计算机导航技术在前交叉韧带重建中的应用

李滔 李彦林 余洋

摘 要：前交叉韧带重建的成功关键之一在于韧带隧道的准确定位，由于膝关节软组织遮挡、关节镜视觉、术者经验等因素导致隧道定位不准，而计算机辅助导航技术的发展应用为准确定位韧带隧道提供了另一种技术应用。本文对近年来计算机辅助导航系统的种类、优缺点以及计算机结合3D打印技术研制的3D打印个体化导航模板应用做一综述。

关键词：前交叉韧带；计算机导航技术；3D打印；导航模板

中图分类号：R687.2 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.06.003

文章編号：1006-1959（2018）06-0007-03

The Application of Computer Navigation in the Reconstruction of Anterior Cruciate Ligament

LI Tao1，LI Yan-lin2，Yu Yang2

（1.Department of Orthopedics，Second People's Hospital of Yunnan Province，Kunming 650021，Yunnan，China；

2.Department of Sports Medicine，First Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650032，Yunnan，China）

Abstract：One of the keys to the success of anterior cruciate ligament reconstruction is accurate positioning of the ligament tunnel. The positioning of the tunnel is inaccurate due to knee soft tissue occlusion，arthroscopic vision， surgeon experience and other factors. The development of computer-assisted navigation technology is to accurately locate the ligament tunnel.Another technology application is provided.This paper summarizes the types，advantages and disadvantages of computer-aided navigation systems in recent years，and the application of 3D printed individual navigation templates developed in conjunction with 3D printing technology.

Key words：Anterior cruciate ligament；Computer navigation technology；3D printing；Navigation template

计算机导航技术也称计算机辅助手术（computer-assisted surgery，CAS），应用于需要精确定位的骨科手术取得很大进步，其通过计算机辅助虚拟手术环境为外科医生提供操作上的指导，可为术中定位提高精确性、准确性和安全性[1]。计算机导航技术已逐渐被广泛运用于脊柱椎弓根钉的导航、膝关节置换及前交叉韧带重建等手术领域。前交叉韧带（anteriorcruciateligament，ACL）重建术越来越成为常见手术，其目的是为了恢复膝关节稳定，尽管关节镜下ACL重建手术成为常规方式，然而文献报道中仍有1.8%～12.3%的失败率[2]。随着对于膝关节解剖学和生物力学的认识不断深入，ACL重建的技术从等长重建逐渐转向解剖重建[3，4]，这就意味着韧带重建的隧道定点必须找准原来的解剖止点。然而，由于膝关节解剖结构变异、软组织遮挡、关节镜视角、术者经验等因素的影响，在中长期随访中出现了相应数量的ACL重建失败[5-7]，其失败原因之一是因为个体ACL直径和足印区位置的差异[8，9]，加上大多数初行ACL重建的骨科医生经验不足，导致隧道位置失误[10-13]，从而导致术后韧带松弛失效、膝关节失稳、交叉韧带撞击、活动受限、继发半月板损伤等并发症。计算机辅助手术系统既能使ACL重建时移植韧带的精准定位，实现微创与精确较好的结合，同时能够通过术中动态监测实时评价手术效果，对于提高手术成功率等具有十分重要的意义。由此，本文就目前计算机辅助技术在前交叉韧带重建手术中的应用现状及进展做一综述。

1目前应用于临床的计算机辅助ACL重建隧道定位系统的特点及应用

1.1 OrthoPilot系统 OrthoPilot系统（德国Tuttlingen公司）的特点是无需术前和术中X线、CT及MRI影像，采用术中采集的解剖标志点与运动学数据，对胫骨和股骨侧韧带隧道定位。可以选定韧带股骨端及胫骨端的相对等距重建点，并根据膝关节屈伸活动过程中韧带的动态变化，检测移植韧带与髁间窝是否发生撞击[14]。Eichhom在3年间采用OrthoPilot系统完成了超过300例手术，与常规手术相比改善了隧道定位和操作的准确性。Angelini等[15]比较Orthopilot组与常规手术组，两组在隧道位置上无差异，Orthopilot组重建的前交叉韧带在屈曲和伸展时的距离变化较小，等距性更好。

王伟等[16]采用OrthoPilot红外线计算机导航辅助关节镜下行ACL重建术，通过采用解剖标志点与运动学数据为标记，对胫骨和股骨隧道入点及方向进行导航，精准定位股骨和胫骨隧道口足印位置，动态实时导航，提供实时影像以随时纠正定位。极大的提高了前交叉韧带重建手术时隧道定位的精确度，避免因隧道定位误差而引起的不良并发症。经治疗35例ACL损伤患者，术后行KT-1000和Lachman试验，并采用Lysholm和Tegner膝关节评分系统评价膝关节功能及运动水平，术后疗效评价优良。

1.2 Bone Morphing系统 Bone Morphing系统的经典代表有Surgetics（法国Praxim公司），术中通过软件三维建模技术，重建膝关节精确的三维解剖。所得到的模型可实时显示重建韧带的位置及方向，选择等距点，评估是否撞击，从而指导准确的隧道出入点。其可以实时提供三维可视化图像，动态监控指导韧带重建中方向、位置，从而术中取得韧带重建等距点与可能发生髁间窝撞击之间更好的平衡，使得韧带重建更加有效恢复解剖生理功能。该导航系统不但能够用于术中定位，而且能够评估膝關节的前向稳定性和旋转稳定性，为膝关节稳定性评估提供准确的、客观的依据。Mueahl等[17]使用该导航系统术中比较传统的ACL单束重建、解剖前内束重建和双束重建的效果，结果证明双束重建优于传统的单束重建和解剖前内束重建。

