劉輝亮，丁煥文，黃敏強，王 虹

CAD結(jié)合3D打印技術(shù)在踝關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用

劉輝亮，丁煥文，黃敏強，王 虹

目的探討CAD結(jié)合3D打印技術(shù)在全踝關(guān)節(jié)置換（TAR）中的應(yīng)用價值。方法將廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院2010年1月至2015年1月收治的28例踝關(guān)節(jié)炎手術(shù)患者，隨機分為觀察組（14例）和對照組（14例），觀察組在CAD結(jié)合3D打印個性化導(dǎo)板技術(shù)輔助下行TAR，對照組采取常規(guī)TAR。觀察兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、住院時間及住院費用，比較兩組術(shù)后Kofoed評分差異，記錄術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生情況。結(jié)果患者獲隨訪12～36個月，平均隨訪時間27.3個月。兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、住院時間及住院費用并無明顯差異（P＞0.05）；術(shù)后1個月、1年Kofoed評分觀察組高于對照組（P＜0.05）；觀察組術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率較對照組低，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。結(jié)論CAD結(jié)合3D打印技術(shù)輔助TAR能顯著提高手術(shù)精度，改善長期療效。

踝關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)成形術(shù)，置換；計算機輔助設(shè)計；3D打??；導(dǎo)航模板；外科手術(shù)，計算機輔助

踝關(guān)節(jié)炎是由創(chuàng)傷或其他原因引起，以關(guān)節(jié)軟骨退化變性和繼發(fā)性軟骨增生、骨化為主要病理變化，以關(guān)節(jié)疼痛、活動功能障礙為主要臨床表現(xiàn)的一種疾病，發(fā)病率是骨性關(guān)節(jié)炎的1/10～1/12[1]。手術(shù)治療方式主要包括關(guān)節(jié)鏡下清理術(shù)、踝關(guān)節(jié)融合術(shù)、全踝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total ankle replacement，TAR）、同種異體軟骨和自體軟骨移植等[2-3]。目前髖膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)十分成熟，但就踝關(guān)節(jié)而言，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，置換后易發(fā)生塌陷，并發(fā)癥較多，長期療效有限，故臨床使用相對較少[4]。本研究運用計算機輔助設(shè)計（computer assisted design，CAD）和3D打印技術(shù)設(shè)計制作TAR輔助手術(shù)模板，用于引導(dǎo)整個手術(shù)過程，臨床效果滿意，現(xiàn)報道如下。

1 一般資料

1.1 病例選擇標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合踝關(guān)節(jié)炎診斷標(biāo)準(zhǔn)；②踝關(guān)節(jié)疼痛嚴(yán)重、各方向活動度＜5°、保守治療效果欠佳、需行踝關(guān)節(jié)置換者；③距骨骨質(zhì)尚好、周圍韌帶無嚴(yán)重?fù)p傷、踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性完好者；④內(nèi)、外翻畸形＜35°；⑤后足畸形可矯正者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①距骨壞死；②夏科氏關(guān)節(jié)；③伴足部區(qū)域感覺喪失等神經(jīng)功能障礙；④下肢遠端肌肉功能喪失；⑤既往行關(guān)節(jié)融合術(shù)，踝關(guān)節(jié)遭破壞或中間、側(cè)方韌帶被切除；⑥伴精神性疾病；⑦不能配合術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練及隨訪調(diào)查者。本研究經(jīng)廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，所有患者及家屬均簽署知情同意書。

1.2 分組

將我院2010年1月至2015年1月符合病例選擇標(biāo)準(zhǔn)、擬行TAR的28例患者按隨機數(shù)表法隨機分為觀察組和對照組。觀察組14例，男8例，女6例；年齡49～68歲,平均51.3歲，采用CAD結(jié)合3D打印輔助TAR；對照組14例，男7例，女7例，年齡45～66歲,平均49.6歲，采用常規(guī)TAR。兩組年齡、性別、疾病類型、病程等一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05，表1），具有可比性。

表1 兩組全踝關(guān)節(jié)置換術(shù)前一般資料比較（n=14）

1.3 術(shù)前處理

拍攝踝關(guān)節(jié)站立位正位、側(cè)位和內(nèi)外翻應(yīng)力位X線片，檢查雙踝關(guān)節(jié)CT（掃描范圍觀察組從骨盆到踝關(guān)節(jié)以下、對照組常規(guī)踝關(guān)節(jié)平掃），行骨密度測定，測量踝關(guān)節(jié)背伸、跖屈、內(nèi)收、外展活動度，了解下肢力線、骨質(zhì)情況及內(nèi)外側(cè)韌帶穩(wěn)定性。

