3-D打印技術(shù)在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中臨床應(yīng)用

張偉金玉林

3-D打印技術(shù)在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中臨床應(yīng)用

張偉①金玉林①

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

3-D打?。?全膝關(guān)節(jié)置換； 臨床應(yīng)用

3-D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)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(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。最早起源于19世紀(jì)末的美國，隨著智能化的發(fā)展，3-D打印技術(shù)逐步成熟，并應(yīng)用于各行業(yè)，影響著人們的生活。近年來，3-D技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)行業(yè)有廣泛的報(bào)道，蘇格蘭科學(xué)家 Faulkner-Jones等利用細(xì)胞打印出人造肝臟組織[1]。本院將3-D打印技術(shù)運(yùn)用于全膝關(guān)節(jié)置換，取得良好的臨床效果，現(xiàn)報(bào)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(biāo)準(zhǔn)：（1）符合骨關(guān)節(jié)炎診斷標(biāo)準(zhǔn)。（2）所有病例手術(shù)前均全面體檢及輔助檢查，并經(jīng)1位資深主任醫(yī)師手術(shù)治療，手術(shù)后住院2周以上。（3）所有骨關(guān)節(jié)炎病例均為Holden Ⅳ級病例（即嚴(yán)重硬化、關(guān)節(jié)間隙消失）。

1.2 方法

1.2.1 術(shù)前準(zhǔn)備 術(shù)前行關(guān)節(jié)X線片、膝關(guān)節(jié)CT掃描。術(shù)前有內(nèi)科疾病的請相關(guān)內(nèi)科科室會診、治療。待病情平穩(wěn)，無明顯手術(shù)禁忌證時進(jìn)行手術(shù)。

1.2.2 方法 CT掃描范圍：包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。所需的解剖結(jié)構(gòu)包括：獲得軸向平面的所有切片髖關(guān)節(jié)影像（髂前上棘至恥骨聯(lián)合）；膝關(guān)節(jié)影像（膝關(guān)節(jié)上下100 mm，包括脛骨結(jié)節(jié)附著的髕韌帶）；踝影像（踝關(guān)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(dāng)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(xì)對準(zhǔn)腿以獲得股骨頭、膝關(guān)節(jié)和踝。切片時，不要隨意改變X和Y軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，即所有CT切面具有同一個坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)格式：DICOM，CT設(shè)備通用格式。圖像通過計(jì)算機(jī)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(jī)。打印機(jī)將打印出膝關(guān)節(jié)模型，術(shù)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(shù)進(jìn)行股骨假體設(shè)計(jì)（圖1～圖6）及脛骨假體設(shè)計(jì)（圖7～圖9）。術(shù)中根據(jù)術(shù)前測量截骨量進(jìn)行截骨，并安放定制的假體，記錄手術(shù)時間及假體的匹配度。

圖1　股骨全長模擬圖

圖2　左膝關(guān)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(shù)后處理 術(shù)后3 d使用抗生素預(yù)防切口感染，術(shù)后24～48 h拔除引流管，3 d后下床行膝關(guān)節(jié)功能鍛煉。

2 結(jié)果

患者平均手術(shù)時間為45 min，較過去減少；出血量減少；下床時間為術(shù)后3 d，術(shù)中假體使用與術(shù)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(guān)節(jié)感染、假體松動現(xiàn)象?；颊呦リP(guān)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(shù)的原理 3-D打印技術(shù)是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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(gòu)造物體的技術(shù)。其基本原理為：（1）設(shè)計(jì)過程：首先通過計(jì)算機(jī)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(jī)。（2）打印過程：打印機(jī)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(jié)成截面形狀，然后在Z坐標(biāo)方向?qū)⒏鲗咏孛孢M(jìn)行逐層疊加，粘合起來從而制造出一個實(shí)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(shí)體[2]。

