引用本文： 陳國仙, 李國山, 林宗錦, 陳宣煌, 翁振, 許國松, 曾清東, 鄭祖高, 張國棟, 余正希. 3-D打印技術輔助脛骨高位截骨術治療膝內翻畸形骨關節炎的療效觀察. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(4): 407-411. doi: 10.7507/1002-1892.20160082 復制
人正常膝關節外側脛股關節承擔25%～40%負荷，內側脛股關節承擔60%～75%負荷[1]。當膝內翻畸形時，下肢負重力線經過膝關節內側脛股關節面，使身體負荷集中于內側關節面，而內側脛股關節面因長期受到過度壓力及摩擦力會發生膝關節內側軟骨磨損，進一步導致膝內翻畸形加重，形成惡性循環，從而引起膝關節內側間室骨關節炎，影響患者正常生活。Jackson等[2]于1961年首次報道了脛骨高位截骨術（high tibial osteotomy，HTO），臨床應用表明其能有效治療伴內翻畸形的膝關節骨關節炎[3-4]。HTO術中截骨主要依據術前X線片測量以及醫師臨床經驗，術中通過反復透視矯正下肢力線，截骨精確度有限，影響了HTO療效。目前3-D打印技術已應用于骨科領域，主要涉及實物模型制作、手術輔助材料打印、內植物打印等[5-8]。國內有關3-D打印技術輔助截骨矯正畸形方面的臨床研究報道較少。經莆田市第一醫院倫理委員會批準，我們采用3-D打印技術制備截骨模塊，用于輔助HTO治療膝內翻畸形骨關節炎，探討3-D打印技術輔助HTO的可行性，為臨床精準化、個性化HTO治療膝關節骨關節炎提供一種方法。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：①年齡≤60歲；②膝內翻畸形僅位于脛骨側，內翻角度10～25°；③膝關節屈伸活動范圍>90°；④主要臨床表現為膝關節內側疼痛，經保守治療無效。排除標準：①患膝屈曲畸形>10°；②嚴重髕股關節炎；③膝關節外側間隙狹窄（間隙 <3mm）；④膝關節內側關節間隙寬度小于正常寬度的2/3。2014年1月－2015年6月，共16例（20膝）膝內翻畸形骨關節炎患者符合選擇標準納入研究，患者均簽署知情同意書。
1.2 一般資料
本組男6例，女10例；年齡30～60歲，平均45.5歲。病程1～10年，平均6.2年。單膝12例，左膝5例、右膝7例；雙膝4例。骨關節炎按照Koshino分級標準：Ⅰ級3膝，Ⅱ級7膝，Ⅲ級8膝，Ⅳ級2膝。術前美國特種外科醫院（HSS）評分為（63.8± 2.2）分。攝雙下肢全長及膝關節側位X線片，測量股脛角（femorotibial angle，FTA）為（184.8±2.9）°，髕骨高度Insall-Salvati指數（IS指數）[9]為1.03±0.13。
1.3 截骨模塊制備
術前常規行雙下肢CT掃描檢查，將所獲數據以Dicom格式導入Mimics軟件（Materialise公司，比利時），對下肢骨骼進行三維重建后以STL格式保存分析。
1.3.1 確定外側楔形閉合角度
本組手術采用Miniaci法分析下肢力線，確定脛骨高位截骨冠狀位楔形閉合的矯正角度。楔形截骨交匯點位于脛骨近端干骺端內側皮質，在內側平臺軟骨下硬化區下方約25 mm。以擬定的交匯點作為閉合角頂點，于脛骨近端設計閉合角度。
1.3.2 確定三平面截骨平面位置