觀察組將64排CT薄層掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.0軟件（Materialise公司，比利時）。通過軟件中的區(qū)域劃分、區(qū)域增長操作，重建雙下肢三維解剖模型，并將模型以STL格式保存。將雙下肢三維解剖模型導(dǎo)入NX-Imageware 13.2軟件（EDS公司，美國），使用測量工具對雙下肢力線、踝穴冠狀面和矢狀面平整度、內(nèi)踝間隙、脛距上間隙、脛腓間隙、脛骨平臺后方切線、踝間軸線、脛骨角、脛骨扭轉(zhuǎn)角、距骨內(nèi)翻角等解剖參數(shù)進行測量，以健側(cè)作為對照，模擬截骨，并畫線建立截骨模板的輪廓外形，以IGES格式保存。將建立好的截骨模板輪廓外形導(dǎo)入UGNX 7.0軟件（EDS公司，美國），應(yīng)用“縫合”操作功能對各個曲面、平面進行縫合，得到最后的截骨模板三維模型。將截骨模板模型和掃描的踝關(guān)節(jié)實體模型導(dǎo)入下肢三維模型中進行模擬手術(shù)操作，調(diào)整截骨模板并挑選型號合適的LINK STAR踝關(guān)節(jié)假體（北京威聯(lián)德骨科技術(shù)有限公司）。將最終得到的截骨導(dǎo)板三維模型發(fā)送至3D打印公司（廣東漢邦激光科技有限公司），用光敏樹脂材料打印成型，消毒密封包裝備用。

對照組根據(jù)X線片、CT二維圖像數(shù)據(jù)了解下肢力線，制定手術(shù)方案。

1.4 手術(shù)方法

兩組手術(shù)均由同一組手術(shù)醫(yī)師完成。術(shù)前30 min常規(guī)使用抗生素預(yù)防感染，麻醉成功后取仰臥位，常規(guī)消毒鋪巾，取踝前正中切口，自踝關(guān)節(jié)切開向上沿脛骨前嵴，向下朝第1、2趾間作一長11～15 cm縱行切口。于足拇長伸肌、脛前肌與趾長伸肌腱之間分離牽拉、切開并顯露踝關(guān)節(jié)，檢查踝關(guān)節(jié)病變及范圍，顯露內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面和脛、距骨關(guān)節(jié)面。將踝關(guān)節(jié)極度跖屈，完全顯露距骨關(guān)節(jié)面，清理距骨表面增生的骨贅。

1.4.1 觀察組 術(shù)中首先安裝3D打印脛骨截骨模板，將其與脛骨遠端所對應(yīng)的骨性標(biāo)志相匹配，緊密貼服于脛骨遠端前方骨面，用往復(fù)鋸在模板引導(dǎo)下進行脛骨遠端精確截骨，截骨面垂直于脛骨力線；而后移除脛骨截骨模板，并重新安裝距骨截骨模板，同法引導(dǎo)完成距骨上表面截骨，使之與距骨力線垂直。拆除截骨模板后清理踝關(guān)節(jié)腔以及后方骨贅，脈沖沖洗。將術(shù)前測量確定的距骨假體打入距骨體骨槽中，專用打壓器壓緊假體，然后安裝脛骨遠端假體，方向與脛骨干垂直，保證脛骨遠端假體與截骨面平行，檢查脛骨面假體位置及下肢力線正常后，插入滑動核試件測高并選擇適當(dāng)厚度的滑動核插入，背伸跖屈踝關(guān)節(jié)見松緊度合適、活動度良好后，縫合踝前支持帶和淺深筋膜。松止血帶，對明顯出血點仔細(xì)電凝止血，逐層縫合，厚棉墊彈力繃帶包扎，患足置抬高20°～25°位。

1.4.2 對照組 充分顯露踝關(guān)節(jié)骨性標(biāo)志后，將踝關(guān)節(jié)置換脛骨定位桿平行安裝于脛骨前嵴中線上，調(diào)整脛骨遠端截骨模板（廠家配套）位置，確保其位于踝關(guān)節(jié)中心，并與脛骨干垂直，克氏針臨時固定截骨模板，搖擺鋸進行脛骨遠端截骨。拆除定位桿，保留克氏針，將踝關(guān)節(jié)極度跖屈，完全顯露距骨關(guān)節(jié)面，安裝距骨截骨模板，進行距骨體和脛骨截骨。拆除截骨模板和克氏針，沖洗后行距骨假體試模，挑選大小合適的假體并安裝打入。之后操作方法與觀察組相同。

