3D打印截骨导板在全膝关节置换术中的应用经验

3D 打印截骨导板在全膝关节置换术中的
应用经验
王立晖，臧学慧，叶培，高立华*
［摘要］目的
探讨基于3D 打印的个性化截骨导板在全膝关节置换术中的应用价值。

方法
选择2016年3月～2016年10月共30例行全膝关节表面置换术患者，分为3D 导板组（利用3D 打印的个性化截骨导板辅助截骨，15例）和对照组（采用传统截骨方法，15例），术前两组患者年龄、性别、BMI 指数、血红蛋白、KSS 临床评分、KSS 功能评分均无统计学差异（P >0.05）。

比较两组术前及术后次日血红蛋白下降幅度、手术时间、术后引流量、术后3个月KSS 临床评分及功能评分差异。

结果
所有病例术后获12～25个月随访，平均19个月，均未出现关节感染、假体松动、深
静脉血栓等并发症。

3D 导板组的手术时间、术后引流量、术后血红蛋白下降幅度均低于传统对照组（P <0.05），而术后3个月KSS 临床评分及功能评分均高于传统对照组（P <0.05）。

结论使用
基于3D 打印的个性化截骨导板辅助全膝关节表面置换术，可节省手术时间、减少出血，改善关
节功能，获得更好的临床疗效。

［关键词］膝关节置换；3D 打印；个性化doi ：10.3969/j.issn.1009⁃976X.2018.04.022
中图分类号：R683
文献标识码：A
Clinical application of 3D printing navigation templates in total knee arthroplasty WANG Lihui ，ZANG Xuehui ，YE Pei ，GAO Lihua
Department of Orthopaedics ，The People s Hospital of Nanhai District ，Foshan ，Guangdong 528000，China Corresponding author ：GAO Lihua ，glihua200@ ［Abstract ］Objective
To analyze clinical efficacy of 3D printing navigation templates in total knee
arthroplasty （TKA ）.Method
From March 2016to October 2016，30patients with TKA were divided
into navigation template group and conventional group.The navigation template group used 3D printing individual navigation templates to assist the operation ，and the conventional group used the traditional TKA method.The two groups were matched for age ，gender ，body mass index （BMI ），hemoglobin concentration ，knee society score （KSS ）.Then the hemoglobin concentration ，operation time ，
postoperative drainage ，KSS score were compared between the two groups before and after operation.Results
All patients were followed up for 12⁃25months ，with an average of 19months ，during which no
infection or prosthesis loosening or deep venous thrombosis was found.The navigation template group had a significantly shorter operation time ，a less postoperative drainage ，a less hemoglobin concentration drops and a higher KSS score than those in the conventional group （P <0.05）.Conclusion The application of
3D printing navigation template in TKA can achieve better clinical efficacy by saving operation time ，reducing bleeding and improving joint function.
［Key words ］total knee arthroplasty ；3D printing ；individuation
基金资助：佛山市医学科研基金项目（20160209）
作者单位：佛山市南海区人民医院骨二科，广东省佛山，528000*通讯作者：高立华，Email ：glihua200@
全膝关节表面置换术（total knee arthroplasty ，TKA ）是治疗严重膝关节疼痛及畸形的最有效手
段之一［1，2］。

然而，传统的TKA 手术涉及到复杂的
手术步骤、大面积的截骨以及膝关节周围的软组织松解，手术创伤较大、出血较多、时间较长，严重影响术后关节功能的康复［3］。

近年兴起的基于3D 打印的个性化截骨技术可实现精确化截骨，简化手术步骤，减少手术时间及围手术期出血，减少创
伤，增加手术安全性，利于术后功能康复［4］。

我院自2016年3月至2016年10月收治15例重度骨性关节炎患者，采用个性化3D打印截骨导板辅助行全膝关节表面置换术，与传统方法对照研究，取得满意的临床效果，现报道如下。

1资料与方法
1.1一般资料
回顾性研究我院2016年3月至2016年10月行初次全膝关节表面置换术患者30例，其中15例
采用个性化3D打印截骨导板辅助截骨，15例采用传统方法截骨。

