定制3D打印切模辅助膝关节置换术 临床分析

刘峰+张勇+任静+赵爱彬+吕晓峰+朱庭标

【摘要】 目的 膝关节置换手术(TKA)在定制3D打印切模辅助下完成并做初步分析。方法 在定制3D打印切模辅助下, 对12例(切模辅助组)患者15膝行膝关节置换手术；再选取12例(对照组)患者14膝行传统膝关节置换手术。结果 手术时间、术中出血量、术后引流量、术后3个月HHS评分切模辅助组与对照组相比差异有统计学意义(P<0.05), 影像学评估股骨和胫骨机械轴的夹角(MFTA)、矢状位胫骨后倾角(SCTA)差异有统计学意义(P<0.05)。结论 定制3D打印切模辅助膝关节置换术具有个体化、精准化、数字化、手术时间短、创伤小等优点, 可以对膝关节置换起到良好的辅助作用。

【关键词】 膝关节置换；3D打印；模具

Clinical analysis of customized 3D printing mold assisted total knee placementLIU Feng, ZHANG Yong, REN Jing, et al. Qujing Frist People's Hospital, Qujing 655000, China

【Abstract】 Objective To analyze effect of customized 3D printing mold assisted total knee placement(TKP). Methods Aided by customized 3D printing mold, 12 patients in mold assisted group were treated with customized 3D printing mold total knee placement, 12 patients in control gorup were treated with traditional total knee placement. Results There were statistically significant diffierences in operation time, blood loss, HHS Score, MFTA, SCTA between two goups. Conclusion Customized 3D printing mold plays a good role in TKA .

【Key words】 Total knee placement; 3D Printing; Mold膝关节置换术(total knee arthroplasty, TKA)是迄今为止治疗膝关节炎病变最为成功的手术方式之一。传统的膝关节置换手术器械复杂、手术步骤繁琐, 手术需要术者根据大量的骨性标志进行截骨。若术者对器械使用不熟练、对膝关节的变形认识不足, 会导致截骨不当、胫骨上端后侧皮质穿孔、假体松动等并发症［1］。即使经验丰富的医师, 在髓内外定位器帮助下仅凭肉眼和手术经验判断术中截骨、假体的摆放位置及软组织平衡, 也可能会导致手术失败。术中需要安装髓内定位杆等定位工具, 增加了失血量及发生脂肪栓塞的风险。2013年10月~2014年2月在定制3D打印切模辅助下, 作者对12例患者15膝行膝关节置换手术。现报告如下。

1资料与方法

1. 1一般资料

1. 1. 1切模辅助组2013年10月~2014年2月在定制3D打印切模辅助下, 对12位患者15膝行膝关节置换手术。女10例, 男2例, 其中3例患者一期行双膝关节置换术；所有患者为初次手术；年龄68~73岁, 平均67.7岁；术前HSS改良评分为38~49分, 平均44分。

1. 1. 2对照组随机抽选2013~2014年间行传统膝关节置换手术12例患者14膝作为对照组。女11例, 男1例, 其中2例患者一期行双膝关节置换术；所有患者为初次手术；年龄65~72岁, 平均65.7岁；术前HSS改良评分为39~52分, 平均46分。切模辅助组与对照组均由同一医师组完成。

1. 2治疗方法

1. 2. 1切模辅助组术前用患者的膝关节CT扫描数据进行计算机三维建模, 利用CAD(计算机辅助设计)软件对患者解剖结构进行测量并进行手术策划, 根据建模数据设计个体化的手术截骨切模。将定制的手术截骨切模数字文件传输到3D打印机中, 利用快速成型技术打印出实体的截骨切模。

手术过程：麻醉生效后, 取膝关节前正中皮肤切口, 沿股四头肌腱、髌骨内侧缘至胫骨结节内侧弧形切开髌上囊及关节囊, 关节液呈黄色, 吸干积液, 将髌骨向外侧翻转, 屈膝90°, 切除增生的滑膜组织、前交叉韧带、内外侧半月板, 清除髌骨增生的骨赘, 松解外侧软组织。将胫骨近端切模安装在胫骨近端, 保证切模接触面与胫骨近端骨质良好贴合, 沿切模对胫骨近端进行截骨。清除股骨周围的骨赘, 安装股骨切模, 保证贴合, 在切模导航下对股骨进行外翻截骨, 并确定四合一截骨模块的安放位置, 安装截骨模块, 对股骨前髁、后髁、前斜角、后斜角进行截骨, 放置试模, 在其引导下进行髁间截骨。对胫骨近端进行打孔, 脉冲式冲洗约1500 ml生理盐水, 吸干。股骨、胫骨截骨面铺垫骨水泥, 安装膝关节假体及垫片, 术中测量力线良好, 放置负压引流管, 逐层缝合切口, 见图1~4。