1.5 術(shù)后處理

常規(guī)給予抗生素預(yù)防感染，注意鍛煉足部肌肉和小腿后部肌肉，行下肢肌肉等長收縮練習(xí)。術(shù)后3 d行X線片檢查，12 d拆線后改用行走石膏固定，可部分負(fù)重行走，4周后拆除石膏拄拐行走，3個月復(fù)查X線片后棄拐行走。

1.6 觀察指標(biāo)及療效判定標(biāo)準(zhǔn)

術(shù)后及末次隨訪時拍攝踝關(guān)節(jié)站立位正側(cè)位X線片。采用Kofoed標(biāo)準(zhǔn)評價患者術(shù)前、術(shù)后1個月、術(shù)后1年踝關(guān)節(jié)功能情況（包括疼痛、功能、活動度3方面）：85～100分為優(yōu)、75～84分為良、70～74分為及格、低于70分為差[5]。

1.7 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，符合正態(tài)分布的計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，兩組比較采用兩獨立樣本t檢驗；計數(shù)資料以例表示，采用卡方檢驗或Fisher確切概率法進行比較。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

所有患者術(shù)程順利。如表2所示，兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、住院時間及住院費用比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）?；颊呔@隨訪，平均隨訪時間27.3個月（12～36個月）。術(shù)后1個月、1年kofoed評分優(yōu)良率觀察組為9/14、13/14，均明顯優(yōu)于對照組（3/14、6/14），差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P= 0.007，0.013）。典型病例見圖1。

觀察組術(shù)后皮緣部分壞死1例，對癥處理后痊愈。對照組1例患者發(fā)生術(shù)中內(nèi)踝骨折，予復(fù)位+空心釘固定；術(shù)后1例切口皮緣部分壞死，予清創(chuàng)、傷口換藥后痊愈；1例術(shù)后36個月假體塌陷，踝關(guān)節(jié)融合術(shù)治療后關(guān)節(jié)功能欠佳。隨訪期間兩組均未見骨折、深部感染、無菌性松動、骨不愈合并發(fā)癥發(fā)生。兩組圍手術(shù)期并發(fā)癥發(fā)生率比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（1/14 vs 3/14，P=0.596）。

3 討論

上世紀(jì)70年代以前，踝關(guān)節(jié)融合一直是治療晚期踝關(guān)節(jié)炎的金標(biāo)準(zhǔn)。近年來隨著關(guān)節(jié)置換手術(shù)技術(shù)的提升，關(guān)節(jié)假體設(shè)計、材料的不斷改進，以及患者對踝關(guān)節(jié)功能要求的逐步提高，踝關(guān)節(jié)置換手術(shù)量逐年增加[6-7]。有臨床報道證實，踝關(guān)節(jié)置換術(shù)在緩解疼痛、改善功能、降低感染率等方面較關(guān)節(jié)融合術(shù)有更出色的表現(xiàn)[8]。經(jīng)過不斷的實踐改進，踝關(guān)節(jié)置換術(shù)已從基礎(chǔ)研究和偶有成功病例，發(fā)展到臨床應(yīng)用甚至其假體可持久耐用的階段。然而在今天，該術(shù)式仍存在許多不足，假體失敗率較高。

人工踝關(guān)節(jié)置換術(shù)的主要并發(fā)癥包括圍手術(shù)期骨折、傷口愈合、深部感染、無菌性松動、骨不愈合、假體安置失敗、假體下沉、技術(shù)失誤等[9-11]。其中假體下沉的原因主要是骨質(zhì)差、截骨過度、假體植入不當(dāng)、假體型號偏小和敗血癥等；假體無菌性松動可由骨內(nèi)生失敗或中斷引起[12]；對線不良、骨質(zhì)差以及距骨旋轉(zhuǎn)不良可導(dǎo)致聚乙烯磨損增加、扭轉(zhuǎn)力矩增大，從而引起距骨組件松動[13-14]；TAR術(shù)后還可發(fā)生內(nèi)外踝骨折，早期多為入路選擇不當(dāng)、操作不熟練所致，遲發(fā)性骨折較易被手術(shù)醫(yī)師忽略，可導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)不平衡[15]?？梢姡袤w失敗的原因除患者骨質(zhì)情況欠佳等客觀因素外，很大程度上與手術(shù)技術(shù)相關(guān)，是可以改善甚至避免的[9,16]。

