劉德健 李彥林 毛健宇 蒙旭晗
昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院運動醫(yī)學科(昆明 650032)
患者個性化器械(patient-specifc instrument,PSI)在近年來備受關注,在關節(jié)外科領域,PSI的設計及成品主要通過3D術前規(guī)劃及3D打印的方式呈現(xiàn)出來。3D打印技術是一種在數(shù)字影像與醫(yī)學通訊(digital imaging and communications in medicine,DICOM)和光固化立體造型(stereolithography,STL)文件轉(zhuǎn)換程序處理后,通過3D打印機制作出臨床醫(yī)生所感興趣的模型。而3D打印機則由逐層結合材料的方式,制作出相應部件。因該技術在復雜結構以及個性化結構的加工過程中具有設計-交付周期短的優(yōu)點,展現(xiàn)出傳統(tǒng)工業(yè)技術難以超越的優(yōu)勢[1],被譽為“第三次工業(yè)革命的標志”之一[2]。
3D打印技術已在航空航天、軍事國防等領域得到良好的應用。3D打印技術在關節(jié)外科領域廣泛應用于全關節(jié)置換術及各類關節(jié)骨折手術中,目前大多取得了良好的效果?,F(xiàn)就近年來PSI技術及3D打印技術在治療關節(jié)損傷中的應用與進展進行綜述,并對該領域的未來所面臨的挑戰(zhàn)進行了展望。
隨著科學技術的不斷發(fā)展,全關節(jié)置換術中機器人-計算機輔助導航技術、立體定位導航技術和3D打印個性化截骨導板技術等在近年來得到良好的發(fā)展。SUGANO[3]及JACOFSKY等[4]提出,機器人-計算機輔助導航技術首次出現(xiàn)于20年前,雖然機器人-計算機輔助導航有助于提高關節(jié)置換術的精準性,但在廣泛的臨床應用中,這些系統(tǒng)受到高成本、較長的手術醫(yī)生培養(yǎng)周期、長時間的術前準備、術中機器人與醫(yī)師相互協(xié)調(diào)以及手術室內(nèi)附加設備所需空間較大等問題的限制,需要不斷改進。田書暢等[5]的研究發(fā)現(xiàn),立體定位導航技術應用于全膝關節(jié)置換優(yōu)于常規(guī)術式,但與PSI技術相比,后者手術時間更短,術后短期內(nèi)視覺模擬評分(visual analogue score,VAS)及美國膝關節(jié)協(xié)會評分(American knee society knee score,KSS)明顯占優(yōu),手術精度較高。PSI技術的出現(xiàn)不到10年,但該技術已逐漸被開發(fā)成可以替代術中導航系統(tǒng)的新產(chǎn)品[6]。3D打印技術為PSI技術的典型代表,近幾年來看,PSI技術在整形外科、口腔頜面外科、骨科等諸多臨床科室中備受關注且均得到長足的發(fā)展。
對于全髖關節(jié)置換來說,當前所面對更多的是復雜髖關節(jié)病變,如髖臼發(fā)育不良、髖臼骨缺損、髖關節(jié)置換術后假體松動、髖關節(jié)置換術后髖臼假體碎裂等。為此類患者制定手術方案非常具有挑戰(zhàn)性,如正確選擇假體型號、精準置入假體、畸形的矯正程度及骨缺損的預判等難題,如果不妥善解決以上問題,翻修率必然會上升。3D打印技術可以將患者術前髖關節(jié)CT DICOM數(shù)據(jù)導入逆向三維重建系統(tǒng),并將設計好的3D模型以1∶1的比例打印出來,從而可以進行充分的術前規(guī)劃及模擬手術,這是常規(guī)X線、CT或MRI等常規(guī)二維影像檢查所不能比擬的。在全髖關節(jié)置換術中,準確放置髖臼假體是手術成功的重要因素,SPENCER-GARDNER等[7]采用3D打印技術制作PSI來評估髖臼假體位置的精準度,該研究中納入評估的患者共100例,術后均采用CT掃描測量髖臼的位置來評估假體的準確度,最后得出通過術中使用3D打印技術輔助設計患者個性化髖臼假體可以使假體位置更加精準,其結果優(yōu)于常規(guī)術式。此外,國內(nèi)有學者報道[8]全髖關節(jié)置換翻修術應用3D打印置入物初始穩(wěn)定性好、早期骨長入良好。因此,3D打印技術應用于全髖關節(jié)置換翻修對于解決髖臼骨缺損有一定的效果。
