3d打印截骨模具辅助下开放楔形胫骨高位截骨术治疗内翻性膝骨关节

㊃临床论著㊃[文章编号]1009-2188(2019)05-0338-07 3D打印截骨模具辅助下开放楔形胫骨高位截骨术治疗内翻性膝骨关节炎早期疗效分析
赵大鹏,宫林海,张晓涛,朴宁
(辽宁健康产业集团本钢总医院骨科,辽宁本溪117000)
㊀㊀[摘要]㊀目的㊀探讨3D打印截骨模具辅助下开放楔形胫骨高位截骨术治疗内翻性膝骨关节炎的
早期临床疗效及优势㊂㊀方法㊀回顾性分析我院2016年5月~2018年5月收治的膝内翻畸形合并内
侧单间室骨关节炎改变的39例患者的临床资料,均行开放楔形胫骨高位截骨术,其中应用3D打印截骨
模具辅助截骨(3D打印模具组)19例,常规方法截骨(常规截骨组)20例㊂记录并比较两组患者手术时
间㊁术中透视次数㊁术后并发症㊁术前及术后3个月HSS评分㊁VAS评分㊁MPTA㊁FTA及胫骨平台后倾角㊂
结果㊀两组患者术后切口均一期愈合,无明显并发症㊂3D打印模具组手术时间㊁术中透视次数均低于
常规截骨组,差异具有统计学意义(P<0.05)㊂两组患者术后3个月的FTA㊁MPTA㊁VAS㊁HSS评分均较
术前明显改善,差异具有统计学意义(P<0.05);术后胫骨后倾角较术前轻度减少,但差异无统计学意义
(P>0.05)㊂组间比较,两组患者术前及术后FTA㊁MPTA㊁HSS评分㊁VAS评分及胫骨平台后倾角比较,
差异均无统计学意义(P>0.05)㊂㊀结论㊀3D打印截骨模具辅助下开放楔形胫骨高位截骨术治疗内翻
性膝关节骨关节炎可获得满意的早期临床疗效,同时可简化手术步骤,避免反复透视和多次截骨操作,
节省手术时间,为术中精确截骨提供了一种简单㊁有效的辅助方法㊂
㊀㊀[关键词]3D打印技术;㊀胫骨高位截骨术;㊀膝内翻;㊀骨关节炎
[中图分类号]R682.6;R687.31㊀[文献标志码]B㊀DOI:10.16260/ki.1009-2188.2019.05.05
The Open-wedge High Tibial Osteotomy Assisted by3D Printing Osteotomy Model for Varus Osteoar-
thritis of Knee:A Short-term Effect Analysis㊀ZHAO Da-peng,GONG Lin-hai,ZHANG Xiao-tao,PIAO
Ning㊀(Department of Orthopedics,General Hospital of Benxi Iron,Liaoning Health Industry Group,Benxi 117000,Liaoning,China)
Abstract:㊀Objective㊀To explore the early efficacy of open-wedge high tibial osteotomy(OWHTO)as-
sisted by3D printing osteotomy mould in the treatment of varus osteoarthritis of the knee.㊀Methods㊀A total
of39cases with genu varus and osteoarthritis performed OWHTO were enrolled in the retrospective analysis ad-
mitted from May2016to May2018,including of19cases received osteotomy assisted by3D printing osteotomy
model(as3D printing model group)and20cases underwent conventional osteotmy(as conventional osteotomy group).The operating time,intraoperative fluoroscopy times,postoperative complications,HSS score,Visual analogue scale(VAS),medial proximal tibial angle(MPTA),femora-tibial angle(FTA)and tibia slope an-
gle was compared.㊀Results㊀The incision was healed without serious complications in both groups.The oper-
ation time and intra-operative fluoroscopy times were less in the3D printing model group than those in the con-ventional osteotomy group,and the differences were significant statistically(P<0.05).The FTA,MPTA,VAS
and HSS scores were improved at3months after surgery than before the surgery in both groups,and the differ-
ences were statistically(P<0.05).Although the tibia slope angle was slightly reduced after the surgery,but
there was no statistical difference between the post-and pre-operative tibia slope angle in both groups(P>0.05).
