劉德健 李彥林 毛健宇 蒙旭晗

昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科（昆明 650032）

患者個(gè)性化器械（patient-specifc instrument，PSI）在近年來備受關(guān)注，在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域，PSI的設(shè)計(jì)及成品主要通過3D術(shù)前規(guī)劃及3D打印的方式呈現(xiàn)出來。3D打印技術(shù)是一種在數(shù)字影像與醫(yī)學(xué)通訊（digital imaging and communications in medicine，DICOM）和光固化立體造型（stereolithography，STL）文件轉(zhuǎn)換程序處理后，通過3D打印機(jī)制作出臨床醫(yī)生所感興趣的模型。而3D打印機(jī)則由逐層結(jié)合材料的方式，制作出相應(yīng)部件。因該技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及個(gè)性化結(jié)構(gòu)的加工過程中具有設(shè)計(jì)-交付周期短的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)難以超越的優(yōu)勢(shì)［1］，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的標(biāo)志”之一［2］。

3D打印技術(shù)已在航空航天、軍事國防等領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用。3D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于全關(guān)節(jié)置換術(shù)及各類關(guān)節(jié)骨折手術(shù)中，目前大多取得了良好的效果?，F(xiàn)就近年來PSI技術(shù)及3D打印技術(shù)在治療關(guān)節(jié)損傷中的應(yīng)用與進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)該領(lǐng)域的未來所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

1 PSI及3D打印技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，全關(guān)節(jié)置換術(shù)中機(jī)器人-計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)、立體定位導(dǎo)航技術(shù)和3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板技術(shù)等在近年來得到良好的發(fā)展。SUGANO［3］及JACOFSKY等［4］提出，機(jī)器人-計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)首次出現(xiàn)于20年前，雖然機(jī)器人-計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航有助于提高關(guān)節(jié)置換術(shù)的精準(zhǔn)性，但在廣泛的臨床應(yīng)用中，這些系統(tǒng)受到高成本、較長的手術(shù)醫(yī)生培養(yǎng)周期、長時(shí)間的術(shù)前準(zhǔn)備、術(shù)中機(jī)器人與醫(yī)師相互協(xié)調(diào)以及手術(shù)室內(nèi)附加設(shè)備所需空間較大等問題的限制，需要不斷改進(jìn)。田書暢等［5］的研究發(fā)現(xiàn)，立體定位導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換優(yōu)于常規(guī)術(shù)式，但與PSI技術(shù)相比，后者手術(shù)時(shí)間更短，術(shù)后短期內(nèi)視覺模擬評(píng)分（visual analogue score，VAS）及美國膝關(guān)節(jié)協(xié)會(huì)評(píng)分（American knee society knee score，KSS）明顯占優(yōu)，手術(shù)精度較高。PSI技術(shù)的出現(xiàn)不到10年，但該技術(shù)已逐漸被開發(fā)成可以替代術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)的新產(chǎn)品［6］。3D打印技術(shù)為PSI技術(shù)的典型代表，近幾年來看，PSI技術(shù)在整形外科、口腔頜面外科、骨科等諸多臨床科室中備受關(guān)注且均得到長足的發(fā)展。

2 PSI、3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

對(duì)于全髖關(guān)節(jié)置換來說，當(dāng)前所面對(duì)更多的是復(fù)雜髖關(guān)節(jié)病變，如髖臼發(fā)育不良、髖臼骨缺損、髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體松動(dòng)、髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后髖臼假體碎裂等。為此類患者制定手術(shù)方案非常具有挑戰(zhàn)性，如正確選擇假體型號(hào)、精準(zhǔn)置入假體、畸形的矯正程度及骨缺損的預(yù)判等難題，如果不妥善解決以上問題，翻修率必然會(huì)上升。3D打印技術(shù)可以將患者術(shù)前髖關(guān)節(jié)CT DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向三維重建系統(tǒng)，并將設(shè)計(jì)好的3D模型以1∶1的比例打印出來，從而可以進(jìn)行充分的術(shù)前規(guī)劃及模擬手術(shù)，這是常規(guī)X線、CT或MRI等常規(guī)二維影像檢查所不能比擬的。在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，準(zhǔn)確放置髖臼假體是手術(shù)成功的重要因素，SPENCER-GARDNER等［7］采用3D打印技術(shù)制作PSI來評(píng)估髖臼假體位置的精準(zhǔn)度，該研究中納入評(píng)估的患者共100例，術(shù)后均采用CT掃描測(cè)量髖臼的位置來評(píng)估假體的準(zhǔn)確度，最后得出通過術(shù)中使用3D打印技術(shù)輔助設(shè)計(jì)患者個(gè)性化髖臼假體可以使假體位置更加精準(zhǔn)，其結(jié)果優(yōu)于常規(guī)術(shù)式。此外，國內(nèi)有學(xué)者報(bào)道［8］全髖關(guān)節(jié)置換翻修術(shù)應(yīng)用3D打印置入物初始穩(wěn)定性好、早期骨長入良好。因此，3D打印技術(shù)應(yīng)用于全髖關(guān)節(jié)置換翻修對(duì)于解決髖臼骨缺損有一定的效果。

