个性化截骨导板在全膝关节置换术后功能锻炼中的应用

doi:10.3877/cma.j.issn.1674-134X.2026.03.006

目的

探讨三维（3D）打印个性化截骨导板在糖尿病患者全膝关节置换术（TKA）中的应用效果，评估其对术后运动功能及临床疗效的影响。

方法

采用前瞻性随机对照试验，纳入标准：糖尿病病程≥5年；膝骨关节炎Kellgren-Lawrence分级Ⅲ～Ⅳ级；年龄50～75岁，身体质量指数（BMI）20～30 kg/m²；糖化血红蛋白（HbA1c）≤8.5%。排除标准：合并重要脏器功能不全；膝关节周围感染；既往膝关节手术史或关节畸形；精神疾病或认知障碍；对3D打印材料过敏。纳入180例符合标准的糖尿病合并终末期膝骨关节炎患者，随机数字表法分为观察组（90例）和对照组（90例）。对照组采用传统金属截骨导板行TKA，观察组采用3D打印个性化截骨导板及康复指导。采用t检验、重复测量方差分析及卡方检验比较两组手术相关指标（手术时间、术中出血量、切口长度、并发症发生率）、影像学的髋-膝-踝角（HKA）偏差、假体角度与术前规划差值、膝关节活动度（ROM）、步行及平衡功能及疼痛视觉模拟评分（VAS）、美国膝关节协会评分（KSS）、血糖波动。

结果

在假体角度与术前规划差值方面，观察组股骨胫骨角（FTA）、股骨屈伸角（FFE）、胫骨外髁角（LTC）、股骨外髁角（LFC）与术前规划的差值均显著低于对照组，组间差异均有统计学意义（t=5.495、6.524、7.631、4.842，均为P＜0.01）。两组术后不同时间点膝关节ROM比较显示：术后1周、1个月、3个月，两组ROM均随时间推移呈上升趋势，时间效应有统计学意义（F=428.615，P＜0.001）；观察组ROM在各时间点均高于对照组，组间效应有统计学意义（F=106.932，P＜0.001）；组别与时间存在交互作用，观察组ROM提升幅度更优（P＜0.001）。术后3个月，观察组6 min步行试验（6MWT）距离长于对照组，计时起立-行走测试（TUGT）耗时显著短于对照组，组间比较差异均有统计学意义（t=11.567、10.892，均为P＜0.001）。观察组Berg平衡量表（BBS）评分优于对照组（Z=-4.826，P＜0.001）。

结论

3D打印个性化截骨导板可提高糖尿病患者TKA的手术精准度，减少创伤及并发症，促进术后运动功能恢复，改善临床疗效，为该人群提供了优化的“手术-康复”一体化方案。

关键词: 打印，三维, 糖尿病, 关节成形术，置换，膝

Objective

To explore the application effect of three dimensional (3D) printed custom osteotomy guide combined with 3D animation guidance in total knee arthroplasty (TKA) for diabetic patients, and to evaluate its impact on postoperative motor function and clinical efficacy.

Methods

A prospective randomized controlled trial was conducted. Inclusion criteria: diabetes duration more than five years; knee osteoarthritis of Kellgren-Lawrence grade Ⅲ to Ⅳ; age from 50 to 75 years, body mass index (BMI) 20 to 30 kg/m²; glycated hemoglobin (HbA1c) ≤8.5%. Exclusion criteria: severe vital organs dysfunction; periarticular infection of the knee joint; history of knee surgery or joint deformity; psychiatric disorders or cognitive impairment; allergy to 3D printing materials. A total of 180 diabetic patients with end-stage knee osteoarthritis who met the inclusion criteria were enrolled. They were divided into the observation group (90 cases) and the control group (90 cases) by random number table. The control group underwent TKA using traditional metal osteotomy guides, while the observation group received TKA with 3D-printed custom osteotomy guides combined with 3D animation-assisted surgery and rehabilitation guidance. The two groups were compared by t test, repeated measurement analysis of variance or chi square test in terms of surgery-related indicators (operation time, intraoperative blood loss, incision length, incidence of complications), imaging indicators such as hip-knee-ankle angle (HKA) deviation, differences between prosthetic angles and preoperative planning, knee range of motion (ROM), walking and balance function, and pain visual analogue scale (VAS), Knee Society score (KSS), blood glucose fluctuation.

