常解剖形态，同时合并关节内软组织结构损伤。对此类骨缺损治疗需采用植骨重建，但植骨床的处理及植骨结构、形态的塑造很棘手，骨折复位内固定困难[1]。3D打印技术制作的模型可以帮助医生对伤情做出准确判断，指导术前规划，为术中的骨折复位提供便利[2～4]。Hurson等[5]曾利用3D打印技术为髋臼骨折患者制作等比例的三维物理模型辅助手术。Bagaria等[4]将导航模板应用于复杂骨折的手术治疗。何兴容等[6]制作股骨远端的导航模板，成功应用于股骨远端关节内粉碎性骨折的手术治疗。本临床病例利用3D打印模块辅助创伤性股骨外侧髁塑形，实现缺损区域的植骨重建，随访8年，疗效满意。

1 资料与方法

1.1 病例资料

患者女性，20岁，骑摩托车摔伤致左膝高能量开放性损伤，皮肤及膝关节腔破裂，髌骨及膝关节关节面外露，股四头肌断裂，合并皮肤软组织及骨缺损。CT显示：左股骨外髁骨折并骨缺损（图1）。患者急诊入住原成都军区昆明总医院（现中国人民解放军联勤保障部队第九二〇医院）骨科，入院后对皮肤、软组织损伤及开放性骨折程度进行评价（表1）。

表1 皮肤、软组织损伤及开放性骨折分型Tab.1 Classification of skin,soft tissueand open fracture

1.2 研究方法

1.2.1 Ⅰ期清创术 急诊行清创探查术，术中见膝关节开放性骨折，髌骨外露，股四头肌远端断离，髌韧带与髌骨分离，膝关节囊破裂，前交叉韧带股骨止点撕裂，股骨外髁骨质缺损（包括大部分股骨髁外侧关节面）占股骨远端的1/3。予以彻底清创，尽量修复损伤软组织，闭合膝关节囊，石膏固定，见图1。

图1 受伤后CT、X线片显示股骨外侧髁骨折并骨质缺损a：冠状面CT扫描图像b：轴位CT扫描图像c、d：Ⅰ期清创术后X线片正侧位，术毕植入引流管，患肢给予石膏固定Fig.1 CTscansand X-ray filmsof thepatient showed fractureand bonedefect in thelateral femoral condylea,b:Coronal and axial plane CT scan images;c,d:Anteroposterior and lateral X-ray films after primary debridement showed drainagetubewasimplanted and thelimb wasfixed with plaster

1.2.2 后续治疗规划 年轻患者，患肢股骨外侧髁缺失累及外1/3负重面，影响膝关节负重及远期关节功能。拟行治疗方案：左股骨外髁同种异体骨植骨并结构重建术；3D打印模块辅助同种异体骨结构重塑。

1.2.3 3D打印模块及模拟修复术 采用64排螺旋CT（GE公司，美国）对患者双侧膝关节进行薄层扫描，层厚0.625 mm。将CT原始图像数据以Dicom格式导入Mimics10.01软件（Materialise公司，比利时），利用阈值分割（Thresholding）和区域增长（Region growing）功能分别三维重建出双侧股骨及股骨关节面的曲面模型。对健侧股骨以正中矢状位为参考进行镜像（Mirror）运算，建立与患侧股骨一致的股骨模型。运用融合配准（Align）功能对患侧股骨和镜像后股骨进行融合配准，最后通过布尔运算（Boolean）得到缺损的股骨髁三维数据。在Mimics10.01软件中规划手术方案，模拟修复术，演示手术效果。利用SPS350B固体激光快速成型机（陕西恒通智能机械有限公司），以光敏树脂14120（DSM Somos公司，美国）为材料，打印缺损股骨外侧髁模型和股骨外侧髁关节面曲面模型。将加工完成的模型进行后处理，去除残余支撑，进行光固化增强物理性能，低温等离子消毒、备用,如图2。

图2 3D模块设计制作及术前模拟a、b：利用镜像重建患侧股骨外髁缺损区c、d：将设计好的缺损部分模块和股骨外侧髁缺损区模拟配准e：3D打印模块实体及同种异体骨块，上为股骨关节面的曲面模型，中为股骨外髁缺损部分模型，下为备用的同种异体骨Fig.2 Design and preoperativesimulation of 3-Dprinting modulea,b:Mirror image was used to reconstruct the defect area of the affected lateral femoral condyle;c,d:The defect module was matching the femoral condyle for accurate registration and preoperative simulation;e:The 3D printed module entity.The upper portion was the curved surface model of the femoral joint,themiddle was thedefectiveportion of thefemoral condyle,and thelower wasthespareallograft bone

