1.4  材料  所有患者均使用微创公司(Micro Port)提供的EVOLUTION medial Pirot膝关节假体，膝关节假体介绍见表1。

以上步骤得到包含膝关节软骨的股骨及胫腓骨全长STL文件备用，骨与软骨三维重建见图1。

膝关节模拟手术及截骨导板设计：将mimics软件中获得的STL文件导入到 3-matics(Materialise，比利时)。股骨远端截骨：股骨机械轴定义为股骨头的中心点与膝关节的中心点连线。股骨头中心点：选取股骨头附近点云，将股骨头拟合为球形，中心即股骨头中心点。膝关节中心点：外科通髁轴与whitesides线交点即膝关节中心点，即可确定股骨机械轴，与股骨解剖轴约成5°角。将股骨远端以垂直于股骨机械轴方向行10 mm截骨。接着过股骨外科通髁轴做垂直于远端截骨面的垂面，即后髁截骨面，通过平移后髁截骨面行10 mm后髁截骨。股骨远端及后髁截骨面确定后即可模拟安装假体，微调假体位置并根据已知的假体型号参数确定股骨髁假体型号大小，当假体前后髁测量值介于两型号之间时，取测量数值接近的假体型号，通过股骨组件位置定位出配套股骨远端截骨器、四合一截骨器的定位钉孔位置，股骨侧导板非全关节面贴合设计，将股骨前皮质区域及内外侧髁侧方3处无软骨的区域作为特征性骨面，按照骨性标志放置导板。将股骨远端定位导板保存为STL文件。股骨端导板的制作见图2。胫骨平台截骨：胫骨机械轴定义为膝关节中心点与踝关节中心点的连线。胫骨平台中心点：垂直与胫骨机械轴方向截取5 mm厚胫骨平台块，去除平台骨坠，此时胫骨平台块质心即为胫骨平台中心点。踝关节中心点：选取踝区顶部区域几何中心点做为踝关节中心点。胫骨外侧平台截骨面后倾3°，以内侧髁关节面下方2 mm或外侧髁关节面下方10 mm为参照模拟截骨，再虚拟安装胫骨假体，并调整到合适位置，根据假体三维模型确定胫骨平台假体型号大小，通过胫骨组件位置定位截骨板钉孔位置。胫骨侧导板将胫骨内外侧平台前侧面及胫骨髁间棘3处区域作为特征性骨面用于放置导板，将胫骨侧定位导板保存为STL文件。胫骨端导板的制作见图3。

膝关节模拟手术及截骨导板设计：将mimics软件中获得的STL文件导入到 3-matics(Materialise，比利时)。股骨远端截骨：股骨机械轴定义为股骨头的中心点与膝关节的中心点连线。股骨头中心点：选取股骨头附近点云，将股骨头拟合为球形，中心即股骨头中心点。膝关节中心点：外科通髁轴与whitesides线交点即膝关节中心点，即可确定股骨机械轴，与股骨解剖轴约成5°角。将股骨远端以垂直于股骨机械轴方向行10 mm截骨。接着过股骨外科通髁轴做垂直于远端截骨面的垂面，即后髁截骨面，通过平移后髁截骨面行10 mm后髁截骨。股骨远端及后髁截骨面确定后即可模拟安装假体，微调假体位置并根据已知的假体型号参数确定股骨髁假体型号大小，当假体前后髁测量值介于两型号之间时，取测量数值接近的假体型号，通过股骨组件位置定位出配套股骨远端截骨器、四合一截骨器的定位钉孔位置，股骨侧导板非全关节面贴合设计，将股骨前皮质区域及内外侧髁侧方3处无软骨的区域作为特征性骨面，按照骨性标志放置导板。将股骨远端定位导板保存为STL文件。股骨端导板的制作见图2。胫骨平台截骨：胫骨机械轴定义为膝关节中心点与踝关节中心点的连线。胫骨平台中心点：垂直与胫骨机械轴方向截取5 mm厚胫骨平台块，去除平台骨坠，此时胫骨平台块质心即为胫骨平台中心点。踝关节中心点：选取踝区顶部区域几何中心点做为踝关节中心点。胫骨外侧平台截骨面后倾3°，以内侧髁关节面下方2 mm或外侧髁关节面下方10 mm为参照模拟截骨，再虚拟安装胫骨假体，并调整到合适位置，根据假体三维模型确定胫骨平台假体型号大小，通过胫骨组件位置定位截骨板钉孔位置。胫骨侧导板将胫骨内外侧平台前侧面及胫骨髁间棘3处区域作为特征性骨面用于放置导板，将胫骨侧定位导板保存为STL文件。胫骨端导板的制作见图3。

