數(shù)字技術(shù)在個(gè)性化全膝關(guān)節(jié)置換下肢軸向力線控制中的應(yīng)用

蔡俊豐， 袁 鋒， 馬 敏， 羅樹林， 王 瀚， 尹 峰

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科，上海 200120)

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·臨床研究·

數(shù)字技術(shù)在個(gè)性化全膝關(guān)節(jié)置換下肢軸向力線控制中的應(yīng)用

蔡俊豐， 袁 鋒， 馬 敏， 羅樹林， 王 瀚， 尹 峰

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科，上海 200120)

目的 比較數(shù)字化技術(shù)和傳統(tǒng)定位方法在進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)時(shí)對(duì)恢復(fù)下肢機(jī)械軸線的準(zhǔn)確性。方法 選取2013年2月至2015年4月膝骨性關(guān)節(jié)炎患者95例(100膝)進(jìn)行前瞻性研究。隨機(jī)分為傳統(tǒng)手術(shù)組和數(shù)字化技術(shù)組，每組50膝。傳統(tǒng)手術(shù)組中48例(50膝)，男21例(22膝)，女27例(28膝)，平均年齡年齡(68.4±7.2)歲，采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)TKA；數(shù)字化技術(shù)組中47例(50膝)，男20例(23膝)，女27例(27膝)，平均年齡年齡(69.3±8.2)歲，術(shù)前CT掃描和Mimics軟件建立患肢股骨和脛骨的三維模型，模擬術(shù)中截骨定位桿的使用，確定定位桿在股骨髁的進(jìn)針點(diǎn)及“術(shù)中股骨外翻角”；在關(guān)節(jié)置換術(shù)中精確復(fù)制該過程進(jìn)行股骨遠(yuǎn)端和脛骨平臺(tái)的截骨；兩組患者采用同一品牌關(guān)節(jié)假體，所有病例均為同一醫(yī)師完成手術(shù)。兩組病例術(shù)后均拍攝下肢全長(zhǎng)正位X片，測(cè)量并比較股骨軸向力線與假體下緣連線的夾角(A角)，脛骨軸向力線與假體上緣連線的夾角(B角)，股骨軸向力線和脛骨軸向力線的夾角(C角)來驗(yàn)證下肢軸向力線的準(zhǔn)確性。結(jié)果 數(shù)字化技術(shù)組47例患者(50膝)“術(shù)中股骨外翻角”平均為5.83±1.85°(3.25°～9.36°)，術(shù)中均能很順利地找到股骨和脛骨髓內(nèi)定位桿進(jìn)針點(diǎn)并進(jìn)行手術(shù)，術(shù)后攝片測(cè)量平均A角為90.34°±1.61°(87.10°～92.88°)，B角為89.97°±1.37°(88.12°～92.33°)，C角為1.56°±0.72°(0.11°～2.59°)。傳統(tǒng)手術(shù)組48例患者(50膝)平均A角為91.18°±2.20°(86.57°～94.59°)，B角為88.89°±3.25°(82.19°～ 92.30°)，C角為3.21°±1.56°(0.25°～6.32°)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)論 參照數(shù)字化技術(shù)模擬術(shù)中定位過程進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃進(jìn)行截骨可以更好地控制術(shù)后下肢軸向力線，有利于更加精確地進(jìn)行個(gè)性化手術(shù)。

