計(jì)算機(jī)輔助3D個體化導(dǎo)板定位法在膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建術(shù)中應(yīng)用研究

張旭騰，劉松波，劉欣偉，韓文鋒

北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 骨科，遼寧 沈陽 110016

前交叉韌帶是維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)。前交叉韌帶損傷在關(guān)節(jié)韌帶損傷中極為常見，美國每年前交叉韌帶損傷病例數(shù)介于10萬至20萬[1]。前交叉韌帶損傷后若不及時治療會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)失穩(wěn)，半月板及軟骨退化磨損，最終發(fā)展為骨性關(guān)節(jié)炎等嚴(yán)重并發(fā)癥，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量[2-5]。修復(fù)損傷的前交叉韌帶，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性非常重要。如何準(zhǔn)確定位股骨隧道是前交叉韌帶重建術(shù)的難題[6-7]。本研究將3D打印技術(shù)應(yīng)用于前交叉韌帶重建手術(shù)中，通過CT與MRI結(jié)合的方法精確定位股骨側(cè)隧道位置，將傳統(tǒng)手術(shù)中依靠術(shù)者經(jīng)驗(yàn)的定位改良為依靠計(jì)算機(jī)輔助的精確定位?，F(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院自2016年3月至2018年1月收治的前交叉韌帶完全斷裂并接受關(guān)節(jié)鏡下自體肌腱移植(半腱-股薄肌腱)前交叉韌帶重建術(shù)的患者60例，根據(jù)定位方法分為常規(guī)組與個體化導(dǎo)板組，每組30例。常規(guī)組：男性25例，女性5例；年齡19～37歲，平均年齡(26.8±4.7)歲。個體化導(dǎo)板組：男性26例，女性4例；年齡19～38歲，平均年齡(26.4±4.5)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：術(shù)前Lachman 試驗(yàn)、前抽屜試驗(yàn)、軸移試驗(yàn)為陽性，MRI確認(rèn)前交叉韌帶完全斷裂；膝關(guān)節(jié)其他檢查無骨性畸形；術(shù)后住院1周以上；隨訪12個月。兩組患者性別、年齡等一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，具有可比性。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，患者均簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 三維建模 個體化導(dǎo)板組應(yīng)用3D 打印個體化導(dǎo)板行關(guān)節(jié)鏡下前交叉韌帶重建術(shù)。對患側(cè)膝關(guān)節(jié)行64排螺旋CT連續(xù)掃描及MRI檢查。將CT、MRI數(shù)據(jù)以“DICOM”格式保存，導(dǎo)入三維重建軟件Mimics，獲取膝關(guān)節(jié)三維模型，以“STL”格式保存輸出。通過編輯Mimics斷層圖像，運(yùn)用Mimics軟件的動態(tài)區(qū)域生成功能初步建立患者膝關(guān)節(jié)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維模型，選取股骨側(cè)隧道定位點(diǎn)，并測量參數(shù)。見圖1。

1.2.2 模型制作 利用3D Studio Max軟件設(shè)計(jì)個體化導(dǎo)板模型，處理完畢后模型以“STL”文件格式輸出。使用獲得專利的熔融沉積成型技術(shù)在可拆卸的成型板上制作個體化導(dǎo)板及其支撐材料。從工作艙中取出打印好的導(dǎo)板，溶解掉支撐材料[8-10]。見圖2。

圖1 膝關(guān)節(jié)三維模型

1.3 手術(shù)方法 兩組均采用膝關(guān)節(jié)常規(guī)前外、前內(nèi)側(cè)入路，取同側(cè)半腱股薄肌腱，對折成四股單束重建，股骨隧道外口肌腱采取endobutton固定，脛骨隧道采用擠壓釘及門型釘固定。個體化導(dǎo)板組關(guān)節(jié)鏡下部分清理前交叉韌帶斷端，屈膝90°將術(shù)前設(shè)計(jì)打印好的個體化導(dǎo)板置入，用克氏針作為導(dǎo)針鉆孔定位股骨隧道。根據(jù)導(dǎo)針鉆取股骨隧道。脛骨側(cè)采用脛骨導(dǎo)向器鉆取脛骨隧道。將編制好的帶Endobutton袢鋼板的自體肌腱送入骨隧道，牽引脛骨隧道外口肌腱引導(dǎo)線，反復(fù)屈伸膝關(guān)節(jié)使肌腱順暢后固定。常規(guī)組術(shù)中前交叉韌帶股骨側(cè)隧道定位時采用足印中心法，余操作同個體化導(dǎo)板組。手術(shù)當(dāng)日麻醉蘇醒后，即進(jìn)行踝泵練習(xí)，術(shù)后第1天開始行股四頭肌等長收縮和直腿抬高練習(xí)。術(shù)后予膝關(guān)節(jié)支具伸直位固定患肢，術(shù)后2周后開始膝關(guān)節(jié)被動屈曲訓(xùn)練，從0°～30°開始，每周增加30°直至120°。

