人工智能+3D打印導(dǎo)板輔助的膝關(guān)節(jié)固定平臺(tái)單髁置換

明立功,明朝戈,孟維娜,明朝暢,馮家威,黃野,張振鵬,龍路曼,普看博

(1.河南省滑縣新區(qū)醫(yī)院保膝科,河南 滑縣 456000;2.河南省滑縣骨科醫(yī)院關(guān)節(jié)科,河南 滑縣 456485;3.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453100;4.河南大學(xué),河南 鄭州 453000;5.北京積水潭醫(yī)院矯形骨科,北京 100035)

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)是治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎一種常見的手術(shù)方法,具有手術(shù)創(chuàng)傷小、并發(fā)癥少、術(shù)后恢復(fù)快、更接近正常膝關(guān)節(jié)自然功能等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。但是,UKA也需要一定的學(xué)習(xí)曲線,術(shù)中需要確定截骨的多個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù),比如截骨的位置、深度和截骨線的方向等。精確控制好上述參數(shù)才能真正做到假體置入位置精確和術(shù)后功能恢復(fù)良好。隨著中國人口結(jié)構(gòu)變化,40歲以上人口數(shù)量逐年遞增,膝骨關(guān)節(jié)炎患者數(shù)量也隨之上漲[5],如何輔助醫(yī)生精準(zhǔn)手術(shù)、優(yōu)化手術(shù)流程、提高手術(shù)效率,是近年來不斷探討的課題。早在2018年Jones等[6]的研究表明,在膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)中,無手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的外科實(shí)習(xí)醫(yī)生在個(gè)性化導(dǎo)板(patient-specific instrumentation,PSI)的輔助下完成截骨操作,其截骨精準(zhǔn)度可以與手術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的專家相同。這說明PSI導(dǎo)板可以輔助醫(yī)生在手術(shù)過程中精準(zhǔn)截骨,降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

隨著人工智能(artificial intelligence,AI)行業(yè)的發(fā)展,AI手術(shù)規(guī)劃軟件已經(jīng)可以通過數(shù)字模擬和獨(dú)有的算法,實(shí)現(xiàn)骨骼自動(dòng)分割、精準(zhǔn)測(cè)量角度、智能選擇最佳適配假體型號(hào)和精確計(jì)算截骨量等功能,同時(shí)可以輔助解決間隙平衡問題。在確定好術(shù)中關(guān)鍵數(shù)據(jù)后,可為患者3D打印PSI導(dǎo)板,該導(dǎo)板根據(jù)患者骨性結(jié)構(gòu)定制化打印,且擁有易固定的特點(diǎn),力圖使手術(shù)更加準(zhǔn)確,減少并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn),最終造?；颊?。本文將詳細(xì)介紹應(yīng)用AI+3D打印導(dǎo)板輔助下膝關(guān)節(jié)固定平臺(tái)UKA的技術(shù)步驟。

1 影像學(xué)準(zhǔn)備

1.1 CT采集要求 CT應(yīng)包含完整的膝關(guān)節(jié),股骨髁上15 cm至脛骨平臺(tái)向下15 cm,間距≤1.0 mm平掃。

1.2 X線采集要求 膝關(guān)節(jié)處于中立位的負(fù)重雙下肢全長X線片,負(fù)重位的膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片。以上數(shù)據(jù)以DICOM數(shù)據(jù)格式提交。

2 AI術(shù)前規(guī)劃

根據(jù)患者病變的特點(diǎn)行固定平臺(tái)UKA。根據(jù)患者影像學(xué)數(shù)據(jù)和手術(shù)目標(biāo),AI手術(shù)規(guī)劃軟件會(huì)自動(dòng)生成一份術(shù)前規(guī)劃報(bào)告,報(bào)告內(nèi)容包含術(shù)中操作的各項(xiàng)參數(shù)以及假體應(yīng)用型號(hào)和墊片厚度等(見圖1)。

圖1 術(shù)前計(jì)劃報(bào)告示例

3 固定平臺(tái)UKA截骨導(dǎo)板

確認(rèn)報(bào)告中的術(shù)后目標(biāo)和術(shù)中參數(shù)后,AI就會(huì)根據(jù)該參數(shù)生成導(dǎo)板數(shù)據(jù)并3D打印截骨導(dǎo)板。固定平臺(tái)UKA導(dǎo)板分為三部分(見圖2),第一部分是脛骨截骨模塊,該模塊可以穩(wěn)定地貼合在患者脛骨近端前內(nèi)側(cè)的特定部位,帶有脛骨縱向和水平截骨導(dǎo)向槽,并標(biāo)注了截骨的深度和方向。第二部分是股骨導(dǎo)板Ⅰ,用于股骨前髁截骨,該模塊根據(jù)患者骨性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以穩(wěn)定貼附于股骨遠(yuǎn)端。第三部分是股骨導(dǎo)板Ⅱ,用于股骨后髁截骨,該模塊的第1貼附區(qū)和股骨遠(yuǎn)端截骨后的截骨骨面完全重合,易于擺放。每個(gè)模塊上均有按壓點(diǎn)用于穩(wěn)定擺放導(dǎo)板;2.5 mm克氏針柱孔用于打入克氏針固定導(dǎo)板;截骨導(dǎo)向槽用于輔助術(shù)者精準(zhǔn)截骨。

