个性化3D打印术前模拟与传统截骨在高位胫骨截骨中的应用与比较

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2544

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (12): 1881-1885.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2544

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个性化3D打印术前模拟与传统截骨在高位胫骨截骨中的应用与比较

陈金国，陈国仙，林宗锦，许国松，陈伟义，游丰源

莆田市第一医院关节外科，福建省莆田市 351100

收稿日期:2019-07-30 修回日期:2019-08-02 接受日期:2019-09-06 出版日期:2020-04-28 发布日期:2020-03-01
通讯作者: 陈国仙，博士，副主任医师，莆田市第一医院关节外科，福建省莆田市 351100
作者简介:陈金国，男，1987年生，福建省仙游县人，汉族，2013年福建医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事关节外科研究。
基金资助:
福建省教育厅科技项目(JAT160428)；福建莆田市科技局资助项目(2016S3005)

Application and comparison of personalized 3D printing with preoperative simulation and traditional method in high tibial osteotomy

Chen Jinguo, Chen Guoxian, Lin Zongjin, Xu Guosong, Chen Weiyi, You Fengyuan

Department of Joint Surgery, First Hospital of Putian City, Putian 351100, Fujian Province, China

Received:2019-07-30 Revised:2019-08-02 Accepted:2019-09-06 Online:2020-04-28 Published:2020-03-01
Contact: Chen Guoxian, MD, Associate chief physician, Department of Joint Surgery, First Hospital of Putian City, Putian 351100, Fujian Province, China
About author:Chen Jinguo, Master, Attending physician, Department of Joint Surgery, First Hospital of Putian City, Putian 351100, Fujian Province, China
Supported by:
a grant from Department of Education Science and Technology of Fujian Province, No. JAT160428; a grant from Science and Technology Bureau of Putian City of Fujian Province, No. 2016S3005

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
高位胫骨截骨：是治疗早期单纯内侧间室膝关节骨关节炎行之有效的术式，包括内侧开放与外侧闭合截骨两种术式。
3D打印技术：是将计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术相结合的一种新兴应用技术，与传统的材料去除加工方法不同的是，它通过分层加工、叠加成型的方式，逐层增加材料来生成3D实体模型。有研究报道3D打印截骨模块可精确指导全膝关节置换及内侧开放高位胫骨截骨术中截骨。

背景：高位胫骨截骨是治疗早期单纯内侧间室膝关节骨关节炎的经典术式，3D打印可用于制作个性化手术工具，课题组已应用3D打印技术辅助高位胫骨截骨治疗膝关节骨关节炎。

目的：对比传统截骨方法，探讨个性化3D打印截骨辅助下外侧闭合楔形高位胫骨截骨联合膝关节清理治疗合并内翻畸形膝关节骨关节炎的优势与不足。

方法：行外侧闭合楔形高位胫骨截骨联合膝关节清理的病例47例，采用随机数字法分成2组：3D打印截骨组21例术中采用个性化3D打印截骨，传统截骨组26例予传统截骨。对比两组的手术时间、术中C形臂透视次数及出血量、术后1个月患侧下肢力线，以及术后1，3，6，12，24个月评估患侧膝关节美国特种外科医院(hospital of special surgery，HSS)评分。研究方案经莆田市第一医院伦理委员会审查批准，参与试验的患病个体对治疗过程完全知情同意。

结果与结论：①术中3D打印截骨模块均与术前模拟卡位相一致；②3D打印截骨组手术时间较传统截骨组明显缩短[(69.71±3.17)，(92.92±5.91)min，t=-17.21，P < 0.01]；3D打印截骨组术中C形臂透视次数明显少于传统截骨组[(5.71±1.62)，(18.15±3.00)次，t=-18.12，P < 0.01]；3D打印截骨组出血量显著少于传统截骨组[(275.24±53.82)，(507.69±45.19)mL，t=-16.10，P < 0.01]；③两组术后1个月患侧下肢力线及术后24个月患侧膝关节HSS评分差异无显著性意义(均P > 0.05)；④结果说明，对比传统截骨，在外侧闭合楔形高位胫骨截骨中应用个性化3D打印截骨可明显缩短手术时间，减少术中透视和出血，但二者术后2年随访患者膝关节功能恢复无明显差异。

ORCID: 0000-0001-9766-6164(陈金国)

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

关键词: 高位胫骨截骨, 3D打印, 个性化截骨, 传统截骨, 膝关节, 骨关节炎

Abstract:

BACKGROUND: High tibial osteotomy is a classic operation for the treatment of early simple medial compartment osteoarthritis of the knee. Three-dimensional (3D) printing can be used to make personalized surgical tools. We have used 3D printing technology to assist high tibial osteotomy for the treatment of knee osteoarthritis.

OBJECTIVE: By comparing traditional methods, to analyze the advantages and disadvantages of the high tibial osteotomy assisted by personalized 3D printing osteotomy combined with arthroscopic debridement for the treatment of osteoarthritis of the knee with varus deformity.

