3D打印個體化器械操作在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應用現(xiàn)狀

作者：浙江中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院骨科  方亮

在醫(yī)學臨床中,，從醫(yī)學成像到3D打印的一站式制造的實現(xiàn),，正迎合了近期醫(yī)學趨向“個性化”和精準醫(yī)療的需求。3D打印技術(shù)在臨床中的益處已在多個學科尤其是骨科,、矯形外科等得到證實，在臨床中的應用,，其益處已得到公認,。在骨科臨床領(lǐng)域，關(guān)于3D打印技術(shù)輔助關(guān)節(jié)置換的相關(guān)報道日益增多,，尤其在復雜性關(guān)節(jié)置換中更為推薦,。傳統(tǒng)手術(shù)方法對于特殊患者的膝關(guān)節(jié)置換未能取得滿意的療效，而3D打印技術(shù)的發(fā)展,，能夠緩和甚至打破這種窘境,，即使對于骨折后軸向肢體畸形的膝關(guān)節(jié)置換，3D打印技術(shù)也能輔助手術(shù)得到良好療效,。對于較難處理而經(jīng)常出現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)中遇到的骨缺損問題,，構(gòu)建新型多孔金屬鉭墊塊來應對也是3D打印技術(shù)的運用實例。本文著重針對個體化器械操作（PSI）在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA）中現(xiàn)階段的應用優(yōu)劣總結(jié)相關(guān)問題進行闡述,。

PSI在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應用優(yōu)劣
利于術(shù)前個性化手術(shù)方案的制定    由于種族,、性別等造成的不同患者之間解剖結(jié)構(gòu)的差異，對TKA術(shù)者提出了嚴峻的挑戰(zhàn),。接受膝關(guān)節(jié)置換的每個患者,，因不同種族,、性別，致使解剖結(jié)構(gòu)必定存在差異,，尤其是亞洲人,，其變異率比歐美人更高，若下肢力線不能得到良好恢復,，從長期療效來看,，假體松動、不穩(wěn)定的風險就會增加,，從而造成關(guān)節(jié)磨損和骨質(zhì)溶解,，以致需要接受膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)。因此解剖結(jié)構(gòu)的異常會對手術(shù)醫(yī)生的評估能力提出進一步考驗,，故如何提高術(shù)前評估準確度及設(shè)計個性化手術(shù)方案就顯得尤為重要,。對于特殊膝關(guān)節(jié)置換患者，進行術(shù)前建模能夠有效提高截骨準確性及假體安放穩(wěn)定性從而提高手術(shù)效果,。

3D打印PSI能構(gòu)造擬施術(shù)關(guān)節(jié)的三維模型,，實現(xiàn)復雜解剖結(jié)構(gòu)的可視化，并能對股骨外翻角（FMAA）,、外側(cè)角（LFA）,、髖膝踝角（HKA）、股脛角（FTA）等量化數(shù)據(jù)進行精確測量采集并處理,，又可在模型上進行手術(shù)模擬,，確定假體設(shè)計及定位，截骨的方向,、程度及長度,，若與預期情況有所偏差，可以及時進行手術(shù)策略調(diào)整,，從而制定最佳個性化手術(shù)方案,。充分及有針對的術(shù)前準備是手術(shù)成功的前提保障，PSI可使術(shù)前準備更充分,，可實現(xiàn)假體最佳安放位置和假體大小的準確預測,，還能最大程度減少試模次數(shù)。而假體位置不當及假體尺寸過大被認為是TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)僵硬的重要因素,。Ettinger等的研究結(jié)果表明PSI在術(shù)前假體大小尺寸預測方面有非常高的準確性,。Ollivier等依據(jù)CT掃描結(jié)果使用PSI輔助初次膝關(guān)節(jié)表面置換，PSI組患者術(shù)中使用假體均為術(shù)前計劃時所選的尺寸,，可以認為,，PSI對于假體的大小和位置的預測是可靠的。

通過在模型上進行手術(shù)預演,，不但能預測術(shù)中可能出現(xiàn)的問題,，可以及早制定應對方案,，還有利于臨床教學的開展，使手術(shù)過程更加直觀,，原理更加明朗,。此外，還能一定程度上使與家屬的溝通解釋工作進行得更為順利,。

