王增輝，樸成哲*，孫明，周宏宇

3 D打印技術(shù)輔助下行全膝置換術(shù)與傳統(tǒng)全膝置換術(shù)的比較

王增輝1，樸成哲1*，孫明1，周宏宇2

（1.沈陽醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院，遼寧 沈陽 110024；2.沈陽醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院）

3D打印技術(shù)即三維結(jié)構(gòu)打印技術(shù)，是通過3D打印機(jī)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成3D實(shí)體。通過3D打印技術(shù)打印個(gè)性化截骨組件輔助下行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）比傳統(tǒng)TKA有以下優(yōu)勢(shì)：采用個(gè)性化切模、無需髓內(nèi)定位器、術(shù)中假體安放簡便、有效降低術(shù)中出血量和心腦血管栓塞并發(fā)癥的發(fā)生率。3D打印技術(shù)輔助下行TKA可提前模擬手術(shù)并制定最佳手術(shù)方案，以達(dá)到術(shù)中精確定位、減少手術(shù)用時(shí)、個(gè)體化精準(zhǔn)治療的目的，這是醫(yī)學(xué)未來發(fā)展的趨勢(shì)。

3D打印技術(shù)；全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)；數(shù)字模型文件

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）是目前全世界治療膝關(guān)節(jié)晚期骨性關(guān)節(jié)炎病變最為有效常用的手術(shù)方式，通過行TKA及術(shù)后相關(guān)的功能鍛煉，可使患者恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的正常行走功能，療效確切［1-4］。每年全世界完成超過100萬例TKA［5］。由于全球人口的老齡化問題和人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，使得關(guān)節(jié)置換手術(shù)的數(shù)量顯著提高，估計(jì)到2030年行TKA的患者將增加數(shù)倍［6］。3D打印技術(shù)即三維結(jié)構(gòu)打印技術(shù)，是通過3D打印機(jī)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成3D實(shí)體［7］。相對(duì)于傳統(tǒng)TKA，3D打印技術(shù)輔助下行TKA具有較多優(yōu)勢(shì)。統(tǒng)本文對(duì)3D打印技術(shù)輔助下行TKA與傳統(tǒng)TKA的比較進(jìn)行了綜述。

1 傳統(tǒng)T K A簡介

對(duì)中晚期骨性關(guān)節(jié)炎及膝關(guān)節(jié)頑固性疼痛的患者通常采用TKA手術(shù)方式治療。隨著對(duì)傳統(tǒng)TKA的不斷認(rèn)識(shí)及研究，骨科醫(yī)生發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)TKA存在一些缺陷，如術(shù)后感染、失血、假體松動(dòng)、假體與周圍軟組織的撞擊等，這些缺陷均可導(dǎo)致植入假體的早期失效或假體使用的時(shí)間減短，假體的失效將導(dǎo)致患者面臨再次手術(shù)或多次手術(shù)的結(jié)果，使得治療周期延長及治療費(fèi)用增高，而且大多數(shù)的結(jié)局是導(dǎo)致患者存在一定的功能障礙，其中患者的失血量是影響患者術(shù)后康復(fù)的主要因素之一［8-11］。傳統(tǒng)TKA需安放股骨髓內(nèi)定位桿等定位器械進(jìn)行定位，這一操作增加了出血量及脂肪栓塞發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，并且由于反復(fù)多次的使用同一截骨組件易造成器械的磨損并增加了以后進(jìn)行截骨的不精確性［12］。由于股骨解剖標(biāo)志大多捫及不清，在傳統(tǒng)TKA中股骨髓內(nèi)定位導(dǎo)向器對(duì)股骨側(cè)的截骨非常重要，入口的位置對(duì)股骨遠(yuǎn)端截骨存在著巨大的影響，可在矢狀面上造成5度的偏差，故術(shù)前應(yīng)仔細(xì)閱讀X線片，看是否存在髓腔過寬或股骨弓過大，這些都會(huì)導(dǎo)致術(shù)中導(dǎo)向錯(cuò)誤。股骨髓外定位導(dǎo)向器一般只在當(dāng)股骨外弓畸形嚴(yán)重，骨折后畸形愈合，髓腔狹窄或同側(cè)股骨被其它內(nèi)置物堵塞時(shí)才使用，而且不能用它作為主要標(biāo)志。因此傳統(tǒng)TKA股骨側(cè)還是主要以髓內(nèi)定位導(dǎo)向器為主，并且股骨前后截骨決定著股骨假體的旋轉(zhuǎn)對(duì)線以及屈曲間隙的形狀，外旋過大將導(dǎo)致內(nèi)側(cè)屈曲間隙增加，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)屈膝位不穩(wěn)定，股骨假體內(nèi)旋可導(dǎo)致髕骨向外側(cè)傾斜，髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)等問題。通常用內(nèi)外髁連線，前后軸線，股骨后髁及脛骨近端截骨面這幾個(gè)軸線來確定股骨假體的旋轉(zhuǎn)對(duì)線。脛骨近端的截骨相對(duì)簡單一些，截骨角度應(yīng)與脛骨力線垂直，脛骨后傾截骨角度一般與假體相關(guān)，現(xiàn)大多數(shù)假體的聚乙烯襯墊已包含3度后傾，這種設(shè)計(jì)使其能夠獲得更加準(zhǔn)確的后傾角度，脛骨截骨時(shí)應(yīng)避免髕韌帶及側(cè)副韌帶的損傷［13-14］。