METHODS: Totally 47 cases undergoing lateral closed wedge high tibial osteotomy combined with knee joint debridement were randomly assigned to two groups. The 3D printing osteotomy group (n=21) received personalized 3D printing osteotomy. The traditional osteotomy group (n=26) received traditional osteotomy. The operation time, number of intraoperative C-arm fluoroscopy and blood loss, limb alignment on the affected side 1 month after surgery, and Hospital of Special Surgery scores on the affected side knee joints at 1, 3, 6, 12 and 24 months after surgery were compared between the two groups. This study was approved by the Ethics Committee of First Hospital of Putian City. All patients signed the informed consent.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The intraoperative 3D printing osteotomy module was consistent with the preoperative simulated place. (2) The operation time was significantly shorter in the 3D printing osteotomy group than in the traditional osteotomy group [(69.71±3.17), (92.92±5.91) minutes, t=-17.21, P < 0.01]. The number of C-arm fluoroscopy was significantly less in the 3D printing osteotomy group than in the traditional osteotomy group [(5.71±1.62), (18.15±3.00) times, t=-18.12, P < 0.01]. Blood loss was significantly less in the 3D printing osteotomy group than in the traditional osteotomy group [(275.24±53.82), (507.69±45.19) mL, t=-16.10, P < 0.01]. (3) There was no difference between the two groups in the limb alignment on the affected side at 1 month after operation and the Hospital of Special Surgery score on the affected knee at 24 months after operation (all P > 0.05). (4) In conclusion, compared with traditional osteotomy, personalized 3D printing-assisted osteotomy in lateral closed wedge high tibial osteotomy can significantly shorten the operation time, reduce the number of intraoperative C-arm fluoroscopy and the amount of blood loss, but there is no significant difference in knee function between the two groups at 2 years after surgery.

Key words: high tibial osteotomy, 3D printing, personalized osteotomy, traditional osteotomy, knee, osteoarthritis

中图分类号:

陈金国, 陈国仙, 林宗锦, 许国松, 陈伟义, 游丰源. 个性化3D打印术前模拟与传统截骨在高位胫骨截骨中的应用与比较[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(12): 1881-1885.

Chen Jinguo, Chen Guoxian, Lin Zongjin, Xu Guosong, Chen Weiyi, You Fengyuan. Application and comparison of personalized 3D printing with preoperative simulation and traditional method in high tibial osteotomy [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(12): 1881-1885.

图/表（结果） 6

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计随机对照性研究。

1.2 时间及地点 2014年1月至2017年6月于莆田市第一医院骨科完成。

1.3 材料术中使用的TomoFix LHT胫骨高位外侧板均由辛迪思(上海)医疗器械贸易有限公司提供，具有高度解剖、低切迹、高强度、高稳定性特点，可均匀分散应力，见表1。

1.4 对象莆田市第一医院骨科2014年1月至2017年6月行外侧闭合楔形高位胫骨截骨联合膝关节清理的病例47例，采用随机数字法分成2组：3D打印截骨组21例术中采用个性化3D打印截骨，传统截骨组26例予传统截骨。所有患者均签署临床研究知情同意书，并经莆田市第一医院伦理委员会审查批准。

1.4.1 纳入标准 ①手术由同一医生主刀完成；②年龄男性<65岁，女性<60岁；③患侧膝关节活动度大致正常且屈曲挛缩≤10°；④5°<胫骨内翻畸形<20°；⑤内侧胫骨近端角(MPTA)<85°；⑥外侧软骨和半月板功能正常；⑦临床资料完整^[3]。

1.4.2 排除标准 ①二次翻修；②合并股骨侧畸形；③膝关节或周围软组织感染；④合并严重全身性疾病(如：出血性疾病、难控性的高血糖及高血压、晚期恶性肿瘤、重度骨质疏松症等)。

1.5 方法

1.5.1 3D打印截骨模块的制作将术前采集的双下肢全长正、侧位X射线、患侧髋膝踝关节薄层CT扫描数据导入Mimics软件，三维重建出下肢骨骼模型并将数据导入3-matic软件，然后在2D视图下测量截骨位置、截骨角度及截骨量，设计外侧闭合高位胫骨截骨模块，使用MakerBot Replicator 2(美国)打印出截骨模块，随手术器械消毒后备用。

1.5.2 两组截骨方法

(1)3D打印截骨组手术方法：腰硬联合麻醉后取平卧位，患侧大腿根部捆绑充气式气囊止血带，驱血后充气加压(压力60 kPa)，常规关节镜下行膝关节清理后，于小腿中段外侧腓神经低危险区(腓骨头下15 cm以远)纵向切开约4 cm，显露腓骨后予摆锯截取一段长约2 cm腓骨。自腓骨头前缘，弧形向前下至胫骨结节外侧切开，逐层分离，清除胫骨表面软组织，将截骨模块紧贴于胫骨上段皮质，按术前模拟的截骨位置、截骨角度及截骨量行外侧闭合楔形高位胫骨截骨(图1)，注意保护胫骨后侧软组织。截骨后透视下确认下肢力线矫正满意，克氏针临时固定，于胫骨上段外侧置入TomoFix LHT钢板，逐个拧入螺钉固定，检查固定牢靠，钢板、螺钉位置及尺寸合适，生理盐水冲洗创面，切口内放置一条负压引流管，逐层缝合闭合切口。

