三維重建在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

摘要：人工膝關(guān)節(jié)置換是通過手術(shù)將病損的膝關(guān)節(jié)由人工關(guān)節(jié)部件所替代[1]，其中，人工全膝關(guān)節(jié)置換（TKA）在臨床上應(yīng)用較為廣泛 [2]，但全膝關(guān)節(jié)置換存在假體松動、下沉和失穩(wěn)等并發(fā)癥，這就要求在手術(shù)過程中，必須更好的恢復(fù)下肢生物力線[3]，更精確的截骨，最大程度的平衡周圍軟組織[4]，提高假體植入的幾何精度，對于這些核心問題，過去往往是根據(jù)術(shù)者在手術(shù)過程中肉眼和經(jīng)驗來判斷，無形中增大了手術(shù)誤差，近些年來，三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用到全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，獲得了較好的療效，尤其是對于嚴(yán)重內(nèi)外翻畸形，嚴(yán)重骨質(zhì)增生，軟骨面磨損和術(shù)中難以判斷股骨軸線的病例，術(shù)前在三維重建的膝關(guān)節(jié)模型上進(jìn)行預(yù)測量和預(yù)截骨，初定假體型號和下肢力線，可以大大減少全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后并發(fā)癥的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié)；置換；三維重建；進(jìn)展

膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)的靜力穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與動力穩(wěn)定的軟組織借助神經(jīng)系統(tǒng)的反饋調(diào)制機(jī)制來維持膝關(guān)節(jié)功能運(yùn)動，膝關(guān)節(jié)退行性變會引起膝關(guān)節(jié)的骨質(zhì)增生，軟骨剝脫，疼痛畸形的病變，給人們的生活帶來嚴(yán)重不便。

在骨科領(lǐng)域，20 世紀(jì)的一項革新是人工關(guān)節(jié)的誕生，膝關(guān)節(jié)成形術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）最早由Vernei 醫(yī)生提出，限于當(dāng)時手術(shù)技術(shù)和材料缺陷等問題，手術(shù)未獲得成功，隨后經(jīng)過100多年的研究，20世紀(jì)50年代誕生了鉸鏈?zhǔn)饺斯はリP(guān)節(jié)假體。從20世紀(jì)60年代末期至70年代中期開始，Gunston，Townly，F(xiàn)reeman，Swonson，Insall等專家逐步改進(jìn)設(shè)計出了更符合生物力學(xué)的膝關(guān)節(jié)假體[5]，其中以Insall設(shè)計研發(fā)的全髁膝關(guān)節(jié)假體為代表。近10年來，人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)呈現(xiàn)出迅猛增加的趨勢。但膝關(guān)節(jié)周圍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的膝關(guān)節(jié)伴有嚴(yán)重內(nèi)外翻畸形及關(guān)節(jié)失穩(wěn)等情況，在進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)時難以精確的進(jìn)行定位、截骨和選擇假體，故術(shù)后常見患肢下肢力線不良，假體大小選擇偏差，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，功能較差等情況[6]。

目前，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中所使用的人工假體包括標(biāo)準(zhǔn)系列和定制系列兩種，其中標(biāo)準(zhǔn)系列人工關(guān)節(jié)在臨床應(yīng)用較廣泛，它是按照常規(guī)膝關(guān)節(jié)的解剖參數(shù)進(jìn)行設(shè)計加工的，以西方人膝關(guān)節(jié)為基礎(chǔ)，國產(chǎn)的人工膝關(guān)節(jié)假體在設(shè)計理念和制造水平上也多仿制進(jìn)口假體，假體不僅種類有限費(fèi)用高，而且假體參數(shù)與國內(nèi)患者膝關(guān)節(jié)匹配度不佳，符合國人的膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計的相關(guān)參數(shù)還不完善，因此，假體很難和骨質(zhì)應(yīng)力匹配，進(jìn)而影響假體的穩(wěn)定性和手術(shù)的成功率。定制化人工膝關(guān)節(jié)定制化人工膝關(guān)節(jié)是根據(jù)患者的實際情況制定個體化的膝關(guān)節(jié)假體，更適合患者的需要，但其涉及三維重建，數(shù)控加工等多個領(lǐng)域，耗時耗力，費(fèi)用較高，難以普遍推廣。

