3D打印辅助胫骨高位截骨治疗内翻型膝骨关节炎△

车向东，张战峰，李茂山，张显，胡彬

（河南省直第三人民医院骨科，河南郑州 450000）

膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis,KOA）是临床常见慢性骨科疾病，是由膝关节软骨变性，以及继发骨质增生导致的慢性骨关节病，常见于60 岁以上老年人群，且女性多于男性［1］。早期KOA 临床症状并不显著，随病情进一步发展，患者会出现膝关节疼痛、活动受阻等症状，当病情发展至中后期时，关节发生肿胀、畸形甚至肌肉萎缩，使得运动功能受阻，严重影响生活质量［2］。既往研究［3］显示，KOA是导致老年人慢性残疾的主要原因，KOA 患者膝关节内异常的力学环境导致更多压力负荷集中于内侧间室，内侧间室KOA 则会导致患者下肢力线不佳、软骨磨损退变、内侧间室压力增加，进而发生膝内翻。“阶梯治疗”是内翻型KOA 规范化诊疗步骤，胫骨高位截骨术（high tibial osteotomy,HTO）是“保膝”治疗中的经典术式［4］，术中依靠医生临床经验，根据术前X 线片初步测量及术中多次透视确定截骨位置及张开角度，在矫正下肢力线、缓解关节疼痛等方面疗效确切［5］，但会合并辐射风险大、手术时间长、围术期出血量多等一系列并发症［6］。3D 打印技术可通过术前重建3D 建模，直观显示手术部位解剖结构并对其数字化分析，模拟手术进程，辅助定位，简化手术步骤，缩短手术时间，提升了骨科手术的精确度及安全性，已被广泛应用于骨科疾病的治疗中［7］。本研究旨在探讨HTO 联合3D 打印治疗内翻型KOA 患者的临床疗效，以及对患者膝关节功能的影响。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：（1）患者均符合KOA 诊断标准［8］；（2）膝关节内翻畸形，负重位X 线片显示膝关节内侧间室明显退行性改变，Ahlback 分级≥II 级，膝关节外侧间室良好；（3）体格检查证实前后交叉韧带和内外侧副韧带完整，功能正常；（4）入院前1 个月无激素、免疫抑制剂等药物治疗史者；（5）随访资料齐全者。

排除标准：（1）膝关节屈曲畸形，骨关节炎累及外侧间室者；（2）合并感染性关节炎者；（3）合并代谢性骨病、严重骨质疏松症患者；（4）合并重要脏器功能不全、凝血功能障碍者；（5）认知障碍及精神疾病者。

1.2 一般资料

回顾性分析本院于2018年1月—2019年6月收治的内翻型KOA 患者的临床资料，共94 例患者符合上述标准，纳入本研究。其中，男48 例，女46例；年龄50～71 岁，平均（58.6±4.2）岁。依据医患沟通结果，47 例采用3D 辅助HTO，另外47 例采用传统徒手HTO。两组患者术前一般资料见表1，两组一般资料比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。本研究获医院伦理委员会批准：HNSZSY-KY-2318，所有患者均知情同意。

表1 两组一般资料与比较

1.3 手术方法

3D 组：术前对胫骨上段膝关节行三维CT 重建，1 mm 薄层扫描，同时与术前拍摄的X 线片等影像学资料整合，采用逆向工程技术重建患者3D 胫骨近端模型。遵循下肢力线经过Fujisawa 点原则，采用计算机模拟手术步骤，采用Miniaci 法确定矫正度数及撑开高度，使目标离线通过距胫骨内侧平台边缘62.5%处。设计与患者胫骨近端解剖形态相符的辅助截骨导板。腰硬联合麻醉，消毒并放置止血带。先行膝关节镜检查，确定内侧室退变情况（图1a）。于内侧关节线下方及胫骨结节内侧做倒“L”形切口，分离筋膜，采用骨膜剥离器暴露股骨近端骨质，切断内侧副韧带浅层胫骨止点。将3D 打印导板置于胫骨近端内侧预定位置，经导板从胫骨上端最内侧凹陷处朝向腓骨上端打入多枚导针（图1b），确定矢状面截骨平面，并使其与胫骨后倾角平行。沿导针矢状面截骨，保留外侧合页约1 cm（图1c）。再行冠状面胫骨结节截骨，平面间截骨夹角成110°。根据术前预估撑开高度截取大小合适的同种异体骨块，并置入撑开间隙（图1d），C 形臂X 线机透视下采用力线杆验证力线是矫正满意，采用胫骨内侧锁定钢板固定截骨处。放置引流管，冲洗缝合切口。

