3D打印個(gè)性化截骨輔助模塊在脛骨高位截骨術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

劉國彬，劉森，王立飛，董威，趙峰，黃野

(1.河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院骨科，河北 石家莊 050030；2.北京積水潭醫(yī)院矯形骨科，北京 100035)

隨著我國人口老齡化的發(fā)展，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)的發(fā)病率與致殘率不斷升高，文獻(xiàn)報(bào)道60歲以上社區(qū)人群中患病率可達(dá)60.1%，75歲以上人群中則高達(dá)80%[1]。脛骨高位截骨術(shù)(high tibial osteotomy，HTO)自20世紀(jì)60年代由Jackson和Waugh[2]首次報(bào)道以來，目前被認(rèn)為是治療膝內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎尤其合并膝內(nèi)翻畸形的理想方法[3]。從早期的外側(cè)閉合楔形到如今的內(nèi)側(cè)開放楔形截骨，HTO的長期療效和生存率被證實(shí)確切可靠，文獻(xiàn)報(bào)道5年生存率為80%～98%，10年生存率可達(dá)74%～86.6%，年輕活躍患者生存率更高達(dá)88%～95%[4]。盡管如此，HTO仍然充滿挑戰(zhàn)，對(duì)于外科醫(yī)生尤其是經(jīng)驗(yàn)缺乏的年輕醫(yī)生，正確使用解剖標(biāo)志和精確把控矯形過程以達(dá)到理想療效往往面臨諸多困難[5]。近年來，隨著影像學(xué)與數(shù)字化醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，以精確化、個(gè)體化為集中體現(xiàn)的3D打印技術(shù)為解決上述問題提供了有效手段，正逐漸成為研究熱點(diǎn)[6]。因此，本文通過回顧分析近年來3D打印個(gè)體化截骨導(dǎo)板(patient-specific instrumentation，PSI)在HTO中的應(yīng)用進(jìn)展，為傳統(tǒng)HTO截骨方式提供了新的發(fā)展思路。

1 3D打印PSI輔助HTO的理論優(yōu)勢

Victor等[7]在2013年首次報(bào)道了3D打印PSI成功應(yīng)用于14例股骨-脛骨混合截骨的病例。利用CT掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建膝關(guān)節(jié)模型，直觀、詳細(xì)的顯示手術(shù)部位解剖結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)軟件上模擬術(shù)中截骨過程，實(shí)現(xiàn)術(shù)前精確規(guī)劃。應(yīng)用3D打印骨模型和個(gè)性化截骨輔助模具進(jìn)行術(shù)前分析驗(yàn)證及術(shù)中輔助截骨，不受體位影響，可以有效縮短手術(shù)時(shí)間，簡化手術(shù)步驟，降低手術(shù)并發(fā)癥，同時(shí)明顯縮短年輕醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線[8]。目前，傳統(tǒng)HTO在準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)術(shù)前矯形計(jì)劃上仍然存在困難[9]。傳統(tǒng)方法術(shù)前規(guī)劃使用2D照片或者數(shù)碼相片，術(shù)中使用下肢力線桿結(jié)合X線透視檢查等方法進(jìn)行精確度把控[10]，由于2D圖像的限制，術(shù)前使用影像歸檔和通信系統(tǒng)或者軟件只能在冠狀面進(jìn)行評(píng)估，缺乏矢狀面評(píng)估的有效手段[11]。Van den Bempt等[12]進(jìn)行常規(guī)OWHTO手術(shù)的14項(xiàng)隊(duì)列研究中，8項(xiàng)研究報(bào)告其矯形準(zhǔn)確率低于75%。因此，OWHTO手術(shù)中如何制定精確的術(shù)前規(guī)劃和準(zhǔn)確的截骨操作非常重要。

2 3D打印PSI術(shù)前設(shè)計(jì)