在許多學(xué)者研究全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖臼假體在位置精準(zhǔn)程度重要性的同時(shí)，股骨及髖臼假體組合后形成的前傾角受到越來越多的關(guān)注［9］。據(jù)KITADA等［10］報(bào)道，在他們的研究中，基于計(jì)算機(jī)斷層攝影的導(dǎo)航系統(tǒng)的股骨干前傾角準(zhǔn)確度有60%的病例在5°以內(nèi)。HIRATA等［11］的研究顯示，以小腿軸線作為參照，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前及術(shù)中估計(jì)的前傾角平均誤差為7.3°，其中60%的病例超過5°。為確保股骨假體在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中安置在恰當(dāng)?shù)奈恢?，HIDEYA等［11］研制了一種PSI應(yīng)用在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，術(shù)后影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)10例患者中有7例的股骨干前傾角平均為（2.1± 4.1），均＜5°，表明他們研制的PSI可能是一個(gè)很有價(jià)值的導(dǎo)航系統(tǒng)。

3 PSI、3D打印技術(shù)在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

對(duì)嚴(yán)重膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者，全膝關(guān)節(jié)置換是目前最成功、最成熟的治療方式之一。獲得精確下肢力線、術(shù)中假體精確植入、減少術(shù)后并發(fā)癥，是術(shù)者一直追求的目標(biāo)，然而術(shù)者單憑肉眼及經(jīng)驗(yàn)很難保證在術(shù)中精確截骨。此外，常規(guī)術(shù)式需股骨髓內(nèi)定位，術(shù)中開髓則增加了失血量、術(shù)中及術(shù)后感染和脂肪栓塞的風(fēng)險(xiǎn)。BALI等［12］研究發(fā)現(xiàn)將基于計(jì)算機(jī)定制PSI應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，理論上可以降低失血和發(fā)生脂肪栓塞的風(fēng)險(xiǎn)，此項(xiàng)新技術(shù)可以安全地使用在大多數(shù)患有骨關(guān)節(jié)炎的患者，可以被視為一種替代傳統(tǒng)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的新技術(shù)。

在一項(xiàng)使用基于MRI的PSI技術(shù)與采用常規(guī)術(shù)式作為對(duì)照的前瞻性對(duì)比研究中［13］，共選取88例患者（每組各44例）行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)中采用PSI的病例，可以減少術(shù)中復(fù)雜器械使用數(shù)量，假體對(duì)位更精確，從而得出使用PSI技術(shù)是可行和可靠、具有明顯優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。QIU等［14］的研究中，他們同設(shè)計(jì)了一款PSI（3D打印截骨導(dǎo)航模板）應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)組，對(duì)照組依舊采用常規(guī)術(shù)式。通過對(duì)比兩組近端截骨量、遠(yuǎn)端截骨量、外翻角度、外旋角度和脛骨后傾角，發(fā)現(xiàn)PSI組術(shù)中植入假體位置有顯著改善。從患者膝關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)分析，PSI與現(xiàn)有的個(gè)性化工具的理念相符合。與此同時(shí)，PSI使假體植入更精準(zhǔn)的要求得以實(shí)現(xiàn)，這表明該技術(shù)可以指導(dǎo)術(shù)者在術(shù)中獲得最佳下肢力線。