1.5.3  手术方法  两组手术由同一位高年资主任医师主刀，均采用经膝前正中纵行切口的内侧髌旁入路，麻醉均使用全身麻醉，具体手术方法为：①试验组：导板采用等离子消毒法对导板进行消毒灭菌。股骨远端无需刮除软骨，通过前皮质及内外侧髁3处无软骨的导板接触面直接安放导板，通过股骨导板定位钉孔确定股骨远端截骨板、远端四合一截骨板安放位置，依次安装远端截骨板与四合一截骨板进行截骨；将胫骨侧导板稳定贴附于胫骨平台，依据胫骨导板定位胫骨平台截骨器钉孔位置，安装胫骨平台截骨器，进行胫骨平台截骨。②对照组：采用标准的全膝关节置换技术。股骨侧采用髓内定位法定位股骨机械轴，行外翻角度5°。采用后参照四合一截骨板行股骨四合一截骨。胫骨侧采用髓外定位法，胫骨近端外侧截骨量10 mm，胫骨平台截骨面后倾3°。完成假体试模后，仔细检查伸屈间隙平衡及髌股关节匹配情况，对内外侧软组织选择性松解，髌骨周围去极化处理。脉冲枪冲洗截骨骨面后，骨水泥固定关节假体，电刀充分止血，逐层缝合关节囊及皮下组织，加压包扎，记录手术所需时间，术中出血量，术中图片见图4。

2.2  两组基线资料比较  两组体质量、性别、年龄等基线资料比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表2。

2.5  两组术后实际假体角度与理论值偏差的比较  试验组冠状面髋-膝-踝角、冠状面股骨组件角、冠状面胫骨组件角、矢状面胫骨组件角与各角度设计值偏差均小于3°，明显优于对照组(P < 0.01)，见表3。

2.6  两组手术时间与术中平均出血量的比较   试验组手术时间、术中出血量少于对照组(P < 0.01)，见表4。

2.7  两组术后关节功能及疼痛改善程度的比较  两组术前的KSS评分及目测类比评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)；术后1，3，6个月时，试验组KSS评分高于对照组(P < 0.05)，两组目测类比评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表5，6。

2.7  两组术后关节功能及疼痛改善程度的比较  两组术前的KSS评分及目测类比评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)；术后1，3，6个月时，试验组KSS评分高于对照组(P < 0.05)，两组目测类比评分比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表5，6。

2.9  典型病例  60岁男性患者，右膝关节疼痛伴活动受限5年，诊断为右膝关节骨关节炎，于南京医科大学附属南京医院行个性化截骨导板辅助下的右侧全膝关节置换，术后功能良好，术后1个月时复查X射线可见假体位置良好，下肢力线恢复佳，见图6。

全膝关节置换作为晚期膝关节骨关节炎的主要治疗办法已被广泛应用，但回顾既往文献报道发现患者术后远期随访满意度不足80%^[1]，其原因复杂，其中合适关节假体的选择、良好的手术操作是影响临床疗效的重要因素。