㊀㊀[收稿日期]2018-10-30,[修回日期]2019-10-17
㊀㊀[作者简介]赵大鹏,辽宁健康产业集团本钢总医院骨科副主任医师㊂
No statistical differences was found in FTA,MPTA,HSS,VAS and tibia slope angle after the surgery between the two groups(P>0.05).㊀Conclusions㊀The surgery of OWHTO assisted by3D printing osteoto-my model can achieve satisfied short-term result for correction of varus osteoarthritis of knee.It could simplify the operation procedures,avoid repeated X-ray radiation and multiple osteotomy,shorten the operation time, and provide an simple and effect technique for accurate osteotomy.
㊀㊀Key words:three-dimentional printing;㊀high tibial osteotomy;㊀genu varum;㊀osteoarthritis
㊀㊀膝骨关节炎是中老年人常见的慢性疾病,发病率居高不下,严重影响患者的生活质量㊂随着观念的更新及诊疗的规范化, 阶梯治疗 已成为膝骨关节炎规范化的诊疗步骤㊂而 保膝 治疗中胫骨高位截骨术(high tibial osteotomy,HTO)作为治疗膝关节内侧间室骨性关节炎的经典方法[1],在矫正下肢力线㊁缓解关节疼痛㊁延缓关节退变进程等方面疗效确切㊂术中精准截骨㊁恢复良好的下肢力线是决定HTO术后疗效的关键㊂常规HTO术中截骨位置㊁张开角度的确定主要依靠医生的临床经验,根据术前X线片初步测量以及术中多次透视逐渐调整,以获得满意的术后下肢力线,但存在辐射风险大㊁手术时间长㊁围手术期出血量增多以及一系列术后并发症等问题[2]㊂因此,对于HTO术中如何精确楔形截骨㊁恢复良好的下肢力线,仍是目前临床研究的热点㊂
近年来,随着骨科数字化技术的逐步成熟, 3D打印技术已逐渐应用于骨科各领域㊂通过术前重建3D模型,可直观㊁详细地显示并数字化分析手术部位的解剖结构,模拟手术进程,辅助定位,提高了手术精确度及安全性,并缩短手术时间,简化手术步骤,这是常规截骨方法不具备的优势㊂本研究回顾性分析了我院2016年5月~2018年5月连续收治的膝内翻骨关节炎改变的39例患者,分别采用3D打印模具和传统常规截骨行HTO术,比较其疗效以期为临床提供简单㊁准确㊁个体化的截骨方法,报告如下㊂
1㊀资料与方法
1.1㊀一般资料
2016年5月~2018年5月我科行开放楔形胫骨高位截骨术(open-wedge HTO,OWHTO)治疗膝内翻畸形合并内侧单间室骨关节炎改变患者39例,其中男性12例,女性27例,年龄59~ 70岁,平均(64ʃ3)岁,均为单膝㊂病程1~10年,平均(6ʃ2)年㊂所有患者均符合HTO手术适应证:术前膝关节屈曲活动度>120ʎ,胫骨内翻畸形>5ʎ,胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle, MPTA)<85ʎ,屈曲挛缩畸形<10ʎ,外侧关节软骨及半月板功能正常㊂
