Three-dimensional printing technology applied in knee diseases: prosthesis matching and surgical planning

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0360

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional (3D) printing, as a new technology, has been extensively applied in bones, especially the surgeries of knee diseases. 3D printing significantly improves the disease diagnosis accuracy, success rate of surgery and patients’ satisfaction.

OBJECTIVE: To summarize the clinical outcomes and problems of 3D printing in the treatment of knee diseases.

METHODS: CNKI and PubMed databases were retrieved with the keywords of “3D printing, distal femur fracture, fracture of tibial plateau, knee osteoarthritis, knee tumor, joint replacement” in English and Chinese, respectively, for the articles published from July 1999 to July 2018. Totally 167 articles were searched, and finally 57 eligible articles were enrolled for review in accordance with the inclusion and exclusion criteria.

RESULTS AND CONCLUSION: 3D printing combined with CT and MRI can copy any complex structures and a fully matched prosthesis. Its application in the arthroplasty of distal femoral fracture, tibial plateau fractures, knee osteoarthritis, bone tumors has remarkably improved the postoperative patients’ satisfaction and

reduced the postoperative complications. It plays an important role in helping the communication between doctors and patients, increasing the diagnosis accuracy, preoperative planning and individualized treatment.

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

Key words: Imaging, Three-Dimensional, Knee Joint, Arthroplasty, Replacement, Tissue Engineering

CLC Number:

R318

Huang You-yi, Yuan Wei. Three-dimensional printing technology applied in knee diseases: prosthesis matching and surgical planning [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(27): 4417-4422.