關(guān)節(jié)成形術(shù); 置換; 膝； 外科手術(shù); 計(jì)算機(jī)輔助

在全膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)中，下肢軸向力線的控制是非常重要的環(huán)節(jié)。目前較為成熟的方法是在股骨側(cè)外翻6°截骨，在脛骨側(cè)按脛骨平臺(tái)中點(diǎn)到第1趾蹼連線的垂直線截骨來控制全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的下肢軸線力線[1]。但是由于依賴經(jīng)驗(yàn)成分較多，而且個(gè)體的差異也較大，如果根據(jù)這單一標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于每一個(gè)患者，那么將會(huì)導(dǎo)致一部分膝關(guān)節(jié)術(shù)后出現(xiàn)軸向力線異常，增加假體的應(yīng)力，造成假體的容易松動(dòng)。因此，設(shè)想是否可以通過數(shù)字化的技術(shù)，三維重建患者的股骨脛骨，在三維圖像中模擬術(shù)中髓內(nèi)定位桿的插入，確定股骨髁間和脛骨平臺(tái)的進(jìn)針點(diǎn)，并測(cè)量出“術(shù)中股骨外翻角”，然后在術(shù)中根據(jù)“術(shù)中股骨外翻角”進(jìn)行股骨側(cè)截骨，根據(jù)脛骨側(cè)進(jìn)針點(diǎn)進(jìn)行髓內(nèi)定位的平臺(tái)截骨，真正做到個(gè)性化和精確化的截骨，從而保證下肢軸向力線的準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

自2013年2月至2015年4月，同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科采用膝關(guān)節(jié)表面術(shù)治療膝骨性關(guān)節(jié)炎患者共95例(100膝)隨機(jī)分為兩組，傳統(tǒng)手術(shù)組中48例(50膝)，男21例(22膝)，女27例(28膝)，年齡58～83歲，平均年齡68.6歲，采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)TKA；數(shù)字化技術(shù)組中47例(50膝)，男20例(23膝)，女27例(27膝)，年齡56～85歲，平均69.3歲。

1.2 研究方法

1.2.1 傳統(tǒng)手術(shù)組 股骨側(cè)采用髓內(nèi)定位，外翻6度截骨；脛骨側(cè)采用髓外定位，脛骨平臺(tái)中點(diǎn)到第1趾蹼連線的垂直線截骨。

1.2.2 數(shù)字化技術(shù)組

1.2.2.1 下肢建模 所有患者術(shù)前進(jìn)行仰臥位雙下肢進(jìn)行CT掃描(德國GELight Speed64螺旋CT)。掃描參數(shù): 螺旋掃描模式;層厚0.9mm; 120kV，250～300mA;同時(shí)使用64排探測(cè)器。掃描范圍自股骨頭至脛骨遠(yuǎn)端共計(jì)約900～1000層。將掃描的Dicom圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics 14.0三維圖像處理工作站，使用骨骼重建模式對(duì)下肢進(jìn)行重建。保留股骨和脛腓骨全長(zhǎng)、髕骨及足的三維圖像，并選取不同的顏色標(biāo)記以便分割(圖1)。

圖1 下肢全長(zhǎng)正側(cè)位三維重建圖像Fig.1 Three-dimensional reconstruction image of lower limb length注： 藍(lán)色為股骨，紫紅色為脛骨和足，綠色為髕骨

1.2.2.2 股骨側(cè)建模 選取股骨全長(zhǎng)。用mimics自帶軟件Simulation-Cut-With Polyplane和Simulation-Spilt-Two largest parts程序，從股骨遠(yuǎn)端起20cm(模擬術(shù)中使用髓內(nèi)定位桿的長(zhǎng)度)處將股骨切割成二部分，選取遠(yuǎn)端部分。

“術(shù)中解剖軸”的建立： 選擇MedCAD-Draw Cylinder建立一個(gè)25cm長(zhǎng)，直徑8mm的柱狀體模擬髓內(nèi)定位桿，移動(dòng)柱狀體模擬術(shù)中定位桿的插入使之從股骨髁間最高點(diǎn)插入到髓腔，將柱狀體遠(yuǎn)端置于髓腔中點(diǎn)，將股骨虛化，正側(cè)位、仰視位、俯視位觀察柱狀體位于髓腔內(nèi)，側(cè)位平行髓腔，并不與皮質(zhì)接觸(即保證術(shù)中髓內(nèi)定位桿能無阻礙插入)，然后在仰視位確定進(jìn)針點(diǎn)。(圖2)。