1. 2. 2对照组采用标准全膝关节置换术。

1. 3疗效评估记录所有病例手术时间、术中出血量、术后引流量、术后3个月HSS评分。影像学测量评估：股骨和胫骨机械轴的夹角(MFTA)；冠状位股骨解剖轴和股骨髁切线的夹角(LDFA)；冠状位胫骨解剖轴和胫骨平台切线的夹角(MPTA)；矢状位胫骨后倾角(STCA)。

1. 4统计学方法 采用SPSS10.0软件对所得数据进行统计分析, 计量资料以均数±标准差( x-±s)表示, 采用t检验。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

所有病例术后随访, 手术时间、术中出血量、术后引流量、术后3个月评分见表1。术后影像学评估情况见表2。疗效评估情况、手术时间、术中出血、术后引流量及术后HSS评分差异有统计学意义(P<0.05)。影像学评估MFTA、SCTA差异有统计学意义(P<0.05)。

表1两组疗效评估情况( x-±s)

组别 膝数 手术时间(min) 术中出血(ml) 术后引流量(ml) 术后3个月HSS评分

切模辅助组 15 81.5±21.5a 256.7±96.7a 269.1±82.6a 93.1±2.2a

对照组 14 90.9±15.9 360.7±102.9 359.2±95.1 87.8±2.7

P <0.05 <0.05 <0.05 <0.05

注：两组比较, aP<0.05

表2两组术后影像学评估( x-±s)

组别 膝数 MFTA LDFA MPTA STCA

切模辅助组 15 0.91±0.49a 83.9±0.59 89.8±0.77 2.99±0.81a

对照组 14 2.01±0.98 83.3±0.83 89.3±1.54 4.01±1.07

P <0.05 >0.05 >0.05 <0.05

注：两组比较, aP<0.05

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3 讨论

3. 13D打印技术又称为快速成型技术, 它可以将计算机中设计的各种复杂的产品通过“增材技术”一次制造成形。人们已经利用3D打印技术成功制造出飞机、手枪、汽车和各种其设计的复杂产品。在医学领域, 3D打印技术制作的人造骨骼已经成功应用于临床。随着该技术的不断发展, 3D打印技术使人造器官变成可能, 可以说3D打印技术在医学领域有着十分广阔的应用前景。

3. 2计算机辅助设计技术和3D打印技术的飞速发展, 使临床根据患者解剖结构进行定制工具、假体成为可能。计算机辅助设计技术可以在计算机中对患者的解剖结构进行三维建模, 利用所建立的模具可以进行结构测量、术前策划、工具设计、甚至假体的个性化设计。而3D打印技术可以将计算机中的三维模型、工具或假体等结构复杂的数字文件生产为实物, 为临床医师使用［2］。

3. 3传统TKA手术, 医生依靠自身的临床经验及术中髓内外定位装置决定手术操作, 术中截骨的角度及量、假体大小的选择、旋转的角度、软组织松紧的掌控均由术者的主观判断决定。由于缺乏客观、量化手术设计, 给术中进行精确的定位截骨、假体选择及假体的摆放带来了较大的困难, 而超过半数早期失败的病例与术中假体摆放不当、力线不合适有关［3,4］。传统手术截骨导向器设定的截骨角度仅有约75%的患者符合, 而25%的患者的角度与设定角度平均数相差较大, 尤其是严重膝关节内外翻及软骨完全丧失者［5］。全膝关节置换手术中截骨是手术的核心, 术中是否能够正确的解剖定位及熟练应用截骨技术是手术成功的关键。手术所用的定制切模, 是将患者的CT资料传输到计算机中, 利用CAD(计算机辅助设计)软件对患者的解剖结构进行建模, 在计算机中对解剖模型进行测量、术前计划并设计出个性化的截骨切模。利用3D打印机将截骨切模数字文件打印成为实物。手术时, 利用事先制作好的切模对股骨及胫骨进行截骨并使用适合患者个体的膝关节假体, 术中截骨完全是按照患者自身的解剖特点进行, 而不是传统手术预设好的角度, 使得下肢的机械轴线得到更好的恢复, 假体安装位置更为准确, 获得更佳的软组织平衡。

3. 4传统手术利用髓内外定位导向装置进行定位截骨, 术中需要打开股骨髓腔进行定位,髓内定位不可避免存在一定的误差［6］。定制切模, 术中安装简单, 无需安装定位器, 能明显减少术中出血量并能减少循环系统栓子的形成, 可减少心肺脑栓塞等并发症的发生。

综上所述, 定制3D打印切模辅助手术技术具有个体化、精准化、数字化、手术时间短、创伤小等优点, 但术中操作仍需以医生判断为主, 避免由于计算机操作失误导致手术失败。另外该技术学习周期长, 需要有较高水平的医生同时掌握一定的CAD软件操作技能、软件及3D打印机价格昂贵、术前定制需要一定的时间是该技术存在的不足。

参考文献

［1］ Thauani R, Nakasone C, Vince KG. Periprosthetic fractures after total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005(20):27-32.