PSI雖然提高了股骨假體對(duì)位和下肢力線的準(zhǔn)確性，但會(huì)出現(xiàn)脛骨假體置入位置發(fā)生偏差的風(fēng)險(xiǎn)，這可能與術(shù)前設(shè)計(jì)PSI模具時(shí)采用的CT DICOM數(shù)據(jù)是患者平臥位時(shí)獲取而不是患者負(fù)重位獲取，從而導(dǎo)致術(shù)前規(guī)劃時(shí)對(duì)脛骨截骨量預(yù)判失誤有關(guān)，而脛骨假體對(duì)位不準(zhǔn)對(duì)假體壽命的影響仍有待更多數(shù)據(jù)的支持。在很多學(xué)者贊許PSI及3D打印技術(shù)的同時(shí)，一篇Meta分析［15］指出，采用PSI輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的手術(shù)時(shí)間和失血量較常規(guī)術(shù)式小，并有顯著差異，但這些差異不大，本身并不是常規(guī)使用該技術(shù)的實(shí)質(zhì)性理由。

4 PSI、3D打印技術(shù)在肩關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

決定全肩關(guān)節(jié)置換術(shù)（TSA）和逆肩關(guān)節(jié)置換術(shù)（RSA）術(shù)后情況及遠(yuǎn)期假體壽命的關(guān)鍵因素是關(guān)節(jié)盂假體的位置和術(shù)中固定情況。常見的關(guān)節(jié)盂假體錯(cuò)位、傾斜與假體早期松動(dòng)、術(shù)后關(guān)節(jié)功能不良和術(shù)后肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)定等因素相關(guān)［16-18］。然而，肩胛骨解剖位置的改變、關(guān)節(jié)盂骨量減少、關(guān)節(jié)攣縮及曾接受過手術(shù)使得可靠的解剖標(biāo)志消失［19］，使術(shù)中正確定位關(guān)節(jié)盂假體極具挑戰(zhàn)性。3D逆向重建術(shù)前規(guī)劃和PSI輔助手術(shù)已經(jīng)成功幫助眾多外科醫(yī)生行髖、膝關(guān)節(jié)置換，近年來該技術(shù)也開始應(yīng)用于肩關(guān)節(jié)置換術(shù)，可以更好地處理關(guān)節(jié)盂畸形和骨量減少等問題。HEYLEN等［18］在研究3D術(shù)前規(guī)劃和PSI輔助手術(shù)對(duì)全肩關(guān)節(jié)置換的影響中指出3D術(shù)前規(guī)劃和PSI技術(shù)輔助全肩關(guān)節(jié)置換及逆肩關(guān)節(jié)置換時(shí)可以減少關(guān)節(jié)盂偏移的變異性，避免術(shù)中傾斜誤差。HENDEL等［17］、LEVY等［19］已經(jīng)建議關(guān)節(jié)外科醫(yī)生，肩關(guān)節(jié)置換應(yīng)使用PSI技術(shù)來進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中應(yīng)用。

MATSUMURA等［20］曾對(duì)160例正常日本人的盂肱關(guān)節(jié)進(jìn)行了CT掃描，并發(fā)現(xiàn)盂肱關(guān)節(jié)大小在男性和女性中是一致的，且優(yōu)勢(shì)肩和非優(yōu)勢(shì)肩在盂肱關(guān)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。日本人的盂肱關(guān)節(jié)明顯小于黑人和白人。MATSUMURA等相信他們的研究結(jié)果可以對(duì)肩關(guān)節(jié)假體型號(hào)設(shè)計(jì)有用。

目前，PSI及3D打印技術(shù)應(yīng)用于肩關(guān)節(jié)置換術(shù)仍較少報(bào)道。CHAMMAA等［21］報(bào)道了30例通過在存在髖臼骨缺損的全髖關(guān)節(jié)置換中使用無需植骨的PSI髖臼假體的原理來設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)盂PSI假體這種想法，并指出其臨床療效及肩關(guān)節(jié)假體遠(yuǎn)期壽命是具有良好前景的。