按截骨方式不同分为两组:应用3D打印截骨模具辅助截骨(3D打印模具组)19例,其中男性6例,女性13例,年龄59~70岁,BMI指数20~ 39kg/m2;常规方法截骨(常规截骨组)20例,其中男性6例,女性14例,年龄61~69岁,BMI指数20~34kg/m2㊂两组患者性别㊁年龄㊁体质量指数(BMI)等一般资料比较,差异无统计学意义(P>0.05),见表1㊂
表1㊀两组患者一般资料比较
分组㊀㊀例数
性别
男㊀㊀㊀女
平均年龄
(岁)BMI
(kg/m2)
3D打印模具组1961364.3ʃ3.228.3ʃ6.2常规截骨组2061464.6ʃ5.127.9ʃ5.0 t/χ2值0.011-0.2590.202 P值0.915㊀0.7970.841
1.2㊀手术方法
1.2.1㊀术前截骨设计及3D打印截骨模具的制备
所有患者术前均常规摄双下肢负重位全长片㊁患肢标准正侧位片及负重位X片㊂在膝关节前后位片测量股胫角(femora-tibial angle,FTA)㊁侧位片测量胫骨平台后倾角,下肢全长正位片测
量下肢力线及MPTA㊂因胫骨后侧皮质在标准侧位X线片上容易辨认,因此可作为参考[3],采用Brazier法在膝关节侧位片准确测量胫骨后倾角,
以减小系统误差[4,5]㊂所有患者术前均常规行膝关节MRI检查以评估关节软骨磨损情况及半月板功能㊂
3D打印模具组术前行包括胫骨上段1/2的膝关节三维CT并重建,进行1mm薄层扫描,将术前X光片影像信息㊁CT薄层扫描信息整合,采用逆向工程技术重建患者3D胫骨近端模型,按照下肢力线经过Fujisawa点为原则,通过计算机数字模拟截骨手术步骤,设计符合患者胫骨近端解剖形态的个体化辅助截骨模具(图1)㊂
常规截骨组使用Miniaci法进行冠状面畸形矫正的术前设计[6]㊂设定矫正目标力线:从股骨头中心至踝关节中心连线经过胫骨平台外侧约62.5% (即Fujisawa点)的区域㊂截骨设计(图2):线①,股骨头中心经过平台Fujisawa点到踝关节水平连线㊂线②,踝关节中心至平台外下方截骨合页顶点的连线㊂线③,以截骨合页为顶点,以线②长度为半径,将目标力线旋转直至与线①相交,线②与线③夹角α即为截骨张开角度,通过Hernigou设计的三角函数表格换算成截骨间隙撑开距离以便术中测量㊂线
④,拟行开放楔形截骨位置㊂
1.2.2㊀手术方法
均采用腰麻加硬膜外联合阻滞麻醉,均由同一高年资医师主刀并带领同一手术小组完成㊂术中上气囊止血带,胫骨近端内侧沿鹅足腱上缘做纵形切口,长约5~7cm,逐层切开皮肤㊁皮下组织及深筋膜,沿鹅足肌腱走行在其上缘切开㊁显露其下方内侧副韧带浅层纤维,在内侧副韧带浅层纤维前方切开并剥离骨膜显露胫骨平台内侧髁骨面,向后侧剥离分离平台后侧间隙,再沿髌韧带内缘纵行切开显露髌韧带后缘间隙㊂
3D打印模具组:在拟定截骨位置于胫骨内侧平台下方约15mm处安放3D截骨模具,使其紧贴胫骨近端后侧皮质骨面,沿截骨模具拟定截骨间隙斜向腓骨头顶部打入1枚克式针,透视见克式针位置满意,克式针固定截骨模具,使用摆据沿模具截骨槽行胫骨近端双平面截骨,保留折点侧1cm骨质完整,多骨刀折叠法逐渐张开内侧间隙,撑开器在截骨间隙后侧维持撑开角度,插入模具角度导引连杆,逐渐张开直至连接杆顺利插入远端连杆套管㊂C臂透视见力线杆位于股骨头中心㊁踝关节中心后,在膝关节通过平台Fujisawa点(平台外侧62.5%)(图3~6)㊂
