引用本文: 陳國仙, 李國山, 林宗錦, 陳宣煌, 張國棟, 游豐源, 陳金國, 曾清東, 鄭鋒, 余正希. 3D 打印技術輔助股骨遠端截骨術治療膝外翻畸形骨關節炎的療效觀察. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(2): 134-138. doi: 10.7507/1002-1892.201610062 復制
膝外翻畸形是臨床骨科常見疾患,多為佝僂病、外傷、脊髓灰質炎、腦癱等疾病后遺癥,病變多在股骨下端,對下肢負重行走功能有明顯影響[1-2],常導致膝關節外側脛股間隙狹窄,下肢負重力線向外移,使身體負荷集中于外側關節面上,外側脛股關節面長期受到過度壓力及摩擦力會造成膝關節外側軟骨磨損,進一步加重膝外翻畸形,形成惡性循環,從而引起膝關節外側間室骨關節炎,影響患者正常生活。遠端股骨截骨(distal femoral osteotomy,DFO)一直被認為是治療膝關節外側單間室骨關節炎的有效方法。傳統 DFO 通過術前測量 X 線片結合醫師經驗來矯正下肢力線。對于合并關節外三維畸形或旋轉畸形者,畸形矯正難度大,從而影響 DFO 療效。目前 3D 打印技術已應用于骨科領域,主要涉及手術輔助材料打印、實物模型制作、內植物打印等[3-6]。我們通過 3D 打印截骨模塊輔助 DFO 治療膝外翻畸形骨關節炎,現總結臨床療效,評價 3D 打印技術輔助 DFO 的精確度,為臨床精準化、個性化 DFO 治療膝外翻畸形骨關節炎提供參考。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準:① 患者年齡≤60歲;② 主要臨床表現為膝關節外側疼痛,經保守治療無效;③ 膝外翻畸形位于股骨側,外翻角度為 10~20°;④ 膝關節穩定性較好,無前、后交叉韌帶或側副韌帶損傷;⑤ 膝關節屈伸活動范圍>90°;⑥ 負重位 X 線片示膝關節外側間隙狹窄(間隙≤3 mm),且膝關節內側間隙及解剖結構基本正常;⑦ 患者能耐受 DFO。
排除標準:① 患膝伴脛骨半脫位;② 膝關節屈曲畸形>15°;③ 嚴重髕股關節炎;④ 膝關節外翻畸形在脛骨側或股骨、脛骨均有畸形;⑤ 肥胖患者(體質量指數>28)。
2014 年 1 月—2016 年 1 月,共 12 例(15 膝)膝外翻畸形骨關節炎患者符合選擇標準,納入研究。本研究獲莆田市第一醫院倫理委員會批準,患者均知情同意。
1.2 一般資料
本組男 5 例,女 7 例;年齡 30~60 歲,平均 43.8 歲。單膝 9 例,其中左膝 4 例、右膝 5 例;雙膝 3 例。病程 1~12 年,平均 6.6 年。體質量指數 19~28,平均 25.2。骨關節炎 Koshino 分級:Ⅰ級 1 例(1 膝),Ⅱ級 7 例(9 膝),Ⅲ級 4 例(5 膝)。術前美國特種外科醫院(HSS)膝關節評分為(65.27±1.49)分。攝雙下肢全長 X 線片,測量股脛角(femorotibial angle,FTA)為(160.40±2.69)°,遠端股骨外側角(anatomical lateral distal femoral angle,aLDFA)為(64.20±2.11)°。
1.3 截骨模塊制備
術前患者常規行雙下肢 CT 掃描,獲得數據以 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。
1.3.1 內側閉合楔形截骨角度確定 采用 Miniaci 等[7]的方法分析下肢力線,確定遠端股骨內側閉合楔形截骨角度。正常下肢力線應通過脛骨平臺中點,即內側脛骨平臺占整個脛骨平臺百分比為 50%。在下肢三維重建模型上作股骨頭中心與脛骨平臺中點連線,以及踝關節中心點與脛骨平臺中點連線;兩條線夾角即為需要截骨角度。
