數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印輔助關(guān)節(jié)鏡治療肩袖損傷的應(yīng)用

李曉，譚海濤，秦豪

(廣西貴港市人民醫(yī)院骨科，廣西 貴港 537100)

肩袖損傷最早由Smith發(fā)現(xiàn)，是臨床常見的肩關(guān)節(jié)疾患，發(fā)病率占肩關(guān)節(jié)疾病17%～41%，其自然預(yù)后并不確定，許多患者通過保守治療有效，但仍有部分患者需行手術(shù)干預(yù)[1]。目前關(guān)節(jié)鏡下肩袖修補術(shù)治療肩袖損傷是治療此疾患的主要手段，但關(guān)節(jié)鏡技術(shù)學(xué)習(xí)曲線長，鏡下修補肩袖操作復(fù)雜，為此治療方法的瓶頸。數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D技術(shù)可以精確設(shè)計手術(shù)方案，使手術(shù)更加精確，提升手術(shù)質(zhì)量和可靠性，在骨科領(lǐng)域逐步得到了應(yīng)用與發(fā)展[2-3]。我科2016年4月—2018年4月手術(shù)治療肩袖損傷患者28例，分別采用關(guān)節(jié)鏡下肩袖修補治療組(A組)和應(yīng)用數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)輔助關(guān)節(jié)鏡下肩袖修補術(shù)治療組(3D組)，比較兩種方法療效，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn)：①肩關(guān)節(jié)疼痛，過頂活動時加重，可伴有上肢外展上舉無力；②MRI檢查T2加權(quán)像提示肩袖正常信號中斷，有液性高信號影像；③保守治療超過6個月效果不良或無效。排除標(biāo)準(zhǔn)：①巨大肩袖撕裂者；②合并肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)者；③凍結(jié)肩患者；④上肢周圍神經(jīng)損傷。

1.2一般資料 選取2016年4月—2018年4月我院手術(shù)治療肩袖損傷患者28例為研究對象，采用前瞻性隨機對照研究，按簡單隨機化分為常規(guī)關(guān)節(jié)鏡組(A組)和數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)輔助關(guān)節(jié)鏡下肩袖修補術(shù)組(3D組)。A組14例(14肩)，男6例，女8例；左肩4例，右肩10例；年齡最小43歲，最大72歲，平均(58.86±9.46)歲；急性損傷2例，慢性損傷12例。3D組14例(14肩)，男7例，女7例；左肩5例，右肩9例；年齡最小45歲，最大73歲，平均(57.29±8.69)歲；急性損傷3例，慢性損傷11例。兩組患者一般資料比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見表1。

表1 兩組患者一般資料比較

1.3手術(shù)方法 記錄所有患者各方向活動度，并使用美國肩肘外科協(xié)會評分(ASES)、美國加州大學(xué)肩關(guān)節(jié)評分系統(tǒng)(UCLA)評分與視覺模擬疼痛評分(VAS)評分對肩關(guān)節(jié)功能和疼痛進(jìn)行評價。兩組均由同一組醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)，采用沙灘椅位。

1.3.1A組的手術(shù)方法 麻醉滿意后各方向活動肩關(guān)節(jié)標(biāo)記肩關(guān)節(jié)輪廓，消毒鋪巾，在軟檔區(qū)最低點建立后側(cè)入路，鏡下觀察關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)，使用腰椎穿刺針和交換棒建立前側(cè)入路，清理關(guān)節(jié)增生滑膜，于肱二頭肌長頭腱與關(guān)節(jié)囊交匯附近可發(fā)現(xiàn)肩袖裂口。使用關(guān)節(jié)鏡鞘管與鈍性內(nèi)芯將視野轉(zhuǎn)入后側(cè)肩峰下入路，分別建立合適的外側(cè)入路，切除肩峰下間隙前半部的滑膜，用磨頭從后側(cè)與外側(cè)入路交替插入行前側(cè)與外側(cè)肩峰成形。觀察肩袖撕裂形狀與大小，是否有肌腱回縮等，如有肌腱回縮可用電刀松解岡上、下肌腱表面的粘連，用無損傷刨削肌腱斷端新鮮化，從后側(cè)入路觀察，打磨大結(jié)節(jié)足印區(qū)骨床至表面滲血，并用2 mm克氏針在足印區(qū)行微骨折處理。在足印區(qū)中部植入帶線錨釘2枚(如行雙排固定將內(nèi)排釘置入足印區(qū)接近軟骨緣處)，使用縫合鉤帶PDS線過線，褥式縫合方式將肩袖斷端拉回至足印區(qū)縫合。雙排固定則將外排釘置入足印區(qū)外側(cè)骨皮質(zhì)處，牽引內(nèi)排線將肩袖覆蓋于足印區(qū)，加強縫合可靠性，止血，縫合切口。

