數(shù)字技術(shù)在人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

張博文，張晉寧，楊天翔，陳德勝

(1.寧夏醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，銀川 750004； 2.寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院骨科，銀川 750004)

人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty TKA)主要應(yīng)用于患嚴(yán)重膝關(guān)節(jié)炎等經(jīng)保守治療效果不滿意的患者。通過TKA后，患者膝關(guān)節(jié)功能長期恢復(fù)良好，且可以減輕患者的痛苦[1]。綜合臨床和成本效益的研究表明，TKA可能是部分患者的最佳選擇[2]。然而，在選擇運(yùn)用TKA進(jìn)行治療時(shí)應(yīng)結(jié)合多方面因素謹(jǐn)慎考慮。目前，TKA圍手術(shù)期并發(fā)癥的發(fā)生率仍很高[3]。其中，感染是TKA術(shù)后最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一,也是原發(fā)性和翻修TKA早期失敗的主要原因[4]。此外骨溶解也不容忽視，其發(fā)生與人工假體產(chǎn)生的磨損微粒有關(guān)[5]。感染及假體周圍骨溶解是目前主要的兩種翻修因素，與手術(shù)實(shí)施及手術(shù)前后準(zhǔn)備密切相關(guān)。手術(shù)過程中的微小偏差會(huì)對臨床效果和患者的生活質(zhì)量帶來較大影響；手術(shù)后的并發(fā)癥也可能導(dǎo)致手術(shù)失敗或給患者帶來二次傷害。自20世紀(jì)70年代首個(gè)TKA假體原型問世以來，TKA日漸完善和成熟。隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字技術(shù)的加入為TKA帶來更多可能，其中虛擬成像技術(shù)和手術(shù)導(dǎo)航等已較為成熟地應(yīng)用于骨科，而有限元分析模型、機(jī)器人輔助手術(shù)、3D打印等技術(shù)的興起也將為嚴(yán)重膝關(guān)節(jié)炎癥患者提供更多診療手段?，F(xiàn)就數(shù)字技術(shù)在TKA中的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述，以為相關(guān)疾病的診療提供新思路。

1 數(shù)字骨科技術(shù)概述

數(shù)字骨科是一門將計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像成形等與骨科相結(jié)合的交叉學(xué)科。無論是在醫(yī)學(xué)教學(xué)、專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)、骨科疾病診斷與治療等方面，還是在患者預(yù)后和醫(yī)患溝通方面，數(shù)字技術(shù)均為臨床骨科提供了強(qiáng)大的支撐和不竭的動(dòng)力。目前，數(shù)字技術(shù)在臨床骨科方面的運(yùn)用主要有數(shù)字解剖模型、骨科手術(shù)導(dǎo)航、有限元分析模型、虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)、機(jī)器人手術(shù)、3D打印等。理論上，以整個(gè)骨科手術(shù)過程來看其可分為術(shù)前的快速模型設(shè)計(jì)、3D重建甚至虛擬手術(shù)等；術(shù)中可有導(dǎo)航程序和機(jī)器人輔助等；術(shù)后可采用有限元模型進(jìn)行比較分析等[6]。

1.1數(shù)字骨科技術(shù)的運(yùn)用 數(shù)字技術(shù)為骨科相關(guān)疾病的診療過程及預(yù)后提供了完備的輔助方式，其涉及的骨科病種也較為多樣。如骨折中較為復(fù)雜的骨股轉(zhuǎn)子間骨折，由于解剖部位復(fù)雜，僅依靠術(shù)前的影像結(jié)果難以達(dá)到提升手術(shù)效率甚至個(gè)性化治療的效果。而數(shù)字技術(shù)中的3D模擬重建技術(shù)可以使醫(yī)師更加全面地了解患者骨折情況，制訂術(shù)前計(jì)劃以達(dá)到提升手術(shù)效率和治療效果的目的[7]。在骨腫瘤的治療過程中，異體骨骼的運(yùn)用和選擇與手術(shù)治療效果和患者的術(shù)后生活質(zhì)量密切相關(guān)。因此，異體骨骼的選擇與放置的匹配程度尤為重要。術(shù)前，數(shù)字技術(shù)中的3D模型收集建庫便于選擇更合適的異體骨；術(shù)中，計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航可使異體骨與患者骨缺損部位貼合更精密。這一系列操作極大地提升了骨腫瘤患者保肢術(shù)的效果[8]?？梢姡瑪?shù)字骨科不僅能精準(zhǔn)地了解患處情況，而且有助于手術(shù)醫(yī)師更加針對性地規(guī)劃手術(shù)及選用耗材。此外，數(shù)字技術(shù)運(yùn)用于骨科的病種并不單一，且各項(xiàng)技術(shù)無論是單獨(dú)使用還是配合使用均能在一定程度上提升骨科疾病的診療效率與效果。

