3D打印個性化股骨側定位輔助法在膝關節(jié)前交叉韌帶重建中應用

劉欣偉，　劉松波，　張敬東，　劉憲民，　劉　銘，　王　宇，　柳云恩，　項良碧，　侯明曉

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 1.骨科 全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心；2.全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心實驗室 數(shù)字化實驗室，遼寧 沈陽　110016

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·3D打印技術·

3D打印個性化股骨側定位輔助法在膝關節(jié)前交叉韌帶重建中應用

劉欣偉1，劉松波1，張敬東1，劉憲民1，劉銘1，王宇1，柳云恩2，項良碧1，侯明曉2

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 1.骨科 全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心；2.全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心實驗室 數(shù)字化實驗室，遼寧 沈陽110016

目的評價應用3D打印技術設計個性化股骨側定位輔助法并應用于前交叉韌帶(ACL)重建手術的臨床效果。方法收集2015年1月至2016年8月在沈陽軍區(qū)總醫(yī)院應用3D打印個性化股骨側定位輔助法行ACL重建術26例患者為3D組，本組患者術前進行3D建模、ACL股骨側足印區(qū)定位。26例應用常規(guī)經膝關節(jié)前內側入路手動進行股骨側定位的ACL重建術的患者，且每例膝關節(jié)功能評分(IKDC)均>85分，設為對照組。通過術后X線評估法評價兩組患者股骨側隧道情況并進行統(tǒng)計學分析。結果兩組患者手術過程均順利，均未出現(xiàn)并發(fā)癥。3D組術前均建模順利，術前定位股骨側隧道口后，股骨側隧道長約(42.6±4.1)mm，常規(guī)組測量股骨側隧道長約(39.2±3.8)mm，兩組間比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。3D組與常規(guī)組NL/ML、AL/BL、α及β角差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。結論應用3D打印技術設計個性化股骨側定位輔助法進行ACL重建手術有助于精準定位股骨側解剖點，控制導針方向，利于腱骨愈合，降低“打爆”后方皮質的概率。

3D打??；前交叉韌帶；重建

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷在膝關節(jié)運動損傷中非常常見。隨著運動醫(yī)學的發(fā)展、關節(jié)鏡器械和技術的進步，ACL重建手術得到廣泛的開展[1-3]。ACL也經歷了理念的更新，從最初的等長重建到今天的解剖重建。然而，如何解剖定位ACL的股骨側隧道是該手術的核心問題之一，國內外的很多學者針對該領域也進行了大量的基礎和臨床研究[4-9]。近些年來，3D打印技術在醫(yī)學領域應用不斷地取得進步，筆者針對該問題，應用3D打印技術設計個性化股骨側定位輔助法并應用于臨床ACL重建手術，取得了滿意的效果?，F(xiàn)報道如下。

1　資料與方法

1.1一般資料收集2015年1月至2016年8月在沈陽軍區(qū)總醫(yī)院就診并接受關節(jié)鏡下ACL重建術的26例應用3D打印個性化股骨側定位輔助法行ACL重建術患者為研究組(3D組)，再隨機選取在此期間就診的26例應用常規(guī)經膝關節(jié)前內側入路手動進行股骨側定位的ACL重建術的患者，且每例膝關節(jié)功能評分(international knee documentation committee，IKDC)均>85分，此為對照組(常規(guī)組)。3D組：男性21例，女性5例；年齡19～45歲，平均年齡(28.7±10.5)歲。常規(guī)組：男性22例，女性4例；年齡22～48歲，平均年齡(25.9±11.6)歲。常規(guī)組術后12個月隨訪。術前均無手術禁忌證。兩組患者年齡及性別差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。全部患者在術前均知情同意并簽署手術知情同意書。術前均行MRI檢查確診為單純ACL股骨側斷裂，Lachman試驗、前抽屜試驗、軸移試驗均為陽性，均采用人工LARS韌帶行ACL單束重建。所有患者入院后常規(guī)拍攝膝關節(jié)CT檢查(GE公司，美國)。所有患者術前常規(guī)行心電圖、胸片、心臟彩超、下肢動靜脈血管彩超及血生化、凝血功能、術前免疫等檢查，以排除手術禁忌證。

1.2手術方法兩組患者均由同一醫(yī)療小組完成。所有患者均采用膝關節(jié)常規(guī)前外、前內側入路，股骨側均為帶袢鋼板(施樂輝公司，美國)固定，脛骨側均為擠壓螺釘及門型釘固定(施樂輝公司，美國)。具體手術操作略。3D組典型患者見圖2。