所有患者入选标准为K⁃L分级Ⅳ级的膝关节骨性关节炎患者，经保守治疗无效。

排除标准为：①既往需长期服用抗凝药物或肝功能不全者；②存在髋关节、踝关节等其他下肢病变影响行走功能者；③有脑梗死、脑出血、静脉血栓等疾病影响下肢功能者；④膝关节严重畸形者：屈曲畸形>30°，内翻畸形>20°，外翻畸形>15°。

所有患者均经本院伦理委员会批准，并签署知情同意书。

两组患者基本资料见表1。

1.2个性化3D截骨导板的制作
术前对患者髋关节至踝关节行64排螺旋CT连续扫描，将CT扫描数据以DICOM格式传送至北京爱康医疗控股有限公司，导入Mimics软件重建获取下肢3D模型。

将3D模型导入专用软件，定位股骨和胫骨的机械轴以及内、外侧胫骨平台线，测量股骨和胫骨左右径及前后径数据。

根据下肢机械轴确定股骨远端和胫骨近端截骨平面，在软件中模拟截骨，沿截骨平面导入截骨定位孔，经处理获得与股骨和胫骨解剖形状匹配的反向截骨导板，将设计得到的股骨和胫骨截骨导板通过3D打印机打印为聚酰胺材料实物模板（图1～4），术前高温高压灭菌备用。

1.3手术方法
3D导板组：上止血带驱血后，采用膝关节前正中入路，沿髌骨内缘切开关节囊，清除股骨、胫骨周围软组织，参照股骨模型，充分显露股骨远端和胫骨近端结构，使用刮勺清除股骨髁表面定位参照点部位的关节软骨（图5、6），参照股骨模型定位面，在股骨侧相应定位点上确定截骨模块位置（图7、8），确认股骨远端截骨量，以及力线，利用导板上的截骨槽完成股骨远端截骨。

同样方法完成胫骨近端的截骨（图9、10）。

脉冲冲洗枪清洁骨面后，铺垫骨水泥，安装爱康A3型膝关节假体及垫片，术中测量力线良好，放置负压引流管，逐层缝合关闭切口，通过引流管向关节腔注射氨甲环酸1.5g（加入30mL生理盐水中）后夹闭引流管30分钟。

传统手术组：手术暴露过程与3D导板组相同，术中采用开髓定位法，使用常规截骨导板进行截骨，同样选用爱康A3型假体，伤口留置负压引流管，通过引流管向关节腔注射氨甲环酸1.5g（加入30mL生理盐水中）后夹闭引流管30分钟。

两组手术均由同一组医生完成。

1.4术后处理
麻醉清醒后即开始进行肌力训练，以直腿抬高训练加踝泵训练锻炼下肢肌力，术后6～24小时开始扶助行器负重行走，术后次日行膝关节主动及被动屈伸训练，1周内达屈膝90°，2周内达屈膝120°。