2.1 基本操作流程 術(shù)前3D規(guī)劃可以分為6個(gè)步驟[13-14]。(1)2D設(shè)計(jì)：獲取患者雙下肢負(fù)重位全長X線片，在冠狀平面中測量下肢力線百分比、設(shè)定下肢力線目標(biāo)區(qū)域，通過Miniaci法計(jì)算截骨矯正角度，在失狀平面上測量脛骨后傾角度[15]。(2)CT掃描：從股骨頭最高點(diǎn)到踝穴最低點(diǎn)范圍之間的非負(fù)重CT掃描圖像，膝關(guān)節(jié)周圍15 cm的范圍內(nèi)密掃。(3)將CT掃描數(shù)據(jù)用DICOM文件格式儲(chǔ)存，并傳輸?shù)结t(yī)學(xué)圖像處理軟件(Mimics)中，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過三角形曲面網(wǎng)格處理重建脛骨3D模型。(4)3D模型加載到醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)軟件(3-matic，solidworks軟件，OsteoMaster，3D Slicer)中，將2D規(guī)劃的截骨數(shù)據(jù)應(yīng)用于模擬HTO手術(shù)。(5)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)PSI模塊。(6)將3D模型導(dǎo)出為立體光刻文件，印出骨模型和PSI模塊應(yīng)用于臨床。

2.2 2D術(shù)前設(shè)計(jì) HTO脛骨內(nèi)側(cè)開放楔2D測量五個(gè)重要參數(shù)，包括截骨部位、外側(cè)合頁、截骨方向、截骨深度和撐開角度[13]。首先測量下肢負(fù)重力線，定義為由患側(cè)股骨頭中心到踝關(guān)節(jié)中心的連線。目前大多數(shù)學(xué)者將WBL目標(biāo)區(qū)域設(shè)定在脛骨平臺(tái)由內(nèi)到外的62.5%，俗稱Fujisawa點(diǎn)[16]，并作為截骨的主要參數(shù)[17-18]。Martay等[19]提出將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)定在55%脛骨平臺(tái)處，認(rèn)為中性調(diào)整會(huì)使載荷均勻分布，而62%的矯正將使外側(cè)間室受損。外側(cè)合頁位置建議距脛骨平臺(tái)外側(cè)邊緣5～10 mm，并應(yīng)位于上脛腓關(guān)節(jié)的上邊界[20]。內(nèi)側(cè)截骨點(diǎn)設(shè)定在內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)下方3～4 cm處或者脛骨近端內(nèi)側(cè)最凹處。截骨線即為外側(cè)腓骨頭近端到內(nèi)側(cè)截骨點(diǎn)之間的連線。通過Miniaci法計(jì)算截骨矯正角度，以外側(cè)合頁為中心，旋轉(zhuǎn)脛骨遠(yuǎn)端，當(dāng)WBL通過Fujisawa點(diǎn)，脛骨遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)的角度即為截骨撐開角度[21]。如果截骨切口太低，可能會(huì)減少血液供應(yīng)并增加骨不連；而如果截骨切口太高，可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)超負(fù)荷和伸肌力學(xué)改變[22]。如果截骨深度過大，由于剩余的骨量不足，合頁過于靠近外側(cè)皮質(zhì)，間隙撐開過程可能導(dǎo)致外側(cè)皮質(zhì)骨折[23]。有學(xué)者將外側(cè)合頁皮質(zhì)骨用鉆頭鉆孔，以減少外側(cè)合頁骨折的風(fēng)險(xiǎn)。如果截骨深度不足則可能會(huì)導(dǎo)致脛骨近端內(nèi)側(cè)骨折[24]。