［2］ Nau T, Checalier Y, Hagemeister N, et al. 3D kinematic in-vitro comparison of posterolateral corner reconstruction techniques in a combined injury model. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2005, 13(7):572-580.

［3］ Sharkey PF, Hozack WJ, Rothman RH, et al.Why are total knee arthroplastics failing today.Clin Orthop Relat Res, 2002(404):7-13.

［4］ Jerosch J, Peuker E, Philipps B, et al.Interindividual reproducibility in perioperative rotational alignement of femoral components in knee prosthetic surgery using the transepicondular axis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2002, 10(3):194-197.

［5］ 王伟, 徐永胜.红外线计算机导航与传统人工全膝关节置换的相关性研究.内蒙古医学杂志, 2013, 45(2):129-132.

［6］ Mihalko WM, Boyle J, Clark LD, et al. The variability of intramedullary alignment of the femoral component during total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005, 20(1):25.

［收稿日期：2014-04-14］

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3 讨论

3. 13D打印技术又称为快速成型技术, 它可以将计算机中设计的各种复杂的产品通过“增材技术”一次制造成形。人们已经利用3D打印技术成功制造出飞机、手枪、汽车和各种其设计的复杂产品。在医学领域, 3D打印技术制作的人造骨骼已经成功应用于临床。随着该技术的不断发展, 3D打印技术使人造器官变成可能, 可以说3D打印技术在医学领域有着十分广阔的应用前景。

3. 2计算机辅助设计技术和3D打印技术的飞速发展, 使临床根据患者解剖结构进行定制工具、假体成为可能。计算机辅助设计技术可以在计算机中对患者的解剖结构进行三维建模, 利用所建立的模具可以进行结构测量、术前策划、工具设计、甚至假体的个性化设计。而3D打印技术可以将计算机中的三维模型、工具或假体等结构复杂的数字文件生产为实物, 为临床医师使用［2］。

3. 3传统TKA手术, 医生依靠自身的临床经验及术中髓内外定位装置决定手术操作, 术中截骨的角度及量、假体大小的选择、旋转的角度、软组织松紧的掌控均由术者的主观判断决定。由于缺乏客观、量化手术设计, 给术中进行精确的定位截骨、假体选择及假体的摆放带来了较大的困难, 而超过半数早期失败的病例与术中假体摆放不当、力线不合适有关［3,4］。传统手术截骨导向器设定的截骨角度仅有约75%的患者符合, 而25%的患者的角度与设定角度平均数相差较大, 尤其是严重膝关节内外翻及软骨完全丧失者［5］。全膝关节置换手术中截骨是手术的核心, 术中是否能够正确的解剖定位及熟练应用截骨技术是手术成功的关键。手术所用的定制切模, 是将患者的CT资料传输到计算机中, 利用CAD(计算机辅助设计)软件对患者的解剖结构进行建模, 在计算机中对解剖模型进行测量、术前计划并设计出个性化的截骨切模。利用3D打印机将截骨切模数字文件打印成为实物。手术时, 利用事先制作好的切模对股骨及胫骨进行截骨并使用适合患者个体的膝关节假体, 术中截骨完全是按照患者自身的解剖特点进行, 而不是传统手术预设好的角度, 使得下肢的机械轴线得到更好的恢复, 假体安装位置更为准确, 获得更佳的软组织平衡。

3. 4传统手术利用髓内外定位导向装置进行定位截骨, 术中需要打开股骨髓腔进行定位,髓内定位不可避免存在一定的误差［6］。定制切模, 术中安装简单, 无需安装定位器, 能明显减少术中出血量并能减少循环系统栓子的形成, 可减少心肺脑栓塞等并发症的发生。

综上所述, 定制3D打印切模辅助手术技术具有个体化、精准化、数字化、手术时间短、创伤小等优点, 但术中操作仍需以医生判断为主, 避免由于计算机操作失误导致手术失败。另外该技术学习周期长, 需要有较高水平的医生同时掌握一定的CAD软件操作技能、软件及3D打印机价格昂贵、术前定制需要一定的时间是该技术存在的不足。

参考文献

［1］ Thauani R, Nakasone C, Vince KG. Periprosthetic fractures after total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005(20):27-32.

［2］ Nau T, Checalier Y, Hagemeister N, et al. 3D kinematic in-vitro comparison of posterolateral corner reconstruction techniques in a combined injury model. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2005, 13(7):572-580.

［3］ Sharkey PF, Hozack WJ, Rothman RH, et al.Why are total knee arthroplastics failing today.Clin Orthop Relat Res, 2002(404):7-13.