目前市场上的膝关节假体类别众多，恢复膝关节解剖结构、模拟膝关节固有生理运动仍是当前主流设计理念。内轴型膝关节假体作为一种还原膝关节内轴运动及生理解剖的膝关节假体，自1998年上市至今，已在欧美等国家广泛应用。远期随访发现相较传统的后稳定型假体和后交叉韧带保留型膝关节假体，内轴型假体在假体存留率及患者满意率方面均有显著提升^[2]。该类型假体在中国应用较晚，国内关于内轴型假体的研究报道较少。另一方面，手术操作过程中精确地截骨、假体的合理安装至关重要。传统方法使用髓内、髓外定位法确定下肢力线，研究发现该类方法存在不同程度偏差。目前利用患者术前三维CT扫描数据重建下肢力线、模拟规划手术过程，使用基于三维CT数据的个性化定位导板可提高后稳定型假体关节置换的精确度^[3-4]。但既往研究报道的手术导板制作均基于三维CT扫描数据的骨性结构重建，忽略了股骨远端关节软骨厚度，依据既往截骨导板完成股骨远端截骨必将导致股骨远端截骨量增加，容易造成伸直间隙增宽，最终影响个性化截骨导板使用及全膝关节置换术后临床效果。

MRI检查对于软骨组织具有较高的分辨率，可实现关节软骨重建。试验基于MRI和三维CT数据重建骨和软骨图像，再将两者拟合并完成模拟截骨，制作个性化截骨导板，进一步提高手术操作的准确性及安全性。因此，试验拟利用基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助内轴型膝关节假体置换，评估该方法的安全性、准确性及早期临床疗效。

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

1.1  设计  随机对照研究。

1.2  时间及地点  试验于2018年2月至2019年4月在南京医科大学附属南京医院骨科、南京医科大学数字医学研究所完成。

1.3  对象  选择南京医科大学附属南京医院骨科2018年2月至2019年4月符合纳入标准的膝关节骨关节炎患者110例，采用计算机随机数字法分为试验组(n=58)和对照组(n=52)，试验组行个性化截骨导板辅助下的全膝关节置换，对照组行标准的全膝关节置换。研究得到南京医科大学附属南京医院伦理委员会批准，所有患者均签署治疗知情同意书。试验采用双盲法，由专人负责患者纳入与分组、术后随访及数据分析，避免选择性偏倚。

纳入标准：①单侧原发性骨关节炎，健侧功能尚可；②无严重基础疾病及精神类疾病；③初次接受人工膝关节置换手术；④无严重内外翻畸形；⑤无明显屈曲伸直挛缩畸形或膝关节周围骨量缺损。

排除标准：①非初次置换；②膝关节周围大量骨缺损需要术中使用特殊假体及垫块；③缺少X射线片、CT及MRI影像学数据；④术前规划使用导板，术中临时改为常规手术。

1.4  材料  所有患者均使用微创公司(Micro Port)提供的EVOLUTION medial Pirot膝关节假体，膝关节假体介绍见表1。

1.5  方法

1.5.1  试验组截骨导板设计与制作

三维影像数据获取及重建：术前利用双源64排螺旋CT(Siemens Sensation，德国)对患者行下肢轴向容积扫描，扫描范围自双侧髋关节至双足，包含双下肢全长，扫描电压120 kV，扫面矩阵为512×512，扫描层厚为0.75 mm。将薄层CT数据以 Dicom 格式数据导出。将下肢全长CT Dicom格式数据输入到mimics (Materialise，比利时)中，调整 Thresholding值≥226 Hu作为骨窗阈值，通过蒙版功能提取出双下肢全长数据，进行三维重建。

患者取仰卧位，膝关节外翻约15°，利用Achieva3.0T MRI(PHILIPS，荷兰)进行MRI扫描，扫描层厚为1.5 mm，层间距0.6 mm。将MRI数据以Dicom 格式数据导入mimics软件中，利用三维双回波稳态序列及T2 mapping序列行膝关节MRI骨与软骨三维重建，利用mimics软件分别对CT和MRI数据建模，拆分股骨及胫骨图像，再运用3-matic软件拟合股骨侧及胫骨侧骨与软骨图像，并进行导板设计，避免因检查体位不同或者下肢旋转造成的图像误差。