第1缺口平面即脛骨近端外側下方截骨平面，截骨最低點位于脛骨結節中下1/3處外側；根據術前下肢力線Miniaci法分析所得冠狀位需要矯正角度進行第2平面截骨，即脛骨近端外側上方截骨平面，注意保留脛骨近端內側骨皮質，維持脛骨內側軟組織完整；術前分析脛骨平臺后傾角度大小，通過第1、2截骨矢狀位平面 的截骨量來調整脛骨平臺后傾角度；第3缺口平面位于矢狀位，即脛骨結節后方斜向上的截骨平面。
1.3.3 設計截骨導航模板
確定截骨平面后，模擬截骨矯形驗證下肢力線恢復情況；沿截骨平面導入截骨定位孔，根據模擬截骨角度制作擺鋸截骨槽。通過截骨定位孔和截骨槽提取截骨部位表面點云數據，作抽殼處理（厚度為3.0 mm）。將抽殼后的模板與截骨定位孔及擺鋸截骨槽進行裝配，最終獲得截骨定位導航模板，并以STL格式導入3-D打印配套軟件Makerware（Maker Bot公司，美國）。以聚乳酸作為打印材料，采用Replicator-2 3-D打印機（Maker Bot公司，美國）制備脛骨截骨導航模板。將獲得的模板進行后處理，去除殘余支撐，并行光固化處理以增強物理性能。術前進行低溫等離子消毒。
1.4 手術方法
所有手術均由同一組醫生完成。患者于蛛網膜下腔阻滯麻醉聯合持續硬膜外麻醉下，大腿根部上充氣式止血帶。于腓骨頭下15 cm處[11]沿腓骨長軸作3～4 cm切口，顯露腓骨，用小擺鋸截除長度約2cm腓骨。作膝關節前外側弧形切口，骨膜下剝離脛骨上端，將3-D打印輔助截骨導航模板緊密貼附于脛骨表面，根據模板確定截骨部位及截骨量后截骨，注意保護脛骨后側軟組織。截骨后將截骨遠端進行外翻、旋轉操作，透視確認下肢力線良好后植入克氏針臨時固定，放置Tomofix鎖定鋼板（Synthes公司，美國）并螺釘固定。切口內放置引流管后關閉，彈力繃帶加壓包扎。
1.5 術后處理
術后抬高患肢，觀察患肢腫脹及末梢血運，48 h后拔除引流管。術后第1天開始下肢直腿抬高、主動膝關節屈伸功能鍛煉。單膝HTO患者6周后可扶雙拐下地患肢部分負重行走，雙膝HTO患者8周后開始部分負重行走；待X線片復查示截骨處骨性愈合后可完全負重。
1.6 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用配對t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
患者術后切口均Ⅰ期愈合，無感染、骨筋膜間室綜合征、下肢深靜脈血栓形成等并發癥發生。16例均獲隨訪，隨訪時間6～18個月，平均12.6個月。1 例（1膝）術后出現腓神經麻痹癥狀，給予口服彌可保營養神經治療，6個月后癥狀緩解。X線片復查示，本組截骨處均骨性愈合，愈合時間2.7～3.4個月，平均2.9個月；其中2例（2膝）延遲愈合，愈合時間分別為3.3、3.4個月；患者下肢力線均恢復良好。術后6個月FTA為（173.8±2.0）°，與術前比較差異有統計學意義（t=11.70，P=0.00）；髕骨高度IS指數為1.04±0.12，與術前比較差異無統計學意義（t= —0.20，P=0.85）；膝關節HSS評分為（88.9±3.1）分，與術前比較差異有統計學意義（t= —25.44，P=0.00）。末次隨訪時，根據HSS評分標準評定療效：優13膝，良6 膝，可1膝，優良率為95%。見圖 1。
圖1
患者，女，46歲，雙膝內翻畸形骨關節炎 ? 術前雙下肢全長X線片 ? Mimics軟件中設計帶釘道截骨導航模板 ? 術中截骨導航模板緊貼脛骨，輔助精確截骨 ? 術后3 個月X線片示脛骨截骨處達骨性愈合 ? 術后6個月雙下肢全長X線片示下肢力線恢復良好
Figure1.