术后3个月复诊进行KSS临床评分及功能评分，并进一步指导下肢功能训练。

术后次日查血常规，记录伤口引流量并拔除引流管。

1.5观察指标
采用KSS临床评分及功能评分对患者术前、术后3个月膝关节疼痛与活动度等功能进行评估。

记录所有患者手术时间、术后引流量、术前及术后次日血红蛋白浓度。

计算术前术后血红蛋白浓度改变的差值。

1.6统计学方法
采用SPSS22.0软件对相关数据进行统计学分析。

计量资料以均数±标准差表示，并采用两独立样本t检验，计数资料采用c2检验。

以P<0.05为差异有统计学意义。

2结果
30例患者均获得随访，总随访时间12～25个月，平均19个月，均未出现关节感染、假体松动、深静脉血栓等并发症。

患者资料
例数
男/女
年龄/例
BMI体重指数/kg∙m-2
KSS临床评分
KSS功能评分
术前HGB/g∙L-1
3D导板组
15
4/11
68.60±6.42
21.99±2.37
50.87±15.63
55.55±11.57
119.93±16.14
对照组
15
5/10
69.67±6.37
23.41±2.99
52.67±14.65
55.00±12.10
119.20±16.06
t值/c2
-
0.457
1.441
0.325
0.077
0.125
P值
1.000
0.651
0.161
0.747
0.939
0.902
表1两组患者基本资料
图1~4设计、3D 打印股骨和胫骨截骨导板；图5、6显
露股骨远端和胫骨近端结构，清除股骨髁表面定位参照点部位的关节软骨；图7、8在股骨侧相应定位点上确定截骨模块位置；图9、10
完成股骨远端截骨及胫骨近端
的截骨
3D 导板组平均手术时间较对照组缩短约7
min ，术后引流量较对照组减少约53mL ，术后次日血红蛋白下降幅度较对照组小约5g/L ，差异均有
统计学意义（P <0.05），见表2。

3D 导板组KSS 临床评分由术前的50.87±15.63
提高至术后3个月的88.47±5.42，KSS 功能评分由
术前的55.55±11.57提高至术后3个月的87.67±7.99；对照组KSS 临床评分由术前的52.67±14.65提高至术后3个月的82.40±7.90，KSS 功能评分由术前的55.00±12.10提高至术后3个月的80.33±
9.15；差异均有统计学意义（P <0.05），见表3。

3D 导板组术后3个月平均KSS 临床评分
较对照组高约6分，平均KSS 功能评分较对照组高约7分；差异均有统计学意义（P <0.05），见表3。

表2
两组间手术时间和术后引流量比较
分组3D 导板组对照组t 值P 值
手术时间/min 59.7±4.867.0±4.94.126
<0.05术后引流量/mL 118.0±63.9171.3±71.32.157
<0.05观察项目KSS 临床评分KSS 功能评分HGB/g∙L -1
3D 导板组
术前50.87±15.6355.55±11.57
119.93±16.14术后88.47±5.4287.67±7.99
108.73±15.18对照组
术前52.67±14.6555.00±12.10
119.20±16.06术后82.40±7.9080.33±9.15
103.40±14.17表3
两组TKA 术前与术后指标对比
注：a 与术前对比，t =8.803、P <0.001；b 与术前对比，t =8.908、P <0.001；cHGB 较术前平均下降11.20±4.30；d 与术前对比，t =6.918、P <0.001；e 与术前对比，t =6.466、P <0.001；f 较术前平均下降15.80±5.82；g 与对照组对比，t =2.452、P =0.021；h 与对照组对比，t =2.338、P =0.027；i 与对照组下降值对比，t =2.462，P =0.020
3讨论
TKA 是治疗膝关节严重疾患、解除膝关节疼
痛、重建膝关节功能的主要手段，已成为全世界治
疗终末期膝关节疾病的有效方法之一［5］。

传统的膝关节表面置换术依靠髓内、髓外定位器械来确定患肢的机械轴线，操作步骤繁琐［6］，且精确度较低。

近年来兴起的3D 打印技术逐步应用于骨科
手术中，利用3D打印个性化设计的截骨导板可辅助全膝关节置换术，不仅提高了截骨精准度，还减少了手术步骤及手术创伤，符合骨科手术个性化、精准化、微创化的发展方向［7］。

本组15例患者采用3D打印个性化截骨导板辅助全膝关节置换手术的结果显示较传统方法在手术时间、术后出血、术后膝关节功能等方面具有优势，临床效果良好。

结果还显示3D导板组平均手术时间较对照组缩短约7min，考虑与3D导板组截骨及定位、试模等手术步骤明显简化有关。

手术时间的缩短可减少多种术中术后并发症发生的风险，提高手术安全性。

另外3D导板组平均术后引流量较对照组平均减少约53mL，血红蛋白下降幅度较对照组减少约5g/L，两组术后均常规使用氨甲环酸关节腔局部注射止血，术后补液量基本一致，差异原因考虑与3D导板组截骨定位不需开髓，创伤较小，且手术时间缩短有关；3D导板组术后3个月平均KSS临床评分较对照组高约6分，平均KSS功能评分较对照组高约7分，两组采用相同的术后康复计划，差异原因考虑与3D导板组截骨精确度增加，术后力线恢复更佳，手术创伤减小有关。

