引用本文： 閆祥甲, 李彥林, 肖渝, 李龍滕. 三維數字化技術在膝關節置換中的應用. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(10): 1306-1310. doi: 10.7507/1002-1892.20160265 復制
獲得精確的下肢力線、正常的膝關節形態學及術中假體對位情況，是膝關節置換中至關重要的環節，若無法保證上述情況，則可能導致膝關節假體壽命縮短，假體松動、下沉，膝關節軟組織不平衡，膝關節運動學異常及術后長期膝前疼痛等并發癥[1-7]，從而引起手術失敗。假體的準確配對也是手術成功關鍵。雖然通過中長期臨床隨訪發現膝關節置換能夠獲得優良結果[8-9]，但臨床上仍存在著假體不匹配、力線糾正不良、膝關節不穩等情況。隨著醫學技術的進步及對生命科學研究的深入，計算機領域的先進技術已融入醫學領域，如今計算機數字化技術已與骨科手術技術充分融合，特別在關節置換領域的應用尤為廣泛。三維數字化技術屬于其中之一，該技術是將患者的CT、MRI、激光掃描等相關影像學資料導入計算機，并利用計算機圖像處理技術對影像學資料進行校準，以及對患者骨骼與假體的相關參數進行分析、測量。眾多學者已通過三維數字化技術分別對膝關節相關參數及角度、生物力學、膝關節假體選擇及設計等進行了研究。本文就近年來三維數字化技術在膝關節置換中的應用進行綜述。
1 三維數字化技術在膝關節形態學方面的應用
精確測量可提高膝關節置換成功率。膝關節置換中較傳統的測量方法，是取患膝正側位及全長X線片進行手工測量，但由于患者在拍攝X線片時可能存在患肢旋轉、屈曲及姿勢擺放不正確導致骨性標志輪廓不清晰，從而引起測量誤差[10-11]。另外，在退行性膝關節病變出現關節畸形或人工關節置換術后，股骨可能發生不同程度旋轉，例如膝內翻畸形的骨缺損一般出現在內側平臺后側，伸膝時股骨有內旋傾向；另一方面，股骨被肌肉所包圍，攝X線片時不易確定其解剖標志。而三維模型能充分暴露骨性標志，并可通過軟件任意旋轉，彌補了X線片上述不足。三維數字化技術能夠充分建立精確的膝關節形態學，且不受膝關節屈曲影響，降低了測量誤差。
許鵬等[12]利用膝關節三維模型對髁間窩頂長度、髁間窩寬度、內外髁寬度、髁間窩指數進行測量，并將測量值與尸體解剖測量值進行比較，發現差異并無統計學意義，說明三維數字化模型能夠準確反映實體標本信息。同樣，黃贊等[13]通過三維數字化模型獲得的股骨髁扭轉角與尸體標本測量結果也一致。Kuwano等[14]使用三維模型模擬膝關節置換術中不同度數下的脛骨平臺截骨，并對截骨厚度進行測量，結果發現以7°的脛骨平臺后傾角截骨更接近人體解剖脛骨平臺后傾角，而且他們認為外側解剖脛骨平臺后傾角對膝關節置換術中脛骨截骨更具有指導意義。曾有學者[15]在三維模型下對國人股骨遠端及脛骨近端的前后徑、內外徑進行測量，發現內外徑與前后徑比值存在變化，且測量結果也存在性別差異。但常用假體的內外徑與前后徑比值固定不變，因此國人膝關節形態學與常用假體則存在不匹配。若要減少國人膝關節置換術后并發癥發生率，就要針對國人進行合適的假體設計。Liu等[16]利用三維重建影像模型獲取我國北方成人股骨的外翻角為（6.20±1.20）°，并提出在對北方成年人群進行膝關節置換術時，選取6°外翻角可在重建人體下肢力線上獲得更好的術后效果，針對年長患者進行手術時則應選用更大的外翻角。