評價人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是否成功主要參照術(shù)后患者的恢復(fù)情況以及假體的使用壽命，手術(shù)最重要的就是確定下肢力線，而在手術(shù)過程中，術(shù)中只能看到靠近膝關(guān)節(jié)的少部分股骨和脛骨，判斷下肢力線主要是通過手術(shù)醫(yī)生通過目測或經(jīng)驗來決定，這種人為的因素?zé)o形中就增大了誤差，股骨髓內(nèi)定位桿不同的入點(diǎn)會導(dǎo)致股骨力線的偏差，力線數(shù)據(jù)存在連鎖效應(yīng)，初始誤差會引起誤差傳遞和累積，導(dǎo)致假體安裝位置的偏移，進(jìn)而影響到手術(shù)的成敗。多年來，臨床專家一直致力于探索更精準(zhǔn)更方便確定下肢力線和股骨髓內(nèi)定位入點(diǎn)的方法。1997 年，Leitner 等[7] 提出了計算機(jī)輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，其原理是利用光學(xué)定位追蹤儀，通過追蹤股骨、脛骨以及踝部的解剖點(diǎn)來確定下肢力線，此方法一度成為國外許多臨床醫(yī)師追捧的研究熱點(diǎn)，但其較高的專業(yè)性和定位的單一性，成為此項研究的瓶頸。我國的研究者通過對承受應(yīng)力的脛骨平臺聚乙烯假體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)模擬解剖重建機(jī)體模型的重要性[8]。

三維重建技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，通過計算機(jī)對CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得三維立體圖像，為臨床醫(yī)生提供個體化的膝關(guān)節(jié)解剖圖像，最近幾年，隨著計算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維重建的精準(zhǔn)度和實用性越來越高，越來越多的研究者開始追逐三維重建和醫(yī)療領(lǐng)域更有效的結(jié)合點(diǎn)。

1 人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的研究進(jìn)展

1.1人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)概況 膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為治療終末期膝關(guān)節(jié)病變的常用方法。Campbell 和Boyd，Smith-Petersen設(shè)計出了鑄型半膝關(guān)節(jié)假體， Walldius，Shiers于50 年代設(shè)計出內(nèi)在穩(wěn)定的等帶髓腔柄的鉸鏈?zhǔn)郊袤w[9]，其可實現(xiàn)股骨和脛骨關(guān)節(jié)的置換，而且其較長的髓內(nèi)固定柄在安裝關(guān)節(jié)時便于對線，但此類假體容易下沉松動，感染率高，臨床效果差，但在當(dāng)時條件下，鉸鏈?zhǔn)郊袤w是主要的選擇。上世紀(jì)70年代初，真正具有現(xiàn)代人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)明是John Insall[10]提出的全髁置換，全髁型膝關(guān)節(jié)假體（TCP）的股骨髁采用鈷鉻鉬合金，脛骨平臺為聚乙烯材料，髕骨假體圓弧形，避免解剖型髕骨假體復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)對線過程。全髁型膝關(guān)節(jié)假體（TCP）臨床效果顯著，20年隨訪優(yōu)良率93%左右，已成為衡量其他膝關(guān)節(jié)假體臨床療效的\"金標(biāo)準(zhǔn)\"。目前臨床使用最多的是非限制型全膝關(guān)節(jié)假體，盡管設(shè)計細(xì)節(jié)上，不同公司會各有特點(diǎn)，但總體設(shè)計大同小異，除了假體本身的設(shè)計特點(diǎn)和制造工藝以外，人們越來越多地認(rèn)識到手術(shù)技術(shù)和假體安裝的精確程度是決定膝關(guān)節(jié)置換效果優(yōu)劣的重要因素。