常规截骨组:在胫骨近端内侧距离胫骨平台下方约3cm处,从内侧向外侧斜向置入1枚导针,针尖指向上胫腓关节上缘,C臂透视下导针尖端应接近腓骨头位置,随后在导针上装配截骨导针定位器,利用定位器置入后侧第2枚导针,与第1枚平行,同样C臂透视下验证位置是否准确㊂将摆锯放在截骨导针下方进行斜向截骨,避免疏忽导致摆锯截到关节面,C臂透视下摆锯截到距外侧皮质1cm处停止㊂胫骨结节上方斜行
110ʎ冠状面截骨㊂三骨刀技术置入撑开,完整保留胫骨外侧骨皮质作为合页的 铰链 ㊂在截骨处插入截骨撑开器,将金属力线杆连接股骨头及踝关节中心并固定,C臂透视下逐渐撑开截骨间隙,使金属力线杆通过胫骨平台Fujisawa点(胫骨平台外侧约62.5%)㊂
为避免术后增大胫骨平台后倾角,两组患者术中截骨时均采用前后侧不等量撑开技术,撑开器紧贴胫骨后侧骨皮质,撑开高度为胫骨后侧撑开器距离㊂截骨完成后在鹅足肌腱上方均安放Aplus胫骨近端内侧锁定钢板,锁定螺钉固定㊂如果术中撑开间隙超过14mm,取自体髂骨或同种异体骨植骨㊂关闭切口前松止血带,胫骨截骨部位均留置引流管24h㊂
1.3㊀观察指标
记录手术时间㊁术中C臂透视次数㊂术后第1d 开始进行膝关节被动活动,引流管拔除后可扶拐行部分负重(10kg)康复锻炼㊂分别在术后3d及术后1㊁3个月复查并摄术侧标准膝关节正侧位及双下肢负重全长X线片㊂术后3个月复查,如截骨端愈合良好,则完全负重㊂术后3个月测量患肢X线片FTA㊁MPTA及胫骨后倾角㊂患者术后3个月复诊时记录其美国特种外科医院膝关节评分(hospital for special surgery knee score,HSS)HSS评分及疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)㊂
1.4㊀统计学分析
所有数据采用SPSS17.0统计软件包进行统计学分析㊂计量资料以 xʃs表示,数据比较采用配对t检验;分类变量及构成比的比较使用χ2检验㊂检验水准α值取双侧0.05,P<0.05为差异有统计学意义㊂
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图1㊀3D打印截骨模具示意图㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图2㊀
术前截骨示意图图3㊀紧贴胫骨近端后侧皮质安放3D
打印截骨模具图4㊀通过模具辅助截骨后,
后侧撑开直至角度连接杆顺利通过远端孔道图5㊀Aplus
胫骨近端内侧锁定钢板固定图6㊀术后切口
2㊀结㊀㊀果
两组患者术后切口均一期愈合,无明显并发症
发生㊂两组手术时间及术中透视次数比较见表2,
组间比较,3D打印模具组手术时间及透视次数均少
于常规截骨组,差异均有统计学意义(P<0.05)㊂
两组患者手术前后相关指标见表3㊂两组术后
FTA㊁MPTA㊁HSS评分㊁VAS评分均较术前均明显改
善,差异具有统计学意义(P<0.05),两组术后胫骨
平台后倾角虽然均较术前有所减小,但差异无统计
学意义(P>0.05)㊂组间比较,两组患者术前及术后
FTA㊁MPTA㊁HSS评分㊁VAS评分及胫骨平台后倾角
比较,差异均无统计学意义(P>0.05)㊂典型病例下
肢力线纠正情况见图7㊂
表2㊀两组患者手术时间㊁术中透视次数比较
分组㊀㊀㊀㊀例数手术时间(min)术中透视次数(次)
3D打印模具组19148ʃ2017.5ʃ2.7
常规截骨组20169ʃ2122.2ʃ3.2
