计算机辅助3D个体化导板定位法在膝关节前交叉韧带重建术中应用研究
2019-12-04张旭腾刘松波刘欣伟韩文锋
张旭腾,刘松波,刘欣伟,韩文锋
北部战区总医院 骨科,辽宁 沈阳 110016
前交叉韧带是维持膝关节稳定性的重要结构。前交叉韧带损伤在关节韧带损伤中极为常见,美国每年前交叉韧带损伤病例数介于10万至20万[1]。前交叉韧带损伤后若不及时治疗会导致膝关节失稳,半月板及软骨退化磨损,最终发展为骨性关节炎等严重并发症,严重影响生活质量[2-5]。修复损伤的前交叉韧带,恢复膝关节稳定性非常重要。如何准确定位股骨隧道是前交叉韧带重建术的难题[6-7]。本研究将3D打印技术应用于前交叉韧带重建手术中,通过CT与MRI结合的方法精确定位股骨侧隧道位置,将传统手术中依靠术者经验的定位改良为依靠计算机辅助的精确定位。现报道如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料 选取北部战区总医院自2016年3月至2018年1月收治的前交叉韧带完全断裂并接受关节镜下自体肌腱移植(半腱-股薄肌腱)前交叉韧带重建术的患者60例,根据定位方法分为常规组与个体化导板组,每组30例。常规组:男性25例,女性5例;年龄19~37岁,平均年龄(26.8±4.7)岁。个体化导板组:男性26例,女性4例;年龄19~38岁,平均年龄(26.4±4.5)岁。纳入标准:术前Lachman 试验、前抽屉试验、轴移试验为阳性,MRI确认前交叉韧带完全断裂;膝关节其他检查无骨性畸形;术后住院1周以上;随访12个月。两组患者性别、年龄等一般资料比较,差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。本研究经医院伦理委员会批准,患者均签署知情同意书。
1.2 研究方法
1.2.1 三维建模 个体化导板组应用3D 打印个体化导板行关节镜下前交叉韧带重建术。对患侧膝关节行64排螺旋CT连续扫描及MRI检查。将CT、MRI数据以“DICOM”格式保存,导入三维重建软件Mimics,获取膝关节三维模型,以“STL”格式保存输出。通过编辑Mimics断层图像,运用Mimics软件的动态区域生成功能初步建立患者膝关节的计算机辅助设计三维模型,选取股骨侧隧道定位点,并测量参数。见图1。
1.2.2 模型制作 利用3D Studio Max软件设计个体化导板模型,处理完毕后模型以“STL”文件格式输出。使用获得专利的熔融沉积成型技术在可拆卸的成型板上制作个体化导板及其支撑材料。从工作舱中取出打印好的导板,溶解掉支撑材料[8-10]。见图2。
图1 膝关节三维模型
1.3 手术方法 两组均采用膝关节常规前外、前内侧入路,取同侧半腱股薄肌腱,对折成四股单束重建,股骨隧道外口肌腱采取endobutton固定,胫骨隧道采用挤压钉及门型钉固定。个体化导板组关节镜下部分清理前交叉韧带断端,屈膝90°将术前设计打印好的个体化导板置入,用克氏针作为导针钻孔定位股骨隧道。根据导针钻取股骨隧道。胫骨侧采用胫骨导向器钻取胫骨隧道。将编制好的带Endobutton袢钢板的自体肌腱送入骨隧道,牵引胫骨隧道外口肌腱引导线,反复屈伸膝关节使肌腱顺畅后固定。常规组术中前交叉韧带股骨侧隧道定位时采用足印中心法,余操作同个体化导板组。手术当日麻醉苏醒后,即进行踝泵练习,术后第1天开始行股四头肌等长收缩和直腿抬高练习。术后予膝关节支具伸直位固定患肢,术后2周后开始膝关节被动屈曲训练,从0°~30°开始,每周增加30°直至120°。
图2 3D打印个体化导板
