3D打印個體化器械操作在全膝關節(jié)置換術中的應用現狀

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，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。在骨科臨床領域，關于3D打印技術輔助關節(jié)置換的相關報道日益增多，尤其在復雜性關節(jié)置換中更為推薦。傳統(tǒng)手術方法對于特殊患者的膝關節(jié)置換未能取得滿意的療效，而3D打印技術的發(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節(jié)置換，3D打印技術也能輔助手術得到良好療效。對于較難處理而經常出現在膝關節(jié)翻修術中遇到的骨缺損問題，構建新型多孔金屬鉭墊塊來應對也是3D打印技術的運用實例。本文著重針對個體化器械操作（PSI）在全膝關節(jié)置換術（TKA）中現階段的應用優(yōu)劣總結相關問題進行闡述。

PSI在全膝關節(jié)置換術中的應用優(yōu)劣
利于術前個性化手術方案的制定    由于種族、性別等造成的不同患者之間解剖結構的差異，對TKA術者提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。接受膝關節(jié)置換的每個患者，因不同種族、性別，致使解剖結構必定存在差異，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，從而造成關節(jié)磨損和骨質溶解，以致需要接受膝關節(jié)翻修手術。因此解剖結構的異常會對手術醫(yī)生的評估能力提出進一步考驗，故如何提高術前評估準確度及設計個性化手術方案就顯得尤為重要。對于特殊膝關節(jié)置換患者，進行術前建模能夠有效提高截骨準確性及假體安放穩(wěn)定性從而提高手術效果。

3D打印PSI能構造擬施術關節(jié)的三維模型，實現復雜解剖結構的可視化，并能對股骨外翻角（FMAA）、外側角（LFA）、髖膝踝角（HKA）、股脛角（FTA）等量化數據進行精確測量采集并處理，又可在模型上進行手術模擬，確定假體設計及定位，截骨的方向、程度及長度，若與預期情況有所偏差，可以及時進行手術策略調整，從而制定最佳個性化手術方案。充分及有針對的術前準備是手術成功的前提保障，PSI可使術前準備更充分，可實現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。而假體位置不當及假體尺寸過大被認為是TKA術后膝關節(jié)僵硬的重要因素。Ettinger等的研究結果表明PSI在術前假體大小尺寸預測方面有非常高的準確性。Ollivier等依據CT掃描結果使用PSI輔助初次膝關節(jié)表面置換，PSI組患者術中使用假體均為術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預演，不但能預測術中可能出現的問題，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。

利于提高術中操作準確性及手術效率    傳統(tǒng)TKA對于股骨假體的放置定位，使用股骨遠端髓內定位方法，根據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，會更依賴于術者經驗，手術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技術的應用，脛骨平臺截骨厚度、角度，股骨面的旋轉角度在術前已經精確計算后確定，對于膝關節(jié)術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論。假體的穩(wěn)定性將決定膝關節(jié)置換術后的遠期療效，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軸線是膝關節(jié)置換術成功極為關鍵的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)的膝關節(jié)置換術，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軸線是出現髕股關節(jié)炎等術后并發(fā)癥的首要因素，嚴重影響人工關節(jié)的使用壽命。經PSI精確設計的股骨假體內植，不但能夠獲得理想的股骨假體旋轉軸力線，還能縮短手術時間，提高手術效率。

利于減少術后并發(fā)癥及功能重建    TKA術后并發(fā)癥中膝關節(jié)術后感染是最常見也是最嚴重的并發(fā)癥之一，不僅會對關節(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中操作使脂肪組織、血管遭到破壞，或者髓內假體的置放和生物粘合劑的使用，進一步增加了髓內壓，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定位相比，應用PSI導板截骨方式沒有開髓過程，則能夠大大減少術后脂肪栓塞及潛在感染發(fā)生的風險。