股骨機(jī)械軸的建立： 選擇MedCAD-Draw Sphere建立一個(gè)球體，充滿股骨頭，得到股骨頭的中心(圖3)。連接髓內(nèi)定位桿的股骨髁間進(jìn)針點(diǎn)即為機(jī)械軸。

圖3 股骨頭中心Fig.3 Center of the femoral head

“術(shù)中股骨外翻角”： “術(shù)中解剖軸”和機(jī)械軸的夾角即為股骨外翻角。使用e-ruler測(cè)量尺進(jìn)行測(cè)量，精確到小數(shù)點(diǎn)后2位。(圖4)

圖4 使用e-ruler測(cè)量尺個(gè)性化測(cè)量股骨外翻角的示意圖Fig.4 Individualized measurement of femoral valgus angle with e-Ruler measurement

1.2.2.3 脛骨側(cè)建模 從下肢全長(zhǎng)三維影像中選取脛骨，自由旋轉(zhuǎn)至正位。選擇MedCAD-Draw Cylinder建立一個(gè)直徑8mm，長(zhǎng)度長(zhǎng)于脛骨全長(zhǎng)的柱狀體模擬髓內(nèi)定位桿，移動(dòng)柱狀體使之從脛骨平臺(tái)中間插入到髓腔，將柱狀體遠(yuǎn)端置于踝穴中點(diǎn)，經(jīng)過脛骨中段髓腔最狹窄處，將脛骨虛化，調(diào)整脛骨平臺(tái)進(jìn)針點(diǎn)正側(cè)位觀察柱狀體位于髓腔內(nèi)，不與皮質(zhì)接觸(即保證術(shù)中髓內(nèi)定位桿能無阻礙插入)。取脛骨平臺(tái)俯視位，觀察柱狀體在脛骨平臺(tái)的位置，即為髓內(nèi)定位的進(jìn)針點(diǎn)。在側(cè)位還能計(jì)算出患者的后傾角度(圖5)。

圖5 模擬脛骨側(cè)術(shù)中定位插入Fig.5 Simulated insertion of the positioning rod during surgery in the tibia注： 將柱狀體插入髓腔，遠(yuǎn)端在踝穴中央，經(jīng)髓腔狹窄端，不與皮質(zhì)接觸。脛骨平臺(tái)俯視位，觀察柱狀體在脛骨平臺(tái)的位置，即為髓內(nèi)定位的進(jìn)針點(diǎn)。也可測(cè)量脛骨平臺(tái)后傾角

1.2.2.4 臨床應(yīng)用 術(shù)中按照術(shù)前測(cè)量的“術(shù)中股骨外翻角”角度調(diào)試好髓內(nèi)定位桿角度，并根據(jù)參照解剖標(biāo)志找到術(shù)前確定的進(jìn)針點(diǎn)，進(jìn)行開孔和插入髓內(nèi)定位桿進(jìn)行個(gè)性化股骨遠(yuǎn)端截骨。脛骨按測(cè)量的進(jìn)針點(diǎn)進(jìn)行髓內(nèi)定位，并根據(jù)所測(cè)量的后傾角確定后傾截骨角度進(jìn)行截骨(圖6)。

圖6 術(shù)中截骨Fig.6 Osteotomy during the operation

1.2.3 術(shù)后攝X片檢驗(yàn) 術(shù)后拍攝下肢全長(zhǎng)正位X片，分別測(cè)量術(shù)后股骨假體軸向力線與假體下緣連線的夾角(A角)，脛骨假體軸向力線與假體傷員連線的夾角(B角)，股骨軸向力線和脛骨軸向力線的夾角(C角)(圖7)。使用e-ruler測(cè)量尺進(jìn)行測(cè)量，精確到小數(shù)點(diǎn)后2位。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

