计算机辅助关节外科手术应用进展

刘德健 李彦林 毛健宇 蒙旭晗

昆明医科大学第一附属医院运动医学科（昆明 650032）

患者个性化器械（patient-specifc instrument，PSI）在近年来备受关注，在关节外科领域，PSI的设计及成品主要通过3D术前规划及3D打印的方式呈现出来。3D打印技术是一种在数字影像与医学通讯（digital imaging and communications in medicine，DICOM）和光固化立体造型（stereolithography，STL）文件转换程序处理后，通过3D打印机制作出临床医生所感兴趣的模型。而3D打印机则由逐层结合材料的方式，制作出相应部件。因该技术在复杂结构以及个性化结构的加工过程中具有设计-交付周期短的优点，展现出传统工业技术难以超越的优势［1］，被誉为“第三次工业革命的标志”之一［2］。

3D打印技术已在航空航天、军事国防等领域得到良好的应用。3D打印技术在关节外科领域广泛应用于全关节置换术及各类关节骨折手术中，目前大多取得了良好的效果。现就近年来PSI技术及3D打印技术在治疗关节损伤中的应用与进展进行综述，并对该领域的未来所面临的挑战进行了展望。

1 PSI及3D打印技术

随着科学技术的不断发展，全关节置换术中机器人-计算机辅助导航技术、立体定位导航技术和3D打印个性化截骨导板技术等在近年来得到良好的发展。SUGANO［3］及JACOFSKY等［4］提出，机器人-计算机辅助导航技术首次出现于20年前，虽然机器人-计算机辅助导航有助于提高关节置换术的精准性，但在广泛的临床应用中，这些系统受到高成本、较长的手术医生培养周期、长时间的术前准备、术中机器人与医师相互协调以及手术室内附加设备所需空间较大等问题的限制，需要不断改进。田书畅等［5］的研究发现，立体定位导航技术应用于全膝关节置换优于常规术式，但与PSI技术相比，后者手术时间更短，术后短期内视觉模拟评分（visual analogue score，VAS）及美国膝关节协会评分（American knee society knee score，KSS）明显占优，手术精度较高。PSI技术的出现不到10年，但该技术已逐渐被开发成可以替代术中导航系统的新产品［6］。3D打印技术为PSI技术的典型代表，近几年来看，PSI技术在整形外科、口腔颌面外科、骨科等诸多临床科室中备受关注且均得到长足的发展。

2 PSI、3D打印技术在髋关节置换术中的应用

对于全髋关节置换来说，当前所面对更多的是复杂髋关节病变，如髋臼发育不良、髋臼骨缺损、髋关节置换术后假体松动、髋关节置换术后髋臼假体碎裂等。为此类患者制定手术方案非常具有挑战性，如正确选择假体型号、精准置入假体、畸形的矫正程度及骨缺损的预判等难题，如果不妥善解决以上问题，翻修率必然会上升。3D打印技术可以将患者术前髋关节CT DICOM数据导入逆向三维重建系统，并将设计好的3D模型以1∶1的比例打印出来，从而可以进行充分的术前规划及模拟手术，这是常规X线、CT或MRI等常规二维影像检查所不能比拟的。在全髋关节置换术中，准确放置髋臼假体是手术成功的重要因素，SPENCER-GARDNER等［7］采用3D打印技术制作PSI来评估髋臼假体位置的精准度，该研究中纳入评估的患者共100例，术后均采用CT扫描测量髋臼的位置来评估假体的准确度，最后得出通过术中使用3D打印技术辅助设计患者个性化髋臼假体可以使假体位置更加精准，其结果优于常规术式。此外，国内有学者报道［8］全髋关节置换翻修术应用3D打印置入物初始稳定性好、早期骨长入良好。因此，3D打印技术应用于全髋关节置换翻修对于解决髋臼骨缺损有一定的效果。

