概述
髌股关节（PF）问题占膝盖疼痛的 45%，通常与髌骨、滑车或两者的关节面力学改变或损伤有关。当前对 PF 关节的临床理解几乎完全基于二维图像，而三维建模能够更深入地了解 PF 关节的形态。3D 重建主要使用的是 CT 成像数据，因为基于磁共振成像（MRI）创建精确的 3D 模型具有很大的挑战性。然而 MRI 是可视化软骨所必需的，对于了解真正关节面的形态非常重要。
三维建模和打印越来越多地应用于骨科手术的研究和患者护理中，髌骨关节软骨的 3D 打印还可以提供量化和精确定位关节损伤的可能性。本研究介绍了一种基于 MRI 创建 PF 关节软骨 3D 模型的方法，帮助更好地了解滑车发育不良、相关病理和 PF 关节一致性等信息以辅助诊断和治疗 PF 患者，特别是复发性髌骨脱位患者。
MRI 图像获取
为提高分辨率及在关节软骨和周围组织之间实现足够的对比度，使用自定义的薄层矢状梯度回波 MRI 序列。视野：150 × 150 × 140 mm3；矩阵：512 × 380（插值至 512 × 512），平面内空间分辨率为 0.3 × 0.3 mm；切片厚度：1 mm；翻转角：25°；重复时间：26 ms；回波时间：6.8 ms；采集时间：5.06 min。此序列可最大程度地提高软骨和其他软组织之间的图像强度差异，确保由 MRI 数据生成 3D 模型的准确性。还必须通过使用垫子、填充物和任何其他可能的措施适当稳定膝盖，消除运动伪影。
生成模型
将 MRI 数据导入 Simpleware 软件，结合使用自动和手工分割技术生成 3D 模型。首先，使用阈值工具基于图像强度灰度值分离关节软骨。然而，与基于组织密度从 CT 图像中分割出骨骼不同，关节软骨和其他软组织的强度水平之间存在着重叠。这就意味着在阈值步骤之后，掩膜中不可避免地会包含一些不需要的软组织，且仍有一些未包含在掩膜中的关节软骨。
使用“Split regions”工具将掩膜分成三个新的独立软骨表面：髌骨、股骨和胫骨，将不属于这些区域的软组织移除。阈值步骤后的模型中可能并不包括所有的关节软骨，而且算法也很难区分两个关节表面接触区域的边界。因此，对于剩下的 3 个软骨掩膜，必须使用手动技术进一步细化。
使用 Paint 涂画工具编辑掩膜，使每个 MRI 切片上的软骨均准确。这可能是一个比较耗时的过程，但对于确保掩膜准确性至关重要。应特别注意不同区域关节位置以及骨-软骨界面。
由于使用的 MRI 序列，矢状面切片间距离小于其他平面中切片之间的距离，导致掩膜在轴位和冠状面的切片之间具有像素化的外观。使用 Recursive Gaussian 滤波器平滑掩模，虽然创建了连续的表面，但也可能会引入不准确性。因此，还必须要再次逐切片检查掩膜确保准确性。然后将掩膜转换为面模型，标注患者识别符和指示表面相互连接的位置，导出与 3D 打印软件兼容的 STL 格式。
3D 打印
将 STL 文件导入 PreForm 软件（Formlabs），根据打印模型用途选择材料和分辨率（亚毫米），在打印过程中尽量减少形态信息的丢失。建议在关节表面不附着任何支撑材料，保持这些表面的准确性。打印设备为 Form 3B 或 Form 3BL （Formlabs） 立体光固化成型打印机打。
后处理
打印完成后，将 3D 打印模型放入 Form Wash（Formlabs）中用异丙醇清洗 20 分钟，在室温下干燥至少 30 分钟。然后将打印件放入 Form Cure，在 60°C 的紫外线下暴露 30 分钟。最后，手工去除支撑材料，检查完成的关节软骨打印件的一致性和其他感兴趣的形态特征。
创建髌股关节软骨三维模型及打印过程：
讨论
3D 打印关节软骨在技术上要求很高，但对于了解关节表面相互作用却很重要。该技术对于关节生物力学的骨科研究工作人员来说非常重要。在评估涉及关节表面骨折和改变关节表面的手术（如股骨滑车成形术）中，术前和术后对关节一致性或缺乏一致性的了解可能会改善某些或特别复杂病例的决策。
示例结果
在 5 名复发性髌骨脱位患者的一系列关节软骨打印中发现，尽管存在发育不良，但所有 5 名患者的 PF 关节均具有关节一致性。这种一致性出现在髌骨进入滑车的点（基于成像）以及髌骨在滑车内的可能路径上。早期使用计算机断层扫描打印的复发性髌骨脱位膝盖的研究可以表明一致性，但 3D 打印的关节软骨会更明确，因为它提供了真实的关节表面。这一发现表明，加深滑车成形术可能会导致滑车发育不良患者的关节不一致。
参考
- Beitler B G, Kunsel K, Kristin E Y, et al. Three-Dimensional Printing of Models of Patellofemoral Joint Articular Cartilage in Patients With Patella Instability for Observing Joint Congruity[J]. Arthroscopy Techniques, 2023, 12（10）: e1853-e1858.