a 脛骨平臺(tái)截骨導(dǎo)板 b 股骨前髁截骨導(dǎo)板 c 股骨后髁截骨(二合一導(dǎo)板)圖2 3D打印截骨導(dǎo)板模塊示意圖

4 手術(shù)步驟

4.1 麻醉和體位 麻醉采用全麻或腰硬聯(lián)合麻醉,患者取仰臥平躺或患肢屈髖屈膝懸吊位,無菌止血帶下手術(shù),便于術(shù)中視野清晰。

4.2 切口與顯露 膝內(nèi)側(cè)髕旁弧形切口,沿髕骨內(nèi)側(cè)緣頂點(diǎn)向關(guān)節(jié)線遠(yuǎn)端3 cm處做切口,遠(yuǎn)端止于脛骨結(jié)節(jié)中點(diǎn),使切口在關(guān)節(jié)線以下占1/3,以上占2/3。術(shù)中辨別髕骨內(nèi)側(cè)緣,沿髕骨內(nèi)側(cè)緣切開關(guān)節(jié)囊,暴露關(guān)節(jié)腔。在關(guān)節(jié)囊上端加長切口進(jìn)入股內(nèi)側(cè)肌約3 cm。切除髕下部分脂肪墊,檢查韌帶、外側(cè)間室及髕股關(guān)節(jié),進(jìn)一步確認(rèn)符合UKA的適應(yīng)證。

4.3 安放脛骨導(dǎo)板 脛骨導(dǎo)板安放前,需顯露脛骨前內(nèi)側(cè)骨面,保留脛骨平臺(tái)前內(nèi)側(cè)骨贅,不做韌帶松解。剝離部分髕腱顯露外側(cè)骨面,髕腱后方若有砧狀骨贅,須去除。清理髁間窩骨贅,確保垂直截骨時(shí)往復(fù)鋸?fù)ǖ罆惩?。脛骨截骨?dǎo)板第2貼附區(qū)要與脛骨平臺(tái)骨面貼附,若脛骨關(guān)節(jié)面有殘留軟骨要予以去除。將導(dǎo)板置入,術(shù)者用雙手大拇指按壓導(dǎo)板按壓區(qū),使導(dǎo)板第1貼附區(qū)與脛骨骨面完全貼合,第2貼附區(qū)與脛骨平臺(tái)磨損最低點(diǎn)貼合,并確保各方向貼合,導(dǎo)板與骨面之間沒有縫隙。此時(shí)助手按照導(dǎo)板標(biāo)識(shí)順序,在1～4號(hào)柱孔依次打入2.5 mm克氏針固定(見圖3)。打入導(dǎo)針時(shí)須保持導(dǎo)針方向與柱孔一致,以免改變導(dǎo)板位置。完成后再次檢查導(dǎo)板第1、第2貼附區(qū)是否與骨面完全貼合。此時(shí)為便于后續(xù)手術(shù)操作,可將克氏針剪短。

4.4 脛骨截骨 使用往復(fù)鋸沿導(dǎo)板截骨槽進(jìn)行垂直截骨,截骨時(shí)應(yīng)注意避免上揚(yáng)或下壓鋸片,以免損傷脛骨平臺(tái)后側(cè)皮質(zhì);水平截骨前請(qǐng)助手用拉鉤保護(hù)內(nèi)側(cè)副韌帶,之后用擺鋸沿導(dǎo)板截骨槽進(jìn)行水平截骨(見圖4)。手術(shù)前AI會(huì)自動(dòng)計(jì)算并打印截骨骨塊,以便于術(shù)者在術(shù)中快速確認(rèn)截骨量是否符合術(shù)前計(jì)劃。此時(shí)術(shù)者將脛骨截骨骨塊取出后與3D打印骨塊進(jìn)行對(duì)比,確認(rèn)截骨量與術(shù)前設(shè)計(jì)一致(見圖5)。

a 脛骨垂直截骨 b 脛骨水平截骨圖4 術(shù)中脛骨截骨示意圖

圖5 術(shù)中對(duì)比截骨塊與3D打印骨塊

4.5 間隙測(cè)試 根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì),脛骨截骨后屈曲間隙應(yīng)為8 mm,伸直間隙為10 mm。使用相應(yīng)的測(cè)試塊,用兩指測(cè)試法進(jìn)行測(cè)試。