3.2 3-D打印技術(shù)在外科中的應(yīng)用 3-D打印技術(shù)作為一種新發(fā)展的技術(shù)，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(yīng)用于骨科領(lǐng)域，完善了骨科復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前準(zhǔn)備，使手術(shù)由復(fù)雜變簡單化。它通過采集術(shù)前CT、X線等影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過CAD計(jì)算機(jī)軟件處理，輸入快速成型機(jī)器，制成實(shí)體硬組織一致的模型，有助于術(shù)前準(zhǔn)確了解硬組織的細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)及病變與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提示截骨線、骨塊移動的位置信息等，起到指導(dǎo)手術(shù)的作用[3]。在口腔頜面部應(yīng)用上，Levine等[4]將該技術(shù)應(yīng)用于下頜骨重建術(shù)、正頜手術(shù)、頜面部創(chuàng)傷修復(fù)和顳頜關(guān)節(jié)重建術(shù)等70余例手術(shù)，取得良好的重建及手術(shù)效果。Mazzoni等[5]通過打印導(dǎo)板，術(shù)前模擬引導(dǎo)手術(shù)，并在術(shù)前及術(shù)后和CT影像進(jìn)行手術(shù)的傳統(tǒng)術(shù)中下頜骨4個解剖位點(diǎn)（髁突外側(cè)點(diǎn)、下頜骨正中點(diǎn)、下頜骨牙弓曲度和髁突空間位置）進(jìn)行術(shù)中具體位置與術(shù)前規(guī)劃的偏差，認(rèn)為在導(dǎo)板引導(dǎo)下的個性化骨板植入術(shù)可大大縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)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(shù)應(yīng)用于脊柱及復(fù)雜骨盆手術(shù)應(yīng)用研究方面，有報(bào)道取得良好的手術(shù)效果。Guarino 等[6]將3-D打印技術(shù)應(yīng)用于10例小兒脊柱側(cè)凸及3例復(fù)雜骨盆骨折，結(jié)果表明該技術(shù)提高復(fù)雜骨盆骨折分類的準(zhǔn)確性及椎弓根釘植入的準(zhǔn)確性，減少醫(yī)源性脊髓損傷幾率，并縮短手術(shù)時間。Sun等[7]分別將3-D打印技術(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)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(shù)上，3-D打印技術(shù)不僅可以模擬骨骼實(shí)體，還可以根據(jù)手術(shù)要求制備個體化手術(shù)器械。Lee等[8]應(yīng)用該技術(shù)制備了個體化股骨假體和股骨髓腔導(dǎo)向器，使手術(shù)更精準(zhǔn)，成功為2例石骨癥患者施行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。在關(guān)節(jié)外科應(yīng)用上，3-D打印技術(shù)因其可以為患者“量身定制”個體化模型，使關(guān)節(jié)置換中假體型號的選擇、假體安放位置的準(zhǔn)確性以及畸形的矯正程度等技術(shù)難題得到解決。這使得關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形、軟組織嚴(yán)重?cái)伩s的患者的術(shù)前手術(shù)方案的制定簡單化、準(zhǔn)確化，從而提高關(guān)節(jié)外科復(fù)雜高難度手術(shù)的成功率，使手術(shù)更精確、更安全。Won等[9]報(bào)道利用該技術(shù)成功為21例髖關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形患者制定手術(shù)方案術(shù)中明顯縮短了手術(shù)時間、出血量，術(shù)后影像學(xué)提示假體匹配良好。Sciberras等[10]首次將該技術(shù)應(yīng)用于1例復(fù)雜髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)，根據(jù)3-D打印技術(shù)制作的假體，進(jìn)行詳細(xì)的術(shù)前評估和模擬操作，手術(shù)獲得了成功。He等[11]利用3-D打印技術(shù)制備了半膝關(guān)節(jié)和人工骨模具，分別通過快速鑄造和粉末燒結(jié)成型技術(shù)制備出個體化鈦鋁合金半膝關(guān)節(jié)和多孔生物陶瓷人工骨，并將組裝后的復(fù)合半膝關(guān)節(jié)假體植入患者體內(nèi)，術(shù)后隨訪表明該復(fù)合半膝關(guān)節(jié)假體與周圍組織、骨骼匹配良好，并且具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

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

3.3 3-D打印技術(shù)目前存在的缺點(diǎn) 3-D打印技術(shù)可以將抽象的三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)變成為直觀、立體的實(shí)物模型，降低了高難度手術(shù)的術(shù)前準(zhǔn)備、減少了手術(shù)時間、提高了手術(shù)的成功率，作為一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，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(diǎn)。（1）因該項(xiàng)技術(shù)尚未得到廣泛推廣，3-D打印的使用費(fèi)用高，包括3-D打印設(shè)備的購置、運(yùn)行，打印材料及相關(guān)專業(yè)人員費(fèi)用，大多數(shù)患者不能承擔(dān)其費(fèi)用，在部分地區(qū)僅用于醫(yī)學(xué)研究。（2）打印材料不能滿足臨床醫(yī)學(xué)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(shù)前準(zhǔn)備，而不是作為實(shí)體安放于體內(nèi)。（3）3-D技術(shù)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(xiàng)技術(shù)要求院內(nèi)學(xué)科合作，這使得急診手術(shù)在3-D打印技術(shù)中不占優(yōu)勢。

3.4 3-D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科應(yīng)用中的展望 盡管3-D打印在目前存在部分缺點(diǎn)，但其在未來關(guān)節(jié)外科發(fā)展中必會起到?jīng)Q定性的作用。目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3-D打印技術(shù)已被應(yīng)用于器官模型的制造與手術(shù)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(xì)胞或組織打印等方面[13]。3-D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于組織工程骨和軟骨研究領(lǐng)域，在關(guān)節(jié)外科修復(fù)重建領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用。采用3-D打印技術(shù)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(xì)胞黏附、增殖的內(nèi)部三維多孔結(jié)構(gòu)[14]。Billiet等[15]應(yīng)用該技術(shù)輔以微米、納米技術(shù)，可根據(jù)需要設(shè)定特定的孔隙率、交聯(lián)，顯著提高支架的生物學(xué)及力學(xué)性能，使其有利于細(xì)胞黏附、增殖、分化，從而促進(jìn)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(yīng)用于動物實(shí)體，取得良好的效果。Xu等[18]利用靜電紡絲和噴墨打印相結(jié)合的方法制作組織工程軟骨。將活細(xì)胞和支架材料一同打印是3-D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科基礎(chǔ)研究領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)步性標(biāo)志，但如何實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在支架內(nèi)按照預(yù)制組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)分布、如何構(gòu)建營養(yǎng)通道血管、如何提高打印組織的機(jī)械性能等，都是未來研究方向[18]。隨著3-D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，自體“生物型人工關(guān)節(jié)”將在未來成為可能。

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醫(yī)學(xué)論文表與圖的寫作要求

一、制表的基本要求

1.重點(diǎn)突出，簡單明了，主謂分明，層次清楚。

2.結(jié)構(gòu)完整，有自明性，表的內(nèi)容不要與文字、插圖重復(fù)。

3.表中的量、單位、符號、縮略語等須與正文一致。

二、圖應(yīng)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(nèi)容不要與文字、表格重復(fù)；類型應(yīng)與資料性質(zhì)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(biāo)法符合數(shù)學(xué)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