1.3.23D組的手術(shù)方法 ①采集：掃描時采取平臥位，運用高分子聚乙烯固定板+肩關(guān)節(jié)真空墊的塑形，并且需患者與固定支具一同搬運，保持掃描時體位的一致性；掃描范圍：在肩峰前、后角，患側(cè)胸骨角，肱骨內(nèi)、外踝和肩胛岡中段標(biāo)記。②CT模型構(gòu)建：64排雙源CT進(jìn)行常規(guī)參數(shù)關(guān)節(jié)平掃和三維掃描，運用CAD軟件分割閾值和運算骨骼、肌肉、脂肪及皮膚等，加以修飾，得到肩關(guān)節(jié)CT模型。③MRI模型構(gòu)建：3.0MRI常規(guī)參數(shù)掃描，同樣運用CAD軟件分辨肌肉、肌腱，關(guān)節(jié)囊、骨骼的邊界，特別需要對肩袖撕裂處異常信號的辨認(rèn)，經(jīng)過軟件工具修正后輸出肩關(guān)節(jié)MRI模形。④MRI與CT圖像融合和肩袖足印區(qū)的標(biāo)識：將肩關(guān)節(jié)CT和MRI模型導(dǎo)入圖像編輯軟件中(Syngo.via Frontiers 德國西門子公司)。運用兩者掃描前的皮膚解剖標(biāo)志點將兩組圖像配準(zhǔn)并融合，得到肩關(guān)節(jié)骨骼、肌肉和肌腱的三維圖像。⑤數(shù)據(jù)測量與模型打印：根據(jù)軟組織與骨骼配準(zhǔn)的方法進(jìn)行骨骼與肌肉的配準(zhǔn)、融合，對肩關(guān)節(jié)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測量各項參數(shù)，標(biāo)識肩袖足印區(qū)和撕裂范圍(見圖1)，標(biāo)記最佳進(jìn)釘點和方向，模擬置釘和固定(見圖2)。生成STL格式文件，然后將其導(dǎo)入3D打印機進(jìn)行1∶1的模型打印[4-6]。⑥預(yù)手術(shù)：根據(jù)測量結(jié)果，在3D模型上進(jìn)行手術(shù)方案的設(shè)計，包括錨釘大小，錨釘方向和固定方式的選擇。⑦實體手術(shù)：術(shù)前完善相關(guān)檢查和記錄患者肌力與活動度情況(見圖3)。采用全身麻醉，按常規(guī)關(guān)節(jié)鏡入路探查和關(guān)節(jié)內(nèi)處理，清理肩峰下滑囊組織并進(jìn)行肩峰前側(cè)與外側(cè)成形，對肌腱斷端新鮮化，清創(chuàng)足印區(qū)，并以打印模型加以對照，在預(yù)訂的部位植入錨釘(見圖4)，注意方向與術(shù)前設(shè)計一致，用有縫合鉤過線，褥式縫合方式將肩袖斷端拉回至足印區(qū)縫合。根據(jù)術(shù)前設(shè)計如需行雙排錨釘縫合者，在足印區(qū)外側(cè)骨質(zhì)置入外排錨釘，牽引內(nèi)排線將斷裂肩袖覆蓋于足印區(qū)(見圖5)，止血，檢查肩袖覆蓋松緊度，縫合切口。