1.2.4 手术过程 伤后2月患肢屈膝＜90°，伸膝正常，负重后疼痛，创面完全愈合，接受Ⅱ期手术修复骨缺损。患者取右侧卧位，患侧膝关节屈曲60°，沿股四头肌和髌腱外缘延伸至胫骨结节下方取15 cm长的切口，切开关节囊，将髌骨翻向内侧显露关节腔及股骨远端关节面，见股骨外侧髁1/3负重关节面缺损，部分纤维组织生长，刮除其纤维组织、清理植骨床，将3D打印股骨髁缺损模块与股骨缺损区试配，二者匹配良好，可拼成一个完整的股骨髁关节面；取骨库预定的备用同种异体骨1块，使用咬骨钳、骨刀、骨锉等工具依照试模形状及股骨关节面的曲面模型对其进行切削，打磨成与3D模块形状、轮廓一致的植骨块，以股骨关节面曲面模型进行校对和验证满意后，植入外侧髁缺损区，直视下复位，完成同种异体骨结构性重建，使股骨内外髁恢复为一个整体。考虑到尽量减小创伤及节省住院费用，选择2枚加压空心钉固定植骨块。术后患膝石膏固定，如图3。

图3 修复重建术中图片a：植骨床准备b：对照3D打印的股骨外侧髁和股骨关节面曲面模型，将备用同种异体骨进行塑形，获得所需形态植骨体的立体结构，试配成功 c：完成缺损区同种异体骨重建Fig.3 Restoration imagesduring reconstructiona:Preparation of bonegraft bed;b:Theallograft bonewasaccurately shaping and perfectly fitting;c:Thedefect areawas reconstructed perfectly

1.2.5 术后处理与随访 术后4周开始主动活动，逐渐拄拐下地、规范康复训练，定期随访。持续随访8年，观察植骨区影像变化及关节功能恢复情况，做出HSS评分。

2 结果

3D打印模块辅助股骨外髁结构性植骨重建术后2年内患膝关节偶感疼痛，步行等功能活动逐渐恢复正常，患肢未见明显内、外翻畸形及肌肉萎缩等；影像学示：患肢力线正常，股骨外髁植骨块少量吸收，前、后交叉韧带及外侧副韧带有损伤，予行左侧膝关节镜探查术，见关节内滑膜明显增生，关节面退变、毛糙，股骨外侧髁骨移植部位愈合，部分被吸收，表面欠光滑，关节镜下予以清理及软组织修复。随访8年期间，主观感觉满意，患膝功能、外观及影像学表现均呈良性发展，除部分植骨块吸收外未见明显慢性疼痛、骨性关节炎、关节面旋转畸形、膝关节挛缩畸形等不良事件发生，未见明显致残因素，左膝关节无疼痛，步态正常，活动无明显功能受限，膝关节活动范围能够满足日常生活需要，患肢各肌力未见明显减退，膝关节稳定。末次随访HSS评分83分，见表2，图4～6。

图4 术后即刻（a、b）及术后3个月（c、d）X线正侧位片 股骨外髁缺损区解剖结构恢复，两侧股骨髁连续性完整，未见明显塌陷及结构不稳Fig.4 Anteroposterior and lateral X-ray films immediately(Fig.4 a,b)and 3 months after the operation（Fig.4 c,d)showed that the anatomical structure of the defect area of the femoral condyle was restored,and the continuity of the femoral condyle on both sideswascompletewithout obviouscollapseor structural instability

表2 术后1月～8年随访期间HSS评分Tab.2 HSSscoresof follow-up for 1 month to 8 years

表格说明：HSS评分系统是由美国特种外科医院（hospital for special surgery，HSS）于1976年提出，用于评估膝关节术前术后功能，包括疼痛、功能、关节活动度、肌力、膝关节屈曲畸形、膝关节不稳定等6个方面，满分100分，表示症状、功能及外形完全正常，有疼痛、功能受限或畸形则评分减低

图5 术后复诊影像资料a、b：术后2年X线片显示股骨外髁完整，内外侧髁处于同一水平，未见明显塌陷及下肢力线偏移c、d：术后2年半CT扫描显示股骨外髁植骨区部分吸收，关节面完整，未见明显塌陷，膝关节力线满意Fig.5 Postoperativefollow-up imaging dataa，b:Two years after the operation,anteroposterior and lateral X-ray images showed that the integrity of the femoral condyle was retained and at the same level,without obvious collapse and changes of the limb alinement;c,d:Two and a half years after surgery,CT scans showed partial absorption in the bone graft area of the external femoral condyle,surface of thearticular wascomplete,no obviouscollapsewas observed,and thelimb alinement of the kneewassatisfactory

