应用3D打印技术治疗假性软骨发育不全双膝骨性关节炎1例

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.27.017

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

遗传性骨病：遗传性骨病是一大类遗传性的骨软骨发育不良性疾病，相对常见的有：软骨发育不全、致死性侏儒症、假性软骨发育不全、多发性骨骺发育不良等，其临床表现包括矮身材、骨骼畸形，不成比例生长，单个或一组骨骼发育不良以及多脏器受累受损等。由于其遗传性及致残性，不仅给患者及家人造成巨大的心理和精神负担，还给家庭及社会带来较大的经济负担。

假性软骨发育不全：是一种罕见的常染色体显性遗传，由于软骨寡聚物基质蛋白(COMP)基因突变所致的骨软骨发育不良，常需与软骨发育不全、多发性骨骺发育不良等其他遗传性骨病相鉴别。假性软骨发育不全患者出生时无异常，到2-4岁后开始出现身体矮小及不成比例的四肢短小，患者智力发育正常，头面部外形正常，全身多关节松弛，常有下肢弓状畸形、膝外翻或内翻畸形、扁平足、颈椎不稳、脊柱侧弯、胸椎后凸、腰椎前凸畸形等系列骨骼并发症。

摘要

背景：假性软骨发育不全是一种罕见的遗传性骨病，这类患者由于骨骼畸形、韧带松弛、骨骼小等系列骨骼并发症造成全膝关节置换手术复杂及充满挑战。

目的：探讨应用3D打印技术治疗假性软骨发育不全患者双膝骨性关节炎的疗效。

方法：对1例假性软骨发育不全患者应用3D打印技术行双全膝关节置换的诊疗过程进行回顾性总结分析，X射线观察双膝置换后假体位置，并进行膝关节KSS评分。
结果与结论: ①患者双膝置换后双下肢站立位全长X射线片显示：假体位置及双下肢力线良好。1年后复查X射线显示：假体位置良好，胫骨截骨处骨折线消失；②置换后右膝KSS临床评分94分，功能评分90分，活动度：95°-0°-0°；左膝KSS临床评分93分，功能评分90分，活动度：90°-0°-0°；患者对手术效果非常满意；③结果说明，应用3D打印技术治疗可以根据个体需求进行个体化治疗，降低手术难度，提高手术操作准确性，减少手术副损伤，利于患者恢复；同时矫正畸形，获得良好的手术效果及患者满意度。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-9249-0841(许志庆)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 3D打印技术, 假性软骨发育不全, 膝骨性关节炎, 遗传性骨病

Abstract:

BACKGROUND: Pseudoachondroplasia is rare heredigary osteopathy, usually accompanied by deformity of the lower limbs, short fingers, and ligamentous laxity, so it is a difficulty in total knee arthroplasty.

OBJECTIVE: To evaluate the curative effectiveness of bilateral total knee arthroplasties for a patient with pseudoachondroplasia using three-dimensional (3D) printing technology.

METHODS: A retrospective study was done in a case of pseudoachondroplasia undergoing bilateral total knee arthroplasties using 3D printing technology. X-ray examination was conducted to observe the prosthesis location after arthroplasties, and the Knee Society Score outcome measures were used to evaluate the functional outcome.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) After arthroplasties, X-rays showed good line of force of the lower limbs and prosthesis location, and 1 year later, showed no radiolucent lines in tibia. (2) The right Knee Society Score improved to 94 points, the functional scoring improved to 90 points, and the postoperative flexion was 95°; the left Knee Society Score improved to 93 points, the functional scoring improved to 90 points, and the postoperative flexion was 90°. All patients were very satisfied with the treatment outcomes. (3) These results indicate that the individualized treatment scheme designed using 3D printing technology can reduce the surgical difficulty and trauma with high accuracy, and promote the functional recovery of the knee. Additionally, it obtains good clinical efficacy and patient’s satisfaction in orthopaedic surgeries.