2.3 3D模型評(píng)估 3D打印PSI模塊設(shè)計(jì)過程中均可以實(shí)施模擬手術(shù)，使用3D模擬可以選擇性地放大、旋轉(zhuǎn)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行測量驗(yàn)證，該方法顯示出了更高的精度和靈活性[25]。理論上外側(cè)合頁的3D變化過程中可能會(huì)改變開口高度，從而導(dǎo)致脛骨坡度發(fā)生變化[26]。為了維持脛骨后傾不變，在模擬手術(shù)前后進(jìn)行比較，如果有變化則必須對(duì)截骨方案進(jìn)行調(diào)整[13]。最近的研究表明，下肢力線在3D和2D測量中存在差異。Van Genechten等[14]通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，與3D測量結(jié)果相比，術(shù)前X線片測量結(jié)果顯示機(jī)械性脛股角(mechanical femoraltibial angle，mFTA)值平均增加了1.5°，而脛骨近端內(nèi)側(cè)角(medial proximal tibial angle，MPTA)在2D和3D之間差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。作者認(rèn)為MPTA可能是更可靠的計(jì)劃角度，其矯形精度被認(rèn)為與mFTA相吻合。Donnez[27]和Kubota[28]等得出相似結(jié)論，認(rèn)為mFTA(也稱為髖膝踝角)是整體矯正參數(shù)，而MPTA是純骨角，可以更正確地反應(yīng)截骨計(jì)劃。對(duì)于沒有術(shù)前外側(cè)副韌帶松弛跡象的患者，術(shù)后下肢的總體矯正很大程度上取決于有效的骨矯正，而不是體位和軟組織變化的結(jié)果。3D模擬截骨可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃和實(shí)際手術(shù)之間的差異，當(dāng)這種差異較大時(shí)醫(yī)生應(yīng)該評(píng)估患者外側(cè)軟組織松弛程度，正確規(guī)劃手術(shù)，避免畸形被高估導(dǎo)致矯正過度[29]。

3 3D打印PSI模塊在HTO中的應(yīng)用

3.1 3D打印PSI分類 根據(jù)HTO矯形原理，很多醫(yī)生設(shè)計(jì)了獨(dú)特的3D打印PSI模塊，這些設(shè)計(jì)包括截骨導(dǎo)板、截骨撐開楔形模塊、螺釘輔助導(dǎo)向器以及鋼板輔助模塊等。

3.2 3D打印PSI截骨導(dǎo)板 一種截骨導(dǎo)向器一般包括水平截骨切槽、上行截骨導(dǎo)向平面以及數(shù)量不等的克氏針固定套管。當(dāng)截骨完成時(shí)依次小心地插入骨刀撐開間隙，插入長度達(dá)到截骨深度要求時(shí)使用撐開器或者3D打印楔形模塊維持間隙。Yang[13]和Mao[18]等設(shè)計(jì)了帶有對(duì)準(zhǔn)桿的截骨導(dǎo)板，該截骨導(dǎo)板有對(duì)準(zhǔn)機(jī)制和對(duì)準(zhǔn)桿的巧妙設(shè)計(jì)，相比力線桿或者電刀線，使用對(duì)準(zhǔn)桿可以簡化截骨間隙撐開過程，同時(shí)可以更精確調(diào)整WBL百分比和截骨角度。不過該方法要求術(shù)中和術(shù)前設(shè)計(jì)參數(shù)完全一致，才能達(dá)到理想的矯形效果，這就意味著手術(shù)每一步都不能出現(xiàn)差錯(cuò)，如果合頁骨折或者PSI導(dǎo)板錯(cuò)位則對(duì)準(zhǔn)桿將無法工作。Lukas等[30]設(shè)計(jì)了帶有額外穩(wěn)定鉤的PSI導(dǎo)板，與沒有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的導(dǎo)板比較，因?qū)О逦恢貌徽_引起的截骨失敗風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

3.3 3D打印楔形撐開模塊 截骨導(dǎo)板往往需要更大范圍的軟組織剝離，剝離過度可能損傷內(nèi)側(cè)副韌帶等結(jié)構(gòu)，剝離不徹底又會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)板位置偏差。部分學(xué)者設(shè)計(jì)了3D打印楔形撐開模塊，試圖通過僅將PSI限制在截骨間隙中來解決這些問題。合頁和截骨線由傳統(tǒng)方法獲得，將3D打印楔形模塊置入撐開間隙中。Van Genechten等[14]設(shè)計(jì)的楔形模塊包含兩個(gè)凹槽，這些凹槽在理想情況下，與脛骨截骨開口近端和遠(yuǎn)端皮質(zhì)內(nèi)側(cè)相對(duì)應(yīng)，以獲取正確的位置，隨后將與3D楔形模塊形狀一致的骨塊置入間隙，完成截骨。Frank等[31]發(fā)表了8例內(nèi)側(cè)開放楔形脛骨高位截骨(opening-wedge high tibial osteotomy，OWHTO)手術(shù)，導(dǎo)板引導(dǎo)克氏針置入后被去除，用克氏針來控制截骨位置和方向，使用3D打印楔形模塊維持間隙，結(jié)果滿意。Kim等[21]比較3D打印截骨撐開模塊療效時(shí)，未發(fā)現(xiàn)合頁斷裂，同時(shí)脛骨后傾角與術(shù)前比較沒有顯著差異。作者認(rèn)為截骨精度主要取決于與間隙高匹配的楔形模塊，而不是控制截骨線本身來實(shí)現(xiàn)的，因此在實(shí)際手術(shù)中可以維持傾斜角度。