Yue等[17]將國人與西方人膝關節形態學進行對比研究，發現國人與西方人在脛骨平臺后傾角、脛骨平臺前后徑、股骨前后徑及內外徑等方面存在著明顯差異。目前我國膝關節置換多采用國外假體，但因國人與西方人在膝關節相關角度上存在差異，從而導致國內膝關節置換手術成功率較低。因此若想提高膝關節置換手術成功率，建立國人膝關節形態學相關角度相當重要。國內外學者通過下肢CT或MRI等影像學數據建立三維模型，并對膝關節形態學相關角度進行測量，發現測量結果與尸體標本測量結果一致。由此可采用三維模型及計算機相關輔助測量軟件對國內正常人進行測量，并建立國內膝關節形態數據庫。這樣不僅避免了尸體標本獲取困難，也避免了測量條件的限制等不足。
2 三維數字化技術在膝關節有限元分析中的應用
有研究發現膝關節置換術后并發癥中，聚乙烯襯墊磨損、假體無菌性松動、膝關節不穩等，均與關節置換術后膝關節生物力學特性的改變有很大相關性[18-20]。學者們研究發現，聚乙烯襯墊的磨損及脛骨基座的疲勞失效，與關節面接觸應力大小分布、術后力線對線不良及骨缺損帶來的骨性支撐不足有直接關系[21-23]。有限元分析的基本原理是將連續的彈性體分割成有限個單元格，首先分別對單元格進行力學分析，最后進行整體分析。有限元分析已廣泛應用于各工程設計，目前已成為研究人體生物力學最常用的分析工具，并成為骨科仿真力學研究熱點。三維數字化技術及有限元分析的不斷發展及應用，使得國內外學者認識到了膝關節置換術后有關并發癥發生的原因。通過該技術進行術前規劃及術中指導，大大降低了膝關節置換術后相關并發癥發生率，彌補了傳統手術的不足。通過三維數字化技術模擬膝關節置換術，然后使用有限元分析可獲得聚乙烯墊片磨損的區域及其受力情況、不同型號假體匹配后的受力情況、旋轉平臺與固定平臺假體之間的有限元對比分析、膝關節活動中不同角度下的受力情況等。
姬林松等[24]利用三維數字化技術對不同型號假體進行匹配，并利用有限元生物力學分析假體接觸表面的應力變化情況，發現當股骨與脛骨假體出現型號不匹配時，股骨假體及聚乙烯墊片上受到的最大等效應力均會增加，尤其當股骨假體小于脛骨假體時，應力增加更明顯。他們認為在膝關節置換術中，當股骨與脛骨假體出現不匹配時，將會導致聚乙烯墊片磨損增加，從而降低假體使用壽命。他們也應用有限元技術對膝關節軟骨缺損處受力情況進行分析，認為軟骨缺損邊緣的應力均有不同程度升高，當軟骨缺損面積＜0.80 cm2時，缺損邊緣軟骨最大接觸應力升高并不明顯，但當軟骨缺損面積 ＞0.80 cm2時，缺損邊緣軟骨最大接觸應力升高較明顯[25]。Stoner等[26]研究發現，旋轉平臺襯墊與固定平臺襯墊相比有較輕的表面磨損，但兩者均在聚乙烯墊片內側后角受力較大。有研究采用膝關節三維有限元分析證實，旋轉平臺與固定平臺相比能夠增大聚乙烯墊片接觸面積，減少接觸應力[27-29]。同樣有學者[30]也通過有限元分析對單髁置換進行研究，發現單髁置換中的聚乙烯墊片受力主要分布于中央偏后區域，假體的內、外翻及后傾角度不同，將會導致聚乙烯墊片受力大小發生變化，其中內翻位時假體及聚乙烯墊片受力最嚴重。