Results

Regarding the discrepancy between prosthesis angles and preoperative planning, the observation group exhibited significantly lower deviations from preoperative planning in the femoral-tibial angle (FTA), femoral flexion-extension angle (FFE), tibial lateral condylar angle (LTC), and femoral lateral condylar angle (LFC) compared to the control group, with statistically significant intergroup differences (t=5.495,6.524,7.631,4.842, all P<0.01). Knee joint ROM comparison at different time points showed that ROM in both groups exhibited an upward trend over time at one week, one month, and three months after surgery, with statistically significant temporal effects (F=428.615, P<0.001). ROM in the observation group was significantly higher than that in the control group at all the time points, with statistically significant intergroup effects (F=106.932, P<0.001). There was an interaction effect between group and time, with the observation group demonstrating superior ROM improvement (P<0.001). Three months after surgery, the observation group achieved longer distances on the six-minute walk test (6MWT) and shorter durations on the timed standing-up-walking test (TUGT) compared to the control group, with statistically significant intergroup differences (t=11.567,10.892, all P<0.001). The Berg balance scale (BBS) score in the observation group was significantly better than that in the control group (Z=-4.826, P<0.001).

Conclusion

Three dimensional-printed custom osteotomy guide combined with 3D animation guidance can improve the surgical accuracy of TKA in diabetic patients, reduce trauma and complications, promote postoperative motor function recovery, and enhance clinical efficacy, providing an optimized "surgery-rehabilitation" integrated solution for this population.

Key words: Printing, three dimentional, Diabetes mellitus, Arthroplasty, replacement, knee

表1 两组基线资料比较

Table 1 Comparison of baseline data between the two groups

指标 Subjects	对照组 Control group	观察组 Observation group	统计值 Statistical values	P值
例数 Number of cases	90	90
性别［n（%）］ Gender
男 Male	39（43.3）	39（43.3）	χ²=0.000	＞0.05
女 Female	51（56.7）	51（56.7）	χ²=0.000	＞0.05
年龄［岁，（ $x ¯$ ±s）］ Age（year）	63.5±6.8	62.9±7.1	t=0.526	＞0.05
糖尿病类型［n（%）］ Diabetes type
1型 Type 1	6（6.7）	6（6.7）	χ²=0.000	＞0.05
2型 Type 2	84（93.3）	84（93.3）	χ²=0.000	＞0.05
HbA1c［%，（ $x ¯$ ±s）］	7.6±0.9	7.8±0.7	t =1.472	＞0.05
膝关节侧别［n（%）］ Involved knee
左 Left	44（48.9）	45（50.0）	χ²=0.044	＞0.05
右 Right	46（51.1）	45（50.0）	χ²=0.044	＞0.05

表1 两组基线资料比较

Table 1 Comparison of baseline data between the two groups

指标 Subjects	对照组 Control group	观察组 Observation group	统计值 Statistical values	P值
例数 Number of cases	90	90
性别［n（%）］ Gender
男 Male	39（43.3）	39（43.3）	χ²=0.000	＞0.05
女 Female	51（56.7）	51（56.7）	χ²=0.000	＞0.05
年龄［岁，（ $x ¯$ ±s）］ Age（year）	63.5±6.8	62.9±7.1	t=0.526	＞0.05
糖尿病类型［n（%）］ Diabetes type
1型 Type 1	6（6.7）	6（6.7）	χ²=0.000	＞0.05
2型 Type 2	84（93.3）	84（93.3）	χ²=0.000	＞0.05
HbA1c［%，（ $x ¯$ ±s）］	7.6±0.9	7.8±0.7	t =1.472	＞0.05
膝关节侧别［n（%）］ Involved knee
左 Left	44（48.9）	45（50.0）	χ²=0.044	＞0.05
右 Right	46（51.1）	45（50.0）	χ²=0.044	＞0.05