1.3.2 截骨平面位置設計 在下肢三維重建模型上,參考黃野等[8]的方法設計截骨平面,其中截骨合頁位于股骨遠端外側皮質、外側髁上緣水平。股骨遠端最低截骨平面(即第 1 截骨平面)起自股骨遠端內側的髁上區域,向股骨遠端外側斜形下行,經過髕骨滑車軟骨近端上緣約 1 cm,與關節線約成 20° 夾角,然后根據測量的截骨角度設計股骨遠端高處截骨平面(第 2 截骨平面)。第 3 缺口平面位于矢狀位,即髕骨滑車軟骨后方斜向上截骨平面。
1.3.3 截骨模塊設計及打印 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。通過定位截骨定位孔和截骨槽提取部位表面點云數據,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,最終獲得截骨導航模板,以 STL 格式導入 3D 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 3D 打印機(Maker Bot 公司,美國)制備股骨遠端截骨模塊。將獲得的截骨模塊進行低溫等離子消毒備用。
1.4 手術方法
所有手術均由同一組醫師完成。于蛛網膜下腔阻滯麻醉聯合持續硬膜外麻醉下,患者取平臥位。作股骨遠端內側切口,暴露股骨遠端內側骨面,將 3D 打印截骨模塊緊貼股骨遠端內側骨面,克氏針通過固定孔固定模板,用擺鋸按照截骨槽導航通道及截骨導引邊依次進行雙平面截骨,接近外側股骨骨皮質時改用鋒利骨刀截骨,最后保留約 1 cm 完整股骨外側骨皮質,截除骨質。閉合截骨間隙,注意保護外側合頁完整性,X 線透視觀察下肢力線通過脛骨平臺中點后植入克氏針臨時固定,放置 Tomofix 鎖定鋼板于股骨遠端內側合適位置并植入螺釘固定,再次透視觀察下肢力線通過脛骨平臺位置,測量內側脛骨平臺占整個脛骨平臺的百分比。沖洗后放置引流管,閉合切口,彈力繃帶加壓包扎。
1.5 術后處理
術后抬高患肢,觀察患肢腫脹情況及末梢血運,48 h 后拔除引流管。術后第 2 天開始給予低分子肝素鈣 5 000 U,連續使用 1 周,并開始下肢主動股四頭肌等長鍛煉;第 3 天采用 CPM 機輔助膝關節被動屈伸鍛煉;單側 DFO 患者 6 周后可以扶雙拐部分負重行走,雙側 DFO 患者延長至術后 8 周;待X 線片復查顯示截骨處骨性愈合時完全負重行走。
1.6 療效評價指標
記錄術后切口愈合情況,有無手術相關并發癥發生。復查雙下肢全長 X 線片,觀察截骨處是否達骨性愈合,觀測患肢 FTA、aLDFA 以及下肢力線通過脛骨平臺的位置(內側脛骨平臺占整個脛骨平臺的百分比)。采用 HSS 評分評價膝關節功能,總分為 100 分,85~100 分為優,70~84 分為良,60~69 分為可,<60 分為差。
1.7 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
術后切口均Ⅰ期愈合,無感染、下肢深靜脈血栓形成等并發癥發生。患者均獲隨訪,隨訪時間 6~18 個月,平均 12.2 個月。術后 6 個月膝關節 HSS 評分為(89.07±2.49)分,較術前顯著提高,比較差異有統計學意義(t=–28.31,P=0.00);獲優 10 膝、良 4 膝、可 1 膝,優良率為 93.3%。
X 線片復查示,患者截骨處均達骨性愈合,愈合時間 2.9~4.8 個月,平均 3.3 個月;1 例(1 膝)出現骨延遲愈合(愈合時間 4.8 個月)。術后 6 個月測量 FTA 為(174.00±1.41)°,aLDFA 為(81.87±1.06)°,與術前比較差異均有統計學意義(t=–18.26,P=0.00;t=–25.19,P=0.00);下肢力線位置測量顯示內側脛骨平臺占整個脛骨平臺百分比為 49.78%±0.59%,與術中測量的 49.82%±0.77% 比較,差異無統計學意義(t=0.14,P=0.89)。見圖 1。

3 討論
