3D打印截骨导板在重度膝骨性关节炎患者多半径假体全膝关节置换术中的应用效果

吴迪 司丽娜 武丽珠 王建华 罗金伟 常乾坤 吕永明 杨阳

1承德医学院附属医院（河北承德067000）；2承德医学院（河北承德067000）；3承德市中心医院（河北承德067000）

膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）在女性患病率居第4 位，在男性患病率居第8 位，其中以50～60 岁人群中发病率居多［1］。轻度KOA 经保守治疗后便可自愈，重度KOA 发现后需采取手术，否则会导致患肢残疾，危及其身心健康［2］。全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是治疗本病重要手段，术中股骨端置入假体以多半径设计为主，旨在满足膝关节屈伸过程中不断变化瞬间旋转中心，快速纠正患者异常下肢力线，缓解疼痛，恢复患膝功能，临床认可度高［3］。临床实践发现，TKA 围术期失血量较多，接近1 500 mL，影响手术进程同时，增加术后关节活动受限风险［4］。随着医学技术快速发展，3D打印截骨导板在关节外科相关疾病治疗中突出巨大优势，牛鸣等［5］发现3D打印截骨导板辅助TKA 可简化假体选择过程，重建力线，提高手术效率，在围术期指标、膝关节功能等方面优于单纯TKA。在此基础上，本研究创新性分析3D打印截骨导板辅助多半径TKA对手术创伤、疼痛介质的影响，以期为本病治疗提供有效治疗方案。现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料选取2019年2月至2021年2月我院123 例重度KOA 患者，纳入标准：符合KOA 诊断标准［6］，结合CT、X 线检查确诊；Kellgren⁃Lawrence分级Ⅳ级；均为单侧病变，手术指征明确；年龄40～80 岁，不限性别；患者知情本研究，自愿参加。排除标准：膝关节手术史；其他膝关节疾病；重要脏器器质性病变；凝血异常；严重心理疾病；严重骨质疏松；过度肥胖，体质量指数（BMI）> 32 kg/m2。参照随机化表法1∶1 分配原则，依据就诊顺序排序1～123，每位患者赋予1 位随机数，随机数序号为1～61 号者为对照组，62～123 号者为观察组。两组一般资料具有可比性（P> 0.05）。本研究经医院伦理委员会批准通过。见表1。

表1 比较两组临床资料Tab.1 Comparison of clinical data between the two groups 例（%）

1.2 方法两组手术均由同一组医师完成。观察组行3D打印截骨导板下多半径假体TKA，具体步骤：（1）3D打印截骨导板：完善常规检查及双下肢全长X 线、三维CT 检查，将CT 扫描所得模型数据输入3D打印机系统，打印膝关节模型，结合三维模型相关信息确定胫骨及股骨假体型号、胫骨近端及股骨远端、后踝截骨量等，见图1；（2）手术操作：仰卧位，腰硬联合阻滞麻醉，常规消毒，自膝关节正中做一长约12 cm 纵向切口，经髌骨内侧缘进入，外翻髌骨，膝关节屈曲90°，清除交叉韧带、增生滑膜、半月板，松解膝关节外侧软组织，保证膝关节充分暴露，去除胫骨拟合面软骨，安放胫骨近端3D打印导航板，固定胫骨置钉导板，行胫骨近端截骨，去除股骨拟合面软骨，安放股骨远端3D打印导航板，股骨前髁及股骨远端固定，见图2，卸除置钉导板，保留前髁定位钉，安放远端截骨器械、核对截骨量并完成截骨，验证股骨远端定位钉孔，安放四合一截骨器械进行截骨，脉冲枪反复冲洗膝关节，选取适合型号Sigma⁃PS150假体并安装，骨水泥固定，清除多余、固化骨水泥，留置负压引流管，闭合切口。