Figures/Tables 1

2.1 3D打印技术 3D打印技术是通过电脑虚拟建模，利用熔融沉积成型、激光固化等技术，使粉末状或液态的可黏合的材料通过逐层打印的方式来构建实物模型的过程[9-10]。3D打印制造过程与减材制造的过程截然相反，故又称增材制造。 2.1.1 3D打印技术的发源 “3D打印”一词源自汽车和航空航天工业的研发实验室，该技术始于20世纪80年代[11-12]。进入21世纪，3D打印技术作为一项集光/机/电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术，广泛应用于汽车武器制造、飞行器制造、生物医疗等领域[13]。 2.1.2 3D打印技术在骨科领域的应用现状中国医疗行业中3D打印技术主要体现在帮助医患沟通，精准的制造医疗模型，提高病情的诊断和规划手术方案[14]。随着人们对医疗领域中诊断水平和治疗技术要求的不断提升，使得3D打印技术在医疗领域有了光明的发展前景[15]。骨科中3D打印技术的应用主要体现在1∶1模型的制造，手术辅助器械及个体化精准化移植物的制造[16]。创伤骨科：粉碎性骨折是创伤骨科中最为严重的骨折类型，此种骨折常由巨大暴力引起，采用普通影像学辅助诊断效果不理想[17]。通过3D打印技术打印出的骨折模型，可使医生和患者对损伤结构有更清晰的认识，从而确定最合理的手术方案[18]。还可以在模型上进行手术预演，有助于熟练手术的操作，进而缩短手术时间和不必要的创伤[19]。矫形骨科：由于畸形患者的解剖结构与正常人差异很大，所以现存矫形骨科的手术创伤往往较大，手术时间较长，术中出血多。并且如果术者对于术中的突发情况不能很好的应对，可能延长手术时间或者增加手术的风险。因此术前通过3D打印将模型打印出来，通过模型的手术演练可以预测一些突发状况，进而减少手术时间，降低手术的危险系数[20]。关节骨科：关节置换已经成为治疗严重关节疾病的首选方案，而现存关节置换术常常需要通过扩大手术切口，增加植骨量或增减植入物尺寸等的方式来解决假体与患者匹配性低的问题。为此，3D打印技术可根据患者实际情况订制针对患者个体的置换物，使之与个体匹配，显著增加了患者对手术的满意度。肿瘤骨科：现在恶性骨肿瘤的治疗方式主要是大面积截除肿瘤骨，但是当截除肿瘤骨的面积相当大时，常规的植骨术难以填充缺损，导致匹配度较差。而由于3D打印技术在该领域的应用，为恶性骨肿瘤的治疗开辟了新的道路[14]。3D打印技术可以在术前通过对肿瘤骨面积的测量，定制个体化的植入物，而且术者还可以通过对肿瘤部位模型的直接把握，全方位了解解剖关系，进而提高肿瘤完全切除的成功率。 2.2 膝关节疾病的治疗现状及可能出现的并发症 2.2.1 股骨远端骨折股骨远端骨折是一种罕见且损伤严重的骨折，占所有骨折的0.4%，股骨骨折的3%。在经典的双峰分布中，青年男性(30-40岁)和老年女性(大于70岁)呈现频率高峰，目前认为创伤和事故是引起上述情况的原因[22])。所有类型的关节内骨折的治疗目的都是实现解剖复位和稳定性，从而实现早期康复[23]。对于关节外骨折可以采用包括微创手术在内的一系列治疗方案，但如果发生关节内骨折，应进行切开解剖复位和钢板内固定[24]。保守治疗方法需要长期制动，存在难以维持复位的缺点，导致了很多并发症的发生，主要包括骨不愈合、延迟愈合、畸形愈合、肺部感染或者下肢静脉血栓等。由于股骨远端的解剖结构的特殊性，只有手术治疗才能固定骨折。各固定术都有优势和不足，术者需要根据患者骨折的类型，损伤的严重程度和患者自身的状况选择最佳的内固定方式。对于A型骨折，任何一种固定方式都能取得较好的术后效果；对于B型骨折拉力螺钉或解剖钢板固定就可以获得理想效果；C型骨折，解剖钢板内固定方式是最理想的固定方式。只有选择最佳的治疗方式，才能对骨折的愈合起到事半功倍的效果。对骨折部位的精确定位是股骨远端钢板固定的前提，因此任何角度和方向的偏差，都将导致钢板定位不准确，从而出现骨折畸形愈合或使固定处再次移位。严重的股骨远端粉碎性骨折，手术范围大，血运损坏严重，关节面复位困难，导致术后不能早期进行功能锻炼而增加了膝关节僵硬的发生危险。这些并发症的发生大多是由于术者对骨折部位解剖结构把握不清，术中不能很好地解剖复位，从而导致钢板和螺钉没能在最适位置植入。 2.2.2 胫骨平台骨折胫骨平台骨折占所有骨折的1%，通常是由创伤导致，例如高处跌落，高速机动车事故以及枪械射击[25]。胫骨平台的复杂骨折必须根据AO原则进行治疗，包括解剖复位，绝对稳定的固定，软组织损伤的修复以及运动自由[26]。非手术治疗对于低能量的损伤效果明显，但是对于高能量损伤效果不是很理想。对于软组织损伤严重的开放性骨折，暂时跨越外固定可作为高能量和轴向不稳定胫骨平台骨折的分阶段管理的一部分，以降低伤口并发症的风险[27]。