3D打印个性化膝关节矫形器——让中早期膝骨关节炎患者远离手术

膝关节骨性关节炎（osteoarthritis , OA）是一种以膝关节软骨的变性、破坏及骨质增生为特性的慢性退行性骨关节疾病，由年龄增长、劳损、肥胖、创伤等多种原因引起，临床表现多为缓慢进展的关节疼痛、肿胀、活动受限甚至畸形的退行性病变。多见于65岁以上老面人，是影响人类健康的最常见的关节疾病之一，全球各类骨关节炎患者约3.6亿，我国患者已超过1亿。

X线检查:普通X线片检查在临床最常用，根据关节间隙的改变来间接判断软骨的受损情况。骨硬化、关节面下囊性变和骨赘形成具有特征性，关节间隙狭窄表明关节软骨已开始变薄。

下肢生物力学

在全身各大关节中，膝关节承受了身体大部分的重量，进而导致膝骨关节炎的发病率居各关节之首。

正常的下肢力线经过膝关节中心，膝关节炎患者出现畸形的轴向对线。膝骨关节炎的发生与发展中，下肢生物力学因素有着非常关键的作用，就诊患者多为仅內髁或外髁一侧受累的单髁性病变。由于人体在一个完整步态周期中所承受约为70%的地面反作用力是经由膝关节内侧间室向身体进行传递，由此相较于外侧间室，内侧间室较常受累。内侧间室型膝关节炎最为常见，其发病率约为外侧间室型的10倍。

常见治疗方式比较

临床上常见的膝关节骨性关节炎治疗包括物理治疗、药物治疗、手术治疗及生物力学治疗。物理治疗及药物治疗虽可有效地帮助患者减轻患侧关节的疼痛，但由于不能矫正畸形的膝关节轴向对线，故而长期效果不甚理想；又由于手术治疗费用高昂且创伤较大难以被患者普遍接受。而生物力学治疗的膝关节矫形器作为一种新型的治疗模式，因其花费较低,无创伤，且能有效地减轻疼痛，目前正被广泛地运用于膝关节骨性关节炎的治疗中。

膝关节矫形器是治疗膝骨性关节炎的可靠方法，可有效改善临床症状和提高膝关节的稳定性，并对常规治疗无效及由于各种原因不能接受手术治疗的膝骨性关节炎及其不稳者也有较好疗效。常见膝关节矫形器包括三（四）点力式与整体免荷式。

三（四）点力式与整体免荷式矫形原理

三（四）点力式膝关节矫形器，依靠三点力学受理原理平衡部分膝关节力矩降低单侧软骨的压力，矫正下肢力线，减轻疼痛。这种免荷方式增大患侧髁间隙，减小负荷；但同时也增加了对侧髁的负荷，对侧腔室的间隙减小，对侧软骨承受的压力增大，软骨磨损增大。

整体免荷式膝关节矫形器通过矫形器分担部分股骨对胫骨的压力，通过增大整个膝关节间室间隙，减小膝关节的整体负荷和关节软骨及骨的摩擦。虽然减少膝关节负荷，却未能从根本矫正下肢力线。

生物力学单侧减荷式膝关节矫形器

上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科王金武教授团队，综合了三（四）点力式原理和整体免荷式矫形原理的特点，在整体免荷式矫形原理的基础上提出了改进的单侧减荷式矫形原理，设计了单侧减荷式膝关节矫形支具。

通过对膝关节两侧分别施加大小不等的轴向拉伸力，根据作用力与反作用力原理、杠杆平衡原理及力的分解原理，产生一个向力较小侧方向的矫正力矩，在矫正力线，减轻患者患侧负荷的同时，对对侧进行局部减荷，从而避免加剧对侧的磨损。

在此基础上，王金武教授团队还将3D打印技术运用在了膝关节矫形支具的设计制造中，研发了新型个性化3D打印单侧减荷式膝关节支具，在个性化治疗的同时还减轻了矫形支具的重量，大幅度提升了患者佩戴矫形支具时的舒适度。

就诊流程

个性化3D打印单侧减荷式膝关节支具，不同于传统的使用石膏取模的方式，通过光学扫描仪获得体表信息，结合患者下肢CT数据通过计算机精准设计，部分或全部3D打印工艺制作完成。患者适配精准调整后佩戴矫形器拍摄X光片，做到精准矫正与治疗。

3D打印个性化膝关节矫形器扫描过程干净卫生高效，穿戴方便、快捷、安全美观、与人体高度贴合；计算机设计矫正的精准度高，提高患者的就诊体验。

同时矫形器的正确佩戴位置影响矫形效果，应使矫形器双侧活动关节处于膝关节内外侧中间位置。为保证治疗效果，佩戴时注意绷带合适的松紧度，以确保矫形器位置稳定，同时，也切忌因佩戴过紧而影响下肢的血供。可以通过以下几种方法自行判断下肢血供情况：

佩戴时，绑带与皮肤间距离以一指为宜

佩戴后若感觉佩戴支具一侧下肢发麻或发冷，提示血供出现阻碍

脱去鞋袜，若佩戴支具一侧足背较另一侧足背发白，应放松绑带恢复血供

按压脚趾甲约1-2秒后放松，血供正常时可见脚趾甲由白迅速变红，可通过比较双脚进行判断

触摸足背，感知动脉搏动，若血供正常则搏动明显且有力，可通过对比双脚进行判断

治疗效果

患者未佩戴（左）和佩戴（右）新型矫形支具负重位下肢全长X线片

患者佩戴矫形器行走，并通过步态实验对佩戴支具前后的步态数据进行测算、分析。实验数据结果初步证明，受试者佩戴膝关节内侧减压矫形器后，支撑相后期（膝关节承重的重要周期）膝关节外翻角增大，膝关节内侧力线向外侧转移，膝关节内侧压力降低。

对于早、中期的膝骨关节炎患者，佩戴合理设计的膝关节矫形支具能够矫正下肢力线，从而减轻患髁受力，减轻疼痛、改善患处功能并增加膝关节稳定性。