精準截骨在膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎全膝置換術(shù)中的應用

蔡 建，陳陸平

膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎是一種慢性關(guān)節(jié)疾病，主要好發(fā)人群為老年人[1]。對于晚期患者，全膝關(guān)節(jié)置換（total knee arthroplasty，TKA）是首選的治療方法，效果較為理想。但隨著疾病進展，患者膝關(guān)節(jié)間隙逐漸消失，關(guān)節(jié)與髕骨的關(guān)系出現(xiàn)紊亂，如果術(shù)中不能精確截骨，將直接影響伸膝和屈膝間隙的平衡，導致伸膝裝置出現(xiàn)假體位置不良等問題。近年來隨著數(shù)字骨科學的發(fā)展，3D打印技術(shù)在四肢骨折精準化治療、TKA個性化截骨、胸腰椎椎弓根釘精確置入等方面得到廣泛應用[2-4]，大大提高了手術(shù)的安全性和準確性，增強了手術(shù)效果，提升了醫(yī)療質(zhì)量。我科近年來采用3D打印技術(shù)精準截骨輔助TKA手術(shù)，效果良好，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2013年1月至2015年8月汕尾市人民醫(yī)院收治的80例膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者作為研究對象，根據(jù)不同的治療方式，按隨機數(shù)字表法將患者分為觀察組與對照組，每組40例。觀察組基于膝關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)結(jié)合計算機軟件精確匹配選擇合適假體，CAD設(shè)計并3D打印TKA截骨導航模板，術(shù)中在導航模板輔助下精準截骨；對照組采用常規(guī)TKA手術(shù)。所有患者均符合膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的臨床診斷標準，兩組患者性別、年齡、病程、損傷側(cè)別等一般資料比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），具有可比性，見表1。

表1 兩組患者一般資料比較（n=40）

1.2 治療方法

1.2.1 對照組 患者硬膜外全麻后取仰臥位，于大腿根部使用止血帶。采取膝前正中切口，由髕骨內(nèi)側(cè)進入骨關(guān)節(jié)，清理關(guān)節(jié)腔內(nèi)的髕上囊、髕下脂肪墊、滑膜和外側(cè)半月板，切除十字交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)攣縮的軟組織，松解后側(cè)關(guān)節(jié)囊，清除股骨遠端和脛骨近端的骨贅。結(jié)合髓內(nèi)定位系統(tǒng)切除股骨關(guān)節(jié)面，截骨時將股骨遠端關(guān)節(jié)外翻7°左右，并外旋至3°左右。結(jié)合髓外定位系統(tǒng)截去脛骨關(guān)節(jié)面，截骨厚度約10 mm，截骨面向后傾斜5°左右。試模調(diào)試，直至下肢力線正常、膝關(guān)節(jié)屈伸間隙平衡、內(nèi)外側(cè)軟組織平衡、髕骨軌跡正確。手術(shù)過程中需結(jié)合髕骨受損情況決定是否替換髕骨，若不需替換，則將髕骨周圍增生的骨贅清除干凈，髕骨周圍行電灼去神經(jīng)化處理，于對應受損位置植入大小相同的假體，骨水泥固定。如果髕骨磨損嚴重，則按常規(guī)方法進行髕骨置換。此過程中需特別注意避免損傷血管和神經(jīng)，及時止血，復位時檢查膝關(guān)節(jié)的屈伸狀況，滿意后再行固定。手術(shù)結(jié)束后在下膝關(guān)節(jié)內(nèi)部或外部置入負壓引流管，逐層縫合關(guān)閉。

1.2.2 觀察組 術(shù)前使用64排螺旋CT（Philip公司，荷蘭）采集患者膝關(guān)節(jié)掃描數(shù)據(jù)，掃描條件為電壓120 kV、電流160 mA、層厚1 mm，采集到的CT數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲，然后導入計算機，通過Mimics 17.0軟件（Materialise公司，比利時）生成三維重建的膝關(guān)節(jié)模型，在Mimics軟件中打開保存的數(shù)據(jù)，對膝關(guān)節(jié)三維模型進行旋轉(zhuǎn)觀察和三維測量。提取膝關(guān)節(jié)對應骨性表面解剖數(shù)據(jù)，計算機輔助設(shè)計導航模板，其中股骨遠端個性化截骨模板用以引導股骨遠端截骨，脛骨近端個性化截骨模板用以引導脛骨近端準確截骨。模板采用金屬粉末3D打印后高溫高壓消毒備用。