運用三維數字化技術及有限元分析法從生物力學角度分析膝關節置換術后的應力分布情況，是通過計算機逼真、客觀、精確地模擬人體膝關節復雜運動并對其進行受力分析，該方法解決了之前可能由于尸體標本膝關節周圍軟組織損傷帶來的測量誤差及繁雜的操作問題；同時，有限元分析具有標本易獲取、操作可重復性及低成本性等優點，彌補了傳統測量方法中無法解決的一些問題。
3 三維數字化技術在膝關節置換術前及術中的應用
傳統膝關節置換術的術中定位、截骨角度、截骨量、假體大小、軟組織平衡等問題均取決于術者的臨床經驗及髓內外定位裝置，會大大影響手術的精確度。曾有文獻報道超過半數早期失敗病例與術中假體擺放不當、力線不合適有關[31-32]。膝關節置換術中，傳統手術方法需要打通髓腔，會增加髓腔壓力導致脂肪栓塞發生，術中多次定位也會延長手術時間并增加出血量，影響患者術后康復。而三維數字化技術可在術前建立患者膝關節模型及規劃截骨，并結合3-D打印技術打印個體化截骨導板，使用個體化截骨導板指導術中截骨。術前三維數字化模型能夠精確預測假體大小、術中截骨量及幫助術中規劃[33]。因此與傳統手術相比，三維數字化技術具有以下優勢：① 無需開髓，減少創傷；② 操作簡便、精確；③ 減少手術時間及出血量；④ 降低脂肪栓塞發生率；⑤ 3-D打印出病變關節易于與患者溝通；⑥ 術前導航可實現手術的個體化和精準化；⑦ 截骨及假體定位具有客觀依據，不再依靠術者經驗判斷；⑧ 降低手術失敗率，提高疾病治愈率。三維數字化技術自帶一定的虛擬手術功能，可以模擬膝關節置換手術過程，利用軟件可對重建后的模型進行旋轉、切割、分離，具有手術入路選擇、下肢力線分析等功能，在手術設計及手術預后評估等方面有較大作用。綜上，通過三維數字化技術制定術前規劃及進行術中指導，對提高手術成功率有著至關重要的作用[34-35]。
由于人體骨骼結構存在較大差異，標準型號假體不可能適用于所有患者，導致標準假體與患者骨骼之間往往不能達到絕對匹配。術前可利用三維數字化技術，通過對患者影像學資料進行分析，設計并制造與該患者骨骼解剖形態一致的個體化假體。與標準假體相比，個體化假體提高了骨骼與假體之間的匹配度，增加了假體的穩定性，減少了局部應力集中，從而避免了骨溶解及無菌性松動等導致的膝關節置換失敗。Sewell等[36]利用SMILES代碼進行膝關節重建，設計出與骨界面高度匹配的個體化膝關節假體，并將該假體應用于膝關節骨骼發育不良患者，術后隨訪發現在關節疼痛緩解、關節活動度恢復等方面均獲得較滿意效果。通過CT或MRI獲得的三維模型不會因髖關節或膝關節屈曲、旋轉而出現形態學異常，因此可應用三維模型對患者進行術前個性化規劃。Minns等[37]對膝關節置換術患者術前進行脛骨近端CT三維重建，發現通過測量三維重建后的脛骨平臺能夠精確得出脛骨假體安放位置及脛骨截骨量，他們認為三維重建不僅能建立精確的解剖圖像，更能為臨床醫生提供準確的術前指導。Amiri等[38]在全膝關節置換術中通過等中心3-D圖像技術測量假體植入前股骨旋轉力線及植入后假體力線，并將測量結果與CT掃描圖像測得數據進行對比，發現二者數據相當，但由于CT三維重建并不能直接應用于術中，因此他們認為等中心3-D圖像技術能夠更精確地進行術中指導。也有文獻報道[39]等中心3-D圖像技術不僅能夠提供精確的股骨旋轉力線，也能夠在術中提供精確的截骨量及截骨角度。Ettinger等[40]研究發現，在預測假體型號大小時，運用三維模型測量比二維圖像測量準確率更高，可達100%；并且三維模型測量及預測假體型號大小并不需要較高的臨床經驗。