图6 术后8年图片a、b：术后8年X线正侧位片 内固定已取出，股骨外髁植骨区少量骨质吸收，患肢力线满意，胫骨平台水平，膝关节未见明显内、外翻畸形c、d：术后8年随访外观像 患肢无明显疼痛和活动受限，膝关节无明显不稳，膝关节伸直0°、屈膝＞150°，HSS评分83分Fig.6 Images of the patient 8 years after surgerya,b:Anteroposterior and lateral X-ray images review of 8 years after the operation showed that the internal fixation had been removed,and a small amount of bone was absorbed in the bone graft area.The limb alinement of the knee was satisfactory,the tibial plateau was horizontal,and there were no obvious varus deformities;c,d:Eight years after the operation,the affected limb showed no obvious pain,limited mobility,and no obvious knee instability.Therangeof motion of thekneejoint wasgreater than 150°and the HSSscorewas83

3 讨论

膝关节在屈曲状态受到来自前方的暴力作用时，易致股骨髁分离及股骨远端、胫骨近端粉碎性骨折。如果呈开放性骨折，常会导致骨折块游离体外，造成严重的骨缺损。股骨的解剖轴呈9°外翻，负重轴呈30°外翻[7]，所以股骨髁比较容易骨折。此类创伤的治疗，关节面的解剖复位是获得膝关节最佳功能的先决条件[8,9]，超过15°的内、外翻会引起创伤性关节炎[10]。大段的骨缺损重建需要植骨材料具有相同的组织、形态学结构和几何尺寸，尽可能满足骨长入，以利骨折愈合。而关节周围的骨缺损，形状不规则，异体骨块较难匹配，植骨床处理及植骨结构和形态的塑造较为棘手。术中难以精确重建关节面高度、恢复患肢力线，术后常因力线不正或关节面不平而导致关节退变加速、植骨块过度吸收及骨性关节炎等并发症。目前，怎样将植骨替代物准确塑形，达到和原解剖形态一致的结构支撑依然是比较棘手的问题。

本病例为创伤性膝关节骨缺损的年轻患者，损伤较重，对关节面修复重建要求较高，需要最佳匹配的结构支撑和成骨塑形，尽可能地恢复关节功能、减少术后并发症。由于自体骨移植来源有限，不适用于大区域的缺损，所以选用同种异体骨塑造出高仿真形态特征的结构支撑，对缺损区域进行形态和功能的修复重建，达到永久性支撑和替代。术前做好完整的规划，基于CT数据的预处理，利用Mimics软件得到缺损区骨的复杂曲面结构的反求与仿形建模，通过3D打印获得准确度和光顺度很好的三维实体模型，保证术中准确重建股骨外髁支撑结构及膝关节生物力学的复制。术中依照3D打印模型对备用植骨体进行切削，打磨，塑造出跟健侧形状和表面轮廓对称的植骨块，实现对患侧缺损区的“重构”，再利用股骨关节面曲面模型进行校对和验证。匹配满意后，将异体骨固定，使股骨内外髁修复为一个整体，完成骨缺损修复重建。

早在1979年已有个体化定制金属内置物用于弥补患者肿瘤切除术后骨盆缺损[11]。近年来，3D打印技术广泛地应用于医学领域。通过3D打印技术制作出模块实体，可以进行术前模拟，制定个体化的实施方案，预估手术效果[12～14]。本病例基于3D打印模块的辅助，顺利实现对植骨块的精准切削、塑形，与缺损区进行准确的匹配，达到完整的形态修复，进一步验证了3D打印模块的精确性。其优势在于：利用计算机辅助技术对备用骨支架或骨替代物构建，有效修复缺损区，解决当前骨缺损塑形的操作难题。另外，骨组织的三维重建提供了传统手段无法获得的解剖信息，为术前模拟操作提供了视觉交互手段，还可以使患者及家属全面了解自身病情，获得满意的医患交流。3D打印模块具备与目标模型轮廓的一致性，将二维平面获取的信息转换为三维实体，其精确度可以达到0.1 mm，准确复制出目标模型，满足理想的结构“复原”。最后，本方法使手术重建、固定更加精准、简便、可靠，缩短了手术时间，减小手术创伤及术后并发症，取得满意的效果。数字化技术为骨缺损修复重建提供了一种新的路子，值得临床推广应用。

本病例治疗存在一些不足，同种异体骨没有骨诱导作用，成骨效能低，可能导致远期骨吸收，仍然有可能发生创伤性关节炎、植骨区塌陷和肢体力线不正等并发症。术中因考虑减少创伤而选择空心钉内固定方式带有主观性，可能跟远期骨吸收有关。另外，虽然正常股骨髁软骨均匀分布，关节软骨关节面的曲率近似于股骨髁的骨关节面，但怎样将股骨软骨纳入3D打印，基于MRI重塑软骨面，全面减小误差，仍待进一步研究。随着组织工程的概念提出，骨髓来源的间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）有望应用于临床，它将促进生物替代物的研制，大大维持和改善肢体的功能。后续研究还需要纳入大宗病例，通过长期随访对比研究，进行经验总结。