3.4 3D打印釘?shù)垒o助 Munier等[9]報(bào)告了針對(duì)HTO設(shè)計(jì)的一種特殊的PSI導(dǎo)板，該導(dǎo)板只包括預(yù)先計(jì)算的釘?shù)揽祝瑳]有截骨輔助設(shè)計(jì)，當(dāng)鋼板的釘?shù)揽着c導(dǎo)板制造的預(yù)釘?shù)揽讋偤脤?duì)應(yīng)時(shí)，既獲得了所需的矯正度數(shù)，結(jié)果令人滿意。所有病例在冠狀平面內(nèi)的準(zhǔn)確性誤差小于2°，脛骨后傾增加0.3°，均在可接受范圍內(nèi)。但是，該釘?shù)缹?dǎo)向器的體積較大，可能會(huì)受軟組織干擾，導(dǎo)致導(dǎo)板位置不正確。Yang等[13]認(rèn)為使用短的鎖定鋼板，能夠減小PSI的體積，同時(shí)減小手術(shù)切口。如果使用TomoFix鎖定鋼板，在插入方頭螺釘過程中預(yù)鉆孔則可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[20]。由于導(dǎo)板和鎖定鋼板都是定制的，一旦由于軟組織的問題需要術(shù)中調(diào)整，預(yù)鉆孔可能會(huì)帶來不便。

4 3D打印截骨模塊臨床療效分析

4.1 3D打印PSI冠狀面精確度 mFTA低于180°被視為內(nèi)翻，高于180°被視為外翻。有報(bào)道認(rèn)為HTO術(shù)后，mFTA的可接受范圍是外翻3°～6°。Kim等[21]使用3D打印撐開模塊時(shí)，將mFTA從術(shù)前平均內(nèi)翻(7.4±2.7)°校正為術(shù)后平均外翻(3.5±1.2)°，對(duì)照組從術(shù)前平均內(nèi)翻(6.9±3.1)°校正為外翻(3.1±2.3)°。3D組與對(duì)照組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但是3D組標(biāo)準(zhǔn)差更小，在可接受范圍內(nèi)的患者數(shù)量高于對(duì)照組。Van Genechten等[14]研究結(jié)果顯示，當(dāng)mFTA精度誤差在1.5°以內(nèi)時(shí)結(jié)果準(zhǔn)確率為90%，當(dāng)誤差在2°內(nèi)時(shí)則達(dá)到100%的準(zhǔn)確率。Mao等[18]將mFTA從術(shù)前平均(172.2±1.7)°校正為術(shù)后平均(180.7±0.7)°，其矯形絕對(duì)值比常規(guī)組更大，矯形精度誤差控制在(0.2±0.6)°范圍，明顯小于對(duì)照組(1.2±1.4)°。Yang等[13]使用PSI導(dǎo)板，術(shù)后下肢力線與術(shù)前規(guī)劃誤差僅為1.76%，顯示了高精矯形。Saragaglia等[32]在計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)研究中，計(jì)劃的mFTA角度為(184±2)°，報(bào)告的準(zhǔn)確性為96%。Lukas等[30]提出PSI在冠狀面內(nèi)平移5 mm或者旋轉(zhuǎn)2°范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)HTO力線矯正產(chǎn)生相關(guān)影響，遺憾的是作者未對(duì)矢狀面進(jìn)行評(píng)估，而手術(shù)失敗最易受傷的平面往往也是矢狀面[33-34]，脛骨后傾角是否受影響不得而知。