2 3 D打印個(gè)性化截骨組件行T K A與傳統(tǒng)T K A的比較

2.1 3D打印技術(shù) 3D打印技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于3D打印技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實(shí)物的優(yōu)點(diǎn)，目前已被臨床所應(yīng)用［15-17］，其在醫(yī)療領(lǐng)域中主要用于制造器官、手術(shù)器械、實(shí)物模型、人工假體等［18］。

2.2 3D打印個(gè)性化截骨組件行TKA與傳統(tǒng)TKA的比較 由于傳統(tǒng)的TKA缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)及更科學(xué)化的手術(shù)方案，使術(shù)中準(zhǔn)確定位截骨、假體型號(hào)選擇及假體的位置安放難以達(dá)到個(gè)體化，超過65%的早期手術(shù)失敗的主要原因是術(shù)中假體安放位置不佳、下肢力線不準(zhǔn)確［19-20］，這些都是臨床醫(yī)生現(xiàn)在迫切想解決的問題。傳統(tǒng)TKA手術(shù)中使用的截骨組件僅適用于四分之三的手術(shù)患者，而其余的四分之一接受手術(shù)的患者理想截骨角度與通用截骨組件角度差異較大，特別是對(duì)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎存在嚴(yán)重的內(nèi)翻畸形、外翻畸形及關(guān)節(jié)軟骨完全丟失的患者［21］。傳統(tǒng)TKA由于以上的各種原因均可縮短假體的使用年限，并且傳統(tǒng)TKA的手術(shù)器械多而雜、術(shù)中截骨組件安放復(fù)雜費(fèi)時(shí)，進(jìn)而需要主刀醫(yī)生根據(jù)大量的骨性標(biāo)志安放截骨組件進(jìn)行截骨。截骨成功的標(biāo)準(zhǔn)的主要有以下幾個(gè)原則：假體大小適合，假體位置能使下肢力線恢復(fù)正常，屈曲伸直位均能達(dá)到軟組織平衡及很好的髕骨軌跡。如果主刀醫(yī)生對(duì)手術(shù)器械的使用不夠嫻熟、對(duì)下肢力線判斷不夠精確或者是其他任何的小差錯(cuò)，都會(huì)導(dǎo)致截骨不夠精確、假體早期失效、膝關(guān)節(jié)軟組織不平衡等嚴(yán)重問題［12］。在行TKA手術(shù)過程中精準(zhǔn)的解剖定位及嫻熟的使用截骨組件是手術(shù)成功的主要因素。3D打印個(gè)性化切模輔助行TKA術(shù)中所用的個(gè)性化截骨組件，是術(shù)前通過用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)患者從髖關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)的CT掃描信息進(jìn)行三維重建數(shù)字模型，再進(jìn)行測(cè)量、切割設(shè)計(jì)出最佳截骨組件［22］。在計(jì)算機(jī)上使用快速成形技術(shù)與圖形擬合技術(shù)來確定截骨角度及假體橫截面的對(duì)線，并通過3D打印機(jī)打印出截骨組件及1：1的股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端。在手術(shù)前通過預(yù)先打印出的個(gè)體化截骨組件對(duì)股骨及脛骨進(jìn)行截骨，并預(yù)先選擇最適合患者的膝關(guān)節(jié)假體型號(hào)，術(shù)中截骨完全依照術(shù)前在計(jì)算機(jī)里所設(shè)計(jì)的截骨角度進(jìn)行截骨以恢復(fù)下肢正常的力線，而不是傳統(tǒng)手術(shù)截骨組件的通用截骨角度，而且使用3D打印技術(shù)打印出來的個(gè)性化截骨組件不需要使用其它的任何導(dǎo)向器，不需要考慮股骨髓內(nèi)導(dǎo)向器入口的偏差對(duì)截骨的影響及股骨前后截骨對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)線的影響，而且能有效地減少患者的出血量和脂肪栓塞等并發(fā)癥的發(fā)生率。研究表明，行單側(cè)傳統(tǒng)TKA手術(shù)的患者超過50%需要輸血，其術(shù)中出血量大約為100～500 ml，術(shù)后引流量大約為300～800 ml，隱性失血量大約為 500～800 ml［23］，估計(jì)總失血量可高達(dá) 1 000～1 500 ml［24］。傳統(tǒng) TKA 手術(shù)的多數(shù)患者需要輸血治療，而輸血治療本身又存在著很多的潛在風(fēng)險(xiǎn)［25-28］。自體輸血雖然降低一些風(fēng)險(xiǎn)，但其需要更多的醫(yī)療費(fèi)用。行傳統(tǒng)TKA手術(shù)股骨截骨時(shí)進(jìn)行股骨髓腔定位時(shí)股骨髓腔被打開，在這個(gè)過程中可造成松質(zhì)骨及髓內(nèi)血管的損壞，導(dǎo)致股骨髓腔大量滲血，進(jìn)而導(dǎo)致術(shù)中及術(shù)后失血量增多［29-30］。3D打印技術(shù)是通過術(shù)前在計(jì)算機(jī)上使用快速成形技術(shù)與圖形擬合技術(shù)確定截骨角度和假體橫截面的對(duì)線，從而使下肢力線恢復(fù)到最適角度，假體安裝更為合適，膝關(guān)節(jié)假體周圍軟組織更加平衡［7］。個(gè)性化截骨模塊的使用使得手術(shù)時(shí)間得以縮減和手術(shù)器械消毒費(fèi)用減少。3D打印技術(shù)是使TKA的假體對(duì)線達(dá)到準(zhǔn)確、創(chuàng)傷更小的新技術(shù)，但其在影像資料和制作截骨組件上需要花費(fèi)一些費(fèi)用，并且在與患者交流的時(shí)候不能將此技術(shù)稱為“定制的TKA假體”，此種說法曾被用于商業(yè)目的。劉峰等［31］通過研究3D打印個(gè)性化切模輔助下行TKA與傳統(tǒng)TKA在手術(shù)時(shí)間、術(shù)中失血量、術(shù)后引流總量、術(shù)后3個(gè)月膝關(guān)節(jié)HSS評(píng)分等指標(biāo)上進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明3D打印個(gè)性化切模輔助下行TKA在手術(shù)時(shí)間、術(shù)中失血量、術(shù)后引流量及術(shù)后3個(gè)月膝關(guān)節(jié)HSS評(píng)分等方面要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)TKA，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。另外吳東迎等［12］通過對(duì)40例初次行單側(cè)TKA的患者研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用3D打印截骨組件輔助的TKA手術(shù)比常規(guī)TKA手術(shù)具有手術(shù)時(shí)間更短、出血量更少等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于TKA中，是醫(yī)學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的巧妙結(jié)合。在TKA手術(shù)中應(yīng)用3D打印技術(shù)打印個(gè)體化截骨組件輔助行TKA手術(shù)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，只需術(shù)前采取患者髖關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)CT影像學(xué)數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)上通過使用快速成形技術(shù)與圖形擬合技術(shù)來確定截骨角度及假體橫截面的對(duì)線使下肢力線恢復(fù)正常。術(shù)前預(yù)測(cè)術(shù)中使用假體大小、截骨面和截骨的角度，使手術(shù)過程更加簡單化。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用3D打印個(gè)體化截骨組件輔助下行TKA手術(shù)時(shí)無需打開股骨髓腔，將減少股骨髓腔術(shù)中及術(shù)后的出血。通過3D打印技術(shù)打印個(gè)體化截骨組件輔助下行TKA手術(shù)具有個(gè)體化、精準(zhǔn)化、縮短手術(shù)時(shí)間、減少創(chuàng)傷等優(yōu)點(diǎn)，手術(shù)技術(shù)的提高將減少術(shù)后并發(fā)癥［32］。