A 46-year-old female patient with bilateral varus knees with osteoarthritis ? Preoperative X-ray film of double lower limbs ? The cutting block with nails designed in Mimics software ? Cutting block clung to the tibia during operation to guide bone cutting ? X-ray film at 3months after operation,showing osseous healing ? X-ray film of double lower limbs at 6 months after operation,showing good recovery of lower extremity force line
3 討論
HTO治療膝內翻畸形骨關節炎是通過改變下肢不良力線，使膝關節內異常應力重新分布，降低內側脛股關節面壓力，解除患者內側膝疼痛癥狀，從而進一步延緩膝關節骨關節炎的發展[12-13]。術中精準截骨、恢復良好下肢力線是影響HTO療效的主要因素。傳統HTO術中截骨量和截骨位置的確定主要依靠醫生臨床經驗，根據術前X線片初步測量以及術中多次透視逐漸調整，以獲得滿意的術后下肢力線，存在輻射傷害大、手術時間長、骨量丟失增加、圍手術期出血量增多及一系列術后并發癥等問題，影響HTO術后療效[14]。對于HTO術中如何精確閉合楔形高位脛骨截骨、恢復良好下肢力線，仍是臨床研究方向。
3-D 打印技術已逐漸應用于骨科各領域，包括脊柱內固定[15]、骨腫瘤[16]、復雜創傷骨折[17]、關節外科[18]等。其通過術前重建3-D模型，可直觀、詳細地顯示手術部位解剖結構，還可對手術部位解剖進行數字化分析以及模擬手術，提高手術精確度及安全性。王均等[19]采用3-D打印技術輔助創傷性膝內翻畸形矯正，結果顯示截骨精確性顯著提高，可獲得更好的下肢力線。本組術前通過CT掃描數據三維重建膝關節模型，直觀評價膝內翻畸形情況；術前通過數字化分析，在冠狀位和矢狀位設計截骨角度和方向，并采用3-D打印技術制備截骨定位導航模板；術中根據截骨導航模板輔助精確截骨，經透視確認下肢力線良好，末次隨訪時膝關節功能優良率達95%，提示3-D打印截骨導航模板可輔助HTO術中精確截骨，獲得滿意療效。
術后患者截骨處均達骨性愈合，我們認為與以下因素有關：①患者年齡30～60歲，平均45.5歲，骨愈合能力強。②研究報道[20]如在脛骨結節以遠截骨，截骨處松質骨含量明顯減少，血運變差，容易造成骨不愈合或延遲愈合；若在脛骨結節之上截骨，畸形矯正有限，固定骨折不方便，還會引起髕腱攣縮和髕骨低位，從而影響膝關節術后功能恢復。本組選擇改良截骨部位為脛骨結節中下1/3，此部位最靠近松質骨區，又對髕骨高度無明顯影響，術后6個月髕骨高度IS指數與術前比較差異無統計學意義，進一步明確此部位截骨不影響髕腱功能。③術中注重保留脛骨內側截骨合頁。④外側使用Tomofix鎖定鋼板固定，為截骨處的骨愈合提供了穩定結構。