1.2數(shù)字骨科技術(shù)的現(xiàn)狀 各項(xiàng)數(shù)字技術(shù)由于對軟硬件要求不同，且產(chǎn)生的實(shí)際臨床效益有差別，故其運(yùn)用與發(fā)展現(xiàn)狀也存在一定差異。如3D成像技術(shù)，其原理是運(yùn)用患者的現(xiàn)有CT等圖像結(jié)果進(jìn)行組合與數(shù)字優(yōu)化模擬還原患處的三維結(jié)構(gòu)。該技術(shù)的運(yùn)用要求不高，使用十分廣泛，在骨腫瘤的診斷、骨折的復(fù)原、關(guān)節(jié)韌帶的修復(fù)中效果均較好[9-11]。3D打印技術(shù)與手術(shù)機(jī)器人等在一定程度能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)化、個(gè)性化治療，提升手術(shù)效率[12-13]。但3D打印技術(shù)的應(yīng)用周期長且耗材昂貴，手術(shù)機(jī)器人的學(xué)習(xí)成本等均為醫(yī)師及患者的選擇帶來一定阻力。此外，有限元分析的臨床運(yùn)用更加受限。有限元分析不僅需要Mimics、Solid Works、Ansys等眾多軟件支撐，還需要影像學(xué)、解剖學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的配合[14]。因此對于骨科，有限元分析更多的是應(yīng)用于生物力學(xué)及相關(guān)基礎(chǔ)的研究，在臨床方面主要對其他數(shù)字技術(shù)起輔助與優(yōu)化作用。

2 數(shù)字技術(shù)與TKA

2.1手術(shù)導(dǎo)航在TKA中的運(yùn)用 TKA的目標(biāo)是通過使用人工假體組件置入膝關(guān)節(jié)來恢復(fù)下肢的運(yùn)動(dòng)功能。其主要過程包括顯露、骨準(zhǔn)備、軟組織松解、測試、置入、復(fù)位等。其中，骨準(zhǔn)備、置入、復(fù)位等關(guān)鍵步驟對術(shù)者操作的精度要求極高。而計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)導(dǎo)航的使用能提升TKA的準(zhǔn)確性和精確度，以達(dá)到提高組件對齊的精準(zhǔn)度，甚至更好地保護(hù)軟組織和更優(yōu)良預(yù)后等的目的[15]。在組件對齊的準(zhǔn)確性方面，Suero等[16]進(jìn)行了一項(xiàng)回顧性研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)手術(shù)組相比，導(dǎo)航組術(shù)后機(jī)械對準(zhǔn)異常的風(fēng)險(xiǎn)降低，其中脛骨組件冠狀錯(cuò)位風(fēng)險(xiǎn)降低了66%。由此可見，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航改善了TKA的術(shù)后對齊方式，更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了肢體和植入物對齊。同時(shí)de Steiger等[17]的研究表明，與非導(dǎo)航TKA相比，運(yùn)用計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的TKA具有更高的對齊度，且能降低<65歲患者的總翻修率。于清波等[18]研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)手術(shù)方式相比，使用計(jì)算機(jī)導(dǎo)航開展的TKA不僅能減少患者圍手術(shù)期失血量，且能降低并發(fā)癥的發(fā)生率。此外Song等[19]的研究表明，導(dǎo)航使用的經(jīng)驗(yàn)還有助于減小實(shí)施傳統(tǒng)TKA醫(yī)師在股骨和脛骨切骨時(shí)的誤差，同時(shí)有助于縮短傳統(tǒng)TKA的手術(shù)時(shí)間，甚至能達(dá)到有超過100例TKA經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)師的手術(shù)時(shí)間。

然而，在預(yù)后方面計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的價(jià)值體現(xiàn)并沒有上述兩項(xiàng)顯著。Lee等[20]進(jìn)行的短期回顧性研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的TKA相比，使用計(jì)算機(jī)輔助TKA治療的患者置換關(guān)節(jié)功能無明顯改善。Hsu等[21]的隨訪發(fā)現(xiàn)，盡管在導(dǎo)航輔助下實(shí)現(xiàn)了肢體和假肢組件位置的精確對齊，但其臨床功能評(píng)估(如國際膝關(guān)節(jié)協(xié)會(huì)評(píng)分和西安大略和麥克馬斯特大學(xué)骨關(guān)節(jié)炎指數(shù))與常規(guī)TKA無明顯差別。同時(shí)Lee 等[22]的研究也表明，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航的TKA和傳統(tǒng)TKA在臨床結(jié)果或放射結(jié)果上差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在TKA的實(shí)施過程中，導(dǎo)航技術(shù)的運(yùn)用可以提高組件對齊的精準(zhǔn)性，對組織也有一定的保護(hù)作用甚至能夠在臨床實(shí)踐中一定程度縮短手術(shù)醫(yī)師積累經(jīng)驗(yàn)的時(shí)間。但其并沒有為患者的膝功能帶來顯著提升和改善。

