3D打印个性化截骨导板在膝关节置换中的应用

一、前言

人工膝关节置换术是多数膝关节疾病晚期的可靠手术治疗方法。通过膝关节置换可以解除或减轻膝关节疼痛、改善功能、纠正畸形,从而提高患者生活质量。然而,有大量文献 道，患者在TKA术后感觉不满意，原因可能是下肢力线不良、骸骨轨迹不佳、假体或垫片的磨损、假体松动或不稳定等，进而引起术后疼痛和功能受限。

既往的膝关节置换的术前计划多数是依靠如X线、CT、MRI等影像学检查，而这些属二维形式的图像在反映真实解剖学畸形、病变位置和严重程度方面缺乏精确性和直观性，这种误差会误导术前设计、影响术中操作，有时候会带来严重甚至致命后果。另外，术中主刀主要依靠临床经验、主观判断、术中粗略的股骨髓内定位以及胫骨髓外定位装置来寻找下肢力线等进行术中截骨，各种因素的相互叠加影响，效果往往难以得到与术前设计那样精确。截骨量和截骨角度的不满意常导致TKA术后患者膝关节功能不满意、下肢力线不良、膝关节稳定性不佳、髋骨轨迹的不良、骸股关节生物力学紊乱、甚至畸形等一系列问题，影响术后效果。因此，一台成功的TKA手术关键在于术前设计、术中精确截骨和获得良好的软组织平衡。所以，如何在TKA术中个性化、精确化截骨？目前，3D打印技术正作为一项前沿的科学制造技术在医学界被重视、研究、应用和推广。

3D打印技术是将患者某病变部位的CT扫描数据收集后，利用3D处理软件精确重建骨骼模型，术前确定下肢力线和3D打印个性化的手术导航模板，并进行术前规划，确定截骨量、假体型 ，术前即可模拟术中截骨和假体置入。3D打印技术的应用，能够有效避免因截骨不足而反复截骨或截骨过多而造成不必要的骨量丢失，以及韧带、神经损伤等并发症的发生；同时可使患者下肢力线精确重建和假体准确置入。精简的术中操作无须依赖粗略的髓内外定位，减少了手术时间和出血量，降低感染和脂肪栓塞等并发症的发生概率。术后随访显示假体的稳定性更可靠，患者对患肢功能恢复的满意度更高。

二、术前规划与设计

1.设备与材料

图形工作站Dell，操作系统Windows 7 Ultimate 64 bit，医学三维重建软件Mimics 21.0 (Materialise公司，比利时) ,逆向工程软件Geomagic Studio 2014 (Geomagic Inc.，美国)，影像系统PACS， 极光尔沃A8，打印材料PLA。

2.数据采集

患侧全下肢采用常规X射线及薄层64排螺旋CT (西门子，德国)连续扫描髋关节、膝关节、踝关节三段，其中CT扫描层厚0.6mm，电压120 kV，电流量200 mAs。将CT扫描得到的断层图像保存为DICOM格式文件并输出保存。

3.数据处理

图1通过Mimics 21.0软件重建骨骼的三维模型 (1)右下肢 (2)股骨 (3)胫腓骨 (4)膝关节骨性模型

②确定下肢机械轴线：将STL格式股骨、胫骨模型导入逆向工程软件Geomagic Studio 2014软件(Geomagic Inc.，美国)，分别定位股骨和胫骨的机械轴线和内、外侧平台线。假设股骨头为球体，确定其球心为股骨头中心，髁间窝顶部上方为膝关节中心，则股骨机械轴线为两中心的连线（图2）；冠状位:股骨外侧角，通过在Mimics21.0软件中标记出股骨远端内外侧髁关节面最低点，确定点的坐标，连接两点为关节面连线；自内侧髁最低点开始向股骨近端移动140mm，采用测量冠状面和矢状面股骨髓腔直径方式找到髓腔中心点，连接髓腔中心点与髁间窝顶点即为股骨解剖轴。(图3-4)