1.3 透视导航的ACL重建系统 透视导航系统是通过将反射红外线的球形导航子安放于胫骨近端和股骨远端，在C型臂X线机透视器上安装反射性导航盘套，采用C型臂获取数据并配准，应用软件得出透视后的三维图像，通过红外线镜头跟踪，手术器械可实时显示三维图像，从而根据三维图像准确的设计隧道入口，并在三维图像监控下准确钻出隧道。

冯华等[18]报道临床上通过透视结合红外线主动跟踪型计算机导航，对40例导航组与40例单纯关节镜下重建组进行术后隧道位置的测量结果比较，术后X线片测量结果显示：导航组手术胫骨隧道的位置平均位于45.35%，符合（46±3）%的理想范围，位置不佳者占17.5%；关节镜组的位置平均位于41.05%，明显偏前，位置不佳者占50.0%。说明导航组准确程度明显提高。计算机导航技术可以使关节镜下前交叉韧带重建手术中胫骨及股骨隧道的位置更偏后，提高了手术准确性，同时缩短了初学者的学习曲线并减少患者和术者被X线照射时间。

然而，上述的计算机导航技术临床应用受到一定限制，首先是购买或租赁系统的费用高，导航系统校准需要严格的技术，对系统操作需专业学习，比传统手术花费更多，经济效益不佳[19]。其次，导航系统可能存在“图像漂移”等问题，会导致导航不准确[20]。既往计算机导航技术增加的手术时间一般需要9～45 min[21]。因此，一种运用3D打印技术设计的个性化骨科手术导航模板的新技术产生了。

2 3D打印导航模板技术在前交叉韧带隧道定位中的应用

近年来逆向工程技术和快速成型技术得到迅猛的发展，3D生物打印技术逐渐运用于术前规划与手术模拟、个性化内置物、骨组织工程支架、组织打印四个方面[22]。随之骨科手术中出现了一种个性化导航模板技术，该技术通过术前计算机软件精确设计个体化的骨三维模型，在骨模型上设计精确的导航模板，然后应用快速成型技术制作成3D打印导航模板实物工具，术中通过将模板的特征曲面与骨骼表面贴合后即可到达个性化的定位或截骨，应用于手术中的精确定位，该技术最早被应用于脊柱椎弓根钉的置入导航，逐渐被扩展至全膝关节置换定位截骨、关节矫形截骨、骨折固定定位、前交叉韧带重建隧道定位等方面的研究和应用。

刘欣伟[23]应用3D打印技术设计个性化股骨侧定位辅助法并应用于前交叉韧带（ACL）重建手术。具体的利用3D打印技术为：通过CT及MRI数据导入计算机软件进行三维模型重建，并将骨模型与前交叉韧带模型融合，以精确定位健侧ACL足印区，将健侧镜像处理后得到患侧3D模型，去除ACL图像得到患侧ACL股骨侧解剖足印区，并定位其中心点即术中导针入点，同时可调整导针方向以利遂道于股骨外侧髁内的长度合适（长度>35 mm），利于快速成型技术制作3D打印的股骨隧道定位导板模型。将其应用于前交叉韧带重建手术定位并与对照组对比，结果两组患者手术过程均顺利，均未出现并发症。结论得出：应用3D打印技术设计个性化股骨侧定位导航膜板进行ACL重建手术，有助于精准定位股骨侧解剖点，控制导针方向，利于腱骨愈合，降低“打爆”后方皮质的概率。

Jianlong Ni[24]等人通过对20例尸体膝关节运用3D打印模板导航前交叉韧带重建的股骨及胫骨隧道的研究，探讨骨隧道位置的准确性。成功设计并运用3D技术打印模板，并通过CT数据分析隧道入口术前模板定位计划点与实际钻孔点之间偏差，其中股骨隧道显示平均偏差0.57 mm（范围：0～1.5 mm），胫骨隧道位置平均偏差0.58 mm（范围：0～1.5 mm），从而验证运用3D打印技术导航前交叉韧带隧道的准确性很高。

个性化导航模板导航无需术中进行复杂的注册和大型的电子导航系统，体积小，操作简单，定位精度高，既保留了机械定位导航的优势，又针对性地克服了影像导航技术存在的不足，在骨科导航定位中具有巨大的优势。较传统手术方法具有更加个体化、精准化的优势，且对于缩短手术时间，快速提高临床医师水平、缩短学习曲线、提高治疗效果具有积极意义。此技术是数字化医学技术及逆向工程技术等多学科的交叉，需不断对该技术进行优化，尚需大样本及长期随访明确其优势和不足。

综上所述，计算机导航技术以及计算机辅助设计的3D打印导航模板技术均为前交叉韧带重建手术提供了增加手术精确度的技术支持，使得隧道定位更加接近解剖位置，获得良好的等距性能，避免移植肌腱与髁间窝的撞击，在运动医学领域的应用前景非常广阔，有待于学者们深入探索。

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收稿日期：2018-1-22；修回日期：2018-3-1

編辑/杨倩