图1 3D打印模型（1∶1）Fig.1 3D printing model（1∶1）

图2 置入3D打印模型Fig.2 Place 3D print model

对照组行多半径假体TKA，体位、麻醉方式、膝关节暴露过程同观察组，利用传统截骨导板完成截骨操作，脉冲枪反复冲洗膝关节，选取适宜型号Sigma⁃PS150 假体，安装并固定。术后两组接受抗感染、镇痛等对症处理，术后第2 天给予低分子量肝素钙（4 100 U/qn）皮下注射，出院后换用利伐沙班10 mg/qd 口服至术后1 个月。

1.3 观察指标

1.3.1 手术情况含术中失血量、手术时间、住院时间、隐性失血量、术后24 h 疼痛程度。采用视觉模拟评分法（VAS）评价疼痛程度，0 分为无痛，10 分为疼痛剧烈。隐性失血量=总失血量⁃显性失血量+输血量，总失血量按照Nadler 方程及Gross方程计算，术后切口渗血量较少时，术中出血量相当于显性失血量，渗血过多时采用敷料称重，估算切口渗血量，计入显性出血量。

1.3.2 血清检测（1）分别于术前和术后3、7 d 取2 mL 空腹静脉血，离心取上清液，血清白细胞介素⁃1β（IL⁃1β）、皮质醇（Cor）采用酶联免疫吸附法（ELISA）测定，肌酸激酶（CK）采用速率法测定；（2）分别于术前和术后1、3 个月，取2 mL 空腹静脉血，离心15 min，分离血清，P 物质（SP）、前列腺素E2（PEG2）、β⁃内啡肽（β⁃EP）采用ELISA 测定。上述试剂购自上海江莱生物科技有限公司，检测步骤参照试剂盒说明书操作。

1.3.3 关节功能分别于术前和术后1、3 个月，采用美国纽约特种外科医院（HSS）［7］评估膝关节功能，总分100 分，分值越高膝关节功能越好；并统计膝关节活动度、下肢力线角度。下肢力线为股骨机械轴（股骨头圆心与股骨髁间窝顶点连线）与胫骨机械轴夹角（胫骨髁间嵴重点与踝关节中心连线），通过坐标系统读出三点坐标，输入下肢力线计算软件，得出下肢力线角度。

1.3.4 并发症含切口渗血、假体周围感染、下肢深静脉血栓。

1.4 统计学方法采用SPSS 22.0 处理数据，计量资料采取Bartlett 方差齐性检验与Kolmogorov⁃Smirnov 正态性检验，均确认具备方差齐性且近似服从正态布，以（）表示，行t检验，手术创伤指标、疼痛介质、关节功能采用双因素重复测量方差分析，计数资料以例（%）表示，行χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 手术情况观察组手术时间短于对照组，术中失血量少于对照组，术后24 h VAS 评分低于对照组（P<0.05），两组住院时间、隐形失血量比较，差异无统计学意义（P>0.05）。见表2。

表2 比较两组手术情况Tab.2 Comparison of operative between the two groups ±s

表2 比较两组手术情况Tab.2 Comparison of operative between the two groups ±s

组别观察组对照组t 值P 值例数62 61术中失血量（mL）41.61±4.33 48.52±5.61 7.654<0.001手术时间（min）54.79±6.67 75.58±5.12 19.368<0.001住院时间（d）14.62±2.42 15.06±1.58 1.192 0.236隐形失血量（mL）847.95±198.87 851.57±221.16 0.096 0.924术后24 hVAS（分）2.04±0.39 2.98±0.42 12.865<0.001

2.2 手术创伤指标术前至术后7 d 两组血清IL⁃1β、Cor、CK 水平呈升高趋势，且观察组血清IL⁃1β、Cor、CK 水平低于对照组，两组血清IL⁃1β、Cor、CK 水平组间、时间点、组间·时间点比较，差异有统计学意义（P<0.05）。见表3。

表3 比较两组手术创伤指标Tab.3 Comparison of surgical trauma indexes between the two groups ±s

表3 比较两组手术创伤指标Tab.3 Comparison of surgical trauma indexes between the two groups ±s

