3D打印膝关节置换的研究现状

3D打印快讯
2020
05/28
13:51
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作者:山西医科大学第二医院骨关节科    杨自权
来源:中国骨伤2020年1月第33卷第1期

膝关节骨关节炎(KOA)是高发于中老年人的退行性关节疾病,其主要表现为膝关节关节软骨退变、骨赘增生及关节周围软组织疼痛,关节功能障碍等。研究显示我国有症状的KOA的患病率为8.1%,患病人群中女性比例高于男性;体重是影响发病率的重要因素;其他影响患者生活质量的因素还包括关节疼痛程度、病程、受教育程度,是否存在其他合并疾病等。人工关节置换手术作为终末期KOA主要的治疗手段,已经历了50多年的发展历程,目前技术方法已经越来越成熟。近年来,随着数字化医学、3D打印技术、计算机导航系统等在医学领域内的应用,人工关节置换研究也进入新的发展时代,通过导航及数字化配准假体定位可以获得更好的下肢力线及软组织平衡,通过3D打印技术能降低复杂关节置换手术难度而获得更好的手术疗效。阶梯化治疗和个性化治疗的理念逐渐深入医生的治疗方案,在全膝关节置换手术之外,单髁关节置换、截骨力线矫正、髌股关节置换等治疗技术的快速发展和深入研究,使得KOA的治疗手段更加多样化。
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数字化医疗在全膝关节置换中的应用
全膝关节置换术(TKA)能显著缓解患者的疼痛症状,改善关节功能状态,提高患者术后的生活质量,是目前治疗各种严重膝关节炎的常用手术,已经成为治疗终末期膝骨关节炎的主要治疗手段。全膝关节置换手术中下肢肢体力线的恢复、膝关节软组织的平衡和人工关节假体旋转、适配等的精确把控是影响手术成功的重要因素。虽然大多数的TKA手术可以通过标准化的手术流程完成,但是对于特殊复杂畸形关节的处理,仍是困扰关节外科医生的一个难题。

近几年,随着数字化技术在医学领域内的应用和不断发展,3D打印、计算机导航系统等数字骨科技术逐步应用于关节置换手术。对于传统手术方法难以取得满意疗效的特殊复杂畸形的患者,3D打印技术以及各种个性化定制化假体的发展,能够缓和甚至打破这种窘境,大大降低手术的难度而获得良好的治疗效果。目前应用3D打印技术辅助关节置换的相关报道日益增多,尤其在复杂畸形的关节置换中更为推荐。对于较难处理而经常出现在膝关节翻修术中遇到的骨缺损问题,构建新型多孔金属垫块来应对也是3D打印技术的运用实例。2019年,中华医学会医学工程学分会数字骨科学组、国际矫形与创伤外科学会(SICOT)中国部数字骨科学组联合发布了对3D打印医疗器械产品的标准和质量控制等方面的专家共识,将会推动3D打印在医疗领域的发展。在可期的将来,数字化医学将更好地应用于膝关节置换术中来,为更多的患者提供个体化、精准化的治疗方案。

计算机辅助骨科导航技术(CAOS)是数字医学在骨科中的应用实例,其将图像处理、立体定位、精密机械和外科手术相结合,可为骨科医生充提供更充分的数字化信息,使得医生可以在术前做出详细的评估和手术计划,提高了手术操作的精确性和安全性。对于膝关节人工关节置换,CAOS技术具有以下优势:(1)可以提高人工关节假体安装定位的准确性。(2)可在术中动态观察人工关节的运动学特性。(3)无须髓内定位,可以实现微创手术,减少患者术中术后的失血量、降低手术并发症。(4)未来可通过与5G技术结合,实现远程医疗,使医疗资源的利用更充分。
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本期于清波等回顾分析传统入路全膝关节置换术与计算机导航下全膝关节置换术的临床疗效,发现在计算机导航指导下开展全膝关节置换术,较单一全膝关节置换虽延长了手术时间,但更利于减少患者围术期失血量,患者术后异体输血率降低,关节功能恢复情况理想,且并发症少,安全可靠。本文计算机导航组共有65例,相信随着手术例数的增加,度过了学习曲线,导航组的手术时间会逐步减少,疗效会更有提高。