4 小結與展望
隨著計算機技術的不斷發展及各種軟件的推廣，逆向工程已逐漸進入醫療衛生領域，從而使手術的精確性增加。數字化技術在臨床中的應用，使得大量臨床醫生認識到傳統手術的不足與缺陷。三維數字化技術是通過對患者患肢進行CT或MRI等影像學掃描，將所得數據通過逆向工程軟件重建出相關模型并進行測量，該方法能夠彌補傳統手術方法的不足。目前由于醫療資源、相關技術人員的不足及經濟發展的不均衡，三維數字化技術應用于膝關節置換術仍只在少數地區開展。
雖然三維數字化技術在膝關節置換術中有著諸多優點，但仍有不足之處：① 針對膝關節置換患者，多數存在膝關節周圍骨質形態的改變及骨贅形成，在利用計算機圖像處理技術對影像學資料進行處理時，可能因人為因素或計算機讀取誤差導致膝關節形態學的改變。② 有限元分析時需對膝關節模型進行單元格劃分，而單元格組成的網格無法完全替代真實的膝關節及假體形態，同時計算機對膝關節內每一個結構設置的彈性模量參數，也不能完全代表每一個結構的真實參數，因而得到的結果與真實情況存在差異。③ 膝關節的活動是在韌帶、骨、肌肉等共同參與下產生的綜合過程，在計算機模擬狀態下，只是對韌帶及肌肉設置為簡單的綁定接觸，從而忽略了軟組織對于膝關節活動時的作用。④ 膝關節的活動是多方向、多力學的變化，而在下肢生物力學分析中，計算機對膝關節的活動僅僅設置為一個簡單載荷，很難模擬真實情況的變化。④ 目前由于工程技術的問題，仍不能精確地打造出個體化假體。以上缺陷是醫學、工程力學、計算機學等交互醫學亟待解決的問題。
獲得精確的下肢力線、正常的膝關節形態學及術中假體對位情況，是膝關節置換中至關重要的環節，若無法保證上述情況，則可能導致膝關節假體壽命縮短，假體松動、下沉，膝關節軟組織不平衡，膝關節運動學異常及術后長期膝前疼痛等并發癥[1-7]，從而引起手術失敗。假體的準確配對也是手術成功關鍵。雖然通過中長期臨床隨訪發現膝關節置換能夠獲得優良結果[8-9]，但臨床上仍存在著假體不匹配、力線糾正不良、膝關節不穩等情況。隨著醫學技術的進步及對生命科學研究的深入，計算機領域的先進技術已融入醫學領域，如今計算機數字化技術已與骨科手術技術充分融合，特別在關節置換領域的應用尤為廣泛。三維數字化技術屬于其中之一，該技術是將患者的CT、MRI、激光掃描等相關影像學資料導入計算機，并利用計算機圖像處理技術對影像學資料進行校準，以及對患者骨骼與假體的相關參數進行分析、測量。眾多學者已通過三維數字化技術分別對膝關節相關參數及角度、生物力學、膝關節假體選擇及設計等進行了研究。本文就近年來三維數字化技術在膝關節置換中的應用進行綜述。
1 三維數字化技術在膝關節形態學方面的應用