在许多学者研究全髋关节置换术中髋臼假体在位置精准程度重要性的同时，股骨及髋臼假体组合后形成的前倾角受到越来越多的关注［9］。据KITADA等［10］报道，在他们的研究中，基于计算机断层摄影的导航系统的股骨干前倾角准确度有60%的病例在5°以内。HIRATA等［11］的研究显示，以小腿轴线作为参照，全髋关节置换术前及术中估计的前倾角平均误差为7.3°，其中60%的病例超过5°。为确保股骨假体在全髋关节置换术中安置在恰当的位置，HIDEYA等［11］研制了一种PSI应用在全髋关节置换术中，术后影像学检查发现10例患者中有7例的股骨干前倾角平均为（2.1± 4.1），均＜5°，表明他们研制的PSI可能是一个很有价值的导航系统。

3 PSI、3D打印技术在膝关节置换术中的应用

对严重膝关节骨关节炎患者，全膝关节置换是目前最成功、最成熟的治疗方式之一。获得精确下肢力线、术中假体精确植入、减少术后并发症，是术者一直追求的目标，然而术者单凭肉眼及经验很难保证在术中精确截骨。此外，常规术式需股骨髓内定位，术中开髓则增加了失血量、术中及术后感染和脂肪栓塞的风险。BALI等［12］研究发现将基于计算机定制PSI应用于全膝关节置换术中，理论上可以降低失血和发生脂肪栓塞的风险，此项新技术可以安全地使用在大多数患有骨关节炎的患者，可以被视为一种替代传统全膝关节置换术的新技术。

在一项使用基于MRI的PSI技术与采用常规术式作为对照的前瞻性对比研究中［13］，共选取88例患者（每组各44例）行全膝关节置换术。结果发现术中采用PSI的病例，可以减少术中复杂器械使用数量，假体对位更精确，从而得出使用PSI技术是可行和可靠、具有明显优势的结论。QIU等［14］的研究中，他们同设计了一款PSI（3D打印截骨导航模板）应用于实验组，对照组依旧采用常规术式。通过对比两组近端截骨量、远端截骨量、外翻角度、外旋角度和胫骨后倾角，发现PSI组术中植入假体位置有显著改善。从患者膝关节形态学分析，PSI与现有的个性化工具的理念相符合。与此同时，PSI使假体植入更精准的要求得以实现，这表明该技术可以指导术者在术中获得最佳下肢力线。

PSI虽然提高了股骨假体对位和下肢力线的准确性，但会出现胫骨假体置入位置发生偏差的风险，这可能与术前设计PSI模具时采用的CT DICOM数据是患者平卧位时获取而不是患者负重位获取，从而导致术前规划时对胫骨截骨量预判失误有关，而胫骨假体对位不准对假体寿命的影响仍有待更多数据的支持。在很多学者赞许PSI及3D打印技术的同时，一篇Meta分析［15］指出，采用PSI辅助全膝关节置换术的手术时间和失血量较常规术式小，并有显著差异，但这些差异不大，本身并不是常规使用该技术的实质性理由。

4 PSI、3D打印技术在肩关节置换术中的应用

决定全肩关节置换术（TSA）和逆肩关节置换术（RSA）术后情况及远期假体寿命的关键因素是关节盂假体的位置和术中固定情况。常见的关节盂假体错位、倾斜与假体早期松动、术后关节功能不良和术后肩关节不稳定等因素相关［16-18］。然而，肩胛骨解剖位置的改变、关节盂骨量减少、关节挛缩及曾接受过手术使得可靠的解剖标志消失［19］，使术中正确定位关节盂假体极具挑战性。3D逆向重建术前规划和PSI辅助手术已经成功帮助众多外科医生行髋、膝关节置换，近年来该技术也开始应用于肩关节置换术，可以更好地处理关节盂畸形和骨量减少等问题。HEYLEN等［18］在研究3D术前规划和PSI辅助手术对全肩关节置换的影响中指出3D术前规划和PSI技术辅助全肩关节置换及逆肩关节置换时可以减少关节盂偏移的变异性，避免术中倾斜误差。HENDEL等［17］、LEVY等［19］已经建议关节外科医生，肩关节置换应使用PSI技术来进行术前规划和术中应用。