单间室关节炎的治疗
单髁关节置换术    膝关节单髁置换术(UKA)与TKA同时出现于20世纪60至70年代。相较于全膝关节置换术,单髁置换术具有创伤小、出血少及恢复快等优势,同时有利于保留膝关节力学,并保持更多的功能解剖结构。对于活动较为活跃的患者,单髁置换术比全膝关节置换术更有效。但单髁置换术适用范围较全膝置换术也相对较窄,仅适用于单间室病变严重而其他间室无病变或者病变较轻的患者。同时,相比于接受全膝关节置换的患者,选择UKA的患者对于术后的期望水平更高。早期研究发现,UKA治疗前交叉韧带功能不良的严重膝关节内侧间室关节炎失败率可达16.2%。因此,目前UKA手术通常适用于前交叉韧带功能良好患者,但近年也有研究发现,前交叉韧带功能不良组在固定平台UKA后也可获得较好临床效果。关于UKA的假体类型,目前临床上常用的假体类型主要包括两类:活动平台和固定平台型。Knif-sund等曾总结研究了1076例牛津单髁假体以及2279例骨水泥固定假体置换的5年生存率,显示生物固定假体生存率(93.7%)高于骨水泥固定假体(92.2%)。在理论上,活动平台假体更接近膝关节生物力学,匹配度更高,且可避免聚乙烯衬垫的磨损。但如果出现下肢力线不良或软组织失衡将加速外侧间室关节炎的发展和假体脱位的风险。固定平台假体手术要求相对简单,但是依旧对力线要求较高,否则容易造成对侧衬托磨损。

总而言之,在UKA手术中术者对力线的把握将是极为重要的一环。对于内侧间室UKA如果下肢内翻过度矫正时,外侧间室承受的应力会大大增加,这可能是术后外侧间室性骨关节炎的危险因素之一。UKA作为一项疗效确切的外科手术,仍有很大发展研究前景。
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下肢力线截骨矫形术    近年来,下肢力线的矫正在保膝手术中备受重视。其中,胫骨高位截骨术(HTO),腓骨近端截骨术(PFO)的应用与发展取得长足的进步。目前HTO手术常用于治疗膝关节内侧间室关节炎。HTO术通过胫骨近端的截骨矫形手术,改变患者下肢负重力线,改变膝关节的应力分布,将负重转移至未受损或者受损较轻的外侧间室,从而减轻骨关节炎的症状,延缓关节退变。同时,HTO对力线的矫正效果,可以用于股骨或者胫腓骨骨折后造成的创伤性膝关节骨关节炎的患者,对这些患者下肢力线的纠正,可以为未来可能进行的全膝关节置换建立更好的力学基础。最近的研究显示,随着对胫骨坡度的了解和矫正技术的进步,提高了HTO术后膝关节的稳定性,因此其手术适应证已扩大到后外侧松弛,内翻过度,前交叉韧带缺损等方面。体重指数、年龄和术前关节退变程度是影响HTO患者术后疗效的关键因素。有研究显示,术前体重指数高于27.5是手术失败的重要危险因素,且HTO也不建议用于65岁以上的患者。尽管HTO术后患者的运动范围较UKA稍好,但UKA在功能性结果,疼痛评估和并发症方面均比HTO更有优势。只要选择得当,HTO或UKA都是治疗膝关节内侧间室关节炎有效的外科治疗方法。