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

TKA術后膝關節(jié)功能重建與患者自身狀態(tài)、手術技術、術后康復鍛煉等多種因素有關。美國特種外科醫(yī)院（HSS）膝評分可反映患者膝關節(jié)局部及機體整體功能狀態(tài)，術前HSS評分較低者表明其骨關節(jié)炎病變更為嚴重，術后HSS評分低者表明其關節(jié)功能沒有得到良好恢復。PSI的TKA術后HSS評分總分得分較高，而術后患者疼痛評分（VAS）顯著降低。最終來說，PSI能夠降低TKA手術失敗率，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手術的準確性；即使由經驗豐富的醫(yī)生主刀，使用的技術定位系統(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)膝關節(jié)手術，結果表明兩者在手術時間、術中出血量和術后力線恢復方面并無明顯差異。Huijbregts等的研究表明，兩者術后并發(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（BMI）對于膝關節(jié)炎病患人群來說，是關節(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節(jié)骨性關節(jié)炎的風險明顯升高，并且關節(jié)炎后期接受TKA術后感染和血栓并發(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)療研究數據庫中1988－2011年記錄的54276例TKA患者發(fā)現，嚴重肥胖患者（BMI≥40kg／m2）TKA術后5年行翻修術風險比體重正�；颊咴黾�43．9％。肥胖和術后體重增加對關節(jié)置換術后的負面影響已被證實。所以高BMI和肥胖患者進行術前減重，不但能夠降低術后早期感染、深靜脈血栓等并發(fā)癥，還能降低后期進行膝關節(jié)置換術后翻修的概率。尋求一種方法使BMI和肥胖患者TKA術后并發(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，以降低術后多種并發(fā)癥發(fā)生的風險。

膝關節(jié)畸形患者    膝骨性關節(jié)炎、創(chuàng)傷性關節(jié)炎、類風濕性關節(jié)炎等晚期癥狀通常伴隨一定程度的膝關節(jié)內翻畸形。治療方法一般是接受膝關節(jié)置換以緩解疼痛，改善關節(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％，且同時存在骨性結構及周圍軟織異常，此時手術難度會較大。同樣，骨折后的畸形愈合、下肢發(fā)育畸形等原因導致的關節(jié)外畸形也會增加TKA手術的難度。少數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節(jié)假體進行關節(jié)置換。而對于有特殊病理解剖的膝關節(jié)置換患者，使用依靠解剖標志定位截骨的傳統(tǒng)膝關節(jié)置換術，其下肢力線獲取無疑乏力，術后下肢力線誤差也會相對較大，術后易發(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，對于伴有嚴重關節(jié)外畸形患者，TKA手術中使用傳統(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節(jié)炎和關節(jié)畸形提供了保障，其優(yōu)越性尤為明顯。Rahm等研究表明嚴重內外翻畸形患者PSI是更優(yōu)選擇。

膝關節(jié)腫瘤患者    對于膝關節(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侵蝕，骨質缺損嚴重，可利用支撐的骨質明顯不足，而且可能存在軟組織問題，在常規(guī)腫瘤膝關節(jié)置換術后，術后易發(fā)生假體松動和假體周圍骨折等術后并發(fā)癥，通常具有很高的翻修率，且手術難度較高，患者5年生存率為57％～93％。因此，對術后效果具有較高要求，也就意味著要有精準的術前規(guī)劃，而PSI的術前高預測性能為手術的成功加碼。腫瘤型膝關節(jié)置換術后股骨側假體周圍骨折，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構失敗等導致，盡管不及髖關節(jié)置換術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，以保證患者患側股骨能夠有足夠強度的支撐的病例。可見PSI于腫瘤型膝關節(jié)置換中具有很高的應用價值。

膝關節(jié)置換術后翻修術    膝關節(jié)骨性關節(jié)炎的高發(fā)，TKA手術量的增加，也就意味著更多的膝關節(jié)置換術后翻修術（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力線。因為術后股骨后髁解剖定位不明確，關節(jié)屈伸軸線難以確定，此技術難題會影響對假體判斷的準確性。RTKA術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，精密的術前計劃是必不可少的。基于3D打印技術的PSI能為特定的膝關節(jié)解剖量身定制手術計劃，在手術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應用于膝關節(jié)翻修術，其假體預測準確度及旋轉力線恢復較為理想。因此PSI或許可以作為關節(jié)翻修術的一種有效可靠的新方法，相關研究也值得進一步深入。

小結與展望
科學技術的日新月異，使得PSI在TKA中的應用取得了很大進步�；�于社會老齡化一步步加重的現實，人工膝關節(jié)置換將會愈來愈常見，提高膝骨性關節(jié)炎患者的生活質量對整個社會意義非凡�；�于3D打印技術的發(fā)展，許多膝骨性關節(jié)炎晚期患者已受益于PSI技術，從術前假體的制定、術中截骨的確定，到術后膝關節(jié)功能恢復，與傳統(tǒng)膝關節(jié)置換術相比PSI都體現出了一定的優(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、關節(jié)畸形患者或存在膝關節(jié)骨缺損等復雜膝關節(jié)手術時傳統(tǒng)的手術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技術的相關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。充分運用其他領域的新興技術，將其與PSI靈活地結合在一起，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