t/χ2值-3.261-4.817
P值<0.01<0.01
表3㊀两组患者手术前后相关指标比较
指标㊀㊀㊀㊀3D打印模具组(n=19)常规截骨组(n=20)t/χ2值P值
FTA(ʎ)
㊀术前183.2ʃ3.0183.4ʃ2.3-0.018>0.05
㊀术后170.1ʃ2.1①169.7ʃ1.9⑥㊀0.106>0.05
MPTA(ʎ)
㊀术前81.1ʃ2.080.9ʃ2.1-0.120>0.05
㊀术后90.0ʃ2.6②90.2ʃ1.4⑦-0.099>0.05
胫骨后倾角(ʎ)
㊀术前 6.57ʃ2.52 6.45ʃ2.11㊀0.121>0.05
㊀术后 6.26ʃ2.10③ 6.35ʃ1.98⑧-0.152>0.05
HSS评分(分)
㊀术前50.9ʃ14.552.3ʃ15.1-0.728>0.05
㊀术后70.3ʃ12.5④71.3ʃ10.5⑨-0.399>0.05
VAS评分(分)
㊀术后㊀6.8ʃ0.8㊀7.0ʃ0.9-0.302>0.05
㊀术后㊀2.7ʃ0.9⑤㊀2.8ʃ0.5⑩-0.119>0.05
㊀㊀㊀㊀注:与术前比较:①t=12.601,P<0.01;②t=-12.826,P<0.01;③t=0.435,P=0.669;④t=18.24,P<0.01;⑤t=4.321, P<0.01;⑥t=18.509,P<0.01;⑦t=-16.011,P<0.01;⑧t=0.145,P=0.886;⑨t=15.574,P<0.01;⑩t=5.679,P<0.01
a.术前及术后X线片比较
b.术后下肢力线纠正情况
㊀㊀㊀图7㊀患者女,66岁,以右膝关节内翻伴疼痛10年,加重伴行走困难3年为主诉于2017年3月入院,诊断为
右膝内翻骨关节炎,遂行3D打印截骨模具辅助下右胫骨近端开放楔形截骨术,术中共透视18次,
术前FTA㊁MPTA㊁HSS评分及VAS评分分别为184.3ʎ㊁83.5ʎ㊁55.2分及6.3分,术后分别为171.2ʎ㊁
91.5ʎ㊁74.6分和3.1分,术后切口按时拆线,愈合良好,扶拐部分负重锻炼,术后10周弃拐锻炼
3㊀讨㊀㊀论
膝关节骨性关节炎是目前临床最常见的骨科
疾患,主要表现为进行性关节破坏,引起关节疼
痛㊁畸形和功能障碍,甚至残疾,其发病原因与膝
关节特有的负荷力线有关㊂正常力线的膝关节,
其内侧间室约承担人体60%~75%的负荷,而外
侧间室承担25%~40%的负荷[7]㊂如果胫骨存在一定程度的内翻畸形,则显著增加作用在内侧间
室软骨上的压强,超过软骨承受的范围可引发一
系列软骨磨损和炎症的恶性循环,形成内侧间室
骨关节炎㊂
随着观念的更新及诊疗的规范化,关节清理ң
截骨矫形ң单髁置换ң全膝关节置换的 阶梯治
疗 已成为膝骨关节炎治疗的规范化诊疗步骤㊂而 保膝 治疗中HTO作为治疗膝关节内侧间室骨性关节炎的经典方法,由Coventry等[1]于1965年首次报道,经历了超过50年的临床应用,伴随着手术技术和固定系统的不断改善,在治疗伴內翻畸形的内侧间室膝关节骨性关节炎方面,已经发展成为一项安全㊁准确而又有效的手术技术[8],通过有效地改善下肢力线,将负重应力由患侧间室向健侧间室转移,减小病变关节面的压力,从而缓解疼痛,延缓骨性关节炎的发展,延迟行全膝关节置换术的时间,最大限度地保留了患者膝关节的功能[9,10]㊂在选择合适病例的基础上,术中精准截骨㊁恢复良好的下肢力线是决定HTO术后疗效的关键㊂如果没有精心设计的专用仪器或导航系统,精确的外科手术