1.3術后處理兩組術后預防性使用抗生素至術后48 h，術后即可開始踝泵練習，術后第1天開始股四頭肌等長收縮練習和直腿抬高練習。常規(guī)拍攝患膝關節(jié)正側位X線影像，并鼓勵患者早期在支具保護下地活動，支具佩戴3個月，保護性限制膝關節(jié)活動范圍為0°～90°，3個月后準許去除支具進一步主動練習膝關節(jié)屈伸至最大屈膝角度，同時加強肌力練習。

1.4股骨側定位評價采用謝凱羅等[10]報道的X線評估方法，在正位片上測量股骨髁長度ML、重建韌帶股骨側止點到股骨外髁邊緣的距離NL和膝關節(jié)水平線與股骨側隧道中線的成角α，Blumensaat線的長度BL、重建ACL股骨側抵止點到股骨髁間窩過頂點的距離AL和股骨干長軸與股骨遂道中心線的夾角β。采用Khalfayan等[11]的方法將得到的長度換算為百分率，以NL/ML表示ACL股骨止點在正位片的位置，AL/BL表示ACL股骨側止點在側位片的位置。

2　結果

兩組患者手術過程均順利，均未出現(xiàn)并發(fā)癥。3D組術前均建模順利，術前定位股骨側隧道口后，股骨側隧道長約(42.6±4.1)mm，常規(guī)組測量股骨側隧道長約(39.2±3.8)mm，兩組間比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。3D組與IKDC評分>85分的常規(guī)組比較如表1所示，NL/ML、AL / BL、α及β角差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表1　兩組ACL重建術后X光評價股骨側定位情況比較

3　典型病例

患者男性，22歲，左膝前交叉韌帶斷裂，CT檢查掃描參數(shù)：120 kV，240 mA，以膝關節(jié)為中心，層厚為0.625 mm。MRI檢查(GE公司，美國)掃描參數(shù)：高密度掃描層厚為2 mm，每層為512像素×512像素，掃描時將肢體外旋約15°以順應ACL解剖走行方向。將CT掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式導入計算機，應用計算機CT三維重建軟件將CT數(shù)據(jù)進行三維重建，利用專業(yè)軟件Mimics 18.0(Materialise公司，比利時)通過形態(tài)學操作構建股骨、脛骨、健側ACL模型，以STL格式導出并加以保存。再通過Geomagic Studio 13(Geomagic公司，美國)對STL格式數(shù)據(jù)進行圖像處理并融合CT與MRI，以精確定位ACL(圖1a)，再將已定位足印區(qū)的圖像進行鏡像處理(圖1b),去除ACL圖像得到患側ACL股骨側解剖足印區(qū)(圖1c)并定位其中心點即術中導針入點(圖1d)，同時可調整導針方向以利遂道于股骨外側髁內的長度合適(長度>35 mm，圖1e)。

圖1應用3D打印技術股骨側定位輔助法行膝關節(jié)前交叉韌帶重建(a.CT與MRI融合后精確定位ACL；b.將健側鏡像處理后得到患側3D模型；c.去除ACL后精確標記ACL股骨側足印區(qū)；d.定位其中心點即術中導針入點；e.調整導針方向可至滿意遂道長度44.98 mm；f.術中鏡下可見重建韌帶位置良好；g,h.術后正側位X線影像示內固定裝置及骨道位置良好)

4　討論

中國是人口大國，更是體育大國。近年來，隨著國家對全民運動的宣傳與倡導，越來越多的群眾積極參與各類體育運動，運動損傷的患者亦是逐年增多。膝關節(jié)作為人體最為重要的大關節(jié)之一，運動損傷的概率極高，前交叉韌帶急性損傷多半有明確扭傷、摔傷等病史，傷后關節(jié)腫脹、疼痛并活動受限，前交叉韌帶損傷拖延超過3個月未手術治療者易因關節(jié)不穩(wěn)而出現(xiàn)半月板、關節(jié)軟骨等繼發(fā)損害，導致創(chuàng)傷性關節(jié)炎，嚴重危害關節(jié)功能甚至早期致殘。隨著對運動、訓練損傷的認識逐漸深入和關節(jié)鏡技術的成熟，既往開放手術行端端修補的術式已被摒棄，關節(jié)鏡下行ACL重建已成治療的金標準。

