張偉金玉林

3-D打印技術在全膝關節(jié)置換術中臨床應用

張偉①金玉林①

目的：探討3-D打印技術在全膝關節(jié)置換術中臨床應用療效。方法：對6例行全膝關節(jié)表面置換的患者，術前行膝關節(jié)3-D打印，制作關節(jié)模型，測量術前截骨量，截骨角度，術前根據(jù)測量數(shù)據(jù)制定符合的膝關節(jié)假體。測量術中的手術時間，假體術中與術前的匹配度，采用HSS膝關節(jié)評分對手術后患者短期膝關節(jié)功能活動情況進行評價。結果：6例患者手術中假體使用與術前制定符合，手術時間及出血量較過去減少，術后膝關節(jié)功能改善明顯，未出現(xiàn)感染、假體下沉。結論：3-D打印技術應用于全膝關節(jié)置換術降低了手術難度，減少了手術時間、出血量，術后膝關節(jié)活動功能好，是未來發(fā)展的一種趨勢。

3-D打??； 全膝關節(jié)置換； 臨床應用

3-D打印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。最早起源于19世紀末的美國，隨著智能化的發(fā)展，3-D打印技術逐步成熟，并應用于各行業(yè)，影響著人們的生活。近年來，3-D技術應用于醫(yī)學行業(yè)有廣泛的報道，蘇格蘭科學家 Faulkner-Jones等利用細胞打印出人造肝臟組織[1]。本院將3-D打印技術運用于全膝關節(jié)置換，取得良好的臨床效果，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組6例患者，男3例，女3例，

68～81歲，平均74.6歲。納入標準：（1）符合骨關節(jié)炎診斷標準。（2）所有病例手術前均全面體檢及輔助檢查，并經1位資深主任醫(yī)師手術治療，手術后住院2周以上。（3）所有骨關節(jié)炎病例均為Holden Ⅳ級病例（即嚴重硬化、關節(jié)間隙消失）。

1.2 方法

1.2.1 術前準備 術前行關節(jié)X線片、膝關節(jié)CT掃描。術前有內科疾病的請相關內科科室會診、治療。待病情平穩(wěn)，無明顯手術禁忌證時進行手術。

1.2.2 方法 CT掃描范圍：包括髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)。所需的解剖結構包括：獲得軸向平面的所有切片髖關節(jié)影像（髂前上棘至恥骨聯(lián)合）；膝關節(jié)影像（膝關節(jié)上下100 mm，包括脛骨結節(jié)附著的髕韌帶）；踝影像（踝關節(jié)以下至跟骨中央）。切片厚度和間距：建議軸向平面切片1.25 mm×1.25 mm或1 mm×1 mm，當需要增加層厚時，層厚不得低于2 mm。視野（FOV）使用同一的視野，在掃描過程中不要改變，需要仔細對準腿以獲得股骨頭、膝關節(jié)和踝。切片時，不要隨意改變X和Y軸的坐標原點，即所有CT切面具有同一個坐標系，數(shù)據(jù)格式：DICOM，CT設備通用格式。圖像通過計算機建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數(shù)字化模型輸入3-D打印機。打印機將打印出膝關節(jié)模型，術前根據(jù)模型畸形的矯正程度，假體安放位置評估、模擬操作，并制定合適的假體。本文對患者左腿手術進行股骨假體設計（圖1～圖6）及脛骨假體設計（圖7～圖9）。術中根據(jù)術前測量截骨量進行截骨，并安放定制的假體，記錄手術時間及假體的匹配度。

圖1　股骨全長模擬圖

圖2　左膝關節(jié)模擬圖

圖3　開髓

圖4　角度

圖5　截骨量

圖6　模擬假體

圖7　定位（脛骨）

圖8　截骨

圖9　模擬假體

1.3 術后處理 術后3 d使用抗生素預防切口感染，術后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝關節(jié)功能鍛煉。

2 結果

患者平均手術時間為45 min，較過去減少；出血量減少；下床時間為術后3 d，術中假體使用與術前定制假體匹配，截骨及假體放置均一次成功。隨訪3個月～1年，未出現(xiàn)關節(jié)感染、假體松動現(xiàn)象?；颊呦リP節(jié)HSS評分均大于85分，屈伸活動功能好，改善明顯。