利于提高術(shù)中操作準確性及手術(shù)效率    傳統(tǒng)TKA對于股骨假體的放置定位,，使用股骨遠端髓內(nèi)定位方法，根據(jù)股骨解剖軸來判斷與機械軸相垂直的方向來推斷截骨面,，由此截骨面的確定必然不夠客觀,，會更依賴于術(shù)者經(jīng)驗，手術(shù)時間的延長在所難免而且精確度難以保證,。如果患者存在骨骼發(fā)育異�,；蚴枪钦酆蠡�形愈合，解剖變異較大時,，對線的準確性將更加難以保證,。PSI技術(shù)的應用，脛骨平臺截骨厚度,、角度,，股骨面的旋轉(zhuǎn)角度在術(shù)前已經(jīng)精確計算后確定，對于膝關(guān)節(jié)術(shù)后力線的重建會更理想,。Kievit等在尸體標本上的研究也得出了同樣結(jié)論,。假體的穩(wěn)定性將決定膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的遠期療效，假體的穩(wěn)定性雖然受病例的選擇,、假體的材料,、骨水泥的固定等諸多因素的影響，但截骨的準確度將直接影響假體的服貼程度,。

PSI進行的髓外定位截骨方式是根據(jù)機械軸垂直方向來進行截骨，與傳統(tǒng)方法相比,，既可以一定程度上克服傳統(tǒng)手術(shù)方式因解剖軸與機械軸的差異所致的準確性有限的問題,，也可以避免進行擴髓，減少出血,。下肢機械軸力線和假體旋轉(zhuǎn)軸線是膝關(guān)節(jié)置換術(shù)成功極為關(guān)鍵的2個因素,，良好的下肢力線對遠期療效及降低翻修率具有重要意義。傳統(tǒng)的膝關(guān)節(jié)置換術(shù),，其下肢機械軸偏離中立位≤3°的精確度并不理想,，而使用PSI輔助TKA，能夠提高精確度,，減小下肢力線誤差,。沒有良好的股骨假體旋轉(zhuǎn)軸線是出現(xiàn)髕股關(guān)節(jié)炎等術(shù)后并發(fā)癥的首要因素,，嚴重影響人工關(guān)節(jié)的使用壽命。經(jīng)PSI精確設(shè)計的股骨假體內(nèi)植,，不但能夠獲得理想的股骨假體旋轉(zhuǎn)軸力線,，還能縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)效率,。

利于減少術(shù)后并發(fā)癥及功能重建    TKA術(shù)后并發(fā)癥中膝關(guān)節(jié)術(shù)后感染是最常見也是最嚴重的并發(fā)癥之一,，不僅會對關(guān)節(jié)功能恢復造成影響，如果感染得不到有效控制,，還要進行二次手術(shù)取出假體,，給患者帶來生理上及心理上的痛苦，而且對患者的經(jīng)濟承受能力也是一種挑戰(zhàn),，感染嚴重者甚至還面臨著截肢的風險,。TKA術(shù)后并發(fā)癥之一的脂肪栓塞綜合征越來越受到重視，其發(fā)生機制可能是因為術(shù)中操作使脂肪組織,、血管遭到破壞,，或者髓內(nèi)假體的置放和生物粘合劑的使用，進一步增加了髓內(nèi)壓,，脂滴混合血腫進入血循環(huán),。與傳統(tǒng)TKA采用脛骨近端截骨髓內(nèi)定位相比，應用PSI導板截骨方式?jīng)]有開髓過程,，則能夠大大減少術(shù)后脂肪栓塞及潛在感染發(fā)生的風險,。

關(guān)節(jié)術(shù)后引流對于外科手術(shù)的意義在預防關(guān)節(jié)血腫，減少切口延遲愈合,，如果術(shù)后出血過多,，引流時間增加，會增加術(shù)后感染的機會,。PSI的應用能減少術(shù)中創(chuàng)傷的同時,，亦能減少術(shù)后的出血。Vertullo等的研究結(jié)果顯示,，與常規(guī)TKA相比PSI用于TKA術(shù)后引流量明顯降低,。

TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能重建與患者自身狀態(tài)、手術(shù)技術(shù),、術(shù)后康復鍛煉等多種因素有關(guān),。美國特種外科醫(yī)院（HSS）膝評分可反映患者膝關(guān)節(jié)局部及機體整體功能狀態(tài)，術(shù)前HSS評分較低者表明其骨關(guān)節(jié)炎病變更為嚴重,，術(shù)后HSS評分低者表明其關(guān)節(jié)功能沒有得到良好恢復,。PSI的TKA術(shù)后HSS評分總分得分較高，而術(shù)后患者疼痛評分（VAS）顯著降低。最終來說,，PSI能夠降低TKA手術(shù)失敗率,，有統(tǒng)計稱其5年隨訪翻修率為1．2％。