图2 股骨机械轴：股骨头旋转中心与髁间窝顶点连线

图3 股骨远端髓腔中心定位

图4 股骨远端Blumensaat线最低点(髁间窝顶点)定位

胫骨平台中心位于内外侧髁轴线与前、后轴线的交点，踝关节中心位于内外踝中点，则胫骨机械轴为该两中心的连线。（图5）

图5 胫骨机械轴

③股骨远端截骨面:为重建下肢力线，在冠状面的截骨线垂直于机械轴，矢状面垂直于解剖轴。根据两条线确定一个面的原理，机械轴的垂线与解剖轴的垂线即可确定股骨远端截骨面。最终由所选择假体远端厚度确定截面的位置。（图6）

④胫骨近端截骨平面：胫骨近端截骨面后倾7°(即胫骨近端截骨面和水平面夹角为7°) ，胫骨近端截骨面和胫骨外侧平台最高点之间的距离为8mm。（图7）

图6 股骨远端截面确定(红色轴线为解剖轴，绿色轴线为机械轴，蓝色显示远端截骨块)

图7 胫骨近端截骨平面确定

2.手术器械的测量：

股骨远端截骨模块(femoral distal cut guide) :股骨远端截骨模块是放置在股骨远端前方指导截骨，首先需要确定无加截减截的两个0位定位钉孔之间的距离以及两孔连线和截骨槽之间的距离。定位固定钉位于截骨槽的近端，所以截骨槽里靠近固定钉的一侧边缘为截骨位置，两个定位固定钉外边的距离是49mm，每个定位钉或钉孔的直径为4mm，所以两个定位孔圆心的距离就是45mm。两圆心连线是平行于截骨槽的，截骨线离0位定位孔圆心的距离是28mm。由于已知2mm加截和2mm减截两孔连线和0位孔连线是平行的，而且距离0位孔连线的距离都是2mm，由此我们得到了本研究所需要的和股骨远端截骨模块相关的数据。（图8）

图8 四合一截骨模板的测量

3.设计股骨、胫骨个性化截骨导板

目前手术截骨导板的设计思路主要分为两种，导向器的底座采用类似的逆向工程方法根据术区骨表面形态建立，对于导向器的正向设计部分，一种思路是底座直接连接截骨槽，另一种思路中截骨导板只带有用来确定钉孔的位置的，确定了无头钉的位置再进一步安装假体配套的金属截骨模块。第一种思路带截骨槽的导板设计初衷是将导板底座贴合目标骨面即安装导板后可以直接使用电动摆锯由截骨槽做导向进行截骨，以期获得手术时间更短、便利性更好的结果；而第二种思路确定定位钉截骨导板的设计初衷是为了避免直接截骨时高速运动的锯片对3D打印的截骨槽造成较大机械性与热熔性损伤，导致术中截骨准确性下降同时不必要的体内3D打印材料碎屑残留。我们团队的设计结合两种思路设计了一款导板，兼有股骨远端截骨槽以及四合一截骨模块定位孔。这里可根据截骨线截去股骨远端，观察股骨前髁、后髁的截骨情况来确定是否安放准确。如果股骨前方皮质发生切迹(Notching)或假体悬突(Overhang)，则需要改变截面角度，尤其是矢状面角度。

将股骨模型与四合一载骨模块孔、股骨远端以及胫骨近端截骨平面一起导入Solidworks 2017软件中进行匹配。设定对应截骨器的空间位置及传统金属截骨器上的定位孔位置，确定个性化手术导航模板定位孔的位置及轴向，经处理获得与股骨髁面解剖形状匹配的反向股骨导航模板数据。（图9）同法设计，胫骨近端8.0mm截骨厚度,从而得到胫骨截骨导航模板数据。制作胫骨高位截骨导航模板时，沿截骨平面导入截骨定位孔，根据测量的截骨角度制作摆锯截骨槽，在逆向工程软件中通过截骨定位孔和截骨槽提取截骨部位表面点云数据，做拉伸处理(厚度为5mm) ，将拉伸后的模板与截骨定位孔及摆锯截骨槽进行装配,设计出截骨定位导航模板。(图10)

图9 手术导航模板的设计与模型a.股骨截骨导航模板

图10 b.胫骨截骨导航模板

三、3D打印技术

打印手术导航模板:将股骨、胫骨截骨导航模板数据导入切片软件JGcreat 2.5.0或Cura，调整好打印参数后生成gcode，然后导入快速成型机（FDM极光尔沃A8）打印出导航模板。(图11)

图11 切片软件进行支撑加载等打印参数设置

参考文献

《3D骨科学》