圖2 3D打印個體化導(dǎo)板

1.4 觀察指標(biāo) 記錄手術(shù)中制備股骨側(cè)隧道所需時間。術(shù)前及術(shù)后3、6、12個月采用國際膝關(guān)節(jié)委員會評分(international knee documentation committee knee，IKDC)、Lysholm評分評價術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能。同時，術(shù)后2周采用X線影像對股骨側(cè)定位進(jìn)行評價。在膝關(guān)節(jié)正位片上測量以下參數(shù)：股骨髁長度記作ML、重建的前交叉韌帶股骨側(cè)止點(diǎn)到股骨外側(cè)髁邊緣的距離記作NL、膝關(guān)節(jié)水平線與股骨側(cè)隧道中線的成角α；在膝關(guān)節(jié)側(cè)位片上測量Blumensaat線的長度(Blumensaat′s line，BL)、重建的前交叉韌帶股骨側(cè)止點(diǎn)到股骨髁間窩過頂點(diǎn)的距離(apex of intercondylar fossa′s line,AL)、股骨干長軸與股骨遂道中心線的夾角β。以NL/ML表示前交叉韌帶股骨止點(diǎn)在正位片的位置，AL/BL 表示前交叉韌帶股骨側(cè)止點(diǎn)在側(cè)位片的位置[11-12]。

2 結(jié)果

兩組患者手術(shù)過程順利，術(shù)中、術(shù)后均未出現(xiàn)并發(fā)癥。術(shù)后，兩組患者Lysholm評分、IKDC評分較術(shù)前顯著升高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);但兩組間比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表1、2。術(shù)后2周，采用X線影像評價兩組患者的股骨側(cè)定位，兩組的NL/ML、AL/BL、α角、β角比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表3。個體化導(dǎo)板組的股骨隧道制備所需時間為(6.36±0.28)min，顯著低于常規(guī)組的(16.05±2.70)min，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表1 兩組患者Lysholm評分比較評分/分)

表2 兩組患者IKDC評分比較評分/分)

表3 兩組患者術(shù)后股骨側(cè)定位情況比較

3 討論

傳統(tǒng)的前交叉韌帶重建術(shù)以等長重建作為金標(biāo)準(zhǔn)，等長重建可較好地恢復(fù)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，但旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較差。解剖重建前交叉韌帶的核心是韌帶移植物應(yīng)恢復(fù)到其原始的足印區(qū)，隧道的直徑和方向盡可能準(zhǔn)確，以獲得前后位和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的正常功能[13]。解剖重建后，韌帶修復(fù)所需時間更短，持續(xù)時間更長，且可覆蓋較多的足印區(qū)，恢復(fù)前交叉韌帶的起止點(diǎn)位置、走向方向，從而極大限度恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能[14]。

3D打印模型可全方位了解骨折狀態(tài)，并可通過術(shù)前設(shè)計(jì)來提高手術(shù)精度，減少手術(shù)時間。有學(xué)者利用標(biāo)桿型3D打印導(dǎo)板輔助頸椎椎弓根置釘，取得不錯的臨床效果[15]。對伴有股骨側(cè)關(guān)節(jié)外畸形的初次關(guān)節(jié)置換患者采取3D打印技術(shù)，可簡化手術(shù)過程、縮短手術(shù)時間[16]。這些3D打印技術(shù)的成功應(yīng)用為精確定位前交叉韌帶股骨側(cè)隧道提供新的思路。

本研究將三維CT與MRI融合，通過計(jì)算機(jī)繪制出患者膝關(guān)節(jié)模型，并在計(jì)算機(jī)模型上確定前交叉韌帶股骨止點(diǎn)參考點(diǎn)和隧道走行方向，再通過預(yù)先的設(shè)計(jì)，打印出個體化的隧道導(dǎo)板,術(shù)中通過導(dǎo)板的輔助完成股骨隧道的建立。本研究兩組患者手術(shù)過程順利，術(shù)中、術(shù)后均未出現(xiàn)并發(fā)癥。術(shù)后，兩組患者Lysholm評分、IKDC評分、股骨側(cè)定位情況比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。個體化導(dǎo)板組的股骨隧道制備所需時間顯著低于常規(guī)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。縮短股骨隧道制備所需時間可有效增加手術(shù)效率。

利用計(jì)算機(jī)輔助3D打印技術(shù)可避免傳統(tǒng)手術(shù)方式因?qū)πg(shù)者經(jīng)驗(yàn)的過度依賴而導(dǎo)致的術(shù)中反復(fù)定位隧道位置，還可更好控制隧道方向，避免因隧道位置過于緊貼股骨外側(cè)髁而“打爆”后方皮質(zhì)，從而減少手術(shù)創(chuàng)傷。目前，計(jì)算機(jī)輔助3D打印技術(shù)仍需要不斷的研究和改良。本研究受樣本及隨訪時間限制，結(jié)果可能存在偏倚，今后應(yīng)進(jìn)行大樣本、多中心、長期隨訪研究。

綜上所述，膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建術(shù)中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助精準(zhǔn)個體化導(dǎo)板法定位股骨側(cè)隧道，效果良好，可縮短定位時間。