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Key words: Knee, Osteoarthritis, Heredity, Computers

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计 个案报道。

1.2 时间及地点 于2014年4月至2016年10月在厦门大学附属福州市第二医院完成。

1.3 对象 患者，女，56岁，以“双膝关节渐进性肿痛10余年”主诉入院要求手术治疗。患者幼时发现体型矮小及双下肢畸形，否认外伤史。

查体：神清，智力发育良好，行走蹒跚步态。身高 123 cm，下部量61 cm，上部量62 cm(下部量：上部量< 1)，体质量36 kg。头面外观正常，无典型三叉畸形，脊柱侧弯畸形。双膝关节肿胀变形，内翻畸形，屈曲挛缩。双侧股骨前弓畸形，胫骨后弓畸形。双膝关节活动度均为：90°-30°-0°。双膝关节KSS临床评分均为52分，功能评分均为50分。

双膝关节正侧位X射线片(见图1)示：双膝关节骨性关节炎，双膝关节不稳，双侧股骨、胫骨畸形。生长激素、甲状腺激素、甲状旁腺素、血电解质、血钙、磷、碱性磷酸酶等多次检查均未见明显异常。

诊断：①双膝关节骨性关节炎；②假性软骨发育不全；③双侧股骨畸形、双侧胫骨畸形；④脊柱侧弯。

考虑该患者骨骼畸形、膝关节内翻畸形、韧带松弛、骨骼小等问题，手术复杂及难度大，拟应用3D打印技术行分期治疗。

1.4 方法

1.4.1 术前准备 ①双下肢全长X射线片(见图1)行力线分析(测量股骨、胫骨在矢状面的畸形角度)；②采用64排螺旋CT获得双下肢CT断层及三维重建图像(见图2)(扫描范围为骨盆至足部)；③运用计算机图像处理计算机图形学计算机辅助几何设计等理论，构造CAD三维模型^[1](见图3)；④采用3D打印制作1∶1的3D物理模型；⑤在计算机上利用CAD三维模型进行手术过程设计和仿真模拟，进行胫骨力线重建、股骨力线重建、设计个性化导航模板、股骨侧截骨及胫骨平台截骨、设计假体、胫骨高位截骨矫形、假体植入等过程，验证手术方案的可行性。然后再利用3D物理模型进行实物操作预演手术过程，进一步验证手术方案的可行性；⑥制作个性化导航模板及定制人工膝关节假体(见图4)股骨假体A3 S2#；胫骨平台假体ACCK1#(定制处理，较最小型号假体小)；延长杆(直径 8 mm、长80 mm，生物固定型，非偏置)。

1.4.2 右膝人工全膝关节置换按照规划的手术方案，借助3D物理模型及导航模板精确实施手术。予气插全麻，患者取仰卧位。取右膝关节正中切口，暴露完全后利用3D物理模型定位及导航模板先后完成股骨侧截骨、胫骨侧截骨。再利用3D物理模型定位胫骨高位截骨位置及导航模板截骨(见图5)。另取腓骨外侧切口，行腓骨中段截骨。复位胫骨上下断端后用矫形模板及克氏针临时固定。利用胫骨平台假体定位胫骨开口处，扩髓成形，装入试模，复位膝关节，测试屈伸间隙相等，见下肢力线良好，膝关节活动范围满意。取出试模、冲洗后置入定制人工膝关节假体，并行髌骨成形术。留置引流管1枚，闭合切口。手术时间110 min，术中出血量120 mL。

1.4.3 关节置换术后处理关节置换后予预防感染、抗凝、消肿等常规处理及输悬浮红细胞2 U及新鲜血浆 200 mL。置换后第1天于床上开始股四头肌锻炼。术后第2天拔除引流管后开始床边活动膝关节及下地助行器患肢渐进负重行走。助行器于3个月后去除。

患者5个月后再次住院行左膝人工全膝关节置换(手术时间90 min，术中出血量90 mL)。

1.5 主要观察指标 ①患者双侧膝关节置换后X射线观察；②膝关节KSS评分。

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讨论

假性软骨发育不全是一种罕见的常染色体显性遗传，由于软骨寡聚物基质蛋白(COMP)基因突变所致的骨软骨发育不良^[2-3]，常需与软骨发育不全、多发性骨骺发育不良、成骨不全等其他类型的遗传性骨病相鉴别。假性软骨发育不全患者出生时无异常，到2-4岁后开始出现身体矮小及不成比例的四肢短小，到成人后平均身高为117.5 cm^[4]。假性软骨发育不全患者智力发育正常，头面部外形正常，全身多关节松弛^[5]。假性软骨发育不全患者常有下肢弓状畸形、膝外翻畸形或内翻畸形、扁平足、颈椎不稳、脊柱侧弯、胸椎后凸、腰椎前凸畸形等系列骨骼并发症^[4]。下肢畸形的假性软骨发育不全患者易早期出现骨性关节炎，以膝关节和髋关节等负重关节明显，故宜早行手术矫正以获得较好的下肢下线及改善功能^[6]。但部分患者与本例类似由于经济等原因一直选择保守治疗致早期出现膝关节骨性关节炎，出现明显膝关节疼痛^[7]，需行人工全膝关节置换改善症状，提高生活质量。假性软骨发育不全患者骨骼畸形、膝外翻畸形或内翻畸形、韧带松弛、骨骼小等问题显著增加了人工全膝关节置换手术的难度及复杂性，对外科医生来说是一个很大的挑战。