(2)传统截骨组手术方法：麻醉方式、患者体位、手术切口、腓骨截骨方法同3D打印截骨组。先常规关节镜下行膝关节清理，然后根据术前测量出下肢力线所需矫正度数，在胫骨平台关节面下2 cm、与胫骨平台平行平面由外向内钻入2枚克氏针，透视下确认克氏针位置及深度适中，摆锯片沿克氏针平面切割胫骨至对侧皮质内面，改用细克氏针行胫骨对侧皮质钻孔(微骨折)，避免对合时出现对侧胫骨皮质的完全骨折。按术前测量的所需矫正度数于外侧高位胫骨处截除一楔形骨块(图2)，缓慢对合胫骨上下截骨平面，确认无明显回弹，克氏针临时固定。髂前上嵴至踝关节中点连线放置力线杆，反复透视、截骨直至下肢力线达到术前测量的所需矫正度数，放置钢板于合适位置并拧入螺钉固定，放置引流管，闭合切口。

1.5.3 术后功能锻炼两组病例均于术后第1天开始行踝泵运动及股四头肌等长收缩锻炼，术后第2天拔除切口引流管后开始行渐进性膝关节屈伸运动，术后2周膝关节活动度达到0°-0°-90°，术后3个月开始部分负重，复查X射线出现骨性愈合时可完全负重。

1.6 主要观察指标 ①记录每例的手术时间；②术中C形臂透视次数及出血量(术中实际出血量+术后2 d切口引流量)；③术后1个月患侧下肢力线角度；④术后1，3，6，12，24个月的患膝美国特种外科医院(hospital of special surgery，HSS)评分(分值越高说明功能越好)。

1.7 统计学分析利用SPSS 17.0统计软件进行数据分析，计量资料采用x(_)±s表示，组间比较采用独立样本t 检验，重复测量计量资料比较采用配对t 检验，计数资料组间比较采用χ²检验，以P < 0.05表示差异有显著性意义。

讨论

高位胫骨截骨是治疗早期单纯内侧间室膝关节骨关节炎行之有效的术式^[5-9]，高位胫骨截骨包括内侧开放与外侧闭合截骨两种术式，有研究报道这两种术式有相应的并发症^[10-16]，但近期、远期临床疗效没有差异。3D打印已广泛应用于医学领域，有研究报道3D打印截骨模块可精确指导全膝关节置换及内侧开放高位胫骨截骨术中截骨^[17-18]。目前3D打印技术在外侧闭合高位胫骨截骨较少研究报告，故此次研究选用外侧闭合截骨这一术式。

此次研究发现，3D打印截骨辅助下行高位胫骨截骨，术后24个月内的膝关节HSS评分、术后1个月的患肢力线较术前明显改善，说明个性化3D打印截骨可以辅助高位胫骨截骨术中精准截骨，术后疗效满意；对比传统截骨方法，3D打印截骨辅助下行高位胫骨截骨可更能缩短手术时间，减少术中出血量及透视次数。

在术后并发症方面，个性化3D打印截骨组与传统截骨组均有2例出现截骨处的延迟愈合，所有病例末次随访时均达到骨性愈合，延迟愈合可能与胫骨对侧皮质断裂及术中锯片切割产生的高温有关，而高愈合率则与患者年龄的选择、胫骨内侧皮质的保留、截骨平面的良好对合及TomoFix LHT锁定钢板的坚强内固定等因素相关^[19]。此次研究两组中各有1例术后出现腓神经麻痹(3D打印截骨组：1/21，4.8%、传统截骨组：1/26，3.85%)，经过营养神经、功能锻炼后，症状均得到明显缓解，因术中腓骨截骨是在腓神经低危险区进行，出现腓神经麻痹的主要原因是术后肢体肿胀导致的腓神经间接损伤，而神经连续性存在，故具有可逆性，这也验证了在小腿中部外侧腓神经低危险区(腓骨头下15 cm以远)行腓骨截骨的安全性，术中需观察骨间膜的张力，必要时可予适当松解，术后应抬高患肢、消肿处理，注意观察患肢肿胀及感觉、运动情况，避免骨筋膜间室综合征和腓神经损伤。21例个性化3D打印截骨病例未出现术后感染情况，而传统截骨组中有1例术后出现切口红肿、渗液，分泌物细菌培养阳性，经扩大清创、抗感染治疗后愈合，出现术后切口感染可能的可能原因是术中操作时间长，皮瓣长时间牵拉受压而影响血运，以及术中C形臂反复透视和人员频繁走动引起的术野污染可能。

综上所述，个性化3D打印技术辅助行外侧闭合楔形高位胫骨截骨，虽然延长了术前准备时间并一定程度上增加了患者的经济负担，但可精确、简便辅助术中截骨，避免传统截骨术中的反复透视，缩短手术时间，减少术中出血及可能的术后感染等并发症，其治疗合并内翻畸形的早期单纯内侧间室膝关节骨关节炎的近期临床疗效满意，但远期效果还有待进一步的大样本随访。

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

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