是很难做到的,特别是对于经验不足的外科医生而言㊂不精确的手术可能发生外侧皮质或胫骨平台骨折㊁铰链骨折错位㊁胫骨后倾角度的改变㊁矫正过度或不足等一系列并发症[11],因而早期HTO手术结果参差不齐也就不难理解㊂Jenny等[12]研究表明,在采用传统HTO技术的患者中,大约有20%的患者未得到合适的矫正㊂同时,传统HTO手术中胫骨平台骨折的发生率高达11%[13]㊂Miniaci等[6]认为,只有50%的患者达到了预期的矫正范围㊂最近几年,在C臂透视的辅助下,用金属长杆连接股骨头中心和踝关节中心,然后通过调整开放楔形的大小,可以精确地调整金属长杆通过胫骨平台的位置,即下肢力线的位置,使之达到术前设计的预期位置,这显著提高了手术的精确性㊂但随之而来的是术中需要反复不断进行C臂透视,不仅增加了患者及医务人员的射线暴露风险,同时也大大延长了手术时间,导致辐射伤害大㊁手术时间长㊁围手术期出血量增多及一系列术后并发症等问题㊂
近年来,随着骨科数字化技术的逐步成熟, 3D打印技术已逐渐应用于骨科各领域,包括脊柱内固定㊁骨肿瘤㊁复杂创伤骨折㊁矫形外科[14~16]等领域㊂根据术前数字化三维重建技术和逆向工程软件,可以直观㊁深入地观察手术部位的结构特点,还可对手术部位解剖进行数字化分析以及模拟手术[17,18],不仅可以提高手术的精确度,还能够通过术前模拟截骨设计出3D打印截骨辅助模具,指导术中截骨位置㊁角度与方向,缩短手术时间,简化手术步骤,提高手术的安全性[19]㊂本研究结果显示,常规截骨方法及3D打印模具辅助下截骨均能达到良好的截骨效果及早期预后,但在3D打印模具辅助下截骨,避免了繁琐的C臂透视过程,初始定位完成后,仅需按照打印模具设定好的截骨槽截骨即可,同时楔形撑开的角度也由导航模具上的角度连杆确定,截骨及撑开均一次完成,只需在撑开后一次透视微调即可,手术步骤大大简化,同时手术时间也明显缩短,术中C臂透视次数也明显减少,均优于常规截骨方法,值得临床推广㊂本研究另一个特点是OWHTO术中对胫骨后倾角的控制,传统截骨方式为前后侧等量截骨撑开,同时由于截骨方向难以控制,大部分为前内向后外侧截骨,使截骨合页轴指向前外侧,可导致术后胫骨后倾角不同程度地增加[20~22],引起胫骨前移及前交叉韧带张力增加等一系列问题㊂3D打印截骨模具按胫骨近端解剖形态设计,使其能紧贴胫骨后侧皮质放置,使截骨方向水平由内向外侧,最大限度保证了截骨合页轴的前后指向;同时撑开器及钢板的位置偏后放置,采取前后不等量(1ʒ2)撑开,术后后倾角不仅没有增大,反而较术前略有减少,基本维持了胫骨平台正常的后倾㊂本组结果显示,两组患者术后胫骨平台后倾角均较术前有所减小,但差异无统计学意义(P>0.05),可能由于本研究样本量小有关,但是3D打印模具组所有患者均能达到良好的截骨效果及预后㊂
㊀㊀综上所述,3D打印截骨术可辅助HTO术中精确截骨,操作简单,可避免多次修正,并且可减少术中透视次数及辐射,缩短手术时间,降低感染风险,应用其治疗内翻性膝关节骨关节炎疗效满意㊂但本
研究仍存在一些不足之处:①样本量偏少,难免出现选择偏倚㊂②本研究为回顾性研究,术前未对患者按性别㊁年龄㊁体质量指数㊁畸形程度等因素进行配对,存在混杂偏倚㊂③随访时间较短,对术后中㊁远期效果无法预期㊂因此,长期的疗效研究有待下一步积累更多样本,设计更为严密的前瞻性的㊁长期随访的临床研究㊂
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