本組1例（1膝）術后出現腓神經麻痹并發癥，經對癥處理后癥狀緩解。通常認為HTO術后并發腓神經損傷包括直接損傷和間接損傷兩種。本組腓骨截骨選擇腓神經解剖相對安全部位（腓骨頭下15cm 以遠）進行，可避免直接損傷腓總神經及其肌支[11]；但術中脛骨和腓骨的截骨平面不同，在矯正畸形程度較大時，易導致小腿前側單間室的骨筋膜室綜合征，出現腓神經間接損傷癥狀。所以術中應注意觀察截骨后骨間膜張力，必要時術中可行松解，術后注意抬高患肢，密切觀察患肢腫脹、感覺以及血運情況，及時對癥處理，避免骨筋膜間室綜合征和腓神經間接損傷發生。此外，術中在楔形閉合截骨斷端時，應注意截骨斷端前后緣對合和脛骨平臺后傾問題。
綜上述，3-D打印截骨導航模板可輔助HTO術中精確截骨，避免術中反復透視和多次截骨，從而減少輻射，理論上縮短手術時間，降低感染和周圍組織損傷風險，獲得滿意療效。但本組患者隨訪時間較短，其遠期療效還需進一步隨訪評價。
人正常膝關節外側脛股關節承擔25%～40%負荷，內側脛股關節承擔60%～75%負荷[1]。當膝內翻畸形時，下肢負重力線經過膝關節內側脛股關節面，使身體負荷集中于內側關節面，而內側脛股關節面因長期受到過度壓力及摩擦力會發生膝關節內側軟骨磨損，進一步導致膝內翻畸形加重，形成惡性循環，從而引起膝關節內側間室骨關節炎，影響患者正常生活。Jackson等[2]于1961年首次報道了脛骨高位截骨術（high tibial osteotomy，HTO），臨床應用表明其能有效治療伴內翻畸形的膝關節骨關節炎[3-4]。HTO術中截骨主要依據術前X線片測量以及醫師臨床經驗，術中通過反復透視矯正下肢力線，截骨精確度有限，影響了HTO療效。目前3-D打印技術已應用于骨科領域，主要涉及實物模型制作、手術輔助材料打印、內植物打印等[5-8]。國內有關3-D打印技術輔助截骨矯正畸形方面的臨床研究報道較少。經莆田市第一醫院倫理委員會批準，我們采用3-D打印技術制備截骨模塊，用于輔助HTO治療膝內翻畸形骨關節炎，探討3-D打印技術輔助HTO的可行性，為臨床精準化、個性化HTO治療膝關節骨關節炎提供一種方法。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：①年齡≤60歲；②膝內翻畸形僅位于脛骨側，內翻角度10～25°；③膝關節屈伸活動范圍>90°；④主要臨床表現為膝關節內側疼痛，經保守治療無效。排除標準：①患膝屈曲畸形>10°；②嚴重髕股關節炎；③膝關節外側間隙狹窄（間隙 <3mm）；④膝關節內側關節間隙寬度小于正常寬度的2/3。2014年1月－2015年6月，共16例（20膝）膝內翻畸形骨關節炎患者符合選擇標準納入研究，患者均簽署知情同意書。
1.2 一般資料
本組男6例，女10例；年齡30～60歲，平均45.5歲。病程1～10年，平均6.2年。單膝12例，左膝5例、右膝7例；雙膝4例。骨關節炎按照Koshino分級標準：Ⅰ級3膝，Ⅱ級7膝，Ⅲ級8膝，Ⅳ級2膝。術前美國特種外科醫院（HSS）評分為（63.8± 2.2）分。攝雙下肢全長及膝關節側位X線片，測量股脛角（femorotibial angle，FTA）為（184.8±2.9）°，髕骨高度Insall-Salvati指數（IS指數）[9]為1.03±0.13。
1.3 截骨模塊制備
術前常規行雙下肢CT掃描檢查，將所獲數據以Dicom格式導入Mimics軟件（Materialise公司，比利時），對下肢骨骼進行三維重建后以STL格式保存分析。
1.3.1 確定外側楔形閉合角度
本組手術采用Miniaci法分析下肢力線，確定脛骨高位截骨冠狀位楔形閉合的矯正角度。楔形截骨交匯點位于脛骨近端干骺端內側皮質，在內側平臺軟骨下硬化區下方約25 mm。以擬定的交匯點作為閉合角頂點，于脛骨近端設計閉合角度。
1.3.2 確定三平面截骨平面位置
