创伤性膝关节炎是一种由于膝关节受到外伤而使关节面快速破坏的急性关节炎，其中包括关节的骨折^[1], 主要表现为软骨和软骨下骨的结构性破坏，是一种慢性致残性疾病^[2]。有文献^[3-4]表明：胫骨平台骨折所导致的创伤性关节炎十分常见，而对于此类患者，往往会根据关节损伤的程度和患者的年龄选择切开复位内固定、关节融合术或人工关节置换手术等不同的治疗方式。对于年轻的患者及从事体力劳动或者活动量较大的患者而言，由于假体寿命受限的原因，进行关节置换手术时尤为慎重^[5]。而胫骨平台骨折类型复杂，造成的关节损伤也难以明确诊断，进而影响治疗方案的选择^[6-7]。

普通X线片和CT检查不足以提供精确而直观的依据，近年来迅速发展的三维(3D)打印技术为解决此类问题提供了契机。随着3D打印技术的发展，其在医疗领域的应用也越来越广泛，尤其是在骨关节置换的术前以及术中的应用价值已经得到了普遍的认可。3D打印技术，可以在术前根据患者影像学数据，打印出患部骨性模型，直观准确地呈现给医生和患者，更便于医患沟通，共同确定治疗方案。另外，术前应用3D打印技术辅助诊断，可以掌握更加准确及规则的内部和外部结构，这些均基于患者的影像学数据^[2]；对患者进行辅助诊断可以缩短手术时间，减少手术创伤^[8-9]。本研究所选择的创伤性关节炎患者，因其年龄小且病变较为复杂, 依靠现有的影像学技术，对于确诊及确定是否行关节置换具有一定困难。因此，本文作者选择3D打印技术为该例患者进行患部模型打印，以便更直观明确地做出诊断并制定治疗方案，进行膝关节置换。

患者，男性，年龄19岁。4年前因左侧胫骨平台骨折行切开复位内固定术，术后一直存在患部疼痛，8月前，因疼痛加剧，不能行走，就诊于本院。查体：左膝关节外侧皮肤可见10cm手术切口，表面红肿，皮温高，压痛明显，左膝关节活动度160°~180°，右下肢正常，膝关节评分表(KSS)临床评分68分，功能评分80分，门诊拟诊左膝关节创伤性关节炎。

术前采集该患者左侧下肢膝关节X线和CT数据(飞利浦256排CT)(图 1)，并将CT数据以DICOM格式导出。将DICOM格式的文件导入MIMICS17.0软件(比利时Materialise公司)进行图像的三维重建(图 2A，插页四)，在保证组织结构不失真的前提下，进行表面及内部的平滑处理，达到可以3D模拟打印的要求。最后以标准三角语言(STL)格式导出。以上过程均签署知情同意书，并获得吉林大学第二医院伦理委员会批准。

A：Posteroanterior X-ray of left knee；B：Lateral X-ray of left knee；C：CT of bilateral lower limbs. 图 1 患者术前影像 Figure 1 Preoperative images of patient

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A:3D reconstruction; B:3D printing model. 图 2 创伤性关节炎患者膝关节三维重建和打印模型 Figure 2 3D reconstruction and 3D printing model of knee joint in patients with traumatic arthritis

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在吉林大学第二医院骨科3D打印手术设计中心打印模型。在取得STL文件后，将文件导入MAGICS18.0软件中，经过修复模型、调整位置和添加支撑等一系列处理后，以Magics的格式导出到3D打印设备(SLA-450, Shining公司, 中国)，开始打印。本次打印的为光固化树脂材料的膝关节模型(图 2B，插页四)，目的是用来更直观地诊断并观察关节炎侵及范围，为制定治疗方案提供依据。

