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

作者：浙江中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科  方亮

在醫(yī)學(xué)臨床中,，從醫(yī)學(xué)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(xué)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(xué)科尤其是骨科,、矯形外科等得到證實,，在臨床中的應(yīng)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)，從長期療效來看,，假體松動,、不穩(wěn)定的風(fēng)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(fù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)測是可靠的,。

通過在模型上進行手術(shù)預(yù)演,，不但能預(yù)測術(shù)中可能出現(xiàn)的問題，可以及早制定應(yīng)對方案,，還有利于臨床教學(xué)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��,，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(yīng)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(fù)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(fēng)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(yīng)用PSI導(dǎo)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(fēng)險。

關(guān)節(jié)術(shù)后引流對于外科手術(shù)的意義在預(yù)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(yīng)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(fù)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(fù)。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(yīng)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(fù)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)險比體重正常患者增加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(fēng)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(fēng)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(fù)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(yù)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(fù)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(dǎo)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(yīng)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,�,？梢奝SI于腫瘤型膝關(guān)節(jié)置換中具有很高的應(yīng)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(yīng)用至RTKA,。RTKA主要難點在于更好地恢復(fù)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,。基于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(yù)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(yīng)用于膝關(guān)節(jié)翻修術(shù),，其假體預(yù)測準確度及旋轉(zhuǎn)力線恢復(fù)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(xué)技術(shù)的日新月異，使得PSI在TKA中的應(yīng)用取得了很大進步,�,；�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(fù),，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(yīng)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(fù)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(yīng)用范圍亦能得到進一步完善擴大,。交叉學(xué)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(fù)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