表2 两组手术指标比较

Table 2 Comparison of surgical indicators between the two groups

组别 Groups	例数 Number of cases	手术时间［min，（ $x ¯$ ±s）］ Operation time	术中出血量［ml，（ $x ¯$ ±s）］ Intraoperative blood loss	切口长度［cm，（ $x ¯$ ±s）］	术后并发症发生率［n（%）］
对照组 Control group	90	125.3±18.7	420.5±85.3	14.2±1.5	14（15.6）
观察组 Observation group	90	108.6±15.2	312.6±72.4	12.8±1.2	6（6.7）
统计值 Statistical values		t=7.235	t=8.987	t=6.876	χ²=3.600
P值		＜0.001	＜0.001	＜0.001	＞0.05

表2 两组手术指标比较

Table 2 Comparison of surgical indicators between the two groups

组别 Groups	例数 Number of cases	手术时间［min，（ $x ¯$ ±s）］ Operation time	术中出血量［ml，（ $x ¯$ ±s）］ Intraoperative blood loss	切口长度［cm，（ $x ¯$ ±s）］	术后并发症发生率［n（%）］
对照组 Control group	90	125.3±18.7	420.5±85.3	14.2±1.5	14（15.6）
观察组 Observation group	90	108.6±15.2	312.6±72.4	12.8±1.2	6（6.7）
统计值 Statistical values		t=7.235	t=8.987	t=6.876	χ²=3.600
P值		＜0.001	＜0.001	＜0.001	＞0.05

表3 两组3个月后影像学指标

Table 3 Comparison of imaging indicators between the two groups after three months

组别 Groups	例数 Number of cases	HKA偏差≤1°比例（%）	与术前规划差值［°，（ $x ¯$ ±s）］
组别 Groups	例数 Number of cases	HKA偏差≤1°比例（%）	FTA	FFE	LTC	LFC
对照组 Control group	90	62（68.9）	1.80±0.60	1.60±0.50	1.70±0.50	1.50±0.40
观察组 Observation group	90	85（94.4）	0.80±0.30	0.70±0.20	0.90±0.30	0.60±0.20
统计值 Statistical values		χ²=19.643	t=5.495	t=6.524	t=7.631	t=4.842
P值		0.001	0.002	0.001	0.001	0.003

表3 两组3个月后影像学指标

Table 3 Comparison of imaging indicators between the two groups after three months

组别 Groups	例数 Number of cases	HKA偏差≤1°比例（%）	与术前规划差值［°，（ $x ¯$ ±s）］
组别 Groups	例数 Number of cases	HKA偏差≤1°比例（%）	FTA	FFE	LTC	LFC
对照组 Control group	90	62（68.9）	1.80±0.60	1.60±0.50	1.70±0.50	1.50±0.40
观察组 Observation group	90	85（94.4）	0.80±0.30	0.70±0.20	0.90±0.30	0.60±0.20
统计值 Statistical values		χ²=19.643	t=5.495	t=6.524	t=7.631	t=4.842
P值		0.001	0.002	0.001	0.001	0.003

表4 术后膝关节活动度比较［°，（

x ¯

±s）］

Table 4 Comparison of knee joint range of motion after surgery

组别 Groups	例数 Number of cases	1周one week	1个月one month	3个月three months
对照组 Control group	90	72±9	99±9	115±10
观察组 Observation group	90	86±8	112±9	133±10
F值		时间效应428.615，组间效应106.932
P值		均为＜0.001