30例病例中，采用3D打印个性化导航模板的设计过程较为复杂、费时，且需要额外收费，增加了术前准备时间及患者经济负担。

由于这项研究纳入样本量较少，且未进行长期效果观察，仅在术后3个月随访时进行关节功能评分等，后续研究需继续完善数据。

同时没有测量评价术后股骨与胫骨机械轴夹角等，无法从影像学上证实3D导板组在截骨精度及对力线改善上的优势。

但本组病例观察不但显示出3D打印截骨导板辅助行全膝关节表面置换术的满意的临床疗效，符合当今报道［8，9］，同时没有发现明显并发症发生。

参考文献
［1］Baldini A，Castellani L，Traverso F，et al.The difficult primary total knee arthroplasty：a review［J］.Bone Joint J，2015，97⁃B
（10Suppl A）：30⁃39.
［2］Alkan BM，Fidan F，Tosun A，et al.Quality of life and self⁃re⁃ported disability in patients with knee osteoarthritis［J］.Mod
Rheumatol，2014，24（1）：166⁃171.
［3］Barwell J，Anderson G，Hassan A，et al.The effects of early tourniquet release during total knee arthroplasty：a prospective
randomized double⁃blind study［J］.J Bone Joint Surg Br，
1997，79（2）：265⁃268.
［4］Yamazaki T，Futai K，Tomita T，et al.3D kinematics of mobile⁃bearing total knee arthroplasty using X⁃ray fluoroscopy［J］.Int
J Comput Assist Radiol Surg，2015，10（4）：487⁃95.
［5］McHugh GA，Luker KA，Campbell M，et al.Pain，physical functioning and quality of life of individuals awaiting total joint
replacement：a longitudinal study［J］.J Eval Clin Pract，
2008，14（1）：19⁃26.
［6］Renson L，Poilvache P，Wyngaert H.Improved alignment and operating room efficiency with patient⁃specific instrumentation
for TKA［J］.Knee，2014，21（6）：1216⁃1220.
［7］邓爱文，熊日波，曾参军.精准医学在外科领域的应用进展［J］.南方医科大学学报，2015，35（11）：1662⁃1664.
［8］Cheng T，Zhao S，Peng X，Zhang X.Does computer⁃assisted surgery improve postoperative leg alignment and implant
positioning following total knee arthroplasty？A meta⁃analysis of
randomized controlled trials［J］？Knee Surg Sports Traumatol
Arthrosc，2012，20（7）：1307⁃1322.
［9］Çalbıyık M.Clinical outcome of total knee arthroplasty per⁃formed using patient⁃specific cutting guides［J］.Med Sci
Monit，2017，23：6168⁃6173.
（收稿日期：2018⁃05⁃18）
参考文献
［1］Ghuman A，Kasteel N，Karimuddin AA，et al.Urinary reten⁃tion in early urinary catheter removal after colorectal surgery
［J］.Am J Surg，2018，215（5）：949⁃952.
［5］Lukacz ES，Santiago⁃Lastra Y，Albo ME，et al.Urinary Inconti⁃nence in Women：A Review［J］.JAMA，2017，318（16）：1592⁃
1604.
［3］李华，李彬，徐爱华，等.间歇导尿对脊髓损伤患者膀胱功能恢复的作用［J］.中国医科大学学报，2015，44（12）：1146⁃1148.［4］Hendren S.Urinary catheter management［J］.Clin Colon Rec⁃
tal Surg，2013，26（3）：178⁃181.
［5］Hernández Hernández D，Tesouro RB，Castro⁃Diaz D.Urinary retention［J］.Urologia，2013，80（4）：257⁃264.
［6］Saran S，Rao NS，Azim A.Diagnosing catheter⁃associated uri⁃nary tract infection in critically ill patients：do the guidelines
help［J］？Indian J Crit Care Med，2018，22（5）：357⁃360.［7］Davis NF，Cunnane EM，Mooney RO，et al.Characterisation of human urethral rupture thresholds for urinary catheter inflation
related injuries［J］.J Mech Behav Biomed Mater，2018，83：
102⁃107.
（收稿日期：2018⁃04⁃11）
（上接455页）。