图1 患者，女，54 岁，左膝内侧室骨性关节炎。1a:截骨前关节镜检查，见股骨内侧髁软骨病变；1b:显露胫骨近端内侧，安放3D 打印导板，沿导板置入导针；1c:透视下沿导针矢状面截骨，保留外侧合页约1 cm；1d:撑开截骨面，矫正下肢力线；1e:张开的截骨间隙中置入同种异体骨块，钢板固定；1f:术后正位X 线片，显示下肢力线矫正良好。

徒手组：术前常规影像规划截骨，术中采用传统徒手技术行HTO，截骨间隙植骨与固定同上。

1.4 评价指标

记录围术期资料，包括手术时间、切口长度、术中失血量、术中透视次数、下地行走时间、切口愈合、住院时间。采用完全负重活动时间、膝伸屈活动度（range of motion,ROM）、视觉模拟疼痛评分（pain visual analogue scale,VAS）［9］、西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（Western Ontario McMaster Universities osteoarthritis index,WOMAC）［10］及美国特殊外科医院（Hospital for Special Surgery,HSS）膝评分［11］评价临床效果。行影像检查，测量股胫角（femorotibial angle,FTA）、胫骨近端内侧角（medial proximal tibial angle,MPTA）、胫骨平台后倾角（posterior tibial slope,PTS）。并采用Kellgren-Lawrence（K-L）分级评价内、外侧室退变程度。

1.5 统计学方法

2 结果

2.1 围术期情况

两组患者均顺利手术，均无严重并发症。围手术期资料见表2，3D 组手术时间和术中透视次数均显著优于徒手组（P＜0.05）；两组在切口长度、术中失血量、下地行走时间、住院时间的差异均无统计学意义（P＞0.05）。两组患者均未发生导致严重后果的并发症。

表2 两组围术期资料（±s）与比较

表2 两组围术期资料（±s）与比较

指标P 值手术时间(min)切口总长度(cm)术中失血量(ml)术中透视次数(次)下地行走时间(d)住院时间(d)3D 组（n=47）58.8±5.0 4.8±1.2 126.7±21.7 2.1±0.9 6.5±2.2 12.8±2.2徒手组（n=47）65.8±5.4 4.9±1.1 124.6±20.9 7.5±1.6 7.0±2.2 13.2±2.5＜0.001 0.675 0.634＜0.001 0.273 0.412

2.2 随访结果

两组患者均获随访24 个月以上。随访过程中，两组患者均无膝痛加剧，再次手术行UKA 或TKA者。随访资料见表3，随时间推移，两组患者伸屈ROM、VAS、WOMAC 和HSS 评分均显著改善（P＜0.05）。术后1 个月，两组间伸屈ROM、VAS、WOMAC 和HSS 评分的差异均无统计学意义（P＞0.05）；术后6 个月和末次随访时3D 组在伸屈ROM、VAS、WOMAC 和HSS 评分均显著优于徒手组（P＜0.05）。

表3 两组随访结果（±s）与比较

表3 两组随访结果（±s）与比较

指标伸屈ROM(°)指标伸屈ROM(°)3D 组（n=47）68.7±3.2 96.8±5.8 124.5±7.3＜0.001 7.6±1.5 5.7±1.1 3.3±0.8＜0.001 44.8±5.1 28.7±3.9 17.4±2.0＜0.001 42.4±5.2 58.5±7.0 73.4±8.1＜0.001 P 值0.465＜0.001＜0.001徒手组（n=47）69.2±3.4 88.7±5.2 109.7±6.9＜0.001 7.7±1.6 6.6±1.4 5.4±1.2＜0.001 45.3±5.2 34.8±4.0 22.6±2.1＜0.001 41.3±5.2 53.3±6.9 65.6±8.2＜0.001 P 值0.465＜0.001＜0.001 VAS 评分(分)0.755 0.001＜0.001 VAS 评分(分)0.755＜0.001＜0.001 WOMAC 评分(分)WOMAC 评分(分)0.639＜0.001＜0.001 0.639＜0.001＜0.001时间点术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值HSS 评分(分)0.308＜0.001＜0.001 HSS 评分(分)时间点术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值0.308＜0.001＜0.001 3D 组（n=47）68.7±3.2 96.8±5.8 124.5±7.3＜0.001 7.6±1.5 5.7±1.1 3.3±0.8＜0.001 44.8±5.1 28.7±3.9 17.4±2.0＜0.001 42.4±5.2 58.5±7.0 73.4±8.1＜0.001徒手组（n=47）69.2±3.4 88.7±5.2 109.7±6.9＜0.001 7.7±1.6 6.6±1.4 5.4±1.2＜0.001 45.3±5.2 34.8±4.0 22.6±2.1＜0.001 41.3±5.2 53.3±6.9 65.6±8.2＜0.001