［4］ Jerosch J, Peuker E, Philipps B, et al.Interindividual reproducibility in perioperative rotational alignement of femoral components in knee prosthetic surgery using the transepicondular axis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2002, 10(3):194-197.

［5］ 王伟, 徐永胜.红外线计算机导航与传统人工全膝关节置换的相关性研究.内蒙古医学杂志, 2013, 45(2):129-132.

［6］ Mihalko WM, Boyle J, Clark LD, et al. The variability of intramedullary alignment of the femoral component during total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005, 20(1):25.

［收稿日期：2014-04-14］

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3 讨论

3. 13D打印技术又称为快速成型技术, 它可以将计算机中设计的各种复杂的产品通过“增材技术”一次制造成形。人们已经利用3D打印技术成功制造出飞机、手枪、汽车和各种其设计的复杂产品。在医学领域, 3D打印技术制作的人造骨骼已经成功应用于临床。随着该技术的不断发展, 3D打印技术使人造器官变成可能, 可以说3D打印技术在医学领域有着十分广阔的应用前景。

3. 2计算机辅助设计技术和3D打印技术的飞速发展, 使临床根据患者解剖结构进行定制工具、假体成为可能。计算机辅助设计技术可以在计算机中对患者的解剖结构进行三维建模, 利用所建立的模具可以进行结构测量、术前策划、工具设计、甚至假体的个性化设计。而3D打印技术可以将计算机中的三维模型、工具或假体等结构复杂的数字文件生产为实物, 为临床医师使用［2］。

3. 3传统TKA手术, 医生依靠自身的临床经验及术中髓内外定位装置决定手术操作, 术中截骨的角度及量、假体大小的选择、旋转的角度、软组织松紧的掌控均由术者的主观判断决定。由于缺乏客观、量化手术设计, 给术中进行精确的定位截骨、假体选择及假体的摆放带来了较大的困难, 而超过半数早期失败的病例与术中假体摆放不当、力线不合适有关［3,4］。传统手术截骨导向器设定的截骨角度仅有约75%的患者符合, 而25%的患者的角度与设定角度平均数相差较大, 尤其是严重膝关节内外翻及软骨完全丧失者［5］。全膝关节置换手术中截骨是手术的核心, 术中是否能够正确的解剖定位及熟练应用截骨技术是手术成功的关键。手术所用的定制切模, 是将患者的CT资料传输到计算机中, 利用CAD(计算机辅助设计)软件对患者的解剖结构进行建模, 在计算机中对解剖模型进行测量、术前计划并设计出个性化的截骨切模。利用3D打印机将截骨切模数字文件打印成为实物。手术时, 利用事先制作好的切模对股骨及胫骨进行截骨并使用适合患者个体的膝关节假体, 术中截骨完全是按照患者自身的解剖特点进行, 而不是传统手术预设好的角度, 使得下肢的机械轴线得到更好的恢复, 假体安装位置更为准确, 获得更佳的软组织平衡。

3. 4传统手术利用髓内外定位导向装置进行定位截骨, 术中需要打开股骨髓腔进行定位,髓内定位不可避免存在一定的误差［6］。定制切模, 术中安装简单, 无需安装定位器, 能明显减少术中出血量并能减少循环系统栓子的形成, 可减少心肺脑栓塞等并发症的发生。

综上所述, 定制3D打印切模辅助手术技术具有个体化、精准化、数字化、手术时间短、创伤小等优点, 但术中操作仍需以医生判断为主, 避免由于计算机操作失误导致手术失败。另外该技术学习周期长, 需要有较高水平的医生同时掌握一定的CAD软件操作技能、软件及3D打印机价格昂贵、术前定制需要一定的时间是该技术存在的不足。

参考文献

［1］ Thauani R, Nakasone C, Vince KG. Periprosthetic fractures after total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005(20):27-32.

［2］ Nau T, Checalier Y, Hagemeister N, et al. 3D kinematic in-vitro comparison of posterolateral corner reconstruction techniques in a combined injury model. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2005, 13(7):572-580.

［3］ Sharkey PF, Hozack WJ, Rothman RH, et al.Why are total knee arthroplastics failing today.Clin Orthop Relat Res, 2002(404):7-13.

［4］ Jerosch J, Peuker E, Philipps B, et al.Interindividual reproducibility in perioperative rotational alignement of femoral components in knee prosthetic surgery using the transepicondular axis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2002, 10(3):194-197.

［5］ 王伟, 徐永胜.红外线计算机导航与传统人工全膝关节置换的相关性研究.内蒙古医学杂志, 2013, 45(2):129-132.

［6］ Mihalko WM, Boyle J, Clark LD, et al. The variability of intramedullary alignment of the femoral component during total knee arthroplasty. J Arthroplasty, 2005, 20(1):25.

［收稿日期：2014-04-14］

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