計算機導航技術在前交叉韌帶重建中的應用

李滔 李彥林 余洋

摘 要：前交叉韌帶重建的成功關鍵之一在于韌帶隧道的準確定位，由于膝關節(jié)軟組織遮擋、關節(jié)鏡視覺、術者經(jīng)驗等因素導致隧道定位不準，而計算機輔助導航技術的發(fā)展應用為準確定位韌帶隧道提供了另一種技術應用。本文對近年來計算機輔助導航系統(tǒng)的種類、優(yōu)缺點以及計算機結合3D打印技術研制的3D打印個體化導航模板應用做一綜述。

關鍵詞：前交叉韌帶；計算機導航技術；3D打?。粚Ш侥０?/p>

中圖分類號：R687.2 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.06.003

文章編號：1006-1959（2018）06-0007-03

The Application of Computer Navigation in the Reconstruction of Anterior Cruciate Ligament

LI Tao1，LI Yan-lin2，Yu Yang2

（1.Department of Orthopedics，Second People's Hospital of Yunnan Province，Kunming 650021，Yunnan，China；

2.Department of Sports Medicine，F(xiàn)irst Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650032，Yunnan，China）

Abstract：One of the keys to the success of anterior cruciate ligament reconstruction is accurate positioning of the ligament tunnel. The positioning of the tunnel is inaccurate due to knee soft tissue occlusion，arthroscopic vision， surgeon experience and other factors. The development of computer-assisted navigation technology is to accurately locate the ligament tunnel.Another technology application is provided.This paper summarizes the types，advantages and disadvantages of computer-aided navigation systems in recent years，and the application of 3D printed individual navigation templates developed in conjunction with 3D printing technology.

Key words：Anterior cruciate ligament；Computer navigation technology；3D printing；Navigation template

計算機導航技術也稱計算機輔助手術（computer-assisted surgery，CAS），應用于需要精確定位的骨科手術取得很大進步，其通過計算機輔助虛擬手術環(huán)境為外科醫(yī)生提供操作上的指導，可為術中定位提高精確性、準確性和安全性[1]。計算機導航技術已逐漸被廣泛運用于脊柱椎弓根釘?shù)膶Ш健⑾リP節(jié)置換及前交叉韌帶重建等手術領域。前交叉韌帶（anteriorcruciateligament，ACL）重建術越來越成為常見手術，其目的是為了恢復膝關節(jié)穩(wěn)定，盡管關節(jié)鏡下ACL重建手術成為常規(guī)方式，然而文獻報道中仍有1.8%～12.3%的失敗率[2]。隨著對于膝關節(jié)解剖學和生物力學的認識不斷深入，ACL重建的技術從等長重建逐漸轉向解剖重建[3，4]，這就意味著韌帶重建的隧道定點必須找準原來的解剖止點。然而，由于膝關節(jié)解剖結構變異、軟組織遮擋、關節(jié)鏡視角、術者經(jīng)驗等因素的影響，在中長期隨訪中出現(xiàn)了相應數(shù)量的ACL重建失敗[5-7]，其失敗原因之一是因為個體ACL直徑和足印區(qū)位置的差異[8，9]，加上大多數(shù)初行ACL重建的骨科醫(yī)生經(jīng)驗不足，導致隧道位置失誤[10-13]，從而導致術后韌帶松弛失效、膝關節(jié)失穩(wěn)、交叉韌帶撞擊、活動受限、繼發(fā)半月板損傷等并發(fā)癥。計算機輔助手術系統(tǒng)既能使ACL重建時移植韌帶的精準定位，實現(xiàn)微創(chuàng)與精確較好的結合，同時能夠通過術中動態(tài)監(jiān)測實時評價手術效果，對于提高手術成功率等具有十分重要的意義。由此，本文就目前計算機輔助技術在前交叉韌帶重建手術中的應用現(xiàn)狀及進展做一綜述。

