3D打印截骨導板輔助全膝關節置換術中股骨切跡發生原因的初步研究*

柯松 宋鑫 徐源 呂明銳 馬天鷹 冉天飛 王敏

（中國人民解放軍陸軍軍醫大學第二附屬醫院骨科，重慶 400037）

股骨切跡是全膝關節置換術中相對少見的并發癥，常發生在術者經驗相對欠缺階段[1]。Gujarathi等[2]報道，股骨切跡發生率為41%，股骨切跡是導致全膝關節置換術后假體周圍骨折的危險因素。如何避免發生股骨切跡目前已經有較多的經驗報道，包括正確選擇進針點、糾正股骨假體旋轉不良、選擇正確股骨假體型號[3]以及股骨截骨模塊遷移等，但3D打印截骨模塊輔助全膝置換手術股骨切跡發生的情況、原因分析以及解決策略尚未見報道。本研究擬對我院3D輔助全膝置換技術中出現的股骨切跡問題進行回顧性分析，探討發生的原因以及解決的策略方法，減少3D輔助全膝置換并發癥的發生。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017 年1 月至2018 年1 月在我院診斷為膝骨關節炎（knee osteoarthritis,KOA），并行全膝關節置換患者131 例。其中男25 例，女106 例，年齡49～84歲，平均（66.2±8.0）歲。診斷參照2016 年美國骨科醫師協會（American Academy of Orthopaedic Surgeons,AAOS）《膝關節骨關節炎循證醫學指南》（第2 版）標準。排除標準：①嚴重膝關節內外翻畸形（＞15°）患者；②其他明顯關節外畸形者；③嚴重骨缺損者；④骨腫瘤及骨折病史患者；⑤類風濕性關節炎、痛風性關節炎等炎性關節疾病患者。

1.2 攝片及測量方法

患者常規行雙膝站立位X 線片，以排除嚴重畸形、骨缺損等情況。并行64 排CT 雙下肢薄層平掃，層厚0.625 mm，掃描范圍從骨盆至雙足。體位：雙腿自然并攏中立位，髕骨朝上。將所得雙下肢骨骼CT掃描數據以DICOM 3.0 格式導入Mimics 17.0 軟件（Materialise 公司，比利時），對擬行手術側股骨進行三維重建，獲得股骨的3D 圖像。在Creo 2.0（PTC 公司，美國）矢狀位圖像中建立圓柱模擬股骨髓內導向桿，參照Oswald等[4]方法股骨遠端解剖軸線（a）確定為股骨遠端Blumensaat 線前方5 mm 至股骨遠端20 cm處髓腔中點連線，股骨側位機械軸線（b）確定為自股骨頭中點至Blumensaat 線前方5 mm。矢狀位兩條軸線遠端位點相交于Blumensaat 線前方5 mm（c），見圖1。兩線夾角為股骨遠端前偏角（distal femoral sagittal anterior angle,DFSAA）由軟件自動測出，并記錄。為保證測量的準確性，對每個股骨樣本測量3 次，每次由不同的工程師測量，得到的數據取平均值，3 次測量結果誤差在±0.15°范圍內，顯示通過該軟件測量結果有高度的可靠性。DFSAA＞3°為A 組，DFSAA≤3°為B組。術后常規行手術側膝關節的標準正側位片，側位片上股骨遠端前方皮質與假體連續部出現骨質缺損為股骨切跡。登記發生股骨切跡的例數，參照Gujarathi等[2]方法對股骨切跡進行分型。

圖1 股骨遠端前偏角示意圖

1.3 臨床功能評價

1.3.1 3D截骨導板制作方法：使用SIEMENS NX 9.0軟件模擬股骨遠端上述解剖標志點，確定股骨a、b 力線，股骨遠端截骨面與b線垂直。再通過測量判斷假體匹配型號（Link公司GeminiⅡ假體），見圖2。導板材料選用高溫滅菌、不易變形醫用尼龍（PA2200）。將截骨導板模型數據輸入3D 打印機（EOS P110）自帶軟件程序中打印成型（圖3箭頭a）。

1.3.2 手術方法：全身麻醉或硬膜外麻醉，大腿根部應用止血帶，常規膝正中切口，髕旁內側入路，使用德國Link 公司GeminiⅡ膝關節假體和強生公司Vangard假體，髕骨均不做置換，由同一位醫師進行手術，術中應用3D 打印截骨導板做股骨截骨，導板貼放之前刮除軟骨，保證導板完全帖服骨面（圖3）。

1.3.3 圍手術期處理：術前30 min 開始預防應用抗生素，假體安放前關節內應用雞尾酒止血止痛；術后24 h 內拔除引流管，常規抗凝、多模式鎮痛、主動股四頭肌等長收縮訓練及踝泵練習等；術后第1天開始膝關節屈伸鍛煉，根據情況輔助器械下床訓練；并復查負重位膝關節標準X線正側位片，觀察股骨前方切跡發生情況。