切开复位内固定仍然是治疗胫骨平台骨折的主要手段[28]。钢板内固定手术侧重固定的稳定性，忽略了骨的生物学因素，创伤较大，导致膝关节疼痛和僵硬。微创内固定系统是锁定板的代表，该锁定板提供板和螺钉之间的多个固定角度接触，旨在减少角度畸形的发生，允许关节的早期主动运动[29]。关节镜辅助复位内固定是治疗胫骨平台骨折的一种可靠有效且安全的方法[30]。关节镜辅助复位内固定的优点在于关节镜直视下对骨折处准确复位，使半月板和韧带损伤的诊断和治疗更加容易，并且术中通过大量液体对关节腔进行了全方位的灌洗，使得关节腔内松散的骨碎片被完全清除[31]。球囊扩张成形术作为一种微创新技术，可以使破坏的胫骨平台恢复解剖结构[32]。对于特别复杂和严重的胫骨平台骨折，加之手术术野和X射线照射角度不佳，对骨折类型和骨折部位解剖把握不清，即使切开也很难实现精确解剖复位，从而导致延迟愈合、畸形愈合、创伤性关节炎等。单侧钢板的固定对于复杂的骨折固定效果较差，另外由于不能早期进行功能锻炼常诱发膝关节粘连、关节僵硬。 2.2.3 膝骨关节炎是一种多见的慢性进行性骨关节病，好发于中老年人群[33]。随着人口的老龄化，其发病率不断上升，因此对此病的治疗显得尤为重要。药物在膝骨关节炎的治疗中扮演着重要角色，常用的药物有：解热镇痛药：如对乙酰氨基酚[34]；非类固醇类抗炎药：如吲哚美辛，阿司匹林等[35]；软骨类营养药物：如硫酸萄糖胺硫酸软骨素及戊聚糖多硫酸钠等[36]；关节腔内注射药：如糖皮质激素和玻璃酸钠等[37]。另外，手术也在膝关节骨性关节炎的治疗中起重要作用，主要手术治疗方法有：关节镜手术，通过关节镜下的关节清理、冲洗和游离体摘除可减少关节的进一步损伤，达到部分缓解症状的目的，但操作不当容易损伤正常组织[38]；截骨术，截骨可改善受力的分布及关节力线，起到止痛和提高关节运动功能的效果；关节融合术，可使病变关节在功能位融合，并且使关节达到无痛，负荷平衡的效果[39]；全膝关节置换，被认为是骨性关节炎晚期最彻底有效的治疗手段，但是术后容易发生多种局部和全身性的并发症[40]。 2.2.4 膝关节肿瘤骨肿瘤在膝关节部位发病率高达50%，严重影响患肢的功能。其治疗方法从20世纪70年代的截肢治疗发展到现在的保肢治疗，保肢手术成功率得到极大提高，患者术后的生活质量得到了改善[41]。但是由于传统肿瘤假体与植入部位的不完全匹配，导致多种并发症的发生，如无菌性松动、脱位、假体组件的断裂及假体周围骨折等。大多数患者需要二次翻新手术，但由于手术的难度大，患者5年生存率为57%-93%[42]。 2.3 3D打印技术在膝关节疾病治疗中的应用目前3D打印最直接的临床应用是术前规划，术中指导和定制植入物。 2.3.1 股骨远端骨折由于股骨远端骨折的骨折线临近干骺端和关节面，可损伤关节面进而改变下肢力线，严重影响患者术后的行走功能[43]。并且由于损伤机制的不同导致了骨折类型的多样化，加之膝关节解剖结构复杂，给手术治疗带来了很大困难。因此只有对骨折部位有深入细致的理解才能准确的确定骨折分型，从而进一步确定个性化的治疗方案[44]。首先术前对膝关节进行64排CT扫描，将扫描数据以DICOM格式保存，将扫描的CT数据通过Mimics软件处理并构建三维模型。之后将DICOM数据转化成STL格式数据，导入3D打印机，打印出1∶1的股骨远端骨折模型，就可以从模型上直观的观察骨折线以及各个骨折块的移位和旋转角度，对移位骨折块之间的距离进行实际的测量，一方面可以明确骨折类型，指导术者选择最佳的手术治疗方案，预测术中可能存在的问题和突发状况，提早做出预案降低手术风险；另一方面可以借助模型进行手术方案的预演，根据骨折的类型确定效果最好的手术入路，根据确定的手术复位方案依次复位骨折块，利用胶水粘合，根据复位后的模型选择合适的钢板尺寸，对其进行术前预弯，依照既定的钢板位置选择螺钉的最佳植入位置、方向，并确定好螺钉的植入长度。如果钢板和螺钉与骨折端没有很好的匹配时，临床医生甚至可以打印出个性化的钢板和螺钉，不再需要大量的备选器材，大大节省了手术时间。手术时按照模拟时候的顺序和位置来复位移位的骨折块，临时克式针固定，然后贴附上预弯的钢板和螺钉牢固固定，放置引流管，最后逐层关闭切口。并且将消毒后的模型带入手术室，术中随时参考，可以减少使用X射线的次数，减少医生的射线损伤，而且术中模型的参考不仅降低了并发症还提高了手术的成功率[45]。需要关节置换的患者，可通过3D打印技术打印出个性化的植入物，精确植入，规避了传统植入物与残存结构不匹配问题，实现了患肢的最优化重建，使术后的恢复效果、假体的寿命都优于传统植入物置换[46]。 2.3.2 胫骨平台骨折传统的X射线、CT是胫骨平台骨折诊疗的主要依据，但是都不能提供骨折部位的准确信息。