精確測量可提高膝關節置換成功率。膝關節置換中較傳統的測量方法，是取患膝正側位及全長X線片進行手工測量，但由于患者在拍攝X線片時可能存在患肢旋轉、屈曲及姿勢擺放不正確導致骨性標志輪廓不清晰，從而引起測量誤差[10-11]。另外，在退行性膝關節病變出現關節畸形或人工關節置換術后，股骨可能發生不同程度旋轉，例如膝內翻畸形的骨缺損一般出現在內側平臺后側，伸膝時股骨有內旋傾向；另一方面，股骨被肌肉所包圍，攝X線片時不易確定其解剖標志。而三維模型能充分暴露骨性標志，并可通過軟件任意旋轉，彌補了X線片上述不足。三維數字化技術能夠充分建立精確的膝關節形態學，且不受膝關節屈曲影響，降低了測量誤差。
許鵬等[12]利用膝關節三維模型對髁間窩頂長度、髁間窩寬度、內外髁寬度、髁間窩指數進行測量，并將測量值與尸體解剖測量值進行比較，發現差異并無統計學意義，說明三維數字化模型能夠準確反映實體標本信息。同樣，黃贊等[13]通過三維數字化模型獲得的股骨髁扭轉角與尸體標本測量結果也一致。Kuwano等[14]使用三維模型模擬膝關節置換術中不同度數下的脛骨平臺截骨，并對截骨厚度進行測量，結果發現以7°的脛骨平臺后傾角截骨更接近人體解剖脛骨平臺后傾角，而且他們認為外側解剖脛骨平臺后傾角對膝關節置換術中脛骨截骨更具有指導意義。曾有學者[15]在三維模型下對國人股骨遠端及脛骨近端的前后徑、內外徑進行測量，發現內外徑與前后徑比值存在變化，且測量結果也存在性別差異。但常用假體的內外徑與前后徑比值固定不變，因此國人膝關節形態學與常用假體則存在不匹配。若要減少國人膝關節置換術后并發癥發生率，就要針對國人進行合適的假體設計。Liu等[16]利用三維重建影像模型獲取我國北方成人股骨的外翻角為（6.20±1.20）°，并提出在對北方成年人群進行膝關節置換術時，選取6°外翻角可在重建人體下肢力線上獲得更好的術后效果，針對年長患者進行手術時則應選用更大的外翻角。Yue等[17]將國人與西方人膝關節形態學進行對比研究，發現國人與西方人在脛骨平臺后傾角、脛骨平臺前后徑、股骨前后徑及內外徑等方面存在著明顯差異。目前我國膝關節置換多采用國外假體，但因國人與西方人在膝關節相關角度上存在差異，從而導致國內膝關節置換手術成功率較低。因此若想提高膝關節置換手術成功率，建立國人膝關節形態學相關角度相當重要。國內外學者通過下肢CT或MRI等影像學數據建立三維模型，并對膝關節形態學相關角度進行測量，發現測量結果與尸體標本測量結果一致。由此可采用三維模型及計算機相關輔助測量軟件對國內正常人進行測量，并建立國內膝關節形態數據庫。這樣不僅避免了尸體標本獲取困難，也避免了測量條件的限制等不足。
2 三維數字化技術在膝關節有限元分析中的應用
有研究發現膝關節置換術后并發癥中，聚乙烯襯墊磨損、假體無菌性松動、膝關節不穩等，均與關節置換術后膝關節生物力學特性的改變有很大相關性[18-20]。學者們研究發現，聚乙烯襯墊的磨損及脛骨基座的疲勞失效，與關節面接觸應力大小分布、術后力線對線不良及骨缺損帶來的骨性支撐不足有直接關系[21-23]。有限元分析的基本原理是將連續的彈性體分割成有限個單元格，首先分別對單元格進行力學分析，最后進行整體分析。有限元分析已廣泛應用于各工程設計，目前已成為研究人體生物力學最常用的分析工具，并成為骨科仿真力學研究熱點。三維數字化技術及有限元分析的不斷發展及應用，使得國內外學者認識到了膝關節置換術后有關并發癥發生的原因。通過該技術進行術前規劃及術中指導，大大降低了膝關節置換術后相關并發癥發生率，彌補了傳統手術的不足。通過三維數字化技術模擬膝關節置換術，然后使用有限元分析可獲得聚乙烯墊片磨損的區域及其受力情況、不同型號假體匹配后的受力情況、旋轉平臺與固定平臺假體之間的有限元對比分析、膝關節活動中不同角度下的受力情況等。