隨著人工膝關(guān)節(jié)置換在發(fā)達(dá)國家的開展，我國也逐漸引入了此項新技術(shù)，TCP型假體于80年代開展，骨水泥固定的解剖型膝關(guān)節(jié)假體于90年代初出現(xiàn)。受到國人和外國人生理解剖的差異，國產(chǎn)解剖型假體與進(jìn)口假體也存在一定的區(qū)別，如國產(chǎn)假體內(nèi)外髁寬度相對偏小，髕骨假體采用聚乙烯圓弧形設(shè)計，全部假體采用骨水泥固定。最近10年來，假體國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加速，人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)每年例數(shù)突破上萬人，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界交流頻繁，大大提高了骨科醫(yī)生的技術(shù)水平，在我國，接受TKA原發(fā)疾病以骨關(guān)節(jié)炎為主，大多數(shù)患者膝關(guān)節(jié)病損嚴(yán)重，但經(jīng)過幾代人的不懈努力，我國TKA技術(shù)在屈曲畸形、嚴(yán)重內(nèi)外翻畸形的膝關(guān)節(jié)疾病治療上取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，讓更多的中國人享受新醫(yī)療技術(shù)帶來的福音。

1.2人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的并發(fā)癥

1.2.1感染 人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染是一種嚴(yán)重的并發(fā)癥，臨床上表現(xiàn)為局部紅腫熱痛，關(guān)節(jié)功能障礙，常會引起膝關(guān)節(jié)的疼痛和病廢，以致手術(shù)完全失敗，一旦出現(xiàn)感染大多需要再次關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療，甚至需行截肢術(shù)來糾正感染。因此，人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前應(yīng)詳細(xì)了解患者是否服用激素，免疫制劑等，對于血糖較高的患者，術(shù)前常規(guī)進(jìn)行降血糖治療，控制血糖達(dá)標(biāo)，常規(guī)術(shù)前清潔備皮并使用抗生素，可以控制不被察覺的潛在感染，對于肥胖和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的患者尤其注意控制感染，術(shù)前30min再次行抗生素抗感染預(yù)防，手術(shù)區(qū)域滲入足量抗生素，并且使用抗生素骨水泥，提高局部抗生素的濃度，同時盡量縮短手術(shù)操作時間，術(shù)中充分止血，減少表淺組織的剝離，術(shù)后常規(guī)應(yīng)用抗生素并定期換藥，觀察并預(yù)防感染。如果懷疑感染，術(shù)后拔引流管時，可以留取部分引流液作細(xì)菌培養(yǎng)加藥敏試驗，及時調(diào)整抗生素。如果一旦造成感染，并發(fā)假體松動，要根據(jù)實際情況選擇保留假體還是清除假體進(jìn)行治療。保留假體治療方法主要是大劑量抗生素對癥治療，肢體制動和膝關(guān)節(jié)對口引流，而清除假體治療方法主要是全身使用大劑量敏感抗生素，徹底清創(chuàng)后可依據(jù)實際情況選擇關(guān)節(jié)切除成形術(shù)，融合術(shù)或截肢術(shù)。

1.2.2 下肢靜脈栓塞 下肢靜脈栓塞（DVT）是1856年由Virchow[11] 首先提出的，其原因大體概括為血流緩慢，血管壁損傷和高凝狀態(tài)。人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，止血帶止血、屈膝位操作、骨水泥產(chǎn)熱等多種原因都會損傷血管，術(shù)后患者機(jī)體處于高凝狀態(tài)，下肢靜脈本身血流緩慢，并有靜脈瓣，下肢靜脈容易出現(xiàn)栓塞并形成血栓，通過靜脈造影或多普勒超聲可確診，臨床上也有用核素靜脈造影進(jìn)行檢查診斷，雖然彌補(bǔ)了靜脈造影有創(chuàng)的缺點(diǎn)，但其較差的準(zhǔn)確性使其在臨床應(yīng)用不廣泛。臨床上，可以指導(dǎo)患者臥床休息，抬高并按摩患肢，使用低分子肝素藥物、右旋糖酐、華法林和阿司匹林預(yù)防下肢靜脈栓塞，一旦血栓形成，應(yīng)當(dāng)積極溶栓治療，可以使用鏈激酶和尿激酶藥物溶栓，如果血栓位置較高，可以通過靜脈血栓取出術(shù)或下腔靜脈網(wǎng)成形術(shù)進(jìn)行積極治療，從而預(yù)防下肢深靜脈血栓。如果下肢深靜脈血栓已擴(kuò)展到下腔靜脈且并發(fā)肺栓塞，往往會危及生命，肺栓塞是全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)嚴(yán)重的并發(fā)癥，也是常見的死因，大多數(shù)發(fā)生在術(shù)后2～3w，肺栓塞患者早期癥狀不明顯，臨床診斷困難，可通過動脈血?dú)夥治鲞M(jìn)行篩選，一旦診斷為肺栓塞，立即行氣管切開，插管，應(yīng)用大劑量抗凝、溶栓藥物和生命支持藥物治療，但往往預(yù)后較差。