项目IL⁃1β（μg/L）Cor（ng/mL）CK（U/L）组别观察组对照组观察组对照组观察组对照组例数62 61 62 61 62 61术前2.05±0.38 2.11±0.29 F 组间=31.843，P 组间<0.001 F 时间点=44.394，P 时间点<0.001 F 组间·时间点=35.662，P 组间·时间点<0.001 104.41±15.52 102.88±13.64 F 组间=16.981，P 组间<0.001 F 时间点=18.667，P 时间点<0.001 F 组间·时间点=17.123，P 组间·时间点<0.001 95.93±10.05 97.12±8.87 F 组间=19.833，P 组间<0.001 F 时间点=42.000，P 时间点<0.001 F 组间·时间点=25.581，P 组间·时间点<0.001术后3 d 4.46±0.51 6.78±0.65 144.89±16.67 185.33±19.19 155.35±12.21 189.92±15.56术后7 d 2.15±0.18 2.20±0.16 105.15±13.38 104.46±14.12 96.62±11.03 96.75±10.89

2.3 疼痛介质术前至术后3 个月两组血清β⁃EP呈升高趋势，PGE2、SP水平呈降低趋势，且观察组血清β⁃EP 高于对照组，PGE2、SP 水平低于对照组，两组血清β⁃EP、PGE2、SP 水平组间、时间点、组间·时间点比较，差异有统计学意义（P<0.05）。见表4。

表4 比较两组疼痛介质Tab.4 Comparison of pain mediators between the two groups ±s

表4 比较两组疼痛介质Tab.4 Comparison of pain mediators between the two groups ±s

项目β⁃EP（ng/L）PGE2（μg/L）SP（ng/L）组别观察组对照组观察组对照组观察组对照组例数62 61 62 61 62 61术前102.23±12.01 103.34±11.58 F 组间=9.692，P 组间<0.05 F 时间点=18.083，P 时间点<0.001 F 组间·时间点=15.512，P 组间·时间点<0.001 39.50±3.38 40.42±2.96 F 组间=10.512，P 组间<0.001 F 时间点=44.334，P 时间点<0.001 F 组间·时间点=28.156，P 组间·时间点<0.001 144.12±12.23 142.89±14.56 F 组间=17.501，P 组间<0.001 F 时间点=31.555，P 时间点<0.001 F 组间·时间点=19.952，P 组间·时间点<0.001术后1 个月133.46±13.78 115.56±14.12 20.22±4.41 26.63±4.58 90.91±10.18 115.56±12.25术后3 个月156.38±15.51 153.99±17.68 14.94±3.32 16.03±2.77 75.63±5.58 76.42±4.33

2.4 关节功能术前至术后3 个月两组HSS 评分、膝关节活动度、下肢力线角度呈升高趋势，时间点、组间·时间点比较，差异有统计学意义（P<0.05）；术后1、3 个月两组HSS 评分、膝关节活动度、下肢力线角度比较，差异无统计学意义（P>0.05）。见表5。

表5 比较两组关节功能Tab.5 Comparison of joint function between the two groups ±s

表5 比较两组关节功能Tab.5 Comparison of joint function between the two groups ±s

项目HSS 评分（分）膝关节活动度下肢力线角度组别观察组对照组观察组对照组观察组对照组例数62 61 62 61 62 61术前58.84±4.93 59.12±4.02 F 组间=1.411，P 组间>0.05 F 时间点=17.500，P 时间点<0.001 F 组间·时间点=15.632，P 组间·时间点<0.001（90.33±5.08）°（88.96±8.25）°F 组间=0.266，P 组间>0.05 F 时间点=8.402，P 时间点<0.05 F 组间·时间点=8.338，P 组间·时间点<0.05（7.61±0.58）°（7.52±0.67）°F 组间=1.235，P 组间>0.05 F 时间点=36.207，P 时间点<0.05 F 组间·时间点=30.115，P 组间·时间点<0.05术后1 个月68.15±5.12 67.93±4.98（96.61±5.63）°（96.42±6.27）°（4.42±0.34）°（4.36±0.42）°术后3 个月70.02±5.35 68.99±6.77（110.03±10.49）°（99.95±12.65）°（2.05±0.21）°（2.11±0.17）°