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Comparison of Conventional and 3D Printing-assisted Total Knee Arthroplasty

WANG Zenghui1， PIAO Chengzhe1*， SUN Ming1， ZHOU Hongyu2
（1 The Central Hospital Affiliated to Shenyang Medical College，Shenyang 110024，China；2.The Second Affiliated Hospital of Shenyang Medical College）

Three-dimensional（3D） printing technology refers to processes used to create a three-dimensional object in which layers of material are formed using digital model data from a 3D model under computer control to create an object.Compared with the conventional total knee arthroplasty（TKA），3D printing-assisted TKA possesses the advantages of personalized block printed from a 3D model， no intramedullary nail locator， simple replacement of prosthetic components， reduced intraoperative blood loss and decreased incidence of cardiovascular and cerebrovascular complications.3D printing-assisted TKA can simulate the operation in advance and develop the best surgical program to achieve accurate positioning during surgery， reduce the operation time， and achieve individualized precision treatment，which is the future of medical development.

3D printing technology； total knee arthroplasty； digital model data

R687.4

A

1008-2344（2017）06-0527-03

10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.06.020

樸成哲（1963—），男（朝鮮族），主任醫(yī)師，研究方向：骨關(guān)節(jié)外科.E-mail：25739996@163.com.

2017-03-27

（毛亞萍編輯）