PSI應用存在的爭議    在積極進行3D打印技術(shù)推廣的大背景下,，也有諸多研究者提出異議,。Victor等認為PSI并不能提高TKA手術(shù)的準確性；即使由經(jīng)驗豐富的醫(yī)生主刀,，使用的技術(shù)定位系統(tǒng)再精細,，其對線誤差超過3°的發(fā)生率也至少為10％。Abane等的研究對比了59例PSI輔助TKA和61例傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)手術(shù),，結(jié)果表明兩者在手術(shù)時間,、術(shù)中出血量和術(shù)后力線恢復方面并無明顯差異。Huijbregts等的研究表明,，兩者術(shù)后并發(fā)癥的差異無統(tǒng)計學意義,。Schotanus等認為其與傳統(tǒng)方式TKA術(shù)后中期效果無明顯區(qū)別。要進一步驗證PSI在TKA中應用的優(yōu)劣,，則需要更大樣本量,、范圍更廣、隨訪時間更長的研究,。

PSI在特殊患者TKA中的應用
肥胖患者   體重指數(shù)（BMI）對于膝關(guān)節(jié)炎病患人群來說,，是關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的重要因素，高BMI或者肥胖人群罹患膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的風險明顯升高,，并且關(guān)節(jié)炎后期接受TKA術(shù)后感染和血栓并發(fā)癥發(fā)生風險也越高,。Ward等認為BMI＞40kg／m2的患者TKA術(shù)后有更高的翻修率和感染風險。Culliford等分析英國綜合醫(yī)療研究數(shù)據(jù)庫中1988－2011年記錄的54276例TKA患者發(fā)現(xiàn),，嚴重肥胖患者（BMI≥40kg／m2）TKA術(shù)后5年行翻修術(shù)風險比體重正�,；颊咴黾�43．9％。肥胖和術(shù)后體重增加對關(guān)節(jié)置換術(shù)后的負面影響已被證實,。所以高BMI和肥胖患者進行術(shù)前減重,，不但能夠降低術(shù)后早期感染、深靜脈血栓等并發(fā)癥,，還能降低后期進行膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后翻修的概率,。尋求一種方法使BMI和肥胖患者TKA術(shù)后并發(fā)癥最小化的研究也極具意義。Anwar等研究認為BIM＞30kg／m2的患者推薦使用PSI行TKA,，以降低術(shù)后多種并發(fā)癥發(fā)生的風險,。

膝關(guān)節(jié)畸形患者    膝骨性關(guān)節(jié)炎,、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎,、類風濕性關(guān)節(jié)炎等晚期癥狀通常伴隨一定程度的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形。治療方法一般是接受膝關(guān)節(jié)置換以緩解疼痛，改善關(guān)節(jié)活動度及下肢力線,。有統(tǒng)計稱TKA患者膝外翻畸形約占10％,，且同時存在骨性結(jié)構(gòu)及周圍軟織異常，此時手術(shù)難度會較大,。同樣,，骨折后的畸形愈合、下肢發(fā)育畸形等原因?qū)е碌年P(guān)節(jié)外畸形也會增加TKA手術(shù)的難度,。少數(shù)重度畸形并非能靠截骨和軟組織復合松解達到滿意效果,，需要采用限制性假體或鉸鏈型膝關(guān)節(jié)假體進行關(guān)節(jié)置換。而對于有特殊病理解剖的膝關(guān)節(jié)置換患者,，使用依靠解剖標志定位截骨的傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換術(shù),，其下肢力線獲取無疑乏力，術(shù)后下肢力線誤差也會相對較大,，術(shù)后易發(fā)生髕骨軌跡不良,、早期假體松動、聚乙烯墊片磨損等并發(fā)癥,。因此,，對于伴有嚴重關(guān)節(jié)外畸形患者，TKA手術(shù)中使用傳統(tǒng)截骨器械會受到巨大的限制,。而PSI的個體化為同期治療關(guān)節(jié)炎和關(guān)節(jié)畸形提供了保障,，其優(yōu)越性尤為明顯。Rahm等研究表明嚴重內(nèi)外翻畸形患者PSI是更優(yōu)選擇,。