3 討論

3.1 3-D打印技術的原理 3-D打印技術是一種數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。其基本原理為：（1）設計過程：首先通過計算機建模軟件（CAD）建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，后通過成快速成型文件格式STL將三維數(shù)字化模型輸入3-D打印機。（2）打印過程：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料利用激光束或熱熔噴嘴等方式，在平面方向X-Y方向黏結成截面形狀，然后在Z坐標方向將各層截面進行逐層疊加，粘合起來從而制造出一個實體。與傳統(tǒng)的“切削去除”材料方法（如3-D雕刻）不同，3-D打印采用“逐層增加”材料的方式來制作三維實體[2]。

3.2 3-D打印技術在外科中的應用 3-D打印技術作為一種新發(fā)展的技術，發(fā)展迅速，目前已在工業(yè)制造、生物醫(yī)療等得到了長足發(fā)展，并取得了一定的成效，近年來已逐漸應用于骨科領域，完善了骨科復雜手術的術前準備，使手術由復雜變簡單化。它通過采集術前CT、X線等影像數(shù)據(jù)，經過CAD計算機軟件處理，輸入快速成型機器，制成實體硬組織一致的模型，有助于術前準確了解硬組織的細微解剖結構及病變與周圍結構的關系，提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導手術的作用[3]。在口腔頜面部應用上，Levine等[4]將該技術應用于下頜骨重建術、正頜手術、頜面部創(chuàng)傷修復和顳頜關節(jié)重建術等70余例手術，取得良好的重建及手術效果。Mazzoni等[5]通過打印導板，術前模擬引導手術，并在術前及術后和CT影像進行手術的傳統(tǒng)術中下頜骨4個解剖位點（髁突外側點、下頜骨正中點、下頜骨牙弓曲度和髁突空間位置）進行術中具體位置與術前規(guī)劃的偏差，認為在導板引導下的個性化骨板植入術可大大縮短手術時間，提高手術精確性，尤為在髁突空間位置和下頜骨牙弓曲度作用明顯。將該技術應用于脊柱及復雜骨盆手術應用研究方面，有報道取得良好的手術效果。Guarino 等[6]將3-D打印技術應用于10例小兒脊柱側凸及3例復雜骨盆骨折，結果表明該技術提高復雜骨盆骨折分類的準確性及椎弓根釘植入的準確性，減少醫(yī)源性脊髓損傷幾率，并縮短手術時間。Sun等[7]分別將3-D打印技術應用于骨盆腫瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設計個性化人工半骨盆假體，取得了滿意臨床效果。而在一些特異性高的手術上，3-D打印技術不僅可以模擬骨骼實體，還可以根據(jù)手術要求制備個體化手術器械。Lee等[8]應用該技術制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導向器，使手術更精準，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關節(jié)置換術。在關節(jié)外科應用上，3-D打印技術因其可以為患者“量身定制”個體化模型，使關節(jié)置換中假體型號的選擇、假體安放位置的準確性以及畸形的矯正程度等技術難題得到解決。這使得關節(jié)嚴重畸形、軟組織嚴重攣縮的患者的術前手術方案的制定簡單化、準確化，從而提高關節(jié)外科復雜高難度手術的成功率，使手術更精確、更安全。Won等[9]報道利用該技術成功為21例髖關節(jié)嚴重畸形患者制定手術方案術中明顯縮短了手術時間、出血量，術后影像學提示假體匹配良好。Sciberras等[10]首次將該技術應用于1例復雜髖關節(jié)翻修術，根據(jù)3-D打印技術制作的假體，進行詳細的術前評估和模擬操作，手術獲得了成功。He等[11]利用3-D打印技術制備了半膝關節(jié)和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結成型技術制備出個體化鈦鋁合金半膝關節(jié)和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復合半膝關節(jié)假體植入患者體內，術后隨訪表明該復合半膝關節(jié)假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機械強度。

本院應用3-D打印技術應用于全膝關節(jié)表面置換術，有利于制定最佳手術方案，指導開展個體化關節(jié)外科手術，術前有效確定植入物的類型、大小和位置，使手術操作更精準，手術一次性完成，減少了操作、術中使用工具數(shù)量，從而減少了手術時間，取得了良好的臨床療效。這與報道的臨床實踐相符合[12]。