4.2 3D打印PSI矢狀面精度 Brouwer[35]和El-Azab等[36]報(bào)道，在內(nèi)側(cè)開放HTO冠狀面截骨撐開矯形過程中，矢狀面脛骨平臺(tái)后傾角隨之也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)脛骨后傾角度增加或減小后，可能導(dǎo)致前交叉韌帶的伸展受限和拉力超負(fù)荷。傳統(tǒng)上矢狀面矯形精度往往取決于術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)以及術(shù)中透視。目前，對(duì)于PSI矢狀面控制精度主要取決于控制前后楔高度和合頁方向[37]，但文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果不完全相同。Yang等[13]使用帶有限深刻度的切割槽，能夠最大限度將外側(cè)合頁的方向和位置調(diào)整到術(shù)前設(shè)計(jì)位置，術(shù)后脛骨后傾角度幾乎與術(shù)前相同，其精度誤差率僅為4.1%。Kim等[21]報(bào)道3D導(dǎo)板脛骨后傾角增加了0.3°，與術(shù)前比較沒有差異，而傳統(tǒng)方法增加0.6°，與術(shù)前比較差異明顯。因此作者認(rèn)為與傳統(tǒng)2D圖像比較，3D打印模型在矢狀面控制方面結(jié)果更加滿意。但Van Genechten等[14]在使用3D打印截骨模塊時(shí)，冠狀面精度得到有效控制，而在模擬截骨過程中，脛骨后傾明顯增加(2.1±2.6)°。作者認(rèn)為脛骨后傾角度的增加可以通過調(diào)整楔形模塊前后方尺寸同時(shí)擴(kuò)大同種異體骨移植來避免。因此在PSI發(fā)展過程中，如何在術(shù)前將脛骨后傾角計(jì)劃到滿意位置，同時(shí)術(shù)中完美復(fù)制術(shù)前計(jì)劃，將是實(shí)現(xiàn)矢狀位平衡的關(guān)鍵，需要更進(jìn)一步深入研究。

4.3 3D打印PSI成本與輻射水平 PSI雖然在臨床療效上有明顯的優(yōu)勢，但術(shù)前設(shè)計(jì)和制造會(huì)對(duì)患者產(chǎn)生額外成本。Pérez-Maanes等[38]應(yīng)用3D打印輔助HTO技術(shù)，額外費(fèi)用成本包括投資3D打印機(jī)約花費(fèi)490歐元，單次3D打印約花費(fèi)5歐元；額外時(shí)間成本包括平均術(shù)前設(shè)計(jì)時(shí)間為60 min，平均3D打印時(shí)間為225 min，而這些額外成本在傳統(tǒng)HTO中是不存在的。雖然術(shù)前設(shè)計(jì)增加了費(fèi)用和時(shí)間，但是能夠明顯降低患者圍術(shù)期輻射量，1次從骨盆到踝關(guān)節(jié)的CT掃描，有效輻射劑量估計(jì)為4.5 mSv，與1次下肢全長X線片輻射量相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于個(gè)人輻射年閾值20～50 mSv[39]。術(shù)中透視單次輻射水平約為0.01 mSv，每分鐘為20～200 mSv[40]。由于PSI導(dǎo)板的輔助，作者不在依賴經(jīng)驗(yàn)及術(shù)中透視下實(shí)現(xiàn)精確矯形，從傳統(tǒng)手術(shù)的55張下降到8張透視片，對(duì)于患者的輻射劑量明顯減少。此外PSI透視次數(shù)的降低，還能夠明顯減少手術(shù)相關(guān)人員術(shù)中輻射暴露水平。因此在臨床實(shí)踐中，要綜合考慮各方因素，選擇最適合患者的治療方案。

5 總結(jié)與展望

PSI技術(shù)為OWHTO提供了可靠且可行的方法，學(xué)習(xí)曲線較短，對(duì)于那些矯形精度方面經(jīng)驗(yàn)有限的醫(yī)生來說意義重大。盡管PSI的技術(shù)應(yīng)用差異很大，但在所有現(xiàn)有研究中，PSI 3D打印技術(shù)往往都能呈現(xiàn)滿意結(jié)果。未來的OWHTO研究必須同時(shí)關(guān)注PSI冠狀和矢狀的準(zhǔn)確性，同時(shí)更加關(guān)注截骨過程規(guī)劃。建立完整的3D打印導(dǎo)板輔助HTO的理論體系，在保膝手術(shù)再次興起之際，具有很高的臨床價(jià)值。