圖7 術(shù)后測(cè)量Fig.7 Postoperative measurement

2 結(jié) 果

數(shù)字化技術(shù)組47例患者(50膝)均行術(shù)前設(shè)計(jì)，術(shù)中根據(jù)解剖標(biāo)志均能很順利地找到股骨和脛骨髓內(nèi)定位桿進(jìn)針點(diǎn)并進(jìn)行手術(shù)。兩組數(shù)據(jù)按同一方法進(jìn)行測(cè)量，為了減少誤差，每個(gè)病例由3位關(guān)節(jié)外科醫(yī)師同時(shí)進(jìn)行測(cè)量并取均值。統(tǒng)計(jì)測(cè)量的術(shù)中股骨外翻角、A角、B角、C角值等數(shù)據(jù),見表1。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示數(shù)字化技術(shù)組的軸向力線較傳統(tǒng)手術(shù)組更接近于90°和0°，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后下肢軸向力線

3 討 論

作為治療嚴(yán)重膝關(guān)節(jié)疼痛、畸形、功能障礙的有效方法，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty， TKA)在國內(nèi)外得到了廣泛的開展。其中術(shù)后下肢的力線是影響假體生存壽命直接相關(guān)的原因[2-5]。臨床上用于控制股骨側(cè)和脛骨側(cè)軸向力線的方法很多，但大多數(shù)方法主要依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，不能進(jìn)行個(gè)性化的手術(shù)；而導(dǎo)航技術(shù)費(fèi)用高，操作復(fù)雜，學(xué)習(xí)曲線及手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)，因而限制了其臨床推廣使用[6-7]。近年來，興起的個(gè)性化截骨工具輔助技術(shù)是將導(dǎo)航技術(shù)術(shù)中定位注冊(cè)等工作轉(zhuǎn)移到術(shù)前完成，節(jié)省了手術(shù)時(shí)間，減少常規(guī)手術(shù)的并發(fā)癥，可以取得較好的術(shù)后肢體力線，但影像學(xué)檢查和模塊的制作需要額外的時(shí)間和大量費(fèi)用，也限制了臨床的常規(guī)應(yīng)用[8-10]。

在股骨側(cè)目前常用的確定軸向力線的方法是髓內(nèi)定位。多數(shù)醫(yī)生采用的是股骨遠(yuǎn)端外翻5°～7°截骨，以便使截骨面與股骨機(jī)械軸垂直，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)正常的應(yīng)力分布[11-12]。參照西方人的數(shù)據(jù)，國人是否也是這個(gè)數(shù)據(jù)沒有大量樣本的報(bào)道。而且這種方法多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槊總€(gè)患者的股骨外翻角并不是固定不變的，病例中外翻角度最大9.36°，最小3.25°，波動(dòng)較大，這不是一個(gè)精確的方法。有醫(yī)生在術(shù)前拍攝患者股骨頭至踝關(guān)節(jié)的負(fù)重位下肢全長(zhǎng)X射線正位片，可以通過測(cè)量來確定股骨外翻角的度數(shù)，術(shù)中進(jìn)行個(gè)性化截骨[13]。由于X光片是二維投影圖像，如果遇到股骨弧度大，旋轉(zhuǎn)等畸形程度較大的患者則測(cè)量困難或者有很大的誤差。隨著醫(yī)學(xué)三維技術(shù)的進(jìn)展[14-15]，通過螺旋CT掃描后mimics軟件的三維重建，可以從任意角度觀察并進(jìn)行測(cè)量，給術(shù)前計(jì)劃提供大量準(zhǔn)確的信息，而且具有掃描體位不受限制的優(yōu)勢(shì)。Novotny等[16]研究表明大多數(shù)情況下膝關(guān)節(jié)中點(diǎn)并非解剖軸定位點(diǎn)。很多臨床醫(yī)生按照解剖軸的定位點(diǎn)作為進(jìn)針點(diǎn)進(jìn)行外翻截骨與術(shù)前測(cè)量結(jié)果可能不一致，而導(dǎo)致術(shù)前測(cè)量進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃沒有了意義。前期的研究中提出了“術(shù)中股骨外翻角”的概念[17]，即根據(jù)下肢軸向力線的定義，將膝關(guān)節(jié)中點(diǎn)即髁間窩中點(diǎn)定義為機(jī)械軸和解剖軸共同的定位點(diǎn)，也就是術(shù)中定位桿的進(jìn)針點(diǎn)，而定位桿就是“術(shù)中股骨解剖軸”，通過數(shù)字化軟件三維成像模擬術(shù)中定位桿的插入來測(cè)量出定位桿和機(jī)械軸的夾角，即為“術(shù)中股骨外翻角”。術(shù)中按照術(shù)前測(cè)量的“術(shù)中股骨外翻角”角度調(diào)試好髓內(nèi)定位桿角度，并根據(jù)參照解剖標(biāo)志找到術(shù)前確定的進(jìn)針點(diǎn)，進(jìn)行開孔和插入髓內(nèi)定位桿進(jìn)行個(gè)性化股骨遠(yuǎn)端截骨。