1目前應用于臨床的計算機輔助ACL重建隧道定位系統(tǒng)的特點及應用

1.1 OrthoPilot系統(tǒng) OrthoPilot系統(tǒng)（德國Tuttlingen公司）的特點是無需術前和術中X線、CT及MRI影像，采用術中采集的解剖標志點與運動學數(shù)據(jù)，對脛骨和股骨側韌帶隧道定位?？梢赃x定韌帶股骨端及脛骨端的相對等距重建點，并根據(jù)膝關節(jié)屈伸活動過程中韌帶的動態(tài)變化，檢測移植韌帶與髁間窩是否發(fā)生撞擊[14]。Eichhom在3年間采用OrthoPilot系統(tǒng)完成了超過300例手術，與常規(guī)手術相比改善了隧道定位和操作的準確性。Angelini等[15]比較Orthopilot組與常規(guī)手術組，兩組在隧道位置上無差異，Orthopilot組重建的前交叉韌帶在屈曲和伸展時的距離變化較小，等距性更好。

王偉等[16]采用OrthoPilot紅外線計算機導航輔助關節(jié)鏡下行ACL重建術，通過采用解剖標志點與運動學數(shù)據(jù)為標記，對脛骨和股骨隧道入點及方向進行導航，精準定位股骨和脛骨隧道口足印位置，動態(tài)實時導航，提供實時影像以隨時糾正定位。極大的提高了前交叉韌帶重建手術時隧道定位的精確度，避免因隧道定位誤差而引起的不良并發(fā)癥。經(jīng)治療35例ACL損傷患者，術后行KT-1000和Lachman試驗，并采用Lysholm和Tegner膝關節(jié)評分系統(tǒng)評價膝關節(jié)功能及運動水平，術后療效評價優(yōu)良。

1.2 Bone Morphing系統(tǒng) Bone Morphing系統(tǒng)的經(jīng)典代表有Surgetics（法國Praxim公司），術中通過軟件三維建模技術，重建膝關節(jié)精確的三維解剖。所得到的模型可實時顯示重建韌帶的位置及方向，選擇等距點，評估是否撞擊，從而指導準確的隧道出入點。其可以實時提供三維可視化圖像，動態(tài)監(jiān)控指導韌帶重建中方向、位置，從而術中取得韌帶重建等距點與可能發(fā)生髁間窩撞擊之間更好的平衡，使得韌帶重建更加有效恢復解剖生理功能。該導航系統(tǒng)不但能夠用于術中定位，而且能夠評估膝關節(jié)的前向穩(wěn)定性和旋轉穩(wěn)定性，為膝關節(jié)穩(wěn)定性評估提供準確的、客觀的依據(jù)。Mueahl等[17]使用該導航系統(tǒng)術中比較傳統(tǒng)的ACL單束重建、解剖前內(nèi)束重建和雙束重建的效果，結果證明雙束重建優(yōu)于傳統(tǒng)的單束重建和解剖前內(nèi)束重建。

1.3 透視導航的ACL重建系統(tǒng) 透視導航系統(tǒng)是通過將反射紅外線的球形導航子安放于脛骨近端和股骨遠端，在C型臂X線機透視器上安裝反射性導航盤套，采用C型臂獲取數(shù)據(jù)并配準，應用軟件得出透視后的三維圖像，通過紅外線鏡頭跟蹤，手術器械可實時顯示三維圖像，從而根據(jù)三維圖像準確的設計隧道入口，并在三維圖像監(jiān)控下準確鉆出隧道。

馮華等[18]報道臨床上通過透視結合紅外線主動跟蹤型計算機導航，對40例導航組與40例單純關節(jié)鏡下重建組進行術后隧道位置的測量結果比較，術后X線片測量結果顯示：導航組手術脛骨隧道的位置平均位于45.35%，符合（46±3）%的理想范圍，位置不佳者占17.5%；關節(jié)鏡組的位置平均位于41.05%，明顯偏前，位置不佳者占50.0%。說明導航組準確程度明顯提高。計算機導航技術可以使關節(jié)鏡下前交叉韌帶重建手術中脛骨及股骨隧道的位置更偏后，提高了手術準確性，同時縮短了初學者的學習曲線并減少患者和術者被X線照射時間。