近年来计算机导航技术在合并复杂畸形的膝关节置换手术中的应用报道越来越多。但由于计算机导航技术需要大量设备的投入、所需工具非常精细、膝关节假体周围骨折、操作不当易发生血管神经损伤、操作非常复杂、学习周期长等并发症^[8]，因此在临床上较难进一步广泛推广。

3D打印技术又称为快速成型技术^[⁹^]，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，是以三维数字模型为基础，采用逐层制造方式结合粉末状金属或塑料等可粘合材料制作三维实体的技术^[¹⁰^]。3D打印技术包括多种方法，如熔融沉积技术、三维打印技术、选择性激光烧结技术、三维生物描绘技术、低温沉积制造技术。随着3D打印技术与医学影像建模、仿真技术相结合的不断深入，3D打印技术在医学领域的应用也受到了医学界的广泛关注。3D打印技术在医学领域的应用主要包括体外医学模型^[11-14]、药物^[1⁵^]、定制化医疗器械^[1⁶^]、个性化手术导板^[1⁷^]、人工器官和组织等^[¹⁰^、¹⁸^-1⁹^]，其具有的个性化、精准化、远程化等优点使它在医疗领域有着广泛的应用前景^[²⁰^]。

目前3D打印技术在复杂骨科手术中的应用越来越多，其应用范围主要涉及术前评估、手术规划及术中导航。Tam等^[2¹^]报道应用3D打印技术制作一名6岁小女孩的肩胛骨肿瘤模型，有助于术前理解病变组织解剖及规划手术方案。Bagaria等^[2²^]报道表明3D打印三维模型可以帮助医生术前直观了解骨折情况及做出明确的诊断，术中导航模板有助于术中骨折的解剖复位，缩短手术时间，减少术中出血。Tricot等^[2³^]报道指出3D个性化截骨矫形模板应用于肱骨远端骨折畸形愈合的治疗，可以精确地指导截骨的大小及角度，达到良好的矫形效果。杜浩等^[2⁴^]提出三维重建结合3D打印技术通过术前设计、构建的定位模板可以对髋关节置换中髋臼假体植入精确定位，更好地完成手术。

对合并晚期膝关节骨性关节炎的这类患者的手术治疗方法主要有以下两种方案：①一期手术，同期行膝关节内截骨术和全膝关节置换( 先行截骨术矫正膝关节外畸形，待截骨处愈合后再进行全膝关节置换) 相比，一期手术(同期行膝关节内截骨术和全膝关节置换)避免了再次手术钢板取出以及钢板取出后遗留钉孔部位应力集中，限制了膝关节置换术后的早期负重或手术需选用长柄的假体，也减少了再次手术的创伤。或同期行膝关节外截骨术和全膝关节置换或同期行膝关节外截骨术和全膝关节置换；②二期手术，先行截骨术矫正膝关节外畸形，待截骨处愈合再进行全膝关节置换。与二期手术

Deschamps等^[25]报告了通过同期行膝关节外截骨术和全膝关节置换16例合并膝关节外畸形的膝关节骨性关节炎患者取得良好的临床疗效。对于该选择同期行膝关节内截骨术和全膝关节置换或同期行膝关节外截骨术和全膝关节置换，这取决于膝关节关节外畸形角度的大小和畸形距离关节线的远近程度。治疗

Wang等^[26]认为股骨侧畸形小于20°、胫骨侧畸形小于30°的膝关节外冠状面畸形可以通过关节内截骨矫正。当膝关节外畸形严重无法通过关节内截骨术矫正时，则需进行膝关节外截骨术矫正，恢复下肢力线。