2.2機(jī)器人手術(shù)在TKA中的應(yīng)用 TKA是否成功與患者的術(shù)后并發(fā)癥有極大關(guān)聯(lián)。Koh 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，原發(fā)性TKA中最常見的兩個(gè)需修復(fù)原因?yàn)榧袤w周圍感染和無菌性松動(dòng)。且從TKA的術(shù)后并發(fā)癥來看，假體周圍感染、神經(jīng)血管受損、假體非感染性松動(dòng)等均可能與術(shù)中的操作不當(dāng)有關(guān)。而手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)為解決這一問題帶來新途徑。機(jī)器人輔助手術(shù)應(yīng)用于臨床治療是通過機(jī)械操作輔助手術(shù)醫(yī)師以達(dá)到提升術(shù)后膝關(guān)節(jié)軟組織平衡、力線及假體位置精確度的目的，從而減少相關(guān)術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)現(xiàn)[24]。與其他外科相比，由于骨科的特殊性，機(jī)器人技術(shù)的加入是十分合理且具有可行性的。骨科機(jī)器人可分為關(guān)節(jié)、脊柱和創(chuàng)傷三大類。其中，關(guān)節(jié)骨科手術(shù)機(jī)器人是最早實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的骨科手術(shù)機(jī)器人[25]，根據(jù)功能不同其可分為主動(dòng)操作型和輔助規(guī)劃型兩類，主動(dòng)操作型以ROBODOC和CASPAR(Computer Assisted Surgical Planning and Robotics)為代表。Liow等[26]研究認(rèn)為，主動(dòng)操作型機(jī)器人技術(shù)能使患者獲得理想的術(shù)后對準(zhǔn)效果。而輔助規(guī)劃型機(jī)器人以MAKO和ACROBOT(Active Constraint Robot)為代表。Cobb等[27]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)人工單腔膝關(guān)節(jié)置換術(shù)相比，使用輔助規(guī)劃型機(jī)器人的手術(shù)效果更好且患者術(shù)后膝關(guān)節(jié)性能有改善趨勢。但Song等[28]的研究表明，傳統(tǒng)TKA與運(yùn)用機(jī)器人輔助TKA術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。一項(xiàng)回顧性研究發(fā)現(xiàn)，有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)師在人工單腔膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中能夠達(dá)到甚至超越機(jī)器人輔助的植入物對準(zhǔn)精度[29]?？梢姡中g(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)并不能為TKA手術(shù)精度帶來突破性的提升。其對人工關(guān)節(jié)置換術(shù)治療效果的提升程度，是外科醫(yī)師能夠達(dá)到且能超越的。因此在臨床治療過程中，手術(shù)機(jī)器人的使用不應(yīng)成為廣大外科術(shù)者一味追求準(zhǔn)確度的“金標(biāo)準(zhǔn)”，更不能產(chǎn)生依賴。

2.33D打印在TKA中的應(yīng)用 目前，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造、建筑建設(shè)等領(lǐng)域，其中在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用約占15%[30]。3D打印技術(shù)是以數(shù)字信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用多種可黏合材料，通過逐層成型立體打印的方式來構(gòu)造所需物體的技術(shù)。目前運(yùn)用較為普遍的3D打印技術(shù)主要有噴墨打印技術(shù)、立體光刻成型技術(shù)和熔融沉積成型技術(shù)等[31]。此外，在TKA的整個(gè)診療過程中，3D打印這一綜合技術(shù)也可以在多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮它直觀、精準(zhǔn)和個(gè)性化的獨(dú)特優(yōu)勢。就醫(yī)患溝通方面來看，膝關(guān)節(jié)由股骨下端脛骨上端髕骨和多種軟組織構(gòu)成，是人體最大且最復(fù)雜的關(guān)節(jié)。因此在醫(yī)師與患者講明病情和溝通手術(shù)方案的過程中，僅依靠口頭描述或是圖片并不能達(dá)到溝通的真正目的。此時(shí)，3D打印模型的運(yùn)用能使患者更加直觀地了解病情或手術(shù)情況，從而節(jié)約溝通成本。林鋼等[32]的研究表明，無論是患者還是其家屬均對3D打印模型在病情講解和術(shù)前溝通中的運(yùn)用表現(xiàn)出極大的滿意度。而3D打印在截骨板方面的運(yùn)用也有更積極的治療效果，喻忠等[33]的研究表明3D打印技術(shù)能夠提升TKA手術(shù)實(shí)施精度。而在另一項(xiàng)由孫保飛等[34]進(jìn)行的TKA后失血量臨床研究中發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)器械TKA相比，3D打印技術(shù)的運(yùn)用可以顯著減少術(shù)后總失血量，并可提升患者TKA術(shù)后的康復(fù)效率。