膝關(guān)節(jié)腫瘤患者    對于膝關(guān)節(jié)腫瘤患者,，骨腫瘤生長在脛骨近端或股骨遠端，常常合并大范圍的骨質(zhì)侵蝕,，骨質(zhì)缺損嚴重,，可利用支撐的骨質(zhì)明顯不足，而且可能存在軟組織問題,，在常規(guī)腫瘤膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后,，術(shù)后易發(fā)生假體松動和假體周圍骨折等術(shù)后并發(fā)癥，通常具有很高的翻修率,，且手術(shù)難度較高,，患者5年生存率為57％～93％。因此,，對術(shù)后效果具有較高要求,，也就意味著要有精準的術(shù)前規(guī)劃，而PSI的術(shù)前高預測性能為手術(shù)的成功加碼,。腫瘤型膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨側(cè)假體周圍骨折,，常常是由于腫瘤復發(fā),、感染、無菌性松動,、假體周圍骨折,、假體柄折斷和鉸鏈結(jié)構(gòu)失敗等導致，盡管不及髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周圍骨折常見,，但其治療難度更具挑戰(zhàn)性,。對于該種病例，國外有報道應用PSI進行全股骨假體定制后置換,，以保證患者患側(cè)股骨能夠有足夠強度的支撐的病例,。可見PSI于腫瘤型膝關(guān)節(jié)置換中具有很高的應用價值,。

膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后翻修術(shù)    膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的高發(fā),，TKA手術(shù)量的增加，也就意味著更多的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后翻修術(shù)（RTKA）,，無疑會耗費更大的社會及醫(yī)療資源,，所以對RTKA的研究也是臨床研究的熱點。PSI最初是用于初次全膝或者單髁置換,，近年來已有人將其應用至RTKA,。RTKA主要難點在于更好地恢復股骨假體的旋轉(zhuǎn)力線。因為術(shù)后股骨后髁解剖定位不明確,，關(guān)節(jié)屈伸軸線難以確定,，此技術(shù)難題會影響對假體判斷的準確性。RTKA術(shù)中還會涉及如何處理可能存在的骨缺損,，是否需要更改為加長柄假體等諸多不確定問題,，想要順利完成翻修術(shù)，精密的術(shù)前計劃是必不可少的,�,；���3D打印技術(shù)的PSI能為特定的膝關(guān)節(jié)解剖量身定制手術(shù)計劃，在手術(shù)前可以精確地了解解剖異常和預測假體大小,，并且可以根據(jù)特定的要求制定特定型號的假體,。Schotanus等的研究表明PSI應用于膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)，其假體預測準確度及旋轉(zhuǎn)力線恢復較為理想,。因此PSI或許可以作為關(guān)節(jié)翻修術(shù)的一種有效可靠的新方法,，相關(guān)研究也值得進一步深入。

小結(jié)與展望
科學技術(shù)的日新月異,，使得PSI在TKA中的應用取得了很大進步,。基于社會老齡化一步步加重的現(xiàn)實,，人工膝關(guān)節(jié)置換將會愈來愈常見,，提高膝骨性關(guān)節(jié)炎患者的生活質(zhì)量對整個社會意義非凡,。基于3D打印技術(shù)的發(fā)展,，許多膝骨性關(guān)節(jié)炎晚期患者已受益于PSI技術(shù)，從術(shù)前假體的制定,、術(shù)中截骨的確定,，到術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能恢復，與傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)相比PSI都體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢,。即使在當前應用存在一些不確定因素,，廣泛使用的必要性仍有待商榷，但在面對肥胖患者,、關(guān)節(jié)畸形患者或存在膝關(guān)節(jié)骨缺損等復雜膝關(guān)節(jié)手術(shù)時傳統(tǒng)的手術(shù)方式往往不能取得的滿意療效,，PSI的優(yōu)越有效性已得到初步驗證和認可。PSI技術(shù)的相關(guān)研究逐漸加深日趨成熟,，其應用范圍亦能得到進一步完善擴大,。交叉學科概念的興起，也為PSI的更進一步研究提供了參考,，比如在PSI中運用生物型材料,、損傷修復因子等。充分運用其他領(lǐng)域的新興技術(shù),，將其與PSI靈活地結(jié)合在一起,，對提高TKA的近期、遠期療效療效有相當可觀的前景,。

來源：中國骨傷2019年6月第32卷第6期