DFO 治療膝外翻畸形骨關節炎是通過改變下肢異常力線,糾正膝外側脛股關節過度負荷,使外側關節軟骨修復重生,同時截骨使骨內壓下降,改善血循環,從而達到消除或減輕膝關節疼痛、延緩膝關節退行性變進展、恢復關節活動的目的。術中精準截骨、恢復良好下肢力線是影響 DFO 療效的主要因素。早期有學者提出畸形矯正程度是影響膝關節骨關節炎進展最主要因素,過度矯正會加速骨關節炎的發展[9]。Sharma 等[10]報道當過度矯正(超過合適矯正角度 5°)時,膝關節退變速度增加 4 倍。傳統 DFO 術中截骨量和矯正度數的確定主要依靠醫生臨床經驗,通過術前 X 線片測量和術中多次透視逐漸調整,存在輻射傷害大、手術時間長、患者骨量丟失增加、圍手術期出血量增多及術后并發癥增加等問題,影響了 DFO 療效。
3D 打印技術已逐漸應用于骨科各領域[11-14]。3D 打印技術通過術前 CT 三維重建模型,可以讓臨床醫師更直觀、詳細觀察手術部位解剖結構并進行數字化分析,或者在模型上進行模擬手術,不僅提高了手術精確度,還能提高手術安全性。本組術前通過 CT 掃描數據,三維重建下肢模型,評價膝外翻畸形情況;經數字化分析,在冠狀位和矢狀位設計截骨角度和方向,并采用 3D 打印技術制備截骨模塊,術中在截骨模塊輔助下精準截骨,經透視證實下肢力線恢復良好,末次隨訪時膝關節功能優良率為 93.3%。提示 3D 打印截骨導航模板可輔助 DFO 術中精準截骨,并獲滿意臨床療效。
本組患者術后截骨處均達骨性愈合,我們認為與以下因素有關:① 本組以中青年患者為主,患者平均年齡 43.8 歲,骨愈合能力強。② 股骨遠端內側使用 Tomofix 鎖定鋼板固定,為截骨處骨愈合提供了穩定結構。③ 術中楔形閉合過程中注意保留股骨外側截骨合頁,我們通常采用 2 mm 克氏針進行皮質骨合頁鉆孔,防止楔形閉合時發生合頁劈裂。術后 1 例患者截骨處延遲愈合,考慮為股骨外側骨性合頁斷裂所致[15]。④ 傳統股骨遠端截骨最低平面是平行于關節線,本組選擇改良截骨平面,改為斜行截骨線,即截骨最低平面與關節線成角,既保留了骨性合頁,又避免了損傷關節軟骨。
綜上述,3D 打印技術制備的截骨導航模板可以輔助 DFO 術中截骨,避免多次截骨,減少截骨周圍組織損傷,降低術后感染發生率,近期療效滿意,但遠期療效有待進一步隨訪觀察。
膝外翻畸形是臨床骨科常見疾患,多為佝僂病、外傷、脊髓灰質炎、腦癱等疾病后遺癥,病變多在股骨下端,對下肢負重行走功能有明顯影響[1-2],常導致膝關節外側脛股間隙狹窄,下肢負重力線向外移,使身體負荷集中于外側關節面上,外側脛股關節面長期受到過度壓力及摩擦力會造成膝關節外側軟骨磨損,進一步加重膝外翻畸形,形成惡性循環,從而引起膝關節外側間室骨關節炎,影響患者正常生活。遠端股骨截骨(distal femoral osteotomy,DFO)一直被認為是治療膝關節外側單間室骨關節炎的有效方法。傳統 DFO 通過術前測量 X 線片結合醫師經驗來矯正下肢力線。對于合并關節外三維畸形或旋轉畸形者,畸形矯正難度大,從而影響 DFO 療效。目前 3D 打印技術已應用于骨科領域,主要涉及手術輔助材料打印、實物模型制作、內植物打印等[3-6]。我們通過 3D 打印截骨模塊輔助 DFO 治療膝外翻畸形骨關節炎,現總結臨床療效,評價 3D 打印技術輔助 DFO 的精確度,為臨床精準化、個性化 DFO 治療膝外翻畸形骨關節炎提供參考。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準:① 患者年齡≤60歲;② 主要臨床表現為膝關節外側疼痛,經保守治療無效;③ 膝外翻畸形位于股骨側,外翻角度為 10~20°;④ 膝關節穩定性較好,無前、后交叉韌帶或側副韌帶損傷;⑤ 膝關節屈伸活動范圍>90°;⑥ 負重位 X 線片示膝關節外側間隙狹窄(間隙≤3 mm),且膝關節內側間隙及解剖結構基本正常;⑦ 患者能耐受 DFO。
排除標準:① 患膝伴脛骨半脫位;② 膝關節屈曲畸形>15°;③ 嚴重髕股關節炎;④ 膝關節外翻畸形在脛骨側或股骨、脛骨均有畸形;⑤ 肥胖患者(體質量指數>28)。