不均匀沉降理论认为膝关节单侧间室性关节炎多发生在内侧间室,骨质疏松是其始动因素,随着骨小梁变薄、数量减少,膝关节应力分散功能减弱,从而发生微骨折,而外侧平台因有腓骨支撑,导致了平台内外侧沉降速率不一致,从而引发膝关节单侧间室性关节炎。腓骨近端截骨术使保留的近端腓骨不再受远端腓骨和胫腓联合的约束,通过附着在腓骨近端的肌肉(如比目鱼肌和腓骨长肌)沿远端方向牵拉腓骨头,同时从后外侧结构传递张力,缩小了膝外侧关节的空间,以抵消因负重引起的膝内翻畸形,从而降低了膝内侧间室的压力并缓解患者的膝关节内侧疼痛。因此,临床上可以通过腓骨近端截骨术治疗膝关节内侧间室骨关节炎,目前文献显示部分患者接受腓骨高位截骨术后获得了良好的疗效。

本期中董伊隆等回顾性分析比较了腓骨近端截骨术与UKA治疗不同严重程度膝关节骨关节炎的临床疗效,发现术后1年UKA组在疼痛、僵硬和躯体功能评分均优于PFO组(P<0.05)。但是PFO组具有创伤小、恢复快、花费少的优势,并在Ⅱ级、Ⅲ级膝关节骨性关节炎患者中疗效优于UKA。相信随着PFO技术的不断完善和相关研究的深入,有望将成为膝关节人工关节置换和胫骨高位截骨等手术之外的新的治疗手段。

髌股关节置换术    髌股关节炎患者在临床工作中并不少见,在女性患者中更为多见。目前临床上大多数髌股关节炎的患者主要以保守治疗为主,手术治疗主要针对终末期经保守治疗无效的髌股关节炎患者。对于髌股关节炎患者的治疗到底是采用髌股关节置换术还是全膝关节表面置换术仍然存在争议。据国外学者报道,髌股关节置换术由于其创伤相对小,能够获得比全膝关节表面置换术更好的膝关节功能和患者满意度,但目前研究显示髌股关节置换术的翻修率高于全膝关节表面置换术。
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1979年Blazina等首次报道了髌股关节置换术治疗髌股关节炎,但由于刚开始受到手术技术以及假体类型等多方面因素的限制,导致了较高的失败率。近年来,随着手术技术及假体的发展,髌股关节置换术逐步用于治疗单纯髌股关节病变的患者,取得了较为满意的疗效。第1代髌股关节假体采用Inlay设计理念,主张使用假体单纯替代软骨病变区域,假体置入以病变区域软骨下骨为参照,置换手术并未改变原有髌股关节运动机制。如果患者膝关节的运动机制存在异常,必然会影响术后膝关节的功能,造成较高的翻修率。第2代髌股关节假体则采用Onlay设计理念,主张以表面置换假体替代原有髌股关节区域,置换时不仅考虑到滑车的病变区域,更重要的是充分考虑到置入滑车假体与股骨远端解剖对应关系,从而从机制上适应了髌股关节运行的生理要求,髌骨轨迹得到显著改善。第2代假体无论是缓解疼痛、关节活动度,还是髌股关节功能都能得到较大的改善,临床效果较为满意。

本期中高华利等通过回顾性分析35例患者42膝的病例,证明了使用第2代假体髌股关节置换术治疗单纯严重髌股关节炎早期临床疗效满意,并发症少,但应严格把握适应症。退变严重病例可选用膝关节CT扫描定制髌股关节假体,减少术后并发症,提高临床疗效。髌股关节假体的选择必须要覆盖整合髌股关节,不能只局限于病变的软骨区域,保证周围正常关节软骨到假体滑车的平整过渡。髌股关节置换术必须保证术后正常的髌股轨迹,这对术后满意疗效至关重要。

随着数字医疗的不断发展,手术器械的不断改进,医师对膝骨关节炎的认识上升,从全膝关节置换到单间室微创治疗,膝骨关节炎阶梯性治疗逐步发展成熟。相信在不久的将来,阶梯性、个体化膝关节置换技术会有进一步的提升,让更多的患者受益。

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