以上步骤得到包含膝关节软骨的股骨及胫腓骨全长STL文件备用，骨与软骨三维重建见图1。

 膝关节模拟手术及截骨导板设计：将mimics软件中获得的STL文件导入到 3-matics(Materialise，比利时)。股骨远端截骨：股骨机械轴定义为股骨头的中心点与膝关节的中心点连线。股骨头中心点：选取股骨头附近点云，将股骨头拟合为球形，中心即股骨头中心点。膝关节中心点：外科通髁轴与whitesides线交点即膝关节中心点，即可确定股骨机械轴，与股骨解剖轴约成5°角。将股骨远端以垂直于股骨机械轴方向行10 mm截骨。接着过股骨外科通髁轴做垂直于远端截骨面的垂面，即后髁截骨面，通过平移后髁截骨面行10 mm后髁截骨。股骨远端及后髁截骨面确定后即可模拟安装假体，微调假体位置并根据已知的假体型号参数确定股骨髁假体型号大小，当假体前后髁测量值介于两型号之间时，取测量数值接近的假体型号，通过股骨组件位置定位出配套股骨远端截骨器、四合一截骨器的定位钉孔位置，股骨侧导板非全关节面贴合设计，将股骨前皮质区域及内外侧髁侧方3处无软骨的区域作为特征性骨面，按照骨性标志放置导板。将股骨远端定位导板保存为STL文件。股骨端导板的制作见图2。胫骨平台截骨：胫骨机械轴定义为膝关节中心点与踝关节中心点的连线。胫骨平台中心点：垂直与胫骨机械轴方向截取5 mm厚胫骨平台块，去除平台骨坠，此时胫骨平台块质心即为胫骨平台中心点。踝关节中心点：选取踝区顶部区域几何中心点做为踝关节中心点。胫骨外侧平台截骨面后倾3°，以内侧髁关节面下方2 mm或外侧髁关节面下方10 mm为参照模拟截骨，再虚拟安装胫骨假体，并调整到合适位置，根据假体三维模型确定胫骨平台假体型号大小，通过胫骨组件位置定位截骨板钉孔位置。胫骨侧导板将胫骨内外侧平台前侧面及胫骨髁间棘3处区域作为特征性骨面用于放置导板，将胫骨侧定位导板保存为STL文件。胫骨端导板的制作见图3。

1.5.2  个性化定位导板的3D打印制备  将股骨侧及胫骨侧导板及3D骨骼原型的STL数字文件载入到快速成型软件Makerbot中，设置参数为层厚0.1 mm，温度200 ℃，添加支撑及底面。利用Makerbot将STL文件转变为3D打印机专用的X3g文件。通过HY-500 FDM专业级3D三维打印机，利用聚乳酸(冬尚医疗科技公司，中国)作为打印原材料。该材料具有良好的抗拉强度及延展度，通过熔融沉积制造技术打印导板强度良好，牢固且不易断裂。材料逐层加工完毕后去除支撑及平台，完成截骨导板及3D骨骼原型的制备，术前采用低温等离子消毒法进行消毒灭菌备用。