姬林松等[24]利用三維數字化技術對不同型號假體進行匹配，并利用有限元生物力學分析假體接觸表面的應力變化情況，發現當股骨與脛骨假體出現型號不匹配時，股骨假體及聚乙烯墊片上受到的最大等效應力均會增加，尤其當股骨假體小于脛骨假體時，應力增加更明顯。他們認為在膝關節置換術中，當股骨與脛骨假體出現不匹配時，將會導致聚乙烯墊片磨損增加，從而降低假體使用壽命。他們也應用有限元技術對膝關節軟骨缺損處受力情況進行分析，認為軟骨缺損邊緣的應力均有不同程度升高，當軟骨缺損面積＜0.80 cm2時，缺損邊緣軟骨最大接觸應力升高并不明顯，但當軟骨缺損面積 ＞0.80 cm2時，缺損邊緣軟骨最大接觸應力升高較明顯[25]。Stoner等[26]研究發現，旋轉平臺襯墊與固定平臺襯墊相比有較輕的表面磨損，但兩者均在聚乙烯墊片內側后角受力較大。有研究采用膝關節三維有限元分析證實，旋轉平臺與固定平臺相比能夠增大聚乙烯墊片接觸面積，減少接觸應力[27-29]。同樣有學者[30]也通過有限元分析對單髁置換進行研究，發現單髁置換中的聚乙烯墊片受力主要分布于中央偏后區域，假體的內、外翻及后傾角度不同，將會導致聚乙烯墊片受力大小發生變化，其中內翻位時假體及聚乙烯墊片受力最嚴重。
運用三維數字化技術及有限元分析法從生物力學角度分析膝關節置換術后的應力分布情況，是通過計算機逼真、客觀、精確地模擬人體膝關節復雜運動并對其進行受力分析，該方法解決了之前可能由于尸體標本膝關節周圍軟組織損傷帶來的測量誤差及繁雜的操作問題；同時，有限元分析具有標本易獲取、操作可重復性及低成本性等優點，彌補了傳統測量方法中無法解決的一些問題。
3 三維數字化技術在膝關節置換術前及術中的應用
傳統膝關節置換術的術中定位、截骨角度、截骨量、假體大小、軟組織平衡等問題均取決于術者的臨床經驗及髓內外定位裝置，會大大影響手術的精確度。曾有文獻報道超過半數早期失敗病例與術中假體擺放不當、力線不合適有關[31-32]。膝關節置換術中，傳統手術方法需要打通髓腔，會增加髓腔壓力導致脂肪栓塞發生，術中多次定位也會延長手術時間并增加出血量，影響患者術后康復。而三維數字化技術可在術前建立患者膝關節模型及規劃截骨，并結合3-D打印技術打印個體化截骨導板，使用個體化截骨導板指導術中截骨。術前三維數字化模型能夠精確預測假體大小、術中截骨量及幫助術中規劃[33]。因此與傳統手術相比，三維數字化技術具有以下優勢：① 無需開髓，減少創傷；② 操作簡便、精確；③ 減少手術時間及出血量；④ 降低脂肪栓塞發生率；⑤ 3-D打印出病變關節易于與患者溝通；⑥ 術前導航可實現手術的個體化和精準化；⑦ 截骨及假體定位具有客觀依據，不再依靠術者經驗判斷；⑧ 降低手術失敗率，提高疾病治愈率。三維數字化技術自帶一定的虛擬手術功能，可以模擬膝關節置換手術過程，利用軟件可對重建后的模型進行旋轉、切割、分離，具有手術入路選擇、下肢力線分析等功能，在手術設計及手術預后評估等方面有較大作用。綜上，通過三維數字化技術制定術前規劃及進行術中指導，對提高手術成功率有著至關重要的作用[34-35]。