3D打印技术的应用，可以将骨折部位完整的打印出来，提供更直观清晰的实物模型，对手术的操作具有指导作用[47]。 Riesenkampff等[48]研究表明3D打印技术能帮助术者了解骨折块移位的方向和程度，为精确地复位提供了基础。以上述的同样方法，打印出1∶1实物模型，在骨折模型上进行手术复位预演，并确定好钢板的位置做好标记，进行术前预弯。依照既定的钢板位置选择螺钉的最佳植入位置、方向，并确定好螺钉的植入长度。手术时，选择合适的手术入路，恢复关节面的平整，对于塌陷的骨折处，在模型上提前确定好需要移植的骨量，避免二次取骨或取骨过多。术中按着模拟时候的顺序和位置恢复移位的骨折块，然后先用克式针临时固定，然后贴附上预弯的钢板和螺钉。放置引流管，逐层关闭切口。目前治疗复杂胫骨平台骨折以内固定为主，内固定的疗效与钢板和骨折部位的贴附匹配程度密切相关。3D打印技术辅助的胫骨平台内固定术使得个性化的接骨板被应用于手术中，此外还减少了传统手术时术中的测量时间和术中的出血量，提高了手术的安全性。 2.3.3 膝骨关节炎膝骨关节炎的主要症状为关节功能严重受损甚至丧失，常波及整个关节，症状的严重程度与疾病的进展成正相关关系[49]。药物治疗仅能减轻患者的临床症状的进展，而对于采取保守治疗效果不显著以及症状特别严重的患者，往往要依靠全膝关节置换来恢复关节面正常解剖结构并缓解疼痛[50]。Deschamps等[51]报告了行膝关节截骨和全膝关节置换治疗膝关节骨性关节炎的疗效，临床效果很理想。全膝关节置换前先行膝关节的64排CT断层扫描，将获得的结果导入计算机辅助软件Mimics，对下肢进行三维重建，将重建的模型数据信息导入计算机辅助软件，定位股骨、胫骨机械轴和内外侧平台线，根据机械轴确定截骨平面。根据建模的信息设计个体化的手术截骨模具，应用3D打印机打印出截骨模具。手术中，利用打印好的3D打印模具进行胫骨平台和股骨髁的个体化截骨，再安装股骨的假体、胫骨平台试模及两者之间的垫片，复位后活动膝关节，观察是否正常。取下试模，使用脉冲冲洗枪彻底冲洗，骨水泥涂抹，并安装术前打印好的个性化股骨、胫骨假体及垫片，行膝关节复位并检查伸屈、旋转活动，各方向活动正常、力线正常，然后留置负压引流管，逐层缝合。与计算机导航辅助的全膝关节置换相比，避免了打开股骨干的髓腔，减少了手术创伤和术中的大量出血，同时减少了脂肪栓塞的并发症。术者通过3D模型更准确的掌握病变膝关节的整体形态，还可以利用3D打印的截骨模具精确地确定截骨的平面、角度，保证了截骨的准确性，恢复下肢力线，减少并发症[52]。Daniilidis等[53]研究表明3D打印个体化截骨导板术后下肢力线偏差> 3°的为9.3%，传统截骨术的比例为21.2%。根据3D打印关节模型，相比X射线片、医生的经验和术中试验可更精准计划出人工假体型号大小、假体安放时的方向以及旋转调整的角度，其可以减少术中人工假体有效匹配时间，进一步提高手术安全性。 2.3.4 膝关节肿瘤 3D打印技术发展为这类患者带来了福音。其主要用于术前导航模板的打印继而辅助肿瘤的完整切除和打印个性化肿瘤假体更好的重建膝关节[54]。术前先行64排CT扫描双下肢和MRI增强扫描肿瘤部位。将CT和MRI扫描获得的结果导入计算机辅助软件Mimics，对下肢骨骼和肿瘤进行三维重建。同时还要对填补肿瘤切除后缺损部位的异体骨行CT扫描，以上述同样方法建立异体骨模型。然后通过Imageware软件将获得的下肢骨骼模型和肿瘤模型精确重叠结合，获得肿瘤骨骼整体的三维模型，通过此模型，精确地确定肿瘤的切除范围及根据下肢各种力线和角度的测量结果，确定截骨位置、角度。根据模型确立的肿瘤切除范围，初步设计肿瘤切除导航模板和异体骨精确填补缺损的轮廓修剪模型，将获得数据保存为STL文件，输入3D打印工具进行打印，根据Imageware软件中测量的参数进行膝关节假体模型的建立，将其与肿瘤切除后的模型比较，得到个性化的假体模型。术中用克氏针固定肿瘤切除导航模板，精确切除肿瘤，用脉冲枪冲洗创面和髓腔，再根据异体骨修剪轮廓模板修剪异体骨。如果此时是采用异体骨+钢板内固定方式治疗的可直接将异体骨植入骨缺损，用钢板内固定。采用异体骨+个性化假体治疗的，还需将异体骨与膝关节假体借助骨水泥进行粘合，然后植入此复合体并且重建内外侧副韧带等。通过3D打印的应用极大改善了术后关节功能，3D打印辅助下精确地肿瘤切除，避免了切除范围过小导致肿瘤复发和切除范围过大导致术后重建困难等并发症，增加了假体寿命，见表1。 2.4 3D打印技术应用的优势骨科中3D打印技术的应用，极大提高了医患沟通的效率，使患者对于自己的病情有了更直观的认识。通过模型的直接触摸，让医生对于疾病的诊断和治疗等方面都受益良多，降低了术后的并发症。 "

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