2014 年 1 月—2016 年 1 月,共 12 例(15 膝)膝外翻畸形骨關節炎患者符合選擇標準,納入研究。本研究獲莆田市第一醫院倫理委員會批準,患者均知情同意。
1.2 一般資料
本組男 5 例,女 7 例;年齡 30~60 歲,平均 43.8 歲。單膝 9 例,其中左膝 4 例、右膝 5 例;雙膝 3 例。病程 1~12 年,平均 6.6 年。體質量指數 19~28,平均 25.2。骨關節炎 Koshino 分級:Ⅰ級 1 例(1 膝),Ⅱ級 7 例(9 膝),Ⅲ級 4 例(5 膝)。術前美國特種外科醫院(HSS)膝關節評分為(65.27±1.49)分。攝雙下肢全長 X 線片,測量股脛角(femorotibial angle,FTA)為(160.40±2.69)°,遠端股骨外側角(anatomical lateral distal femoral angle,aLDFA)為(64.20±2.11)°。
1.3 截骨模塊制備
術前患者常規行雙下肢 CT 掃描,獲得數據以 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。
1.3.1 內側閉合楔形截骨角度確定 采用 Miniaci 等[7]的方法分析下肢力線,確定遠端股骨內側閉合楔形截骨角度。正常下肢力線應通過脛骨平臺中點,即內側脛骨平臺占整個脛骨平臺百分比為 50%。在下肢三維重建模型上作股骨頭中心與脛骨平臺中點連線,以及踝關節中心點與脛骨平臺中點連線;兩條線夾角即為需要截骨角度。
1.3.2 截骨平面位置設計 在下肢三維重建模型上,參考黃野等[8]的方法設計截骨平面,其中截骨合頁位于股骨遠端外側皮質、外側髁上緣水平。股骨遠端最低截骨平面(即第 1 截骨平面)起自股骨遠端內側的髁上區域,向股骨遠端外側斜形下行,經過髕骨滑車軟骨近端上緣約 1 cm,與關節線約成 20° 夾角,然后根據測量的截骨角度設計股骨遠端高處截骨平面(第 2 截骨平面)。第 3 缺口平面位于矢狀位,即髕骨滑車軟骨后方斜向上截骨平面。
1.3.3 截骨模塊設計及打印 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。通過定位截骨定位孔和截骨槽提取部位表面點云數據,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,最終獲得截骨導航模板,以 STL 格式導入 3D 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 3D 打印機(Maker Bot 公司,美國)制備股骨遠端截骨模塊。將獲得的截骨模塊進行低溫等離子消毒備用。
1.4 手術方法
所有手術均由同一組醫師完成。于蛛網膜下腔阻滯麻醉聯合持續硬膜外麻醉下,患者取平臥位。作股骨遠端內側切口,暴露股骨遠端內側骨面,將 3D 打印截骨模塊緊貼股骨遠端內側骨面,克氏針通過固定孔固定模板,用擺鋸按照截骨槽導航通道及截骨導引邊依次進行雙平面截骨,接近外側股骨骨皮質時改用鋒利骨刀截骨,最后保留約 1 cm 完整股骨外側骨皮質,截除骨質。閉合截骨間隙,注意保護外側合頁完整性,X 線透視觀察下肢力線通過脛骨平臺中點后植入克氏針臨時固定,放置 Tomofix 鎖定鋼板于股骨遠端內側合適位置并植入螺釘固定,再次透視觀察下肢力線通過脛骨平臺位置,測量內側脛骨平臺占整個脛骨平臺的百分比。沖洗后放置引流管,閉合切口,彈力繃帶加壓包扎。
1.5 術后處理
術后抬高患肢,觀察患肢腫脹情況及末梢血運,48 h 后拔除引流管。術后第 2 天開始給予低分子肝素鈣 5 000 U,連續使用 1 周,并開始下肢主動股四頭肌等長鍛煉;第 3 天采用 CPM 機輔助膝關節被動屈伸鍛煉;單側 DFO 患者 6 周后可以扶雙拐部分負重行走,雙側 DFO 患者延長至術后 8 周;待X 線片復查顯示截骨處骨性愈合時完全負重行走。