傳統(tǒng)手術(shù)方式根據(jù)術(shù)前X線片及CT判斷踝關(guān)節(jié)病變程度，但踝關(guān)節(jié)炎常合并骨質(zhì)變形塌陷，術(shù)者無法在術(shù)前準(zhǔn)確了解踝關(guān)節(jié)每塊骨質(zhì)的具體情況，而術(shù)中采用的是廠家配套的標(biāo)準(zhǔn)化截骨定位桿，易因骨畸形而導(dǎo)致截骨不當(dāng)，進而影響假體匹配度[17]；距骨假體與距骨5個切骨面需采用3～4個切骨導(dǎo)引器，距骨塌陷及變形將導(dǎo)致切骨完成后的新骨面與假體之間存在不適配間隙，而這種距骨與假體之間的不完全吻合是造成術(shù)后距骨再次塌陷及假體松動的主要原因之一，最終導(dǎo)致手術(shù)失敗。此外，踝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷性及骨性關(guān)節(jié)炎常因外傷、骨韌帶退變而合并踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形，造成下肢力線異常，易導(dǎo)致術(shù)后假體失穩(wěn)、塌陷等并發(fā)癥的發(fā)生。

表2 兩組患者手術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果（±s，n=14）

表2 兩組患者手術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果（±s，n=14）

分組觀察組對照組t值P值手術(shù)時間/min 64.9±36.8 81.6±52.3 0.977 0.338術(shù)中出血量/mL 107.8±42.6 135.9±56.5 1.486 0.149住院時間/d 5.8±2.9 6.3±3.6 0.405 0.689住院費用/萬元2.5±3.2 2.2±2.9 0.260 0.800

CAD結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計制作的新型個性化截骨導(dǎo)航模板為踝關(guān)節(jié)置換提供了一種全新的數(shù)字化輔助手術(shù)方法。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，3D打印個性化導(dǎo)板輔助手術(shù)具有以下優(yōu)勢[18-21]：①通過CAD技術(shù)將三維重建的雙下肢解剖模型導(dǎo)入包括CAD、3Ds、MAX等在內(nèi)的多種圖像處理軟件，對圖像進行后處理，測量脛骨解剖軸、脛骨平臺后方切線、踝間軸線、脛骨角、脛骨扭轉(zhuǎn)角、距骨內(nèi)翻角，進而明確下肢力線及截骨線位置，并根據(jù)健側(cè)參數(shù)確定個性化截骨方案，恢復(fù)下肢正常力線，減少術(shù)中判斷誤差產(chǎn)生的風(fēng)險，確保一次截骨成功，縮短手術(shù)時間；②計算機模擬手術(shù)可選擇最適配的假體型號，提高手術(shù)準(zhǔn)確性；③距骨精確截骨可提供與假體最大匹配度的骨面，有利于假體與距骨緊密吻合；④脛骨精確截骨可有效減少術(shù)中及術(shù)后內(nèi)外踝骨折風(fēng)險。

圖1 3D打印個性化導(dǎo)板輔助全踝關(guān)節(jié)置換手術(shù)前后圖片（男，48歲）1A術(shù)前X線片 1B術(shù)前CT 1C～1E雙下肢三維重建解剖模型顯示脛骨平臺后方切線和踝間軸線，解剖數(shù)據(jù)測量結(jié)果提示脛骨角、脛骨扭轉(zhuǎn)角正常，患側(cè)距骨內(nèi)翻角較健側(cè)內(nèi)翻6° 1F～1H右脛骨、距骨模擬截骨，脛骨截骨面位于脛骨遠端前下緣平面上5 mm，距骨截骨高度為4 mm，并保證脛骨、距骨力線一致 1I三維模擬假體植入效果圖 1J 3D打印個性化導(dǎo)板實物 1K截骨后照片 1L，1M 術(shù)后1年正側(cè)位X線片示假體位置良好，無移位及關(guān)節(jié)塌陷

本研究采用CAD結(jié)合3D打印技術(shù)輔助TAR，術(shù)后1個月、1年Kofoed評分均顯著高于傳統(tǒng)術(shù)式，提示觀察組無論從短期療效，還是中長期療效上均優(yōu)于對照組，高精度的手術(shù)設(shè)計和個性化的3D打印導(dǎo)板輔助手術(shù)，能夠在保留患者最大骨量的同時，提高關(guān)節(jié)置換的匹配度，從而有效恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的生物學(xué)性能及關(guān)節(jié)功能，提高踝關(guān)節(jié)的使用壽命，提升患者的生活質(zhì)量。并發(fā)癥方面，觀察組并發(fā)癥發(fā)生率（1/14）低于對照組（3/14），但差異無統(tǒng)計學(xué)意義，考慮病例數(shù)量過少，導(dǎo)致統(tǒng)計誤差。