将打印出的模型进行CT扫描，并与对应的患者原始骨骼CT数据配对；三维重建后应用MAGICS 18.0分别测量模型的最大长径(m-APD)、最大宽径(m-TD)、最大高度(m-HD)、股骨髁横径(c-TD)、内侧髁前后径(c-MAPD)、外侧髁前后径(c-LAPD)、股骨前髁高度(c-AHD)、胫骨平台前后径(t-APD)胫骨平台横径(t-TD)、内侧胫骨平台前后径(t-MAPD)和外侧胫骨平台前后径(t-LAPD)(图 3)，每个数据测量3次，取平均值。同时测量模型与患者影像数据之间的绝对误差和相对误差。

图 3 股骨内外侧髁的测量 Figure 3 Measurement of c-MAPD and c-LAPD

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根据打印的膝关节骨性模型，结合专科查体、关节负重情况以及病变范围，最终确定是否行全膝关节置换术。鉴于该例患者年龄较小，病变较为复杂，针对患者情况，应用3D打印模型进行测量及手术设计。将目前所有可提供的假体逐一与患者3D模型对比，确定最为匹配的假体型号(图 4，见插页四)。

A, B: Selection of femoral prosthesis; C, D: Selection of tibial prosthesis. 图 4 创伤性关节炎患者匹配假体的选择 Figure 4 Selection of fitted prostheses of patient with traumatic arthritis

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患者取仰卧位，麻醉生效后，取左膝关节前正中切口，起于髌骨上方腱腹交界处，止于胫骨结节内侧1 cm，总长14 cm。逐层暴露切开皮肤、皮下组织、关节囊和髌内侧支持韧带，见胫骨、股骨及髌骨关节面磨损严重，内侧间室较为严重，这与之前根据3D打印模型显示的病损情况高度吻合(图 5，见插页四)。随后，屈曲膝关节，松解内侧关节囊，切除增生组织。行股骨远端截骨，继而行胫骨近端截骨，保护相关韧带。于股骨安装截骨模块，行前髁、后髁及斜面截骨，安装假体试模，扣实，显示匹配良好。然后依据术前设计，取相应型号钛金属假体，在模板引导下，于胫骨近端开槽。常规碘伏浸泡消毒后，依次插入股骨及胫骨假体并用骨水泥固定，安装衬垫。待骨水泥固化后，检查膝关节屈伸良好，髌骨运行轨迹良好，内外侧张力适中。最后，冲洗伤口，置管引流，缝合并加压包扎。手术时间为55 min，出血量为600 mL。

图 5 创伤性关节炎患者膝关节3D打印模型(A)和术中所见(B) Figure 5 3D printing model of knee joint (A) and intraoperative observation (B) of patient with traumatic arthritis

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采用SPSS 17.0统计软件进行统计学处理。模型和患者膝关节影像学参数均以x±s表示，组间比较采用配对t检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。

3D打印模型的各项参数与患者膝关节影像学参数组内相关系数(ICC)均为1.00，组间比较差异无统计学意义(P＞0.05)。模型与患者膝关节影像学参数的平均绝对误差为0.45mm，相对误差为0.9%。见表 1和2。

术中暴露患者股骨内侧髁、外侧髁关节面与术前3D打印模型形态高度吻合；术中X线片显示：假体位置准确，大小匹配，并且活动度恢复正常；根据模型确定所选假体为强生公司人工膝关节系统(股骨髁假体4号，胫骨平台假体3号，胫骨垫片10 mm，4号)，假体的匹配程度良好，也更加适合该例患者。由于应用3D打印技术，进行了充分的术前设计，手术时间缩短，出血量明显减少。术后6个月随访，X线片结果见图 6。患者KSS临床评分和功能评分，分别从术前的68分和80分提升到90分和95分，患者自述膝关节功能良好，效果满意。

A, C:Posteroanterior and lateral X-ray of left knee during operation; B, D:Posteroanterior and lateral X-ray of left knee 6 months after operation. 图 6 患者术中和术后6个月随访时X线表现 Figure 6 X-ray appearances of patient during operation and 6 months follow-up after operation