常規(guī)入路顯露關(guān)節(jié)，暫不清除股骨髁及脛骨平臺邊緣骨贅，充分暴露與截骨模板接觸的骨面，確定導板上定位孔與下定位孔的位置，去除半月板等殘余結(jié)構(gòu)；將截骨模板與骨面緊密貼合，然后以固定釘固定，再次確認截骨角度、厚度與術(shù)前計劃一致后，完成股骨遠端和脛骨近端的截骨；假體安裝按照常規(guī)操作完成。

1.3 觀察指標

采用視覺模擬量表（visual analogue scale，VAS）評分對患者的疼痛情況進行評估[5]；分別采用美國膝關(guān)節(jié)協(xié)會評分（American knee society knee score，AKS）標準、美國特種外科醫(yī)院（Hospital for Special Surgery，HSS）評分系統(tǒng)以及西安大略和麥克馬斯特大學（Western Ontario and Mc.Master Universities，WOMAC）骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)評分，對患者術(shù)后3、6、12個月的膝關(guān)節(jié)功能恢復情況進行評估[6-8]。

1.4 統(tǒng)計學方法

應用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行分析，計量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差（±s）表示，手術(shù)前后比較采用重復測量的方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t檢驗，兩組比較采用兩獨立樣本t檢驗，計數(shù)資料以例表示，比較采用卡方檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

觀察組患者手術(shù)時間、術(shù)中出血量、住院時間明顯少于對照組（P＜0.05）。兩組患者術(shù)后2 d VAS疼痛評分比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。不良反應方面，觀察組術(shù)后深靜脈栓塞2例，對照組深靜脈栓塞3例、腓總神經(jīng)損傷1例，兩組不良反應發(fā)生率比較無明顯差異（P＞0.05）。見表2。

表2 兩組患者手術(shù)一般情況、VAS評分及不良反應發(fā)生率比較（n=40）

患者獲隨訪12～24個月，平均隨訪時間14個月。兩組患者術(shù)后3、6、12個月AKS膝關(guān)節(jié)功能評分及膝評分、HSS評分、WOMAC評分均明顯優(yōu)于術(shù)前，且術(shù)后觀察組上述評分均明顯優(yōu)于對照組（P＜0.05），見表3。患者均未出現(xiàn)假體移位、骨質(zhì)塌陷并發(fā)癥。典型病例見圖1。

表3 兩組患者手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)AKS評分、HSS評分及WOMAC評分比較（±s，n=40，分）

表3 兩組患者手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)AKS評分、HSS評分及WOMAC評分比較（±s，n=40，分）

注：AKS：美國膝關(guān)節(jié)協(xié)會評分；HSS：特種外科醫(yī)院；WOMAC：西安大略和麥克馬斯特大學

AKS膝關(guān)節(jié)功能評分AKS膝評分組別P值P值F值觀察組對照組t值P值術(shù)前22.5±6.7 22.5±6.3 0.008 0.961術(shù)后3個月28.4±6.9 23.4±6.4 2.187 0.045術(shù)后6個月32.5±8.0 25.9±7.3 3.260 0.003術(shù)后12個月36.5±9.3 28.2±8.3 5.388 0.000 F值11.475 3.288 0.000 0.012術(shù)前25.7±8.3 25.8±8.3 0.028 0.977術(shù)后3個月28.8±5.7 26.3±5.1 2.072 0.042術(shù)后6個月34.2±8.5 28.0±8.3 3.301 0.001術(shù)后12個月37.9±10.2 31.5±8.8 2.376 0.047 9.054 3.529 0.000 0.010 HSS評分WOMAC評分組別F值P值F值P值觀察組對照組t值P值術(shù)前39.4±4.7 39.4±4.9 0.002 0.986術(shù)后3個月53.9±5.9 40.3±6.2 10.050 0.000術(shù)后6個月78.4±8.3 68.0±7.3 3.255 0.026術(shù)后12個月92.4±9.3 85.1±9.3 6.182 0.000 428.301 393.900 0.000 0.000術(shù)前52.9±5.8 52.6±5.4 0.035 0.925術(shù)后3個月34.5±6.3 38.3±5.2 2.941 0.004術(shù)后6個月29.0±8.8 34.0±9.9 2.372 0.040術(shù)后12個月20.4±2.4 24.8±2.2 8.550 0.000 172.801 139.621 0.000 0.000