1.4 观察指标 记录手术中制备股骨侧隧道所需时间。术前及术后3、6、12个月采用国际膝关节委员会评分(international knee documentation committee knee,IKDC)、Lysholm评分评价术后膝关节功能。同时,术后2周采用X线影像对股骨侧定位进行评价。在膝关节正位片上测量以下参数:股骨髁长度记作ML、重建的前交叉韧带股骨侧止点到股骨外侧髁边缘的距离记作NL、膝关节水平线与股骨侧隧道中线的成角α;在膝关节侧位片上测量Blumensaat线的长度(Blumensaat′s line,BL)、重建的前交叉韧带股骨侧止点到股骨髁间窝过顶点的距离(apex of intercondylar fossa′s line,AL)、股骨干长轴与股骨遂道中心线的夹角β。以NL/ML表示前交叉韧带股骨止点在正位片的位置,AL/BL 表示前交叉韧带股骨侧止点在侧位片的位置[11-12]。
2 结果
两组患者手术过程顺利,术中、术后均未出现并发症。术后,两组患者Lysholm评分、IKDC评分较术前显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);但两组间比较,差异无统计学意义(P>0.05)。见表1、2。术后2周,采用X线影像评价两组患者的股骨侧定位,两组的NL/ML、AL/BL、α角、β角比较,差异无统计学意义(P>0.05)。见表3。个体化导板组的股骨隧道制备所需时间为(6.36±0.28)min,显著低于常规组的(16.05±2.70)min,差异有统计学意义(P<0.05)。
表1 两组患者Lysholm评分比较评分/分)
表2 两组患者IKDC评分比较评分/分)
表3 两组患者术后股骨侧定位情况比较
3 讨论
传统的前交叉韧带重建术以等长重建作为金标准,等长重建可较好地恢复膝关节稳定性,但旋转稳定性较差。解剖重建前交叉韧带的核心是韧带移植物应恢复到其原始的足印区,隧道的直径和方向尽可能准确,以获得前后位和旋转的稳定性,恢复膝关节的正常功能[13]。解剖重建后,韧带修复所需时间更短,持续时间更长,且可覆盖较多的足印区,恢复前交叉韧带的起止点位置、走向方向,从而极大限度恢复膝关节功能[14]。
3D打印模型可全方位了解骨折状态,并可通过术前设计来提高手术精度,减少手术时间。有学者利用标杆型3D打印导板辅助颈椎椎弓根置钉,取得不错的临床效果[15]。对伴有股骨侧关节外畸形的初次关节置换患者采取3D打印技术,可简化手术过程、缩短手术时间[16]。这些3D打印技术的成功应用为精确定位前交叉韧带股骨侧隧道提供新的思路。
本研究将三维CT与MRI融合,通过计算机绘制出患者膝关节模型,并在计算机模型上确定前交叉韧带股骨止点参考点和隧道走行方向,再通过预先的设计,打印出个体化的隧道导板,术中通过导板的辅助完成股骨隧道的建立。本研究两组患者手术过程顺利,术中、术后均未出现并发症。术后,两组患者Lysholm评分、IKDC评分、股骨侧定位情况比较,差异无统计学意义(P>0.05)。个体化导板组的股骨隧道制备所需时间显著低于常规组,差异有统计学意义(P<0.05)。缩短股骨隧道制备所需时间可有效增加手术效率。
利用计算机辅助3D打印技术可避免传统手术方式因对术者经验的过度依赖而导致的术中反复定位隧道位置,还可更好控制隧道方向,避免因隧道位置过于紧贴股骨外侧髁而“打爆”后方皮质,从而减少手术创伤。目前,计算机辅助3D打印技术仍需要不断的研究和改良。本研究受样本及随访时间限制,结果可能存在偏倚,今后应进行大样本、多中心、长期随访研究。
综上所述,膝关节前交叉韧带重建术中,应用计算机辅助精准个体化导板法定位股骨侧隧道,效果良好,可缩短定位时间。