第1缺口平面即脛骨近端外側下方截骨平面，截骨最低點位于脛骨結節中下1/3處外側；根據術前下肢力線Miniaci法分析所得冠狀位需要矯正角度進行第2平面截骨，即脛骨近端外側上方截骨平面，注意保留脛骨近端內側骨皮質，維持脛骨內側軟組織完整；術前分析脛骨平臺后傾角度大小，通過第1、2截骨矢狀位平面 的截骨量來調整脛骨平臺后傾角度；第3缺口平面位于矢狀位，即脛骨結節后方斜向上的截骨平面。
1.3.3 設計截骨導航模板
確定截骨平面后，模擬截骨矯形驗證下肢力線恢復情況；沿截骨平面導入截骨定位孔，根據模擬截骨角度制作擺鋸截骨槽。通過截骨定位孔和截骨槽提取截骨部位表面點云數據，作抽殼處理（厚度為3.0 mm）。將抽殼后的模板與截骨定位孔及擺鋸截骨槽進行裝配，最終獲得截骨定位導航模板，并以STL格式導入3-D打印配套軟件Makerware（Maker Bot公司，美國）。以聚乳酸作為打印材料，采用Replicator-2 3-D打印機（Maker Bot公司，美國）制備脛骨截骨導航模板。將獲得的模板進行后處理，去除殘余支撐，并行光固化處理以增強物理性能。術前進行低溫等離子消毒。
1.4 手術方法
所有手術均由同一組醫生完成。患者于蛛網膜下腔阻滯麻醉聯合持續硬膜外麻醉下，大腿根部上充氣式止血帶。于腓骨頭下15 cm處[11]沿腓骨長軸作3～4 cm切口，顯露腓骨，用小擺鋸截除長度約2cm腓骨。作膝關節前外側弧形切口，骨膜下剝離脛骨上端，將3-D打印輔助截骨導航模板緊密貼附于脛骨表面，根據模板確定截骨部位及截骨量后截骨，注意保護脛骨后側軟組織。截骨后將截骨遠端進行外翻、旋轉操作，透視確認下肢力線良好后植入克氏針臨時固定，放置Tomofix鎖定鋼板（Synthes公司，美國）并螺釘固定。切口內放置引流管后關閉，彈力繃帶加壓包扎。
1.5 術后處理
術后抬高患肢，觀察患肢腫脹及末梢血運，48 h后拔除引流管。術后第1天開始下肢直腿抬高、主動膝關節屈伸功能鍛煉。單膝HTO患者6周后可扶雙拐下地患肢部分負重行走，雙膝HTO患者8周后開始部分負重行走；待X線片復查示截骨處骨性愈合后可完全負重。
1.6 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用配對t檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
患者術后切口均Ⅰ期愈合，無感染、骨筋膜間室綜合征、下肢深靜脈血栓形成等并發癥發生。16例均獲隨訪，隨訪時間6～18個月，平均12.6個月。1 例（1膝）術后出現腓神經麻痹癥狀，給予口服彌可保營養神經治療，6個月后癥狀緩解。X線片復查示，本組截骨處均骨性愈合，愈合時間2.7～3.4個月，平均2.9個月；其中2例（2膝）延遲愈合，愈合時間分別為3.3、3.4個月；患者下肢力線均恢復良好。術后6個月FTA為（173.8±2.0）°，與術前比較差異有統計學意義（t=11.70，P=0.00）；髕骨高度IS指數為1.04±0.12，與術前比較差異無統計學意義（t= —0.20，P=0.85）；膝關節HSS評分為（88.9±3.1）分，與術前比較差異有統計學意義（t= —25.44，P=0.00）。末次隨訪時，根據HSS評分標準評定療效：優13膝，良6 膝，可1膝，優良率為95%。見圖 1。
圖1
患者，女，46歲，雙膝內翻畸形骨關節炎 ? 術前雙下肢全長X線片 ? Mimics軟件中設計帶釘道截骨導航模板 ? 術中截骨導航模板緊貼脛骨，輔助精確截骨 ? 術后3 個月X線片示脛骨截骨處達骨性愈合 ? 術后6個月雙下肢全長X線片示下肢力線恢復良好
Figure1.