3.3 3-D打印技術目前存在的缺點 3-D打印技術可以將抽象的三維數(shù)字模型轉變成為直觀、立體的實物模型，降低了高難度手術的術前準備、減少了手術時間、提高了手術的成功率，作為一項革命性的新技術，其顛覆了傳統(tǒng)醫(yī)療模式。但3-D打印目前仍然存在使用上的缺點。（1）因該項技術尚未得到廣泛推廣，3-D打印的使用費用高，包括3-D打印設備的購置、運行，打印材料及相關專業(yè)人員費用，大多數(shù)患者不能承擔其費用，在部分地區(qū)僅用于醫(yī)學研究。（2）打印材料不能滿足臨床醫(yī)學的需求。目前大多打印的假體因其材料使用有限，不具有生物相容性、可降解性，大多僅用于模型供術前準備，而不是作為實體安放于體內。（3）3-D技術因打印模型的個體化，使得在打印部分要求較高的模型時，耗時時間較長，且該項技術要求院內學科合作，這使得急診手術在3-D打印技術中不占優(yōu)勢。

3.4 3-D打印技術在關節(jié)外科應用中的展望 盡管3-D打印在目前存在部分缺點，但其在未來關節(jié)外科發(fā)展中必會起到決定性的作用。目前在生物醫(yī)學領域，3-D打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面[13]。3-D打印技術被廣泛應用于組織工程骨和軟骨研究領域，在關節(jié)外科修復重建領域展示了良好的應用。采用3-D打印技術制備的組織工程支架材料不僅具有與缺損組織相匹配的解剖外形，同時也具有滿足細胞黏附、增殖的內部三維多孔結構[14]。Billiet等[15]應用該技術輔以微米、納米技術，可根據(jù)需要設定特定的孔隙率、交聯(lián)，顯著提高支架的生物學及力學性能，使其有利于細胞黏附、增殖、分化，從而促進骨組織生長及骨折愈合等。Lee 等[16]和Woodfield等[17]將3-D打印的骨軟骨支架應用于動物實體，取得良好的效果。Xu等[18]利用靜電紡絲和噴墨打印相結合的方法制作組織工程軟骨。將活細胞和支架材料一同打印是3-D打印技術在關節(jié)外科基礎研究領域應用的進步性標志，但如何實現(xiàn)細胞在支架內按照預制組織結構進行精準分布、如何構建營養(yǎng)通道血管、如何提高打印組織的機械性能等，都是未來研究方向[18]。隨著3-D打印技術的不斷發(fā)展，自體“生物型人工關節(jié)”將在未來成為可能。

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醫(yī)學論文表與圖的寫作要求

一、制表的基本要求

1.重點突出，簡單明了，主謂分明，層次清楚。

2.結構完整，有自明性，表的內容不要與文字、插圖重復。

3.表中的量、單位、符號、縮略語等須與正文一致。

二、圖應具有自明性，即只看圖、圖題和圖例，不閱讀正文，就可理解圖意；內容不要與文字、表格重復；類型應與資料性質匹配。

1.線條圖要求線條均勻、主輔線分明，并使數(shù)軸上刻度值的標法符合數(shù)學原則。

2.照片圖要求有良好的清晰度和對比度，層次分明，反差適中，沒有雜亂的背景。

3.圖高度與寬度的比例一般掌握在5∶7左右。

4.圖中的量、單位、符號、縮略語等須與正文一致。

The Clinical Application of 3-D Printing Technology in Total K nee Arthroplasty

ZHANG Wei，J IN Yulin.//Medical Innovation of China，2014，11（24）：130-134

Objective：To analysis clinical efficacy of 3-D printing technology in total knee arthroplasty.Method：Six patients with total knee resurfacing arthroplasty， 3-D printing used preoperative， production joint model， osteotomy amount， osteotomy angle were mesured， knee prosthesis developed in line with the measured data preoperative. The operative time， prosthesis match were measured implant intraoperative， and knee functional activities in short term was assessed by HSS knee score.Result：The prosthesis developed in line with the preoperative used in six patients，the operative time and blood lost were reduced than in the past， knee function was good according to HSS knee score，infection， prosthetic subsidence， limited joint function did not appeard.Conclusion：3-D printing technology for total knee arthroplasty reduces surgical difficulty， the operative time and blood lost are reduced， knee function well postoperative， it is a trend of future development.

3D printing technology； Total knee arthroplasty； Clinical efficacy

10.3969/j.issn.1674-4985.2014.24.045

2014-04-01） （本文編輯：蔡元元）

①云南省普洱市人民醫(yī)院 云南 普洱 665000

張偉

First-author’s address：The People’s Hospital of Puer，Puer 665000，China