控制脛骨力線目前較多采用髓外定位法，即在冠狀面上，使脛骨平臺(tái)截骨平面與下肢力線垂直。因此在安裝髓外定位器械時(shí)，要求髓外導(dǎo)向桿起自脛骨平臺(tái)中點(diǎn)或脛骨結(jié)節(jié)中內(nèi)1/3，沿脛前肌向下，與脛骨前緣平行，指向第一趾蹼和踝穴中心。由于踝穴中心是在內(nèi)、外踝連線中點(diǎn)的偏內(nèi)側(cè)3～5mm，故安裝髓外導(dǎo)向桿時(shí)其遠(yuǎn)端應(yīng)對(duì)準(zhǔn)內(nèi)、外踝連線中點(diǎn)稍內(nèi)側(cè)的位置。髓外定位簡(jiǎn)單易行，準(zhǔn)確率也較高，也不必關(guān)心脛骨是否畸形或者髓腔很大，因此臨床上使用較多。但畢竟是體外定位，踝穴中點(diǎn)在術(shù)中不易確定，尤其在與踝關(guān)節(jié)肥胖、腫脹、畸形的病人，將產(chǎn)生較大的誤差。另外，由于足的位置也是由術(shù)者擺放，脛骨力線遠(yuǎn)端對(duì)準(zhǔn)第一趾蹼也存在的人為的誤差。

脛骨髓內(nèi)定位僅依賴脛骨髓腔來確定方位，而較少依賴術(shù)者目測(cè)、觸摸骨性標(biāo)志的能力和經(jīng)驗(yàn)。在客觀上比較準(zhǔn)確。脛骨平臺(tái)中心髓內(nèi)定位的入點(diǎn)位于前交叉韌帶脛骨附著點(diǎn)或髁間前嵴的前外側(cè)。有研究結(jié)果表明，在前交叉韌帶足印跡處確定進(jìn)鉆點(diǎn)，鉆較大的孔，將髓腔桿插入脛骨髓腔進(jìn)行髓內(nèi)定位，該方法在定位的準(zhǔn)確性上與計(jì)算機(jī)輔助定位技術(shù)相當(dāng)，而且費(fèi)用較低、近期并發(fā)癥較少[18]。研究表明，在沒有明顯畸形的脛骨，髓內(nèi)定位的準(zhǔn)確率要優(yōu)于髓外定位[19-20]。術(shù)前測(cè)量術(shù)前X線片可以用來幫助確定髓腔桿精確的插入點(diǎn)，使插入的髓腔桿與脛骨髓腔平行。術(shù)前X線片只是二維的，需要標(biāo)準(zhǔn)正位片才能確定冠狀面的準(zhǔn)確性，還不能確定矢狀位的進(jìn)針點(diǎn)，有一定的局限性。根據(jù)脛骨軸向力線的定義在三維重建脛骨上模擬術(shù)中定位桿的插入可以更準(zhǔn)確的找出每個(gè)患者脛骨平臺(tái)的進(jìn)針點(diǎn)，而不需要鉆較大的孔。