綜上所述，CAD結(jié)合3D打印技術(shù)輔助TAR可提高手術(shù)設(shè)計的合理性以及術(shù)者的手術(shù)熟練度，增加截骨、假體匹配安裝以及下肢力線恢復(fù)的準(zhǔn)確性，減少假體松動、下沉的發(fā)生率，延長假體壽命。

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（本文編輯：白朝暉）

新書速遞

足踝外科手術(shù)技巧：精裝

Pfeffer GB，Easley ME，Hintermann B，et al編著

ISBN-10：0323482341

ISBN-13：978-0323482349

Elsevier出版社 2017年10月出版 2版 800頁

本書為Elsevier出版的《手術(shù)技巧》系列書籍之一，由Pfeffer等權(quán)威專家編寫，能夠幫助讀者快速了解當(dāng)今足踝外科領(lǐng)域必備的手術(shù)技巧。該書提供循序漸進的手術(shù)步驟和詳盡的循證指導(dǎo)，通過大量在線視頻展示新術(shù)式與改良術(shù)式，同時介紹可增進療效的手術(shù)技巧等內(nèi)容。全書從專家角度闡述了全踝置換、翻修手術(shù)、術(shù)后處理及預(yù)期療效，介紹了25種以上的新術(shù)式（包括拇指外翻翻修術(shù)、拇指關(guān)節(jié)鏡下融合術(shù)、自體移植治療腓側(cè)肌腱病等）；布局清晰，提供高度模塊化項目列表和大量全彩術(shù)中圖片，利于快速查找重要信息；還納入了其他手術(shù)指導(dǎo)類書籍常忽視的體位、暴露范圍、內(nèi)固定器械及假體等基礎(chǔ)內(nèi)容；隨書附贈的電子版可供讀者通過各類電子設(shè)備搜索文本、圖表、問答及參考文獻。該書的出版，將幫助術(shù)者學(xué)習(xí)優(yōu)良的手術(shù)方法，精進手術(shù)技術(shù)，獲取最佳的手術(shù)效果。

Application of CAD combined with 3D printing technique in ankle joint replacement

LIU Huiliang,DING Huanwen,HUANG Minqiang,WANG Hong.
Hospital of Orthopaedics,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Institute of Traumatic Orthopaedics of PLA,Medical Center of Assessment,Prevention and Treatment of Bone&Joint Diseases,Guangzhou,510010 Guangdong,China

DING Huanwen,E-mail:dhuanwen123@aliyun.com

Objective To explore the value of computer assisted design(CAD)combined with 3D printing in total ankle replacement(TAR).Methods A total of 28 patients with ankle arthritis who were treated surgically in Guangzhou General Hospital from January 2010 to January 2015 were randomly divided into the observation group(n=14)and the control group(n=14),the observation group was performed TAR assisted by CAD combined with 3D printed personalized guide template,while patients in the control group underwent routine TAR.Operation time,estimate intraoperative blood loss,hospital stay and hospital costs were observed in two groups,postoperative Kofoed scores were compared between two groups,and complications were also recorded. Results Patients were followed up for 12 to 36 months,with an average of 27.3 months.There were no statistical differences of operation time,estimate intraoperative blood loss,hospital stay and hospital costs between two groups;Kofoed scores at one months,one year postoperatively in observation group were higher than those incontrol group(P＜0.05);The incidence of postoperative complications in observation group was lower than that in control group,but there is no statistical difference(P＞0.05).Conclusion TAR assisted by CAD combined with 3D printing could significantly improve the accuracy of the surgery and enhance the long-term efficacy.

Ankle joint;Arthroplasty,replacement;Computer-aided design;3D printing;Guide template; Surgery,computer-assisted

R687.42，R319

：A

：1674-666X(2017)03-155-07

2017-05-03；

2017-06-02）

10.3969/j.issn.1674-666X.2017.03.004

廣東省科技計劃項目（2013B021800050）

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院，全軍創(chuàng)傷骨科研究所，骨關(guān)節(jié)疾病醫(yī)學(xué)評估與防治中心

丁煥文，E-mail：dhuanwen123@aliyun.com