1.2.3關(guān)節(jié)僵硬 關(guān)節(jié)僵硬也是術(shù)后常見的并發(fā)癥， 關(guān)節(jié)僵硬與術(shù)后疼痛、感染、假體選擇不當(dāng)、假體植入位置不當(dāng)、髕股關(guān)節(jié)問題、關(guān)節(jié)纖維粘連以及術(shù)后功能鍛煉不及時、不到位有關(guān)，人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者在藥物或止痛泵鎮(zhèn)痛的基礎(chǔ)上，早期行CPM機(jī)或被動屈伸膝關(guān)節(jié)功能鍛煉，術(shù)后1w患膝屈曲范圍超過90°。

1.2.4關(guān)節(jié)不穩(wěn) 全膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)后有關(guān)節(jié)不穩(wěn)的并發(fā)癥，常由術(shù)前未規(guī)范檢查，術(shù)中損傷韌帶，手術(shù)操作不當(dāng)和假體設(shè)計植入不佳造成，影響了膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和活動度，給患者術(shù)后膝關(guān)節(jié)活動帶來了不良影響，所以術(shù)中要遵循膝關(guān)節(jié)屈伸位間隙對稱的原則，對不穩(wěn)定的軟組織給予重建修復(fù)，嚴(yán)格手術(shù)操作流程和規(guī)范，恰當(dāng)選擇假體的大小，盡可能的避免關(guān)節(jié)不穩(wěn)的發(fā)生。

1.2.5假體松動 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后無菌性假體松動的發(fā)生率為3%～5%，很多原因會引起假體松動，比如術(shù)后感染，假體設(shè)計不合理，骨質(zhì)疏松，術(shù)中截骨太多，下肢力線不佳、術(shù)后活動量過大等。假體松動的患者表現(xiàn)為負(fù)重時患膝疼痛加重，在膝關(guān)節(jié)X線片上見假體周圍有大于2mm且進(jìn)行性增寬的透明帶，根據(jù)患者實際情況，可選擇假體返修術(shù)進(jìn)行治療。臨床上可以通過提高手術(shù)精確度，固定假體前充分沖洗，固定假體時，使骨水泥和骨間隙充分融合等方法來預(yù)防假體松動的發(fā)生。

1.3人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的展望 人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)成為治療各類中晚期膝關(guān)節(jié)疾病的經(jīng)典手術(shù)之一，但限于種種原因，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)也有失敗的病例，這無形中加重了患者的精神痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，過去的幾十年，骨關(guān)節(jié)外科的醫(yī)務(wù)人員不斷研究提升膝關(guān)節(jié)置換的手術(shù)操作技術(shù)，關(guān)節(jié)假體設(shè)計技術(shù)人員也不斷研究新型關(guān)節(jié)材料，完善假體設(shè)計缺陷，使得全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)有了長足的發(fā)展。近年來，隨著社會科技水平的不斷發(fā)展，許多新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且融入到全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，比較有代表性的就是計算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)，它的誕生，為微創(chuàng)手術(shù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，既有助于準(zhǔn)確植入假體，減少假體松動、磨損，同時可以改善術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能，延長假體的使用壽命，目前該技術(shù)在個別大醫(yī)院逐漸開始應(yīng)用，但是該技術(shù)對手術(shù)醫(yī)生的專業(yè)性要求較高，普及比較困難。國內(nèi)一線骨關(guān)節(jié)外科的專家一直致力于尋找全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)和計算機(jī)軟件的有機(jī)切入點(diǎn)，既簡單易懂好操作，又能夠提高全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的精準(zhǔn)性，同時不會增加患者的負(fù)擔(dān)。近幾年，三維重建技術(shù)不斷發(fā)展，其在人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用越來越受到骨關(guān)節(jié)外科的追捧，并紛紛將其應(yīng)用于臨床，取得了一定的進(jìn)展，三維重建技術(shù)和全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將會進(jìn)一步推動全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)展。