表4 术后膝关节活动度比较［°，（

x ¯

±s）］

Table 4 Comparison of knee joint range of motion after surgery

组别 Groups	例数 Number of cases	1周one week	1个月one month	3个月three months
对照组 Control group	90	72±9	99±9	115±10
观察组 Observation group	90	86±8	112±9	133±10
F值		时间效应428.615，组间效应106.932
P值		均为＜0.001

表5 运动功能指标比较

Table 5 Comparison of motor function indices

组别 Groups	例数 Number of cases	6MWT［m，（ $x ¯$ ±s）］	TUGT［s，（ $x ¯$ ±s）］	BBS［M（P₂₅，P₇₅）］
对照组 Control group	90	320.5±45.3	18.5±3.2	42.0（38.0，46.0）
观察组 Observation group	90	412.6±52.4	12.8±2.5	48.0（45.0，51.0）
统计值 Statistical values		t=11.567	t=10.892	Z=-4.826
P值		＜0.001	＜0.001	＜0.001

表5 运动功能指标比较

Table 5 Comparison of motor function indices

组别 Groups	例数 Number of cases	6MWT［m，（ $x ¯$ ±s）］	TUGT［s，（ $x ¯$ ±s）］	BBS［M（P₂₅，P₇₅）］
对照组 Control group	90	320.5±45.3	18.5±3.2	42.0（38.0，46.0）
观察组 Observation group	90	412.6±52.4	12.8±2.5	48.0（45.0，51.0）
统计值 Statistical values		t=11.567	t=10.892	Z=-4.826
P值		＜0.001	＜0.001	＜0.001

表6 两组临床疗效指标比较

Table 6 Comparison of clinical efficacy indicators between the two groups

组别 Groups	例数 Number of cases	VAS（ $x ¯$ ±s）	KSS（ $x ¯$ ±s）	围手术期血糖［mmol/L，M（P₂₅，P₇₅）］ Perioperative blood glucose
对照组 Control group	90	320.5±45.3	18.5±3.2	42.0（38.0，46.0）
观察组 Observation group	90	412.6±52.4	12.8±2.5	48.0（45.0，51.0）
统计值 Statistical values		12.345	8.987	Z=-6.789
P值		＜0.001	＜0.001	＜0.001

表6 两组临床疗效指标比较

Table 6 Comparison of clinical efficacy indicators between the two groups

组别 Groups	例数 Number of cases	VAS（ $x ¯$ ±s）	KSS（ $x ¯$ ±s）	围手术期血糖［mmol/L，M（P₂₅，P₇₅）］ Perioperative blood glucose
对照组 Control group	90	320.5±45.3	18.5±3.2	42.0（38.0，46.0）
观察组 Observation group	90	412.6±52.4	12.8±2.5	48.0（45.0，51.0）
统计值 Statistical values		12.345	8.987	Z=-6.789
P值		＜0.001	＜0.001	＜0.001