2.3 影像评估

两组患者影像评估结果见表4。与术前相比，末次随访时两组FTA、MPTA，以及内侧室K-L 评级均显著改善（P＜0.05），然而，两组PTS 和外侧室K-L评级均无显著改变（P＞0.05）。相应时间点，两组间FTA、MPTA、PTS，以及内侧室和外侧室K-L 评级的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表4 两组影像评估结果与比较

3 讨论

KOA 病理改变主要是以膝关节软骨变薄、磨损以及周围骨性关节面磨损、骨质增生及骨赘形成等，患者表现为膝关节局部疼痛、关节功能障碍、稳定性降低等［12］。当病情发展至中后期时，患者膝关节内外翻畸形明显，且多见内翻畸形，膝关节内翻负荷增加，致使内侧关节面磨损变薄，加重膝关节疼痛，关节不稳定性升高，病情呈现恶性循环，严重影响患者工作生活［13，14］。目前临床治疗KOA 的规范化诊疗步骤为关节清理→截骨矫形→单踝置换→全膝关节置换的“阶梯治疗”［15］，其中“保膝”阶段中HTO 的治疗方式最为经典，可通过改善下肢力线，转移负重应力将其从患侧间室向转向健康间室，从而减轻病变关节面压力，缓解机体疼痛，延缓病情发展，同时最大限度保留了患者膝关节功能［16］。但该术式对医师操作技术要求较高，术前需精准计算截骨角度，术中需反复进行C 形臂X 线机透视，修正截骨位置及长度，不仅增加了医患人员辐射风险，同时还延长了手术时间，易造成围术期大出血等一系列并发症［17］。

随着骨科数字化技术不断发展，3D 打印技术在脊柱内固定、骨肿瘤、复杂创伤骨折以及矫形外科等领域均有应用［18］。既往研究表明，3D 打印技术用于骨科手术中可精确有效矫正内翻畸形［19，20］。本研究通过比较两组患者术后相关指标，发现两组患者术后FTA、MPTA、胫骨后倾角等指标较术前有明显改善，提示两种术式均可有效矫正患者下肢力线，同时保留胫骨结节原有结构。3D 打印截骨模具根据胫骨近端解剖形态设计，于胫骨后侧皮质紧密贴合，使截骨方向水平由内向外，保证截骨合页轴的前后指向，维持胫骨平台正常后倾。这是常规截骨术不具备的优势。本研究结果显示，3D 组术后VAS 疼痛评分及WOMAC 骨关节炎指数均低于徒手组，提示HTO 联合3D 打印技术治疗内翻型KOA 可有效缓解患者术后疼痛，减轻机体炎症反应。分析可能是与3D 打印技术增加解雇精准性有关。Kim 等［21］研究表明，3D打印技术辅助HTO 能有效提高截骨术准确性且不改变胫骨后倾角，具有显著疗效。此外，Fucentese等［22］研究也显示，3D 打印辅助HTO 能精确截骨，其临床疗效令人满意。本研究对术后6 个月的膝关节功能恢复情况及手术疗效进行比较，结果显示两组患者膝关节功能均有不同程度提高，HTO 联合3D 打印技术在改善膝关节功能方面效果更优，手术效率更好。与传统徒手技术行HTO 比较，3D 打印技术可通过术前数字化三维建模以及逆向工程软件，直观掌握手术部位的结构特点，通过打印出1∶1 骨骼模型以选择合适的手术方案、预方案、钢板、塑形及螺钉等材料，对其进行数字化分析以及模拟手术，使手术更安全精确，从而实现手术方案个体化，进而有效提高手术质量及效率。

综上，HTO 联合3D 打印治疗内翻型KOA 患者可有效简化手术步骤，避免多次透视及截骨操作，增加截骨精确性，提高手术效率，改善临床结果；同时在降低患者疼痛、加快膝关节功能恢复方面具有显著优势。但本研究尚存不足：本研究样本量较少且为单中心样本，可能会造成结果出现一定偏差，未来需扩大样本量及其纳入范围以进一步验证研究结论准确性。