1.5.3  手术方法  两组手术由同一位高年资主任医师主刀，均采用经膝前正中纵行切口的内侧髌旁入路，麻醉均使用全身麻醉，具体手术方法为：①试验组：导板采用等离子消毒法对导板进行消毒灭菌。股骨远端无需刮除软骨，通过前皮质及内外侧髁3处无软骨的导板接触面直接安放导板，通过股骨导板定位钉孔确定股骨远端截骨板、远端四合一截骨板安放位置，依次安装远端截骨板与四合一截骨板进行截骨；将胫骨侧导板稳定贴附于胫骨平台，依据胫骨导板定位胫骨平台截骨器钉孔位置，安装胫骨平台截骨器，进行胫骨平台截骨。②对照组：采用标准的全膝关节置换技术。股骨侧采用髓内定位法定位股骨机械轴，行外翻角度5°。采用后参照四合一截骨板行股骨四合一截骨。胫骨侧采用髓外定位法，胫骨近端外侧截骨量10 mm，胫骨平台截骨面后倾3°。完成假体试模后，仔细检查伸屈间隙平衡及髌股关节匹配情况，对内外侧软组织选择性松解，髌骨周围去极化处理。脉冲枪冲洗截骨骨面后，骨水泥固定关节假体，电刀充分止血，逐层缝合关节囊及皮下组织，加压包扎，记录手术所需时间，术中出血量，术中图片见图4。

1.5.4  术后处理  术后常规给予镇痛泵，口服镇痛及防止深静脉血栓的药物，术后第1天起行膝关节主动、被动锻炼，待患者手术切口愈合无渗出，自主屈曲角度大于90°、伸直0-5°时可出院。术前及术后1，3，6个月随访记录膝关节协会功能KSS评分及目测类比评分，术后1个月复查X射线片。

膝关节协会功能KSS评分：该评分对患者的膝关节及其功能2大方面进行评估，膝关节评估是针对手术对关节的影响及术后关节的恢复等进行评定，如：关节疼痛、关节活动范围、韧带稳定性、肌肉力量、骨对线、挛缩畸形；功能评估包含了日常生活活动能力、行走能力、上下楼梯、是否需要辅助用具等。评分越高关节功能越好。

目测类比评分：将患者主观感受的疼痛程度分0-10分，评分越高疼痛越重。

1.6  主要观察指标  两组术前假体型号CAD设计值与实际使用假体型号的差异；两组术后下肢力线，评估基于术后膝关节X射线冠状面髋-膝-踝角、冠状面股骨组件角、冠状面胫骨组件角、矢状面胫骨组件角等各下肢力线评价指标与理论设计值(取冠状面髋-膝-踝角180°、冠状面股骨组件角90°、冠状面胫骨组件角90°、矢状面胫骨组件角0°)的偏差；两组手术时间、术中出血量；两组术后膝关节协会功能KSS评分和目测类比评分。

1.7  统计学分析  采用SPSS 22.0软件进行统计学分析。计量资料以x(_)±s表示，两组间手术时间、术中出血量、术后各角度偏差值、手术前后的KSS评分及目测类比评分数据符合正态分布，通过方差齐性检验，比较采用t 检验，计数资料使用卡方检验。P < 0.05为差异有显著性意义。

3.1  膝关节置换中下肢力线的重要性及其寻找方法  目前，膝关节置换仍是严重膝关节骨关节炎的主要治疗办法^[5]。关节置换过程复杂，器械操作繁琐，其中一个重要的技术要点是恢复下肢力线^[6]。把握截骨准确性及恢复软组织平衡难度较大，需要主刀医师积累大量的临床经验，如果力线恢复不佳，将明显降低患者术后满意度及关节功能评分，还可能造成膝关节过屈过伸位、假体不稳等问题^[7]，最终给患者带来痛苦的翻修手术。目前临床上有很多种力线测量方法尝试避免这一问题，常用的有：计算机辅助导航技术如i-ASSIST技术、髓内、髓外定位法、手术机器人、3D打印个性化手术导板等。其中，i-ASSIST技术和机器人手术依靠精准化数字化设备明显提高了测量精度，但昂贵的费用、可能出现图像漂移及较长的设备学习周期影响了它们的普及率^[8]；髓内、髓外定位法作为目前最常用的方法虽操作过程简单、价格低廉，但需要依赖主刀医师的临床操作经验，此外髓内定位创伤大、患者出血多^[9]，遇到解剖变异患者时测量精度将明显下降^[10]。