［1］	Yau LK, Henry FU, Man Hong C, et al. Swelling assessment after total knee arthroplasty［J/OL］. J Orthop Surg, 2022, 30（3）: 10225536221127668. DOI: 10.1177/10225536221127668.
［2］	Karasavvidis T, Pagan Moldenhauer CA, Haddad FS, et al. Current concepts in alignment in total knee arthroplasty［J］. J Arthroplasty, 2023, 38（7 Suppl 2）: S29－S37.
［3］	Matassi F, Pettinari F, Frasconà F, et al. Coronal alignment in total knee arthroplasty: a review［J/OL］. J Orthop Traumatol, 2023, 24（1）: 24. DOI: 10.1186/s10195－023－00702－w.
［4］	Alesi D, Meena A, Fratini S, et al. Total knee arthroplasty in Valgus knee deformity: is it still a challenge in 2021?［J］. Musculoskelet Surg, 2022, 106（1）: 1－8.
［5］	Alrajeb R, Zarti M, Shuia Z, et al. Robotic-assisted versus conventional total knee arthroplasty: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials［J］. Eur J Orthop Surg Traumatol, 2024, 34（3）: 1333－1343.
［6］	Ramos MS, Pasqualini I, Surace PA, et al. Arthrofibrosis after total knee arthroplasty: a critical analysis review［J］. JBJS Rev, 2023, 11（12）: e23.00140. DOI: 10.2106/JBJS.RVW.23.00140.
［7］	中华医学会糖尿病学分会. 中国2型糖尿病防治指南（2013年版）［J］. 中华糖尿病杂志, 2014, 6（7）: 447－498.
［8］	Cohen D, Backstein D. Nerve injuries in total knee arthroplasty［J］. Orthop Clin North Am, 2022, 53（2）: 123－127.
［9］	Gil-González S, Barja-Rodríguez RA, López-Pujol A, et al. Continuous passive motion not affect the knee motion and the surgical wound aspect after total knee arthroplasty［J/OL］. J Orthop Surg Res, 2022, 17（1）: 25. DOI: 10.1186/s13018－022－02916－w.
［10］	Conrad T, Siewert N, Hofmann GO. Primäre kniegelenkendoprothetik nach trauma［J］. Unfallchirurgie, 2022, 125（12）: 936－945.
［11］	DeFrance MJ, Scuderi GR. Are 20% of patients actually dissatisfied following total knee arthroplasty? a systematic review of the literature［J］. J Arthroplasty, 2023, 38（3）: 594－599.
［12］	AlShehri Y, Megaloikonomos PD, Neufeld ME, et al. Cementless total knee arthroplasty: a state-of-the-art review［J/OL］. JBJS Rev, 2024, 12（7）. DOI: 10.2106/JBJS.RVW.24.00064.
［13］	Quesnot A, Mouchel S, Ben Salah S, et al. Randomized controlled trial of compressive cryotherapy versus standard cryotherapy after total knee arthroplasty: pain, swelling, range of motion and functional recovery［J/OL］. BMC Musculoskelet Disord, 2024, 25（1）: 182. DOI: 10.1186/s12891－024－07310－7.
［14］	周峰, 朱晓航, 许平成, 等. 3D打印个性化导板辅助的内侧开放楔形胫骨高位截骨术与传统截骨方法比较［J］. 医用生物力学, 2024, 39（6）: 1086－1092.
［15］	叶子昂, 窦海伟, 王利. 3D打印截骨导板与传统标准化截骨工具在膝关节双间室置换中的疗效对比研究［J］. 新疆医科大学学报, 2024, 47（6）: 831－835, 842.
［16］	黄斌, 李林武, 盛希. 人工智能辅助设计与3D打印个性化截骨导板辅助人工全膝关节置换术的精准度［J］. 中国医师杂志, 2025, 27（4）: 542－546.
［17］	张斌斌, 吴泳锐, 李超, 等. 基于3D打印个性化截骨导板在内翻膝患者膝关节双间室置换术中的应用［J］. 实用医学杂志, 2024, 40（17）: 2448－2453.
［18］	何玉峰, 虞宵, 严天骄, 等. 3D打印个性化截骨导板在膝关节单髁置换术中的研究进展［J］. 国际外科学杂志, 2025, 52（3）: 211－216.
［19］	Ainslie-Garcia M, Anderson LA, Bloch BV, et al. International Delphi study on wound closure and dressing management in joint arthroplasty: part 1: total knee arthroplasty［J］. J Arthroplasty, 2024, 39（4）: 878－883.
［20］	Goyal T, Tripathy SK, Schuh A, et al. Total knee arthroplasty after a prior knee arthroscopy has higher complication rates: a systematic review［J］. Arch Orthop Trauma Surg, 2022, 142（11）: 3415－3425.