圖1 肩袖足印區(qū)和撕裂范圍標(biāo)記于肱骨頭

注：患者，女，56歲，右上肢外展上舉無力，伴疼痛半年。

注：與打印模型加以對照，后預(yù)訂部位植入內(nèi)排錨釘。

1.4術(shù)后處理與康復(fù) 術(shù)后預(yù)防感染24 h，術(shù)后3 d切口無紅腫、滲液者可出院。所有患者術(shù)后按相同的康復(fù)方案：①早期(術(shù)后0～6周)：不做主動的活動度練習(xí)，以確定肩袖修補處無張力或小張力，可以在安全的活動度范圍內(nèi)做被動練習(xí)；使用吊帶固定，疼痛較重患者可使用非甾體類藥物或物理治療；②術(shù)后6～12周：繼續(xù)進(jìn)行限制運動、固定患肢、疼痛控制、肩關(guān)節(jié)活動和肌力練習(xí)，以達(dá)到無痛的被動活動度，可以前屈140°、外旋40°、外展60°；③術(shù)后3～24個月：達(dá)到主動活動無痛；無肩關(guān)節(jié)疼痛或無力；臨床檢查滿意(見圖6)。

注：術(shù)后4個月患者右上肢肌力和活動度恢復(fù)。

1.5隨訪與評價 術(shù)后3個月內(nèi)每周隨訪1次，超3個月者每月隨訪 1 次，觀察術(shù)后切口愈合情況、肩關(guān)節(jié)活動度變化和肌力恢復(fù)情況，記錄每次隨訪VAS評分、ASES評分和UCLA評分的數(shù)值。

2 結(jié)果

2.1兩組手術(shù)時間、出血量、切口長度、住院時間比較 3D組手術(shù)時間明顯短于A組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；3D組出血量、切口長度及住院時間雖然少于A組，但是兩組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。所有患者均順利完成手術(shù)并獲得6個月以上隨訪，平均8.1個月。見表2。

表2 兩組手術(shù)時間、出血量、切口長度、住院時間比較

2.2兩組術(shù)后VAS、ASES、UCLA評分對比 在術(shù)后2周的肩關(guān)節(jié)VAS評分3D組低于A組，兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)；術(shù)后2周的肩關(guān)節(jié)ASES評分和UCLA評分兩組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；術(shù)后2個月和術(shù)后6個月的肩關(guān)節(jié)VAS評分、ASES評分和UCLA評分兩組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表3～表5。

表3 兩組術(shù)后VAS評分比較

表4 兩組術(shù)后ASES評分比較

表5 兩組術(shù)后UCLA評分比較

3 討論

肩袖是肩關(guān)節(jié)重要組成部分，其由肱骨頭的前方的肩胛下肌腱，上方為岡上肌腱，后方為岡下肌腱和小圓肌腱組成。肩袖對維持肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定和肩關(guān)節(jié)活動起著極其重要的作用，四根肩袖肌腱中的任何一個都會產(chǎn)生損傷和疾患，均可對肩關(guān)節(jié)功能產(chǎn)生影響。有學(xué)者報道，肩袖損傷發(fā)生率隨年齡增大而上升。肩峰撞擊與肩袖退變是肩袖損傷的主要原因[1]。多數(shù)有癥狀的肩袖損傷患者經(jīng)保守治療可獲得良好效果。隨著民眾對生活質(zhì)量要求提高，對于保守治療無效患者建議接受手術(shù)治療。