然而，上述的計算機導航技術臨床應用受到一定限制，首先是購買或租賃系統(tǒng)的費用高，導航系統(tǒng)校準需要嚴格的技術，對系統(tǒng)操作需專業(yè)學習，比傳統(tǒng)手術花費更多，經(jīng)濟效益不佳[19]。其次，導航系統(tǒng)可能存在“圖像漂移”等問題，會導致導航不準確[20]。既往計算機導航技術增加的手術時間一般需要9～45 min[21]。因此，一種運用3D打印技術設計的個性化骨科手術導航模板的新技術產(chǎn)生了。

2 3D打印導航模板技術在前交叉韌帶隧道定位中的應用

近年來逆向工程技術和快速成型技術得到迅猛的發(fā)展，3D生物打印技術逐漸運用于術前規(guī)劃與手術模擬、個性化內(nèi)置物、骨組織工程支架、組織打印四個方面[22]。隨之骨科手術中出現(xiàn)了一種個性化導航模板技術，該技術通過術前計算機軟件精確設計個體化的骨三維模型，在骨模型上設計精確的導航模板，然后應用快速成型技術制作成3D打印導航模板實物工具，術中通過將模板的特征曲面與骨骼表面貼合后即可到達個性化的定位或截骨，應用于手術中的精確定位，該技術最早被應用于脊柱椎弓根釘?shù)闹萌雽Ш?，逐漸被擴展至全膝關節(jié)置換定位截骨、關節(jié)矯形截骨、骨折固定定位、前交叉韌帶重建隧道定位等方面的研究和應用。

劉欣偉[23]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。具體的利用3D打印技術為：通過CT及MRI數(shù)據(jù)導入計算機軟件進行三維模型重建，并將骨模型與前交叉韌帶模型融合，以精確定位健側ACL足印區(qū)，將健側鏡像處理后得到患側3D模型，去除ACL圖像得到患側ACL股骨側解剖足印區(qū)，并定位其中心點即術中導針入點，同時可調(diào)整導針方向以利遂道于股骨外側髁內(nèi)的長度合適（長度>35 mm），利于快速成型技術制作3D打印的股骨隧道定位導板模型。將其應用于前交叉韌帶重建手術定位并與對照組對比，結果兩組患者手術過程均順利，均未出現(xiàn)并發(fā)癥。結論得出：應用3D打印技術設計個性化股骨側定位導航膜板進行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(zhì)的概率。

Jianlong Ni[24]等人通過對20例尸體膝關節(jié)運用3D打印模板導航前交叉韌帶重建的股骨及脛骨隧道的研究，探討骨隧道位置的準確性。成功設計并運用3D技術打印模板，并通過CT數(shù)據(jù)分析隧道入口術前模板定位計劃點與實際鉆孔點之間偏差，其中股骨隧道顯示平均偏差0.57 mm（范圍：0～1.5 mm），脛骨隧道位置平均偏差0.58 mm（范圍：0～1.5 mm），從而驗證運用3D打印技術導航前交叉韌帶隧道的準確性很高。

個性化導航模板導航無需術中進行復雜的注冊和大型的電子導航系統(tǒng)，體積小，操作簡單，定位精度高，既保留了機械定位導航的優(yōu)勢，又針對性地克服了影像導航技術存在的不足，在骨科導航定位中具有巨大的優(yōu)勢。較傳統(tǒng)手術方法具有更加個體化、精準化的優(yōu)勢，且對于縮短手術時間，快速提高臨床醫(yī)師水平、縮短學習曲線、提高治療效果具有積極意義。此技術是數(shù)字化醫(yī)學技術及逆向工程技術等多學科的交叉，需不斷對該技術進行優(yōu)化，尚需大樣本及長期隨訪明確其優(yōu)勢和不足。

綜上所述，計算機導航技術以及計算機輔助設計的3D打印導航模板技術均為前交叉韌帶重建手術提供了增加手術精確度的技術支持，使得隧道定位更加接近解剖位置，獲得良好的等距性能，避免移植肌腱與髁間窩的撞擊，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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收稿日期：2018-1-22；修回日期：2018-3-1

編輯/楊倩