[1]	郭晓琦, 赵爽. 多学科血液管理对全膝置换术失血及输血率的影响[J/OL]. 中华关节外科杂志(电子版), 2026, 20(01): 25-31.
[2]	朱君佑, 张骞, 赵止云, 甄妙, 谢举临, 李天娇, 舒斌. 色素上皮衍生因子在糖尿病创面愈合中作用机制的研究进展[J/OL]. 中华损伤与修复杂志(电子版), 2026, 21(02): 147-153.
[3]	牛磊, 褚万立, 魏茜, 石志远, 申传安. 糖尿病足溃疡患者营养管理的系统评估与精准干预[J/OL]. 中华损伤与修复杂志(电子版), 2026, 21(01): 54-57.
[4]	廖睿, 查天建, 刘小龙. RNA结合蛋白在糖尿病足溃疡中作用的研究进展[J/OL]. 中华损伤与修复杂志(电子版), 2026, 21(01): 75-79.
[5]	林英立, 靳孟丽, 胡建东, 颜廷晖. 2型糖尿病患者前列腺增生组织中HIF-1α/VEGF的表达及意义[J/OL]. 中华腔镜泌尿外科杂志(电子版), 2026, 20(04): 407-412.
[6]	胡磊, 周建甫, 陈浩强, 刘雪花, 王志超, 向松涛. SGLT-2抑制剂与2型糖尿病患者腔镜泌尿手术后严重尿路感染的关系探讨[J/OL]. 中华腔镜泌尿外科杂志(电子版), 2026, 20(02): 179-184.
[7]	贾斐然, 司树涵, 张晓羽, 徐晓华. 间充质干细胞治疗糖尿病肾病的研究进展[J/OL]. 中华细胞与干细胞杂志(电子版), 2026, 16(02): 110-118.
[8]	马凯蒂, 哈团结. 基于机器学习的糖尿病肾脏病患者疲乏状态诊断预测模型构建[J/OL]. 中华肾病研究电子杂志, 2026, 15(03): 144-150.
[9]	杨卫红, 郭向飞. 糖尿病合并慢性肾脏病患者血清前白蛋白和白蛋白/球蛋白比值与肾功能及预后的相关性研究[J/OL]. 中华肾病研究电子杂志, 2026, 15(03): 151-157.
[10]	邓美, 代德琴, 颜晓勇, 苏朝江. 姜黄素对糖尿病肾脏病大鼠肾组织坏死性凋亡的影响[J/OL]. 中华肾病研究电子杂志, 2026, 15(02): 85-92.
[11]	罗若宁, 李敏, 张洁, 上官燕玉, 陈丽, 朱彦鸣, 许闻洋, 毕燕龙, 李冰. 高度近视眼与糖尿病视网膜病变共同病理机制蛋白质组学关联性的临床与实验研究[J/OL]. 中华眼科医学杂志(电子版), 2026, 16(02): 77-84.
[12]	李润方, 武志峰. 自适应光学光学相干断层扫描在黄斑疾病中应用的研究进展[J/OL]. 中华眼科医学杂志(电子版), 2026, 16(02): 101-105.
[13]	唐海燕, 李星宇, 彭超, 朱妍, 张玉, 秦玥, 唐新玉, 杨晓. 二维超声联合剪切波弹性成像评估2型糖尿病及糖尿病周围神经病变患者下肢肌肉形态及力学特性[J/OL]. 中华临床医师杂志(电子版), 2026, 20(04): 275-284.
[14]	赵瑾洁, 仲伟, 郑国学. 糖尿病下肢ASO患者血糖控制水平对介入术后凝血功能及复发风险的影响[J/OL]. 中华介入放射学电子杂志, 2026, 14(01): 20-25.
[15]	徐恺铎, 白轩畅, 张祎, 孙运苗, 马洁, 张传宝, 周伟燕. C肽检测标准化研究经验分享[J/OL]. 中华临床实验室管理电子杂志, 2026, 14(02): 149-156.

阅读次数

全文

摘要

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

Application of personalized osteotomy guide plate in functional exercise after total knee arthroplasty

模态框（Modal）标题

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

Application of personalized osteotomy guide plate in functional exercise after total knee arthroplasty