圖1 膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎全膝關(guān)節(jié)置換精確截骨手術(shù)前后圖片（男，70歲，以“膝關(guān)節(jié)疼痛10年余”入院）1A術(shù)前左膝正側(cè)位片提示左膝骨性關(guān)節(jié)炎，關(guān)節(jié)間隙狹窄，內(nèi)側(cè)明顯 1B術(shù)前左膝三維建模（按照層厚0.625 mm薄層掃描三維重建解剖模型）1C術(shù)前三維匹配，選擇合適型號假體 1D，1E術(shù)中股骨遠端、脛骨近端截骨模板引導精準截骨 1F術(shù)后1周左膝正側(cè)位片提示假體安放位置滿意，大小匹配良好

3 討論

3.1 膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的手術(shù)治療

膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎多由膝關(guān)節(jié)外傷、肥胖、勞損或遺傳導致[9]，發(fā)病以老年人居多。傳統(tǒng)藥物治療效果不明顯，副作用大，療效欠佳[10-11]。近年來隨著骨關(guān)節(jié)外科治療技術(shù)的日趨成熟，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的治療水平有了很大的提高。然而，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復雜，關(guān)節(jié)面形式多樣，大大增加了手術(shù)治療的難度。根據(jù)X線平片測量數(shù)據(jù)和術(shù)中經(jīng)驗選擇膝關(guān)節(jié)置換假體型號，存在假體大小匹配不良、安放位置欠佳、手術(shù)關(guān)節(jié)僵硬疼痛等問題。

3.2 數(shù)字化精確截骨技術(shù)輔助TKA手術(shù)

3.2.1 術(shù)前精確設(shè)計截骨方案 目前CT機配備有重建三維圖像的軟件，但僅能提供可視圖像，信息十分有限，醫(yī)生無法與其互動，無法實施虛擬手術(shù)。本研究在三維模型上測量膝關(guān)節(jié)解剖參數(shù)，從三維空間上選擇合適的假體型號，精確設(shè)計截骨厚度和截骨方向，實現(xiàn)三維截骨手術(shù)方案的制定，很好地解決了TKA手術(shù)的安全性、準確性問題。

3.2.2 3D打印金屬導板輔助TKA精確截骨 快速成型技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，借助液態(tài)材料固化、粉末材料（如塑料、金屬粉末等）粘合或燒結(jié)逐層堆積，進而達到物體構(gòu)造的先進制造技術(shù)[12]。近年來迅速興起的3D打印就是其中的代表性技術(shù)[13]，主要的打印材料有光敏樹脂、有機高分子等液態(tài)材料和塑料、砂、金屬、陶瓷等粉末材料。本研究采用的打印材料為金屬粉末，具有成型精確度高、力學強度高、耐高溫等特點，可以有效引導電鉆鉆孔和擺鋸截骨等手術(shù)操作。

傳統(tǒng)TKA手術(shù)術(shù)中需反復多次調(diào)整截骨，測量試模與關(guān)節(jié)的匹配程度，而通過3D打印技術(shù)制成的手術(shù)導航模板可實施精確引導，能夠一次性完成精準手術(shù)操作，提升手術(shù)精度，提高假體安裝的準確性，促進下肢力線的恢復，減少手術(shù)創(chuàng)傷，改善膝關(guān)節(jié)功能，延長假體生存時間[14]。

具體而言，數(shù)字化精確截骨技術(shù)主要有以下優(yōu)點：①術(shù)前將患者影像學信息輸入計算機，準確測定股骨外翻及外旋角、脛骨平臺后傾角，明確假體型號、術(shù)中股骨遠端及后髁截骨量、脛骨近端截骨量與截骨角度，無需術(shù)中通過反復比對來確定截骨量與截骨角度，節(jié)省了手術(shù)操作時間[15-17]。②應用3D打印精確截骨技術(shù)，TKA術(shù)中軟組織剝離較少，不開髓腔，出血少、創(chuàng)傷輕微，有效降低了感染及脂肪栓塞的風險。③術(shù)前對患者下肢力線進行三維重建，有力保證了假體位置置入的準確性，減輕患者痛苦，提高了手術(shù)的安全性。