1.6 療效評價指標
記錄術后切口愈合情況,有無手術相關并發癥發生。復查雙下肢全長 X 線片,觀察截骨處是否達骨性愈合,觀測患肢 FTA、aLDFA 以及下肢力線通過脛骨平臺的位置(內側脛骨平臺占整個脛骨平臺的百分比)。采用 HSS 評分評價膝關節功能,總分為 100 分,85~100 分為優,70~84 分為良,60~69 分為可,<60 分為差。
1.7 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
術后切口均Ⅰ期愈合,無感染、下肢深靜脈血栓形成等并發癥發生。患者均獲隨訪,隨訪時間 6~18 個月,平均 12.2 個月。術后 6 個月膝關節 HSS 評分為(89.07±2.49)分,較術前顯著提高,比較差異有統計學意義(t=–28.31,P=0.00);獲優 10 膝、良 4 膝、可 1 膝,優良率為 93.3%。
X 線片復查示,患者截骨處均達骨性愈合,愈合時間 2.9~4.8 個月,平均 3.3 個月;1 例(1 膝)出現骨延遲愈合(愈合時間 4.8 個月)。術后 6 個月測量 FTA 為(174.00±1.41)°,aLDFA 為(81.87±1.06)°,與術前比較差異均有統計學意義(t=–18.26,P=0.00;t=–25.19,P=0.00);下肢力線位置測量顯示內側脛骨平臺占整個脛骨平臺百分比為 49.78%±0.59%,與術中測量的 49.82%±0.77% 比較,差異無統計學意義(t=0.14,P=0.89)。見圖 1。

3 討論
DFO 治療膝外翻畸形骨關節炎是通過改變下肢異常力線,糾正膝外側脛股關節過度負荷,使外側關節軟骨修復重生,同時截骨使骨內壓下降,改善血循環,從而達到消除或減輕膝關節疼痛、延緩膝關節退行性變進展、恢復關節活動的目的。術中精準截骨、恢復良好下肢力線是影響 DFO 療效的主要因素。早期有學者提出畸形矯正程度是影響膝關節骨關節炎進展最主要因素,過度矯正會加速骨關節炎的發展[9]。Sharma 等[10]報道當過度矯正(超過合適矯正角度 5°)時,膝關節退變速度增加 4 倍。傳統 DFO 術中截骨量和矯正度數的確定主要依靠醫生臨床經驗,通過術前 X 線片測量和術中多次透視逐漸調整,存在輻射傷害大、手術時間長、患者骨量丟失增加、圍手術期出血量增多及術后并發癥增加等問題,影響了 DFO 療效。
3D 打印技術已逐漸應用于骨科各領域[11-14]。3D 打印技術通過術前 CT 三維重建模型,可以讓臨床醫師更直觀、詳細觀察手術部位解剖結構并進行數字化分析,或者在模型上進行模擬手術,不僅提高了手術精確度,還能提高手術安全性。本組術前通過 CT 掃描數據,三維重建下肢模型,評價膝外翻畸形情況;經數字化分析,在冠狀位和矢狀位設計截骨角度和方向,并采用 3D 打印技術制備截骨模塊,術中在截骨模塊輔助下精準截骨,經透視證實下肢力線恢復良好,末次隨訪時膝關節功能優良率為 93.3%。提示 3D 打印截骨導航模板可輔助 DFO 術中精準截骨,并獲滿意臨床療效。
本組患者術后截骨處均達骨性愈合,我們認為與以下因素有關:① 本組以中青年患者為主,患者平均年齡 43.8 歲,骨愈合能力強。② 股骨遠端內側使用 Tomofix 鎖定鋼板固定,為截骨處骨愈合提供了穩定結構。③ 術中楔形閉合過程中注意保留股骨外側截骨合頁,我們通常采用 2 mm 克氏針進行皮質骨合頁鉆孔,防止楔形閉合時發生合頁劈裂。術后 1 例患者截骨處延遲愈合,考慮為股骨外側骨性合頁斷裂所致[15]。④ 傳統股骨遠端截骨最低平面是平行于關節線,本組選擇改良截骨平面,改為斜行截骨線,即截骨最低平面與關節線成角,既保留了骨性合頁,又避免了損傷關節軟骨。
綜上述,3D 打印技術制備的截骨導航模板可以輔助 DFO 術中截骨,避免多次截骨,減少截骨周圍組織損傷,降低術后感染發生率,近期療效滿意,但遠期療效有待進一步隨訪觀察。