MATSUMURA等［20］曾对160例正常日本人的盂肱关节进行了CT扫描，并发现盂肱关节大小在男性和女性中是一致的，且优势肩和非优势肩在盂肱关节各项参数之间存在很强的相关性。日本人的盂肱关节明显小于黑人和白人。MATSUMURA等相信他们的研究结果可以对肩关节假体型号设计有用。

目前，PSI及3D打印技术应用于肩关节置换术仍较少报道。CHAMMAA等［21］报道了30例通过在存在髋臼骨缺损的全髋关节置换中使用无需植骨的PSI髋臼假体的原理来设计关节盂PSI假体这种想法，并指出其临床疗效及肩关节假体远期寿命是具有良好前景的。

5 PSI、3D打印技术在其他关节手术中的应用

在髋关节、膝关节、肩关节领域外，DOCQUIER等［22］报道了3例PSI、3D打印技术应用于其他关节的手术。在精确矫正肘内翻时需要考虑到正面和矢状存在的畸形，以便在外观和功能方面获得良好的效果，DOCQUIER等运用3D模拟及打印技术实施先天性肘关节内翻复杂截骨。在跗骨联合切除术中，运用PSI及3D技术使得手术精度提高、手术时间缩短，且手术方式创伤小。他们也为一名患有尤文氏肉瘤的11岁女童实施左髋尤文氏肉瘤切除和同种异体骨移植重建术，手术时间为7 h，术后没有出现股神经及坐骨神经麻痹的情况。患儿在术后6周便可使用拐杖下床行走，成功地保住患儿左下肢。

6 存在的问题及展望

随着医疗科学技术的发展以及材料学的不断进步，PSI、3D打印技术在医学领域的应用范围越来越广，呈现出百花齐放的态势。但任何新生事物在其发展的过程中都存在一定短板和弊端。初步研究证明［23］，PSI技术的概念和应用至今仍展现出一定的希望；然而，像新物体一样，它们的优势通常是有限的，特别是应用该技术的长期临床资料还有待进一步研究。一篇PSI技术应用于全膝关节置换术的Meta分析［24］提到，基于对现有文献的系统综述，与常规器械相比，PSI在实现假体精准对位方面似乎并没有提供优势。PSI确实可以减少术中复杂器械使用数量，但考虑术前扫描和定制模具的成本时，并没有提示采用该技术可以比常规术式更加经济。手术时间在经验丰富的外科医生手中并没有明显减少，并且经过PSI技术生成的外科手术计划常常存在一定缺陷，PSI模具可能需要二次复检。最后，PSI在患者满意度，疼痛，关节活动度方面并不优越于常规术式。这样我们可以认为，同接受过严格关节置换手术训练的外科医生相比，PSI并没有优势。对于手术时间，该Meta分析的观点与前文叙述PSI可以减少手术时间相矛盾，据作者分析，这可能与研究中文章纳入标准相关。作者陈述这篇文献综述的局限性在于只采用了相关英文文献。朱庭标等［25］，曹恒等［26］，邬波等［27］均得到3D打印截骨导航模板辅助膝关节置换术可以时全膝关节置换术手术时间缩短。随后，有学者认为［14］，关于PSI对软组织平衡的考虑到目前为止是有限的，PSI仍处于发展的早期阶段，在进行最终评估之前，应该给予其更多的发展机会。

综上，PSI及3D打印技术在髋关节置换及膝关节置换术中应用较为广泛，尤其是在膝关节置换领域，该技术的优势，包括术前规划、模拟手术等均可以帮助年轻医生快速进步。对于关节外科，PSI及3D打印技术仍属于一项处于发展初期的科技项目，虽有文献指出该技术的不足之处，但随着临床不断推广应用、计算机辅助技术及材料学不断发展进步，目前的不足之处必将得到妥善解决。

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