國內(nèi)的臨床報道結(jié)果亦表明，應用3D打印技術(shù)在術(shù)前確定植入物的類型、大小和位置，有利于術(shù)者制定個體化的手術(shù)方案，手術(shù)更加精準，縮短了手術(shù)時間，減少了術(shù)中使用工具的數(shù)量，改善了患者術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能[18-19]。本研究中觀察組患者手術(shù)時間、術(shù)中出血量、住院時間均少于常規(guī)TKA組，且觀察組患者術(shù)后AKS膝關(guān)節(jié)功能評分、膝評分以及HSS評分和WOMAC評分均明顯優(yōu)于對照組（P＜0.05），說明術(shù)前三維設(shè)計在選擇假體型號、截骨部位與厚度等方面具有獨特優(yōu)勢，手術(shù)療效得到了明顯提高。

總之，采用數(shù)字化精確截骨技術(shù)輔助TKA手術(shù)，術(shù)前可通過三維模型準確了解膝關(guān)節(jié)病變情況，根據(jù)三維設(shè)計及仿真模擬結(jié)果完善手術(shù)方案，通過三維測量解剖參數(shù)和三維模型精確選擇合適型號假體，借助個性化輔助手術(shù)導航模板引導精準截骨手術(shù)操作，最終實現(xiàn)簡化TKA手術(shù)操作、提高手術(shù)精確性、促進患者膝關(guān)節(jié)功能康復的目的。

[1]陸艷紅,石曉兵.膝骨關(guān)節(jié)炎國內(nèi)外流行病學研究現(xiàn)狀及進展[J].中國中醫(yī)骨傷科雜志,2012(6):81-84.

[2]Upex P,Jouffroy P,Riouallon G.Application of 3D printing for treating fractures of both columns of the acetabulum:benefit of pre-contouring plates on the mirrored healthy pelvis[J].Orthop Traumatol Surg Res,2017,103(3):331-334.

[3]邱冰,張明嬌,唐本森,等.基于3D打印個性化手術(shù)導航模板輔助下的人工全膝關(guān)節(jié)置換[J].中國組織工程研究,2015,19(48):7731-7735.

[4]Xu W,Zhang X,Ke T,et al.3D printing-assisted preoperative plan of pedicle screw placement for middle-upper thoracic trauma:a cohort study[J].BMC Musculoskelet Disord,2017,18(1):348.

[5]Myles PS,Troedel S,Boquest M,et al.The pain visual analog scale:is it linear or nonlinear?[J].Anesth Analg,1999,89(6):1517-1520.

[6]Insall JN,Dorr LD,Scott RD,et al.Rationale of the Knee Society clinical rating system[J].Clin Orthop Relat Res,1989(248):13-14.

[7]Marshall JL,Fetto JF,Botero PM.Knee ligament injuries:a standardized evaluation method [J].Clin Orthop Relat Res,1977(123):115-129.

[8]Bellamy N.Pain assessment in osteoarthritis:experience with the WOMAC osteoarthritis index[J].Semin Arthritis Rheum,1989,18(4 Suppl 2):14-17.

[9]向湘松,謝詩涓,熊鶯.老年人膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎影響因素分析研究[J].中國骨質(zhì)疏松雜志,2011,17(7):613-616.

[10]胥少汀,葛寶豐,徐印坎.實用骨科學[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2006.

[11]野戰(zhàn)濤,張衛(wèi)平.膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的治療進展[J].臨床誤診誤治,2010,23(8):783-786.

[12]張鷹,楊宇,劉大鵬,等.數(shù)字化快速成型技術(shù)在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中應用[J].臨床軍醫(yī)雜志,2016,44(3):234-237.

[13]劉帥,姚慶強,周進,等.計算機輔助設(shè)計與3D打印個性化截骨導板輔助人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的精準度研究[J].中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志,2017,32(6):580-584.

[14]倪鵬輝,楊晶,程奎,等.3D打印截骨定位導向板在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應用研究[J].中國數(shù)字醫(yī)學,2017,12(1):52-54.

[15]吳東迎,袁峰,吳繼彬,等.3D打印截骨導板在人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應用[J].中華骨科雜志,2015,35(9):921-926.

[16]Stindel E,Briard JL,Merloz P,et al.Bone morphing:3D morphological data for total knee arthroplasty[J].Comput Aided Surg,2002,7(3):156-168.

[17]胡軍,姚慶強,劉帥,等.3D打印輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的臨床應用[J].中華關(guān)節(jié)外科雜志:電子版,2017,11(2):11-16.

[18]鄔波,柳椰,馬旭,等.3D打印個性化導航模板在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應用[J].中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志,2017,32(2):148-151.

[19]朱庭標,張勇,趙愛彬,等.3D打印切模輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的初步臨床研究[J].中華損傷與修復雜志:電子版,2016,11(4):278-282.