隨著TKA中植入物的不斷發(fā)展，運(yùn)用3D打印技術(shù)的新型植入物也進(jìn)入人們的視野。王進(jìn)等[35]結(jié)合3D打印與有限元分析兩項(xiàng)數(shù)字技術(shù)，通過虛擬重建的方式論證了3D打印的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)TKA術(shù)中脛骨平臺(tái)的修復(fù)。Sultan等[36]的研究調(diào)查了使用3D打印技術(shù)制造的高度多孔鈦涂層基板在原發(fā)TKA中的存活率和臨床結(jié)果，并通過隨訪發(fā)現(xiàn)該植入物的臨床療效優(yōu)異且存活率極高?？梢?，3D打印技術(shù)不僅在TKA中運(yùn)用十分廣泛且臨床效果較好。但在臨床工作中特別是考慮將3D打印作為植入物來源時(shí)，其技術(shù)缺陷也不容忽視，如該技術(shù)耗時(shí)長、無法應(yīng)對術(shù)中的突發(fā)變化、打印耗材費(fèi)用高昂等。此外，在該技術(shù)廣泛應(yīng)用于人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前，其作為生物材料植入的術(shù)后中長期效果也有待進(jìn)一步研究。

2.4有限元分析在TKA中的應(yīng)用 有限元分析是指通過采集數(shù)字信息對研究復(fù)雜的幾何圖形和負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行建模，之后對該物體進(jìn)行一定量的網(wǎng)格劃分，將該物體看作是各自獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的單位體。部分物體本身結(jié)構(gòu)性狀復(fù)雜導(dǎo)致研究難以進(jìn)行，而有限元分析的運(yùn)用能得到一個(gè)無限接近該物體本身的結(jié)果[37]。20世紀(jì)70年代，Rybicki等[38]和Brekelmans等[39]首次將有限元分析應(yīng)用于骨科工作，極大地促進(jìn)了有限元分析技術(shù)在骨科中的應(yīng)用。在TKA方面，可以通過有限元分析的方法指導(dǎo)組件定位及植入物的應(yīng)用等，來提升手術(shù)精度以達(dá)到更好的臨床效果。在組件定位方面，徐高偉等[40]通過構(gòu)建人工全膝關(guān)節(jié)置換的有限元模型，發(fā)現(xiàn)股骨假體置入位置的極小偏差會(huì)引起襯墊表面壓應(yīng)力峰值的異常變化,在TKA中通過提升股骨假體定位的精度可以獲得更加優(yōu)良的TKA臨床效果。在植入物選擇方面，有限元分析方法也為TKA的實(shí)施提供了較為全面的參考。馬新碩等[41]就單髁膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中不同脛骨固定柱形狀進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，單脊形脛骨元件不僅能更好地降低假體連接處松質(zhì)骨應(yīng)力,而且能使人工關(guān)節(jié)更加貼近機(jī)體原有應(yīng)力分布。可見，有限元分析技術(shù)的運(yùn)用可以提升全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的手術(shù)精度，使患者獲得更好的診療體驗(yàn)。在人工全膝關(guān)節(jié)置換中，無論是選擇植入物還是規(guī)劃假體材料的植入部位，有限元技術(shù)更多的是運(yùn)用于理論研究方面。在臨床診療過程中，醫(yī)師們對于該技術(shù)似乎并不太“感興趣”。因此，在進(jìn)一步開發(fā)有限元技術(shù)的同時(shí)，提升其與膝關(guān)節(jié)疾病診療過程的參與度也尤為重要。

3 小 結(jié)

數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用能提升手術(shù)精準(zhǔn)度且對于不同患者的處理有更加個(gè)性化的治療方案。然而，極致的手術(shù)精度和更個(gè)性化的手術(shù)方案并不一定是患者的最佳選擇。手術(shù)導(dǎo)航與傳統(tǒng)TKA患者的預(yù)后無明顯差異，機(jī)器人手術(shù)精度甚至能夠被人工超越，而3D打印技術(shù)也無法忽視耗時(shí)長且無法快速有效應(yīng)對突發(fā)狀況等缺點(diǎn)。數(shù)字技術(shù)為骨科臨床實(shí)踐帶來極大便利，學(xué)習(xí)甚至掌握多種數(shù)字技術(shù)似乎不再困難。但科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍，在數(shù)字骨科領(lǐng)域也不例外。因此醫(yī)師對各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的選擇與搭配顯得尤為重要，未來通過各項(xiàng)數(shù)字技術(shù)的合理運(yùn)用，能使TKA的治療更加個(gè)性化與高效，同時(shí)也能為解決現(xiàn)有TKA局限提供新途徑。