Wolff等^[27]认为通过膝关节内截骨术矫形能够纠正的最大膝关节外畸形角度是矢状面畸形25°、冠状面畸形 20°。Koenig 等^[28]认为由于膝关节侧副韧带止点等因素的限制，膝关节关节内截骨很难矫正关节外超过20°的畸形。

本例手术应用了3D打印技术，术前利用CAD三维模型和3D物理模型进行手术模拟(包括胫骨力线重建、股骨力线重建、股骨侧截骨、胫骨侧截骨、设计假体、胫骨高位截骨矫形、假体植入等过程)，预先获知手术过程可能遇到的问题而针对性采取了预防性措施，比较各方案的优劣性后得到最佳的手术方案，并通过反复演练提高了手术操作的熟练程度，从而减少手术创伤、缩短手术时间、减少术中出血量等。同时借助3D物理模型更为生动地讲解患者及家属手术方案及操作过程，并详细地告知围手术期相关风险及并发症。

近年膝关节生物力学研究显示^[2⁹^]，行走时膝关节伸屈活动度为0°-69°，同时伴有内外旋和内外翻。本例手术在假体的选用上充分考虑了这一生物力学特点，定制了相应大小的人工膝关节假体，使重建的膝关节更符合生理需求，延长杆采用生物固定型以避免截骨处骨折不愈合及增加后期的生物稳定性。在手术方面术前考虑髌腱功能及术后康复等因素，选择胫骨截骨部位在胫骨结节以下。术前分别画出患肢的全下肢机械轴线(从股骨头中心至踝关节中心)、患肢的股骨机械轴线(从股骨头中心至膝关节中心)、患肢的胫骨机械轴线(从膝关节中心至踝关节中心)、患肢的膝关节线(股骨髁的切线及胫骨平台的切线)，进行下肢力线分析后判断畸形来源于胫骨侧或者股骨侧，也可能同时存在胫骨侧和股骨侧的畸形。

遵循合页位置接近畸形部位、骨性合页具有一定的柔韧性并可部分压缩、软组织合页具有坚韧的软组织覆盖及容易愈合的原则确定胫骨高位截骨冠状位闭合楔形的合页位置。通过截骨线便于愈合、便于内固定、兼顾稳定性、准确性与可操作性及远离髌骨关节原则确定胫骨高位三平面截骨平面位置。再通过MINIACI法获得矫正的角度(从股骨头中心通过膝关节至理想位置设定为目标力线，然后以确定的合页位置为旋转中心，以踝关节中心至合页位置的距离为半径进行旋转，直至与目标力线相交，旋转的角度即为需要矫正的角度，切记避免矫正过度)。

3D打印的个性化导航模板具有以下优点：一对一的专一性、钉孔与同厂家普通截骨器相同、确保截骨参数一致的唯一性、可搭配普通截骨板截骨的统一性、截骨模块与骨的贴附性。术中利用3D打印的个性化导航模板精确地完成胫骨侧截骨、股骨侧截骨及胫骨高位截骨(术中胫骨高位截出12.0 cm的三角骨块，与术前设计几乎一致，不仅精确完成截骨，还避免了传统胫骨高位截骨术中反复透视和多次截骨)。手术过程无进行股骨侧的扩髓操作也降低了围手术期下肢深静脉血栓形成及肺栓塞的风险。术后护理上需注意将患肢抬高及消肿处理，密切观察患肢的肿胀情况，避免骨筋膜室综合征的发生。术后患者双下肢的畸形都得到了一定的矫正，双下肢力线偏移都得到良好的矫正，双膝关节活动均良好，获得了良好的手术效果及患者满意度。术后1年复查见双下肢力线及假体位置均良好，双侧胫骨截骨处均已骨性愈合，与陈国仙等^[³⁰^]研究结果一致。

假性软骨发育不全这类的遗传性骨病患者由于常有不同程度的骨骼畸形、骨骼小、关节畸形等特点^[³¹^]，造成人工全膝关节置换手术困难及复杂，应用3D打印技术治疗可以根据个体需求进行个体化治疗，降低手术难度，提高手术操作准确性，减少手术副损伤，利于患者恢复；同时矫正畸形，获得良好的手术效果及患者满意度。所以3D打印技术应用于遗传性骨病患者的膝骨关节炎治疗，一方面为外科医生解决了一个难题，另一方面可以有效减轻患者心理压力，提高患者生活质量。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程