4.6 股骨導(dǎo)板I固定 導(dǎo)板貼附區(qū)需緊貼股骨遠(yuǎn)端骨面,若導(dǎo)板貼附位置有軟骨需刮除,以免影響截骨量。導(dǎo)板第1貼附區(qū)與股骨內(nèi)髁遠(yuǎn)端磨損點(diǎn)貼合,第2貼附區(qū)與股骨髁內(nèi)側(cè)及前方骨面完全貼合,放置準(zhǔn)確后術(shù)者用雙手大拇指按壓導(dǎo)板上的2個(gè)按壓區(qū),確保導(dǎo)板穩(wěn)定(見圖6)。助手按照導(dǎo)板標(biāo)識(shí)順序,在1～4號(hào)柱孔依次打入2.5 mm克氏針固定。

圖6 術(shù)中擺放股骨導(dǎo)板Ⅰ

4.7 股骨遠(yuǎn)端截骨 用擺鋸沿截骨槽行股骨遠(yuǎn)端截骨(見圖7)。取下股骨導(dǎo)板Ⅰ和截骨塊,將截骨塊與預(yù)先打印的截骨塊進(jìn)行對(duì)比,如果截骨量少于術(shù)前設(shè)計(jì),則需要手動(dòng)加截。

圖7 股骨遠(yuǎn)端截骨示意圖

4.8 股骨導(dǎo)板Ⅱ固定 導(dǎo)板第1貼附區(qū)貼在股骨遠(yuǎn)端與截骨面重合,第2貼附區(qū)貼合股骨髁內(nèi)側(cè)骨面。術(shù)者用雙手大拇指按壓導(dǎo)板上的2個(gè)按壓區(qū),確保導(dǎo)板穩(wěn)定(見圖8)。助手按照導(dǎo)板標(biāo)識(shí)順序,在1～3號(hào)柱孔依次打入2.5 mm克氏針固定(見圖9)。完成后再次檢查導(dǎo)板第1、第2貼附區(qū)是否完全貼合。

圖8 術(shù)中擺放股骨導(dǎo)板Ⅱ

圖9 術(shù)中固定股骨導(dǎo)板Ⅱ

4.9 股骨后髁和上斜截骨 使用打孔鉆打入前側(cè)柱孔1,插入股骨固定栓提高穩(wěn)定性,再使用打孔鉆打入后側(cè)柱孔2。用擺鋸沿導(dǎo)板截骨槽進(jìn)行股骨后髁截骨,截骨后取出前方股骨固定栓。之后用擺鋸沿截骨槽進(jìn)行上斜截骨,取下股骨導(dǎo)板Ⅱ,借助窄骨刀(或擺鋸)沿截骨縫打斷截骨連接點(diǎn),取出截骨塊。

4.10 假體安裝準(zhǔn)備 切除內(nèi)側(cè)半月板,助手用拉鉤保護(hù)內(nèi)側(cè)副韌帶不受損傷。清理關(guān)節(jié)并確保截骨面平整,如果存在凸起的骨刺或骨贅(尤其是股骨后上髁區(qū)域),要用擺據(jù)或骨刀將其全部清除。

4.11 安裝股骨試模并測(cè)量間隙 依據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)提供的假體型號(hào)選擇、安裝股骨試模。將腿伸直(保持10 °～20 °屈曲),選擇10 mm的間隙測(cè)塊,用兩指測(cè)量法測(cè)量;再將腿屈曲90 °～100 °用同樣的方法測(cè)量屈曲間隙。

4.12 安裝脛骨試模并測(cè)試屈伸間隙 間隙測(cè)量合適后,取下股骨試模,把相應(yīng)尺寸的脛骨托試模置于脛骨截骨表面上,使用脛骨限位鉆,鉆2個(gè)脛骨固定栓孔。根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)型號(hào)和位置安放脛骨試模,合適的股骨部件試模、脛骨托試模以及脛骨襯墊試模進(jìn)行膝關(guān)節(jié)屈伸間隙平衡和穩(wěn)定性測(cè)試。

4.13 假體安裝 取下脛骨試模,將傷口沖洗干凈,調(diào)和骨水泥,安裝脛骨假體和股骨假體。再使用工具將墊片放到脛骨底座上,保持膝關(guān)節(jié)屈曲45 °位骨水泥凝固。

綜上所述,應(yīng)用AI+3D打印導(dǎo)板進(jìn)行固定平臺(tái)單髁置換術(shù)具有較多優(yōu)勢(shì),可以使得手術(shù)更加簡便,截骨線更加精準(zhǔn),截骨量更加精確,膝關(guān)節(jié)屈伸平衡更加良好。應(yīng)用3D打印導(dǎo)板進(jìn)行手術(shù)也要建立固定的手術(shù)流程和操作規(guī)范,按照操作流程進(jìn)行操作,將大大降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn),使手術(shù)醫(yī)生迅速度過學(xué)習(xí)曲線,從而實(shí)現(xiàn)高水平的手術(shù)精準(zhǔn)性,同時(shí)具有手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小、術(shù)后恢復(fù)快和臨床療效較好的特點(diǎn)[7]。