脛骨髓內(nèi)定位的還有一個(gè)潛在缺點(diǎn)就是可能會(huì)增加脂肪栓塞和靜脈血栓栓塞。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通過改變髓內(nèi)定位桿上的凹槽深度和脛骨近端開髓定位孔的大小，可以減輕術(shù)中栓塞的程度，還在插入髓腔桿前常規(guī)用吸引器抽吸髓腔，進(jìn)一步減少髓腔栓塞的發(fā)生。在病例中并未因?yàn)樗鑳?nèi)定位而增加了血栓的風(fēng)險(xiǎn)。

通過兩組病例術(shù)后的復(fù)查測(cè)量發(fā)現(xiàn)參照數(shù)字化技術(shù)模擬術(shù)中定位過程進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃可以獲得了很好的股骨、脛骨和下肢假體的軸向力線，驗(yàn)證了運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行截骨的可行性和準(zhǔn)確性，與傳統(tǒng)手術(shù)比較更為精確，有利于進(jìn)行個(gè)性化手術(shù)。股骨脛骨的截骨過程完全復(fù)制術(shù)前的模擬手術(shù)，其具有可預(yù)見性。研究中發(fā)現(xiàn)如果遇到髓腔狹窄、寬大、畸形等異常情況，在股骨側(cè)均可通過改變髓內(nèi)定位桿的長(zhǎng)度來獲得最穩(wěn)定的“術(shù)中股骨外翻角”來指導(dǎo)手術(shù)，在脛骨側(cè)可以預(yù)見能否進(jìn)行髓內(nèi)定位。因此，該技術(shù)在特殊病例的價(jià)值更大。

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Application of digital technology in control of lower extremity axial alignment in personalized total knee arthroplasty

CAIJun-feng,YUANFeng,MAMin,LUOShu-ling,WANGHan,YINFeng

(Dept. of Orthopedics, East Hospital, Tongji University, Shanghai 200120, China)

Objective To compare the accuracy of digital technology assisted total knee arthroplasty (TKA) with conventional positioning TKA for restoration of lower-extremity mechanical axis. Methods Ninety five patients(100 knees)undergoing TKA from February 2013 and April 2015 were randomly divided into the conventional surgery (CS) group (48 cases with 50 knees) and the digital technology surgery (DS) group (47 cases with 50 knees). For the DS group, the CT scan images of the lower extremity were obtained and mimics was used to reconstruct the three-dimensional model; according to the definition of axial alignment of the lower extremity, the entry points of femur and tibia were determined and the intraoperative femoral valgus angle was measured by simulating the intramedullary positioning rod; and the osteotomy at the distal femur and the proximal tibia was performed during the surgery. Patients of both groups used the same brand of joint prostheses and all operations were performed by the same surgeon. The angles A, B and C were measured from the X-ray images which were examined after the surgery to verify the accuracy of axial alignment of the lower extremity. Results The average of intraoperative femoral valgus angle of DS group was (5.83±1.85°) (3.25°-9.36°) and it was easy to be found the entry points in the surgery. The angles A, B and C were 90.34°±1.61°(87.10°- 92.88°), 89.97°± 1.37°(88.12°- 92.33°), and 1.56°±0.72°(0.11°-2.59°)in CS group; the angles A, B and C were 91.18°±2.20°(86.57°- 94.59°), 8.89°±3.25°(82.19°-92.30°)and 3.21°±1.56°(0.25°-6.32°), respectively; the difference of two groups was statistically significant (P< 0. 05) . Conclusion The study shows that simulating the intraoperative localization process in preoperative planning via digital technology can lead to better precision of axial alignment of the lower extremity.

arthroplasty； replacement； knee； surgery； computer-assisted

10.16118/j.1008-0392.2016.03.019

2015-10-27

上海市衛(wèi)生局基金(20124463)

蔡俊豐(1974—)，男，副主任醫(yī)師，碩士.E-mail: dr_cjf@163.com

尹 峰.E-mail: 001yinfeng@sina.com

R 687.4

A

1008-0392(2016)03-0091-06