2.5 并发症观察组并发症发生率低于对照组（P<0.05）。见表6。

表6 比较两组并发症Tab.6 Comparison of complications between 2 groups 例（%）

3 讨论

TKA 是目前治疗重度KOA 首选方案，目的在于解除膝关节疼痛，恢复膝关节功能，提高生活质量，但TKA 围术期存在失血、渗血现象，不利于手术效果及预后［8-9］。现有研究表明，手术操作精准性、适宜假体、软组织平衡性良好均是减少TKA 围术期失血量，获取理想手术效果关键环节［10］。

近年，3D打印截骨导板辅助TKA 治疗KOA 成为当前研究热点之一，刘奕宁等［11］指出，3D打印截骨导板辅助TKA 在减少术中出血量、缩短手术时间方面优于单纯TKA，与本研究结果相符。推测原因为，术前明确截骨角度及厚度，模拟截骨导板安放位置，可简化单纯TKA 术中测量、假体型号测试等多项步骤，缩短手术时间；术中仅需髓腔外定位，并未开展髓腔内操作，可有效避免股骨髓腔内血供破坏，减少术中出血量。但有学者指出，3D打印截骨导板辅助TKA 术中需彻底清理影响截骨导板精确安放的滑膜，这一操作可能会增加术中隐性失血量［12］。而单纯TKA 安放假体前，利用骨水泥封闭股骨开髓孔，可达到减少隐性失血量目的。既往研究显示，多半径假体TKA 术后伸膝装置恢复过程漫长，且副韧带紧张度随屈曲过程半径变化而改变，可能会增加关节不稳、行走无力感等并发症［13-14］。本研究并未出现上述并发症，考虑与假体型号、厂家及术者经验等因素有关。同时发现，观察组并发症发生率及术后24 h VAS 评分低于对照组，推测原因与3D打印截骨导板辅助TKA 可精确置入个体化模型、截骨导板及防止周围组织损伤、降低并发症、缓解疼痛有关。

KOA 患者经历手术创伤后出现持续数天炎症应激反应及肌肉损伤反应，若未积极处理，可诱发多种并发症，影响术后康复［15］。Cor 是机体应激反应较敏感指标，有学者指出，其含量变化与创伤刺激强度、持续时间呈正相关［16］。CK 主要分布于脑组织、骨骼肌，任何损伤骨骼肌、心肌因素均会增加血清CK。研究表明，监测血清CK 水平可较好反映手术方案对肌肉组织损伤程度［17］。IL⁃1β 可参与机体炎症修复，其水平升高与手术创伤大小、术中出血量密切相关［18］。本研究术后5、7 d 两组血清IL⁃1β、Cor、CK 水平均高于术前，且术后5 d观察组各指标低于对照组，可见与单纯TKA 相比，3D打印截骨导板辅助TKA 所致炎症应激及肌肉损伤反应较轻，利于机体恢复。

为深入了解两种术式镇痛机制，本研究在VAS 量表基础上引入疼痛介质（β⁃EP、PGE2、SP），发现术后1 个月观察组血清β⁃EP 高于对照组，PGE2、SP 水平低于对照组（P< 0.05），SP 属于神经肽，可直接或间接促进谷氨酸释放，实现痛觉传递；PGE2主要见于炎症发生初期，可降低炎症局部区域疼痛阈值，激活周围感觉神经末梢EP 受体，强化痛感［19］；β⁃EP 水平降低可刺激交感神经节（LSG），促进痛觉信号传递，放大疼痛感受［20-21］。3D打印截骨导板辅助TKA 治疗可通过下述机制发挥镇痛作用，一方面与3D打印截骨导板精准，软组织剥离更少，术中出血量更少有关，另一方面与多半径TKA 的应用可改善临床症状，缓解疼痛有关。

综上，3D打印截骨导板在重度KOA 患者多半径假体TKA 中效果确切，可减少术中出血量，缓解疼痛，缩短手术时间，降低并发症，且手术炎症应激影响较小。