關(guān)節(jié)鏡下治療肩袖損傷是目前主流術(shù)式，并取得良好的療效[7-9]。其優(yōu)勢有：①創(chuàng)傷少，無較大的皮膚切口，創(chuàng)面愈合快；②術(shù)中關(guān)節(jié)鏡能獲得更廣泛的視野，可幫助排除和處理其他肩關(guān)節(jié)疾病，更有利于后期康復(fù)。但關(guān)節(jié)鏡漫長的學(xué)習(xí)曲線更使初學(xué)者望而卻步。成功的治療方案需要進(jìn)行非常詳細(xì)的規(guī)劃，即使是有經(jīng)驗的醫(yī)生仍可能出現(xiàn)選擇錯誤，從而無法保證良好的效果。1984年Hull等首次利用計算機建模并打印出三維實體，標(biāo)志3D打印技術(shù)的誕生[10-11]，近20多年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要組成部分，特別是對醫(yī)學(xué)教學(xué)與外科領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響[11-15]。而傳統(tǒng)手術(shù)方案是手術(shù)團隊根據(jù)術(shù)前MRI二維圖像構(gòu)建手術(shù)計劃，而此過程只能憑主刀醫(yī)師的想象能力構(gòu)建，無法將手術(shù)全貌與助手共享并探討手術(shù)方案優(yōu)劣。因此手術(shù)方案質(zhì)量的高低，主要依賴主刀醫(yī)生的手術(shù)經(jīng)驗與技能，未能達(dá)到最優(yōu)化手術(shù)設(shè)計的目的。同時高年資的手術(shù)醫(yī)師難以通過一個直觀的界面將手術(shù)技巧傳授給低年資的醫(yī)師[17-18]。本案通過數(shù)字醫(yī)學(xué)和3D打印的應(yīng)用很好地解決了以上問題：①完成數(shù)字化設(shè)計肩袖撕裂方式和足印區(qū)范圍，使用3.0MRI和CT三維測量對側(cè)肩關(guān)節(jié)間接反應(yīng)足印區(qū)形態(tài)、大??；使肩關(guān)節(jié)復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)三維可視化，利于術(shù)前了解個體特異性解剖結(jié)構(gòu)；②將3.0MRI和CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，通過三維測量的方式進(jìn)行三維重建和足印區(qū)標(biāo)識，界面為全體手術(shù)組成員共享，從中提出修改方案，虛擬手術(shù)并完善設(shè)計；同時優(yōu)化錨釘植入方案，實現(xiàn)足夠多的肩袖與足印區(qū)覆蓋有助于腱-骨愈合，避免因骨質(zhì)疏松或植入物選擇不當(dāng)，一次成型，達(dá)到穩(wěn)定的生物力學(xué)性能；③完成虛擬的內(nèi)固定植入方案以指導(dǎo)現(xiàn)實手術(shù)，同時經(jīng)3D打印出1∶1打印出模型，進(jìn)行鏡下預(yù)手術(shù)可發(fā)現(xiàn)手術(shù)設(shè)計缺陷或不完善之處。本研究結(jié)果表明兩組手術(shù)時間比較3D打印組比常規(guī)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)組平均節(jié)省11 min，兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義，說明進(jìn)行預(yù)手術(shù)好可以提高置釘效率，及時改進(jìn)手術(shù)方案，節(jié)省手術(shù)時間，減少手術(shù)并發(fā)癥。同時術(shù)后2周肩關(guān)節(jié)VAS評分3D組低于常規(guī)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)組，兩組差異比較有統(tǒng)計學(xué)意義，早期肩關(guān)節(jié)疼痛緩解，可改善患者癥狀，提高病人滿意度。④實體模型為年輕醫(yī)師提供反復(fù)模型訓(xùn)練手術(shù)機會，從而快速提高鏡下操作技能，縮短關(guān)節(jié)鏡學(xué)習(xí)曲線，有利于縮短關(guān)節(jié)鏡學(xué)習(xí)曲線過程。⑤3D打印實物模型在醫(yī)患溝通中起到積極作用，其可有效地向患者與家屬展示手術(shù)方式、術(shù)中過程與并發(fā)癥等，使患者家屬更易于理解病情、減少醫(yī)療糾紛。

本研究發(fā)現(xiàn)，通過對肩關(guān)節(jié)MRI、CT掃描、模型重建、3D打印、預(yù)手術(shù)、術(shù)中精準(zhǔn)植入錨釘重建腱-骨結(jié)構(gòu)等一系列步驟，完成數(shù)字醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)輔助關(guān)節(jié)鏡下治療肩袖損傷方案具有個性化、精準(zhǔn)化、最優(yōu)化，手術(shù)時間短等優(yōu)點，同時通過模擬手術(shù)能縮短年輕醫(yī)生關(guān)節(jié)鏡學(xué)習(xí)曲線過程，并在臨床上提高醫(yī)患溝通效果。本研究病例數(shù)偏小，隨訪時間短，在以后臨床應(yīng)用中仍需要大樣本量、長時間隨訪的隨機對照研究進(jìn)一步證實。