1.3.4 術后功能評價：術后隨訪1年，門診檢查患膝功能情況。采用美國特種外科醫院膝關節評分（hospital for special surgery knee score,HSS 評分）系統進行手術側膝關節功能評價。

1.4 統計學方法

采用SPSS 19.0 軟件進行統計分析。首先對數據進行Kolmogorov-Smirnov 檢驗評價是否遵循正態分布。對正態分布數據采用t檢驗。對非正態分布數據采用非參數秩和檢驗。對率的比較采用卡方檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 患者DFSAA分布情況

圖2 SIEMENS NX 9.0軟件膝關節假體試配

患者DFSAA 0°～5.7°，平均2.51°±1.50°。有50%的患者DFSAA＜2.2°，另外50%患者為2.2°～5.7°（圖4）。男性DFSAA為0.1°～5.6°，平均2.58°±1.59°；女性DFSAA 為0.2°～5.7°，平均2.50°±1.49°；男性和女性比較，差異無統計學意義（P=0.389）。

2.2 兩組股骨切跡發生情況

39 例患者患側DFSAA＞3°為A 組，92 例患者患側DFSAA≤3°為B組。A組發生股骨切跡6例（圖5），發生率為15.4%；B組患者沒有發生股骨切跡，兩組比較，差異有統計學意義（P＜0.05）?？偣晒乔雄E發生率為4.6%，均為GujarathiⅠ型股骨切跡，皮質缺損沒有超過內側骨皮質層，沒有Ⅱ～Ⅳ切跡。術后患膝側位X 線片提示股骨遠端解剖軸線和股骨髁機械軸線不一致，形成交角（圖6）。

圖3 術中應用3D打印截骨導板進行截骨

圖4 131例患者股骨遠端前偏角分布圖

2.3 兩組膝關節功能比較

患者1年后全部得到隨訪，無假體松動和感染病例，無假體髁上骨折及其他原因翻修病例，A 組患者HSS 評分為75～92 分，平均（85.7±7.6）分；B 組患者HSS評分為76～93分，平均（83.7±7.4）分，兩組比較差異無統計學意義。

3 討論

圖5 股骨髁前方形成股骨切跡（箭頭所示）

圖6 全膝關節置換術后側位圖，顯示股骨切跡

假體周圍骨折是全膝關節置換術并不少見的嚴重并發癥，最常見于股骨，且主要是在股骨髁上區域，文獻[5]報道其發生率為0.3%～2.5%。造成術后股骨遠端骨折的原因很多，其中重要的一個因素是股骨前方皮質切跡[6]，術中行股骨前方截骨時可發生股骨切跡。許多研究[2,7,8]表明股骨前方切跡與股骨髁上骨折密切相關，股骨切跡的發生率為3.5%～41.0%。文獻報道的差異較大，可能和關節外科醫師經驗有一定關系。存在股骨切跡的患者發生股骨髁上骨折的風險較高，達0.5%～44.3%[6,9]，原因是股骨切跡降低了其正常的機械應力。Lesh 等[10]通過人體尸體標本研究發現股骨切跡減少了股骨18%的抗彎強度和42%的扭曲力。Shawen 等[11]發現如果股骨切跡皮質缺損超過3 mm，其抗扭曲力基本喪失，極易發生股骨遠端骨折。Zalzal 等[12]研究表明股骨前方皮質切跡會造成局部應力集中，特別是股骨切跡超過3 mm、銳利的股骨切跡以及股骨切跡鄰近假體等情況時，應力集中明顯。所以避免股骨切跡的發生十分重要。

以往研究分析了股骨切跡發生的諸多因素：股骨遠端屈曲；股骨假體過度旋轉，前內側股骨切跡（過度內旋），前外側股骨切跡（過度外旋）；股骨截骨采用后參考系統，開髓進針點偏后；假體型號選擇偏小。并提出了相應的避免措施，如避免假體放置后移、采用髓內短桿定位、擺鋸消除超過3 mm的皮質坎或股骨假體屈曲3°放置、改用延長桿股骨假體等[13-15]。其中股骨遠端屈曲程度被認為與股骨切跡大小有顯著相關性。

近年數字化技術在全膝關節置換中應用逐漸增多，其中發生股骨切跡的病例也有報道。Yukihide等[16]首次報道計算機導航技術輔助全膝關節置換手術股骨切跡的發生率為31%～51%（切跡定義為假體和股骨前皮質不平行），而傳統方法的發生率僅為11%，差異有統計學意義。在計算機導航輔助全膝關節置換術（computer-assisted surgery in total knee arthroplasty,CAS-TKA）中發生股骨切跡的情況很多。目前普遍認為，由于CAS-TKA中，股骨側假體安放位置參考股骨機械軸線，股骨遠端屈曲，這樣會使股骨假體安放在相對過伸位置，使股骨前側皮質產生股骨切跡。股骨遠端屈曲的程度越大，產生股骨切跡的可能性越大。