2 三維重建在人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用

2.1膝關(guān)節(jié)三維模型建立的意義 膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，每個患者膝關(guān)節(jié)病變程度不同，其截骨、安裝參數(shù)也不同，正確選用截骨、安裝參數(shù)是膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的關(guān)鍵問題，術(shù)中如何確定截骨、安裝參數(shù)是人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的難點(diǎn)，近些年來，隨著三維重建醫(yī)學(xué)影像學(xué)的迅猛發(fā)展，眾多的研究者一致認(rèn)為三維圖像重建可以作為開展全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)研究的基礎(chǔ)，但限于種種原因，目前對膝關(guān)節(jié)周圍組織結(jié)構(gòu)分割重建方面的研究較少[12-13]，故借助CT技術(shù)，進(jìn)行膝關(guān)節(jié)周圍組織結(jié)構(gòu)的三維重建，成為了更多臨床專家研究的方向，為推進(jìn)個體化的全膝關(guān)節(jié)置換提供有力的技術(shù)支持。

2.2三維重建技術(shù)在臨床上的應(yīng)用 醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代，它是通過對生物組織結(jié)構(gòu)的連續(xù)圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、切割，從而可以獲得三維立體圖像的方法。臨床上，該技術(shù)主要的研究對象是CT和MRI醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)。三維重建技術(shù)的應(yīng)用減少了臨床上測量的誤差。Godest[14]等應(yīng)用計算機(jī)三維成像技術(shù)對全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的有效性、安全性評估進(jìn)行了研究顯示，影響全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后臨床效果的關(guān)鍵因素是假體的選擇的準(zhǔn)確性。我國的研究者通過對承受應(yīng)力的脛骨平臺聚乙烯假體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)模擬解剖重建機(jī)體模型的重要性。

2.3三維重建在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)未來的研究重點(diǎn) 三維重建在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)取得了非常顯著的成績，在輔助術(shù)者正確確定下肢力線，正確選擇假體大小，準(zhǔn)確平衡軟組織等方面發(fā)揮了重要作用，未來可以將研究重點(diǎn)放在開發(fā)更小創(chuàng)傷的示蹤器固定系統(tǒng)、電子平衡測量儀系統(tǒng)和人機(jī)互動系統(tǒng)等方面，發(fā)揮計算機(jī)編程的作用，將術(shù)前三位重建的數(shù)據(jù)運(yùn)用到計算機(jī)編程系統(tǒng)中，通過計算機(jī)機(jī)器人完成術(shù)中操作，真正實現(xiàn)人機(jī)的智能化轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)常見下肢力線不良、髕骨軌跡不佳、假體位置不好和軟組織平衡失穩(wěn)等情況，傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)置換術(shù)通過機(jī)械式髓內(nèi)隨外定位進(jìn)行截骨，即便是經(jīng)驗豐富的醫(yī)生也只是憑肉眼和手感來判斷假體置位及韌帶平衡情況，這就會大大影響手術(shù)的精確度，三維圖像重建是開展個體化膝關(guān)節(jié)置換研究的基礎(chǔ)，利用CT數(shù)據(jù)，進(jìn)行膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的分割、重建、配準(zhǔn)，制定個體化的膝關(guān)節(jié)假體模型，制定術(shù)前規(guī)劃及截骨方案，有助于正確重建下肢力線、準(zhǔn)確定位截骨、準(zhǔn)確置入假體、穩(wěn)定軟組織平衡，可以實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)假體的個體化，膝關(guān)節(jié)置換的標(biāo)準(zhǔn)化。因此，三維重建應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，可以減少手術(shù)誤差，提高手術(shù)精度，改善臨床效果，增加患者術(shù)后的滿意度，值得在臨床推廣使用。

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編輯/哈濤