隨著等長重建理念的落伍，解剖重建已被醫(yī)師們接受，然而，股骨側隧道定位方法眾多，有儀表盤法、象限法、人字脊法等等[12]，在如何尋找更好的定位方法這個問題上的爭論一直沒有停息過，雖然各種方法均有一定的局限性，但仍在臨床上進行應用。計算機輔助技術在創(chuàng)傷骨科、骨腫瘤、復雜關節(jié)置換等領域應用之后，學者通過CT數(shù)據(jù)建立1∶1模型對骨缺損、腫瘤、肢體畸形情況進行模擬，并輔助制定了術前計劃，甚至通過3D打印制作手術導板、標記腫瘤位置、制定手術計劃等，這些都極大地提高了外科手術的精準程度，簡化了手術程序，減少了手術創(chuàng)傷，提高了患者預后，這些都為3D打印技術的擴展應用提供了很好的經驗。本研究中，筆者將3D打印技術應用于ACL重建手術中，通過CT與MRI融合、鏡像等方法定位股骨側隧道位置，將平時完全靠醫(yī)生經驗進行術中手動定位改良為計算機輔助精準定位，3D組與IKDC評分>85分的常規(guī)組術后X光評價未見顯著性差異，提示該方法定位精確，個體化程度高，避免了術中對骨道位置不滿意而進行重新定位，亦解決了由于個體差異、骨骼大小不同要求醫(yī)生完全憑借經驗定位的困惑，為解決ACL重建股骨側隧道解剖定位準確性的問題提供了新的思路。另外，由于肌腱植入骨隧道內的長度與腱骨愈合密切相關，默認的較合適的距離至少20 mm且越長越好。本研究中，3D組股骨側平均隧道長度較常規(guī)組長，理論上更有利于腱骨愈合，且3D打印設計中可以較好地控制導針方向，從而降低了導針緊貼股骨外側髁而“打爆”后方皮質的概率。

本研究的不足之處在于以下兩個個方面：其一，納入研究的患者較少，兩組患者均不足100例；其二，本研究系3D打印技術在ACL重建手術中的初步探索，集中在ACL單束重建方面，而3D打印技術若輔助ACL股骨側止點雙束重建則需要更高的MRI掃描層厚和分辨率，這有待于進一步深入研究；其三，本研究僅比較3D組的定位準確性，從理論上具有更加個體化、精準化的優(yōu)勢，但患者隨訪時間較短，長期療效尚缺乏臨床評分佐證。因此，本研究還需要大樣本的長期隨訪對照研究來進一步佐證。

3D打印技術在運動醫(yī)學領域的應用前景非常廣闊，有待于學者們深入探索。

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Application of 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method in ACL reconstruction surgery

LIU Xin-wei，LIU Song-bo，ZHANG Jing-dong，LIU Xian-min，LIU Ming，WANG Yu，LIU Yun-en，XIANG Liang-bi，HOU Ming-xiao

(Department of Orthopedics，The General Hospital of Shenyang Military Command,Shenyang 110016,China)

ObjectiveTo evaluate the efficacy of application of 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method in ACL reconstruction surgery.MethodsFrom January 2015 to August 2016，26 cases were performed 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method(3D modeling，ACL femoral printing area location)preoperatively，and were divided into 3D group.All 26 cases whose IKDC knee functional scores were more than 85 points and perrformed conventional method were divided into control group.Postoperative X-ray evaluation method was performed for evaluation between the two groups.ResultsSurgery in all cases was successful and no complications occurred.Preoperative modeling in 3D group was smooth.Localization lateral femoral tunnel，lateral femoral tunnel length was(42.6±42.6)mm，and lateral femoral tunnel length was about(39.2±39.2)mm.There was no statistical significance between the two groups(P>0.05).NL/ML，AL/BL，alpha and beta angle differences had no statistical significance(P>0.05)between the two gorups.ConclusionApplication of 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method in ACL reconstruction surgery will be good to pinpoint femoral anatomic point，control the needle direction，and will be good for tendon bone healing，reducing the probability of “ringing” rear cortex.

3D printing;Anterior cruciate ligament;Reconstruction

劉欣偉(1979-)，男，黑龍江哈爾濱人，主治醫(yī)師，博士

項良碧，E-mail：xiangliangbils@126.com；

侯明曉，E-mail：deformitya@126.com

2095-5561(2016)05-0265-04

R687.4

A

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.03

2016-09-13