A 46-year-old female patient with bilateral varus knees with osteoarthritis ? Preoperative X-ray film of double lower limbs ? The cutting block with nails designed in Mimics software ? Cutting block clung to the tibia during operation to guide bone cutting ? X-ray film at 3months after operation,showing osseous healing ? X-ray film of double lower limbs at 6 months after operation,showing good recovery of lower extremity force line
3 討論
HTO治療膝內翻畸形骨關節炎是通過改變下肢不良力線，使膝關節內異常應力重新分布，降低內側脛股關節面壓力，解除患者內側膝疼痛癥狀，從而進一步延緩膝關節骨關節炎的發展[12-13]。術中精準截骨、恢復良好下肢力線是影響HTO療效的主要因素。傳統HTO術中截骨量和截骨位置的確定主要依靠醫生臨床經驗，根據術前X線片初步測量以及術中多次透視逐漸調整，以獲得滿意的術后下肢力線，存在輻射傷害大、手術時間長、骨量丟失增加、圍手術期出血量增多及一系列術后并發癥等問題，影響HTO術后療效[14]。對于HTO術中如何精確閉合楔形高位脛骨截骨、恢復良好下肢力線，仍是臨床研究方向。
3-D 打印技術已逐漸應用于骨科各領域，包括脊柱內固定[15]、骨腫瘤[16]、復雜創傷骨折[17]、關節外科[18]等。其通過術前重建3-D模型，可直觀、詳細地顯示手術部位解剖結構，還可對手術部位解剖進行數字化分析以及模擬手術，提高手術精確度及安全性。王均等[19]采用3-D打印技術輔助創傷性膝內翻畸形矯正，結果顯示截骨精確性顯著提高，可獲得更好的下肢力線。本組術前通過CT掃描數據三維重建膝關節模型，直觀評價膝內翻畸形情況；術前通過數字化分析，在冠狀位和矢狀位設計截骨角度和方向，并采用3-D打印技術制備截骨定位導航模板；術中根據截骨導航模板輔助精確截骨，經透視確認下肢力線良好，末次隨訪時膝關節功能優良率達95%，提示3-D打印截骨導航模板可輔助HTO術中精確截骨，獲得滿意療效。
術后患者截骨處均達骨性愈合，我們認為與以下因素有關：①患者年齡30～60歲，平均45.5歲，骨愈合能力強。②研究報道[20]如在脛骨結節以遠截骨，截骨處松質骨含量明顯減少，血運變差，容易造成骨不愈合或延遲愈合；若在脛骨結節之上截骨，畸形矯正有限，固定骨折不方便，還會引起髕腱攣縮和髕骨低位，從而影響膝關節術后功能恢復。本組選擇改良截骨部位為脛骨結節中下1/3，此部位最靠近松質骨區，又對髕骨高度無明顯影響，術后6個月髕骨高度IS指數與術前比較差異無統計學意義，進一步明確此部位截骨不影響髕腱功能。③術中注重保留脛骨內側截骨合頁。④外側使用Tomofix鎖定鋼板固定，為截骨處的骨愈合提供了穩定結構。
本組1例（1膝）術后出現腓神經麻痹并發癥，經對癥處理后癥狀緩解。通常認為HTO術后并發腓神經損傷包括直接損傷和間接損傷兩種。本組腓骨截骨選擇腓神經解剖相對安全部位（腓骨頭下15cm 以遠）進行，可避免直接損傷腓總神經及其肌支[11]；但術中脛骨和腓骨的截骨平面不同，在矯正畸形程度較大時，易導致小腿前側單間室的骨筋膜室綜合征，出現腓神經間接損傷癥狀。所以術中應注意觀察截骨后骨間膜張力，必要時術中可行松解，術后注意抬高患肢，密切觀察患肢腫脹、感覺以及血運情況，及時對癥處理，避免骨筋膜間室綜合征和腓神經間接損傷發生。此外，術中在楔形閉合截骨斷端時，應注意截骨斷端前后緣對合和脛骨平臺后傾問題。
綜上述，3-D打印截骨導航模板可輔助HTO術中精確截骨，避免術中反復透視和多次截骨，從而減少輻射，理論上縮短手術時間，降低感染和周圍組織損傷風險，獲得滿意療效。但本組患者隨訪時間較短，其遠期療效還需進一步隨訪評價。