數字化技術在全膝關節置換術中的應用不光有CAS-TKA，快速增材制造技術的迅速發展為精準個體化TKA提供了另一方案，即3D打印個性化截骨導板輔助TKA（patient-specific instrumentation development in TKA,PSI-TKA）。相對于CAS-TKA、PSITKA 同樣可獲得精確截骨方案，且較前者手術時間更少，術中操作更加便捷。因同樣參考股骨機械軸線設計截骨導板PSI-TKA 也存在因股骨遠端屈曲而產生股骨切跡的問題。但目前關于PSI-TKA 中發生股骨切跡的相關文獻尚未見報道，為此我們進行了初步的研究。

關于股骨遠端屈曲的研究方法有很多。Bao等[17]的研究中，定義股骨矢狀面遠端解剖軸線（distal anatomical axis,DAA）與矢狀面機械軸線（sagittal mechanical axis,SMA）的夾角為SMADAA，實則與本文研究的DFSAA為同一角度。他的研究表明SMADAA與股骨前弓角（sagittal femoral bowing angle,SFBA）具有顯著相關性，因此本研究中的DFSAA 可以反映股骨遠端前弓程度，并且與股骨遠端屈曲角（distal femoral flexion angle,DFFA）[13]，以及曲率、曲率半徑、SFBA等[18-21]參數相比（這些數據較容易受到投射角度的影響），該角能更真實的反映股骨假體放置的位置。

對發生股骨切跡的6例患者進行分析發現，他們DFSAA 角都超過3°。如果DFSAA 過大，參考股骨遠端解剖軸線和參考股骨機械軸線的股骨遠端截骨平面不一致，貼放3D打印截骨模塊時，會造成股骨前方切跡（圖7～8）。

圖7 不同參考線股骨遠端截骨差異圖

當DFSAA≥3°時，股骨切跡的發生率明顯增高。孫云波等[22]的研究也表明股骨前側皮質股骨切跡的發生以及切跡深度與股骨遠端屈曲角度具有相關性。隨著計算機導航技術及3D 打印技術的快速發展，CAS 及PSI 越來越多地應用在TKA，不管是術中導航還是術前3D 設計個體化截骨導板，對于DFSAA≥3°的患者，不建議或慎重參考股骨機械軸線（圖7 b 線），可以參考股骨遠端解剖軸線（圖7 a 線），而DFSAA＜3°的患者，建議參考股骨機械軸線（圖7 b線），既符合生物力學要求，又不會發生股骨切跡。

本組病例均使用3D打印截骨導板輔助TKA 術，股骨切跡的發生率為4.6%，遠低于大部分文獻報道的發生率，而且切跡都是GujarathiⅠ型，為最輕的類型，和術后股骨遠端骨折沒有直接相關性[2,22,23]。Gujarathi Ⅲ、Ⅳ型切跡[6,22]將顯著增加假體安放后股骨髁上骨折的風險。本組病例切跡發生數量少且沒有發生Ⅱ型以上切跡，和術者經驗有關系：安放截骨導板前慎重探測股骨前方皮質，不確定情況下可以擺鋸截部分骨再測試調整3D 截骨導板；如果術中評估會出現Gujarathi Ⅲ、Ⅳ型切跡，說明術前軟件設計出現問題，建議改用傳統股骨髓內定位方法，可以采用短髓內桿，避免插入超過股骨遠端1/3，雖然可能會出現術后假體矢狀面位置屈曲，但屈曲角度介于±10°之間對于功能恢復無顯著影響[24]。

圖8 股骨髁前方截骨出現股骨切跡（箭頭）示意圖

術后兩組功能恢復沒有差異，未見股骨遠端骨折病例，但還需長時間隨訪。本組資料顯示男性患者和女性患者的DFSAA沒有顯著性差異。該結果和預期不一樣，可能和男性的樣本數有關。影響股骨切跡的原因不僅是DFSAA，股骨假體大小、定位器和后髁角大小也和股骨切跡密切相關[3]，需進一步研究分析。

本研究也存在一些局限：①DFSAA 受股骨前傾角、股骨頸長度、股骨長度等因素影響。在3D影像上股骨機械軸線是從股骨頭中心到股骨髁間窩Blumensaat 的連線，如果患者股骨頸前傾角增大，則DFSAA 會減小。特別是先髖脫位或髖臼發育不良的患者，股骨頸前傾角和DFSAA關系密切，相關性會更明顯。本組沒有包括這類患者，所以DFSAA 和股骨頸前傾角相關性如何，仍需深入研究。②股骨矢狀面前弓與種族有相關性[24]，本組研究對象均為中國西南地區KOA患者。因此本研究結果不能直接說明在其他地區或者其他人種中是否會有相似結論。尚需進一步多中心，多樣本的研究。