在許多學者研究全髖關節(jié)置換術中髖臼假體在位置精準程度重要性的同時,股骨及髖臼假體組合后形成的前傾角受到越來越多的關注[9]。據(jù)KITADA等[10]報道,在他們的研究中,基于計算機斷層攝影的導航系統(tǒng)的股骨干前傾角準確度有60%的病例在5°以內(nèi)。HIRATA等[11]的研究顯示,以小腿軸線作為參照,全髖關節(jié)置換術前及術中估計的前傾角平均誤差為7.3°,其中60%的病例超過5°。為確保股骨假體在全髖關節(jié)置換術中安置在恰當?shù)奈恢茫琀IDEYA等[11]研制了一種PSI應用在全髖關節(jié)置換術中,術后影像學檢查發(fā)現(xiàn)10例患者中有7例的股骨干前傾角平均為(2.1± 4.1),均<5°,表明他們研制的PSI可能是一個很有價值的導航系統(tǒng)。
對嚴重膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者,全膝關節(jié)置換是目前最成功、最成熟的治療方式之一。獲得精確下肢力線、術中假體精確植入、減少術后并發(fā)癥,是術者一直追求的目標,然而術者單憑肉眼及經(jīng)驗很難保證在術中精確截骨。此外,常規(guī)術式需股骨髓內(nèi)定位,術中開髓則增加了失血量、術中及術后感染和脂肪栓塞的風險。BALI等[12]研究發(fā)現(xiàn)將基于計算機定制PSI應用于全膝關節(jié)置換術中,理論上可以降低失血和發(fā)生脂肪栓塞的風險,此項新技術可以安全地使用在大多數(shù)患有骨關節(jié)炎的患者,可以被視為一種替代傳統(tǒng)全膝關節(jié)置換術的新技術。
在一項使用基于MRI的PSI技術與采用常規(guī)術式作為對照的前瞻性對比研究中[13],共選取88例患者(每組各44例)行全膝關節(jié)置換術。結果發(fā)現(xiàn)術中采用PSI的病例,可以減少術中復雜器械使用數(shù)量,假體對位更精確,從而得出使用PSI技術是可行和可靠、具有明顯優(yōu)勢的結論。QIU等[14]的研究中,他們同設計了一款PSI(3D打印截骨導航模板)應用于實驗組,對照組依舊采用常規(guī)術式。通過對比兩組近端截骨量、遠端截骨量、外翻角度、外旋角度和脛骨后傾角,發(fā)現(xiàn)PSI組術中植入假體位置有顯著改善。從患者膝關節(jié)形態(tài)學分析,PSI與現(xiàn)有的個性化工具的理念相符合。與此同時,PSI使假體植入更精準的要求得以實現(xiàn),這表明該技術可以指導術者在術中獲得最佳下肢力線。
PSI雖然提高了股骨假體對位和下肢力線的準確性,但會出現(xiàn)脛骨假體置入位置發(fā)生偏差的風險,這可能與術前設計PSI模具時采用的CT DICOM數(shù)據(jù)是患者平臥位時獲取而不是患者負重位獲取,從而導致術前規(guī)劃時對脛骨截骨量預判失誤有關,而脛骨假體對位不準對假體壽命的影響仍有待更多數(shù)據(jù)的支持。在很多學者贊許PSI及3D打印技術的同時,一篇Meta分析[15]指出,采用PSI輔助全膝關節(jié)置換術的手術時間和失血量較常規(guī)術式小,并有顯著差異,但這些差異不大,本身并不是常規(guī)使用該技術的實質(zhì)性理由。
決定全肩關節(jié)置換術(TSA)和逆肩關節(jié)置換術(RSA)術后情況及遠期假體壽命的關鍵因素是關節(jié)盂假體的位置和術中固定情況。常見的關節(jié)盂假體錯位、傾斜與假體早期松動、術后關節(jié)功能不良和術后肩關節(jié)不穩(wěn)定等因素相關[16-18]。然而,肩胛骨解剖位置的改變、關節(jié)盂骨量減少、關節(jié)攣縮及曾接受過手術使得可靠的解剖標志消失[19],使術中正確定位關節(jié)盂假體極具挑戰(zhàn)性。3D逆向重建術前規(guī)劃和PSI輔助手術已經(jīng)成功幫助眾多外科醫(yī)生行髖、膝關節(jié)置換,近年來該技術也開始應用于肩關節(jié)置換術,可以更好地處理關節(jié)盂畸形和骨量減少等問題。HEYLEN等[18]在研究3D術前規(guī)劃和PSI輔助手術對全肩關節(jié)置換的影響中指出3D術前規(guī)劃和PSI技術輔助全肩關節(jié)置換及逆肩關節(jié)置換時可以減少關節(jié)盂偏移的變異性,避免術中傾斜誤差。HENDEL等[17]、LEVY等[19]已經(jīng)建議關節(jié)外科醫(yī)生,肩關節(jié)置換應使用PSI技術來進行術前規(guī)劃和術中應用。