5 PSI、3D打印技術(shù)在其他關(guān)節(jié)手術(shù)中的應(yīng)用

在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)領(lǐng)域外，DOCQUIER等［22］報(bào)道了3例PSI、3D打印技術(shù)應(yīng)用于其他關(guān)節(jié)的手術(shù)。在精確矯正肘內(nèi)翻時(shí)需要考慮到正面和矢狀存在的畸形，以便在外觀和功能方面獲得良好的效果，DOCQUIER等運(yùn)用3D模擬及打印技術(shù)實(shí)施先天性肘關(guān)節(jié)內(nèi)翻復(fù)雜截骨。在跗骨聯(lián)合切除術(shù)中，運(yùn)用PSI及3D技術(shù)使得手術(shù)精度提高、手術(shù)時(shí)間縮短，且手術(shù)方式創(chuàng)傷小。他們也為一名患有尤文氏肉瘤的11歲女童實(shí)施左髖尤文氏肉瘤切除和同種異體骨移植重建術(shù)，手術(shù)時(shí)間為7 h，術(shù)后沒有出現(xiàn)股神經(jīng)及坐骨神經(jīng)麻痹的情況。患兒在術(shù)后6周便可使用拐杖下床行走，成功地保住患兒左下肢。

6 存在的問題及展望

隨著醫(yī)療科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及材料學(xué)的不斷進(jìn)步，PSI、3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢(shì)。但任何新生事物在其發(fā)展的過程中都存在一定短板和弊端。初步研究證明［23］，PSI技術(shù)的概念和應(yīng)用至今仍展現(xiàn)出一定的希望；然而，像新物體一樣，它們的優(yōu)勢(shì)通常是有限的，特別是應(yīng)用該技術(shù)的長期臨床資料還有待進(jìn)一步研究。一篇PSI技術(shù)應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的Meta分析［24］提到，基于對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的系統(tǒng)綜述，與常規(guī)器械相比，PSI在實(shí)現(xiàn)假體精準(zhǔn)對(duì)位方面似乎并沒有提供優(yōu)勢(shì)。PSI確實(shí)可以減少術(shù)中復(fù)雜器械使用數(shù)量，但考慮術(shù)前掃描和定制模具的成本時(shí)，并沒有提示采用該技術(shù)可以比常規(guī)術(shù)式更加經(jīng)濟(jì)。手術(shù)時(shí)間在經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生手中并沒有明顯減少，并且經(jīng)過PSI技術(shù)生成的外科手術(shù)計(jì)劃常常存在一定缺陷，PSI模具可能需要二次復(fù)檢。最后，PSI在患者滿意度，疼痛，關(guān)節(jié)活動(dòng)度方面并不優(yōu)越于常規(guī)術(shù)式。這樣我們可以認(rèn)為，同接受過嚴(yán)格關(guān)節(jié)置換手術(shù)訓(xùn)練的外科醫(yī)生相比，PSI并沒有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于手術(shù)時(shí)間，該Meta分析的觀點(diǎn)與前文敘述PSI可以減少手術(shù)時(shí)間相矛盾，據(jù)作者分析，這可能與研究中文章納入標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)。作者陳述這篇文獻(xiàn)綜述的局限性在于只采用了相關(guān)英文文獻(xiàn)。朱庭標(biāo)等［25］，曹恒等［26］，鄔波等［27］均得到3D打印截骨導(dǎo)航模板輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)可以時(shí)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)手術(shù)時(shí)間縮短。隨后，有學(xué)者認(rèn)為［14］，關(guān)于PSI對(duì)軟組織平衡的考慮到目前為止是有限的，PSI仍處于發(fā)展的早期階段，在進(jìn)行最終評(píng)估之前，應(yīng)該給予其更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。

綜上，PSI及3D打印技術(shù)在髖關(guān)節(jié)置換及膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中應(yīng)用較為廣泛，尤其是在膝關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，包括術(shù)前規(guī)劃、模擬手術(shù)等均可以幫助年輕醫(yī)生快速進(jìn)步。對(duì)于關(guān)節(jié)外科，PSI及3D打印技術(shù)仍屬于一項(xiàng)處于發(fā)展初期的科技項(xiàng)目，雖有文獻(xiàn)指出該技術(shù)的不足之處，但隨著臨床不斷推廣應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)及材料學(xué)不斷發(fā)展進(jìn)步，目前的不足之處必將得到妥善解決。

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