3.2  3D打印导航模板辅助膝关节置换的优势及不足  3D打印导航模板可以保证手术精度且费用合理^[11-12]，它通过术前三维重建双下肢全长，测量力线，计算机辅助设计、模拟手术，重建下肢力线，同时确定截骨量及型号大小，术中不需髓内定位，只需将导板紧密贴合预定接触面，按照预留的钉孔置入定位钉安装截骨导板截骨即可，这样不但可以避免髓内定位对股骨骨髓的损伤^[13]，还能简化手术步骤、提高手术精度、缩短手术时间、减少失血量、避免相关并发症^[14]。

但既往个性化截骨导板均基于CT数据建模与重建骨性结构，却忽略了股骨远端3-6 mm关节软骨厚度对截骨量大小的影响^[15]，基于此数据制备的截骨导板将导致膝关节置换术中股骨远端截骨量增加，影响手术精度。

3.3  研究的创新及不足  目前临床使用的全膝关节置换假体种类众多，但很多都未能达到恢复膝关节生理运动的要求，如后稳定型假体、后交叉韧带保留型假体等^[16]，因此患者术后满意度仅有80%左右^[17]。相比这些假体，内轴型假体设计更接近膝关节生理运动，即以内侧间室为轴，外侧间室发生后滚运动的内轴运动模式^[18]，自1998年批准上市后全球已超过50万例植入^[19]，欧美学者的远期随访显示内轴型假体存留率及患者满意度较常规后稳定型及后交叉韧带保留型假体更高^[20-21]。而中国临床医师近些年刚刚开始使用，目前患者基数较少且缺乏远期随访研究^[22]，仅有的早、中期临床效果研究发现内轴假体在缓解患者疼痛和功能重建方面与后稳定型假体无明显差异^[23]，其长期临床效果还需进一步验证^[24]。

既往单纯基于CT数据建模忽略了软骨厚度，因此术中需刮除表面软骨后安放导板，降低了截骨精准度。此次研究融合CT和MRI图像后建模，包含膝关节骨与软骨配准重建图像，更加精准地评估股骨远端截骨量，避免造成伸直间隙增宽的问题，术中可直接安放导板，无需软骨刮除，进一步提高了手术导板的安全性及准确性。另一方面，既往的个性化截骨导板研究都聚焦于传统后稳定型及后交叉韧带保留型假体^[25]，暂无结合内轴型假体的相关研究报道。此次研究首次利用个性化截骨导板辅助内轴型膝关节假体置换。当然，研究也存在一些不足，如：缺乏基于不同数据来源个性化截骨导板的比较、不同类型关节假体间的比较、随访观察时间较短等，后续研究中将深入探讨基于MRI和三维CT的个性化截骨导板技术的优越性及其辅助内轴型膝关节假体置换的中远期临床疗效。

综上所述，基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助内轴型膝关节假体置换，能有效提高假体安放准确性及安全性，明显缩短手术时间，早期临床效果满意。

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

文题释义：

基于MRI和三维CT的个性化截骨导板：传统手术导板制作仅基于CT数据建模，忽略了股骨远端软骨厚度，此次研究基于MRI和三维CT数据重建骨和软骨图像，再将两者拟合并完成模拟截骨，制作个性化截骨导板。

内轴型膝关节假体：一种不同于传统后稳定型和后交叉韧带保留型的假体，设计更接近膝关节生理运动，即以内侧间室为轴，外侧间室发生后滚运动的内轴运动模式假体。

既往制作膝关节个性化截骨导板仅仅基于CT数据建模，只重建骨性结构，却忽略了股骨远端关节软骨厚度对截骨量大小的影响，术中需要刮除股骨远端软骨后再安放截骨导板，影响了手术精度，而该研究融合CT和MRI图像后建模，包含膝关节骨与软骨配准重建图像，更加精准评估股骨远端截骨量，避免造成伸直间隙增宽的问题，术中可直接安放导板，无需刮除股骨远端软骨，进一步提高手术精度和手术安全性。

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