MATSUMURA等[20]曾對160例正常日本人的盂肱關節(jié)進行了CT掃描,并發(fā)現(xiàn)盂肱關節(jié)大小在男性和女性中是一致的,且優(yōu)勢肩和非優(yōu)勢肩在盂肱關節(jié)各項參數(shù)之間存在很強的相關性。日本人的盂肱關節(jié)明顯小于黑人和白人。MATSUMURA等相信他們的研究結果可以對肩關節(jié)假體型號設計有用。
目前,PSI及3D打印技術應用于肩關節(jié)置換術仍較少報道。CHAMMAA等[21]報道了30例通過在存在髖臼骨缺損的全髖關節(jié)置換中使用無需植骨的PSI髖臼假體的原理來設計關節(jié)盂PSI假體這種想法,并指出其臨床療效及肩關節(jié)假體遠期壽命是具有良好前景的。
在髖關節(jié)、膝關節(jié)、肩關節(jié)領域外,DOCQUIER等[22]報道了3例PSI、3D打印技術應用于其他關節(jié)的手術。在精確矯正肘內(nèi)翻時需要考慮到正面和矢狀存在的畸形,以便在外觀和功能方面獲得良好的效果,DOCQUIER等運用3D模擬及打印技術實施先天性肘關節(jié)內(nèi)翻復雜截骨。在跗骨聯(lián)合切除術中,運用PSI及3D技術使得手術精度提高、手術時間縮短,且手術方式創(chuàng)傷小。他們也為一名患有尤文氏肉瘤的11歲女童實施左髖尤文氏肉瘤切除和同種異體骨移植重建術,手術時間為7 h,術后沒有出現(xiàn)股神經(jīng)及坐骨神經(jīng)麻痹的情況?;純涸谛g后6周便可使用拐杖下床行走,成功地保住患兒左下肢。
隨著醫(yī)療科學技術的發(fā)展以及材料學的不斷進步,PSI、3D打印技術在醫(yī)學領域的應用范圍越來越廣,呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢。但任何新生事物在其發(fā)展的過程中都存在一定短板和弊端。初步研究證明[23],PSI技術的概念和應用至今仍展現(xiàn)出一定的希望;然而,像新物體一樣,它們的優(yōu)勢通常是有限的,特別是應用該技術的長期臨床資料還有待進一步研究。一篇PSI技術應用于全膝關節(jié)置換術的Meta分析[24]提到,基于對現(xiàn)有文獻的系統(tǒng)綜述,與常規(guī)器械相比,PSI在實現(xiàn)假體精準對位方面似乎并沒有提供優(yōu)勢。PSI確實可以減少術中復雜器械使用數(shù)量,但考慮術前掃描和定制模具的成本時,并沒有提示采用該技術可以比常規(guī)術式更加經(jīng)濟。手術時間在經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生手中并沒有明顯減少,并且經(jīng)過PSI技術生成的外科手術計劃常常存在一定缺陷,PSI模具可能需要二次復檢。最后,PSI在患者滿意度,疼痛,關節(jié)活動度方面并不優(yōu)越于常規(guī)術式。這樣我們可以認為,同接受過嚴格關節(jié)置換手術訓練的外科醫(yī)生相比,PSI并沒有優(yōu)勢。對于手術時間,該Meta分析的觀點與前文敘述PSI可以減少手術時間相矛盾,據(jù)作者分析,這可能與研究中文章納入標準相關。作者陳述這篇文獻綜述的局限性在于只采用了相關英文文獻。朱庭標等[25],曹恒等[26],鄔波等[27]均得到3D打印截骨導航模板輔助膝關節(jié)置換術可以時全膝關節(jié)置換術手術時間縮短。隨后,有學者認為[14],關于PSI對軟組織平衡的考慮到目前為止是有限的,PSI仍處于發(fā)展的早期階段,在進行最終評估之前,應該給予其更多的發(fā)展機會。
綜上,PSI及3D打印技術在髖關節(jié)置換及膝關節(jié)置換術中應用較為廣泛,尤其是在膝關節(jié)置換領域,該技術的優(yōu)勢,包括術前規(guī)劃、模擬手術等均可以幫助年輕醫(yī)生快速進步。對于關節(jié)外科,PSI及3D打印技術仍屬于一項處于發(fā)展初期的科技項目,雖有文獻指出該技術的不足之處,但隨著臨床不斷推廣應用、計算機輔助技術及材料學不斷發(fā)展進步,目前的不足之處必將得到妥善解決。
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