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近年来，随着3D打印技术的发展和成熟，其在医学领域的应用也越来越广泛，尤其是在骨折的术前设计和组织重建等领域^[9-18]。3D打印技术最先在口腔颌面外科应用，近年来应用越来越广泛^[9-12]，在髋关节疾病方面的应用屡见报道^[13-14]，在软组织重建中也有应用^[10]。最近，3D打印技术在手指重建、锁骨骨折和骨盆骨折等疾病的术前设计中得到了应用^[15-17]，极大地扩大了3D打印技术应用的范围，使其得到了进一步的发展。计算机辅助手段在膝关节置换术中的应用也有相关的报道^[19-22]，但计算机辅助设计并采用3D打印技术打印模型，直观准确地进行辅助诊断、确定治疗方案并进行术前设计，在目前的研究中仍不多见。

本研究报道了1例19岁创伤性膝关节炎患者，由于患者年龄小，病情相对复杂，临床上难以确定是否行关节置换术及最合适的诊疗方案。仅凭影像学数据做出诊断及确定是否行手术治疗，很难让患者及家属对病情有一个直观而清楚的认识从而接受治疗方案。X线及CT等影像学数据仅能提供二维平面的图像，不能从各个角度直观地反映真实病损情况。目前，CT可以进行三维重建，但是这种三维重建，其本质仍旧是将图像呈现在计算机二维屏幕上。3D打印模型，可以更直观地还原病灶或骨折部位的真实情况，使得诊断更加准确。同时可以将假体与3D打印患者患部模型进行模拟装配，选择最合适假体。因此，本文作者在术前对该患者实施3D打印患部骨性模型，以便更直观而准确地判断患者病情，同时与患者及家属沟通也有了可靠的依据。3D打印模型显示：该患者股骨内侧髁、股骨外侧髁和髌骨关节面磨损严重，结合专科查体，认为不适合保守治疗或行单髁置换手术，确定需行全膝关节置换术，随后进行了术前设计，确定选用强生公司人工膝关节系统。

本研究应用3D打印技术进行术前辅助诊断并进行术前设计，提高了术前诊断的准确性，同时根据患者自身的特点，选择了更加适合患者的假体，与传统全膝关节置换手术比较^[23-24]，本次手术时间明显减少，术中出血量明显降低；另一方面也简化了手术过程，降低了术后感染的风险，这对于患者术后快速康复也起到了积极的作用。因本研究仅为1例患者，其普遍意义尚待证实。

对于应用3D打印技术进行术前辅助诊断和术前设计，应注意真实骨骼与模型可能存在的尺寸及结构误差。因此，本文作者对打印模型进行逆向CT扫描，并与原始骨骼CT数据进行对比测量，结果显示：评价相似性的ICC均为1.00，表明本例中模型与骨骼高度相似，并且组间比较差异无统计学意义，而0.45 mm与0.9%的绝对和相对误差更是低于选择性激光烧结(SLS)、3D打印和PolyJet等技术打印的模型^[24]。本研究中，虽然患者真实病损情况与模型高度一致，但要将3D打印技术大规模应用于临床，仍需要对模型与真实骨骼的结构误差进行深入研究。另一方面，由于3D打印技术的成本过高，使得患者经济负担增加，如果大规模使用，不容易被接受，但是随着3D打印技术的进步及使用规模的扩大，其成本势必会下降，3D打印的价格也会逐步达到患者普遍可以接受的程度。

综上所述，在本例膝关节创伤性关节炎患者诊疗过程中应用3D打印技术，不仅得到了较为精确的诊断和术前设计，也便于医生更好地与患者及家属沟通，共同确定患者治疗方案，使手术时间缩短，出血量也得到相应的减少，术后感染风险降低，术后康复时间缩短。本研究结果为今后诊治难以单纯凭借影像学资料进行明确诊断及制定治疗方案的类似病例，提供了一个可供参考的方案。