由于人體骨骼結構存在較大差異，標準型號假體不可能適用于所有患者，導致標準假體與患者骨骼之間往往不能達到絕對匹配。術前可利用三維數字化技術，通過對患者影像學資料進行分析，設計并制造與該患者骨骼解剖形態一致的個體化假體。與標準假體相比，個體化假體提高了骨骼與假體之間的匹配度，增加了假體的穩定性，減少了局部應力集中，從而避免了骨溶解及無菌性松動等導致的膝關節置換失敗。Sewell等[36]利用SMILES代碼進行膝關節重建，設計出與骨界面高度匹配的個體化膝關節假體，并將該假體應用于膝關節骨骼發育不良患者，術后隨訪發現在關節疼痛緩解、關節活動度恢復等方面均獲得較滿意效果。通過CT或MRI獲得的三維模型不會因髖關節或膝關節屈曲、旋轉而出現形態學異常，因此可應用三維模型對患者進行術前個性化規劃。Minns等[37]對膝關節置換術患者術前進行脛骨近端CT三維重建，發現通過測量三維重建后的脛骨平臺能夠精確得出脛骨假體安放位置及脛骨截骨量，他們認為三維重建不僅能建立精確的解剖圖像，更能為臨床醫生提供準確的術前指導。Amiri等[38]在全膝關節置換術中通過等中心3-D圖像技術測量假體植入前股骨旋轉力線及植入后假體力線，并將測量結果與CT掃描圖像測得數據進行對比，發現二者數據相當，但由于CT三維重建并不能直接應用于術中，因此他們認為等中心3-D圖像技術能夠更精確地進行術中指導。也有文獻報道[39]等中心3-D圖像技術不僅能夠提供精確的股骨旋轉力線，也能夠在術中提供精確的截骨量及截骨角度。Ettinger等[40]研究發現，在預測假體型號大小時，運用三維模型測量比二維圖像測量準確率更高，可達100%；并且三維模型測量及預測假體型號大小并不需要較高的臨床經驗。
4 小結與展望
隨著計算機技術的不斷發展及各種軟件的推廣，逆向工程已逐漸進入醫療衛生領域，從而使手術的精確性增加。數字化技術在臨床中的應用，使得大量臨床醫生認識到傳統手術的不足與缺陷。三維數字化技術是通過對患者患肢進行CT或MRI等影像學掃描，將所得數據通過逆向工程軟件重建出相關模型并進行測量，該方法能夠彌補傳統手術方法的不足。目前由于醫療資源、相關技術人員的不足及經濟發展的不均衡，三維數字化技術應用于膝關節置換術仍只在少數地區開展。
雖然三維數字化技術在膝關節置換術中有著諸多優點，但仍有不足之處：① 針對膝關節置換患者，多數存在膝關節周圍骨質形態的改變及骨贅形成，在利用計算機圖像處理技術對影像學資料進行處理時，可能因人為因素或計算機讀取誤差導致膝關節形態學的改變。② 有限元分析時需對膝關節模型進行單元格劃分，而單元格組成的網格無法完全替代真實的膝關節及假體形態，同時計算機對膝關節內每一個結構設置的彈性模量參數，也不能完全代表每一個結構的真實參數，因而得到的結果與真實情況存在差異。③ 膝關節的活動是在韌帶、骨、肌肉等共同參與下產生的綜合過程，在計算機模擬狀態下，只是對韌帶及肌肉設置為簡單的綁定接觸，從而忽略了軟組織對于膝關節活動時的作用。④ 膝關節的活動是多方向、多力學的變化，而在下肢生物力學分析中，計算機對膝關節的活動僅僅設置為一個簡單載荷，很難模擬真實情況的變化。④ 目前由于工程技術的問題，仍不能精確地打造出個體化假體。以上缺陷是醫學、工程力學、計算機學等交互醫學亟待解決的問題。