虚拟3D手术仿真在单髁置换术中的应用研究

邓 刚 蔡幸健 伍爱平 肖诗梁

江西省赣州市人民医院运动医学科，江西赣州 341000

膝关节内侧间室骨性关节炎（osteoarthritis，OA）以关节僵硬、疼痛和活动受限等为主要表现，是中老年人群的慢性关节病，若不尽早干预，随着病程延长会累及整个膝关节[1-2]。单髁置换术（unicompartmental kenn arthroplasty，UKA）具有手术创伤小、用时短、并发症少等优点，仅需置换已破坏的关节面，可完整保留前后交叉韧带、正常关节面、软组织等组织，是治疗OA 的常用术式之一[3-4]。但随着临床治疗发现，常规UKA 术后翻修率较高，翻修的主要原因是对侧间室受累、疼痛和假体松动。虚拟3D手术仿真辅助下实施UKA 能够利用计算机三维重建技术准确计算截骨量、截骨角度、胫骨平台和股骨踝假体大小，并构建三维模型，利用术前规划软件对手术截骨、假体型号、特征角度进行模拟，明确手术方案，能够提高假体位置的准确性、获得良好的下肢力线，逐渐应用于临床[5-6]。本研究分析虚拟3D手术仿真在UKA 中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2019年1月至2020年12月赣州市人民医院收治的拟行UKA 术治疗的30 例OA 患者，按随机数字表法分为研究组（15 例）和对照组（15 例）。研究组中，女8 例，男7 例；年龄52～68 岁，平均（60.89±2.21）岁；病程4～75 个月，平均（46.78±2.14）个月。对照组中，女10 例，男5 例；年龄50～67 岁，平均（60.75±2.18）岁；病程5～73 个月，平均（46.67±2.10）个月。两组的性别、年龄、病程等一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。所有患者及其家属均知情同意，本研究经医院医学伦理委员会审核批准。

1.2 纳入及排除标准

纳入标准：①所有患者符合《骨关节炎诊疗指南（2018年版）》[7]中OA 相关诊断标准；②膝关节活动度≥110°，内翻畸形＜15°，屈曲挛缩＜10°患者；③体重指数≤30 kg/m2患者。排除标准：①其他急、慢性感染性疾病患者；②脏器功能不全患者；③感染性关节炎患者；④外侧间室软骨退变患者；⑤全身状况差，不耐受手术治疗患者。

1.3 方法

对照组在全麻下行常规UKA 术：取仰卧位，常规放置止血带，屈曲膝关节90°，自髌旁的内侧向胫骨结节内侧切开，长度为5～7 cm。松解关节周围软组织，清除骨赘，切除内侧半月板，可保留外侧半月板前角等组织，安装胫骨导向器，对胫骨侧实施截骨。矫正下肢力线，打磨截骨面至软骨下骨，开模，实施股骨试模，植入适宜的假体 （Oxford 牛津第三代单髁膝关节），用骨水泥固定，于下肢应力状态下确保衬垫与股骨假体的间隙达2 mm，常规留置引流管，缝合切口。术后常规实施抗凝、抗感染、镇痛等治疗，术后48 h将引流管拔除，引导患者行膝关节被动、主动活动。

研究组采用虚拟3D手术仿真辅助UKA 术：术前使用双源螺旋CT 及64 排螺旋CT 实施双下肢全长扫描，以膝关节为中心，下至踝穴下方5 cm，上至股骨头上方5 cm，扫描层厚为0.68 mm。光盘刻录CT扫描原始DICOM 格式图片，导入Mimics 21.0 高级建模模块操作，选中骨骼阈值，建立正确的股骨蒙板，计算股骨3D 模型，根据不同阈值分别建立高精度的膝关节内外交叉韧带模型、皮肤模型、骨骼模型，实施3D 空间测量病变范围和骨骼间隙等。按照手术的习惯和要求，明确截骨面和截骨参数，用逆向成型技术建立单髁关节各个零件，与截骨面一起模拟置换后的手术特征，判断其中涉及手术瑕疵因素，提前加以预案，术中解决，必要时建立3D 导板实现精准截骨。可根据骨质疏松程度，实现虚拟力学测试，改进手术效果。其余手术步骤与对照组相同。

1.4 观察指标与评价标准

比较两组手术相关指标、手术前后影像指标、关节功能恢复情况。（1）手术相关指标包括术中失血量、手术时间、术后住院时间和引流量。（2）术后影像指标包括伸膝关节间隙高度、膝关节内翻角度。（3）关节功能恢复情况使用Tegner 膝关节运动评分[8]及Lysholm 膝关节评分[9]评估，前者评估患者活动情况，总分为10分，0 分为因膝关节问题残障或病退，1 分为可在平坦路上行走，坐着工作；2 分为不可在森林里行走，可在不平坦路上行走，轻体力劳动；3 分：可在森林里行走，轻体力劳动；4 分（娱乐体育）：每周至少在平坦路面慢跑两次，可越野滑雪，自行车，中等重体力劳动；5分（竞技体育）：每周至少在不平坦路面慢跑两次，可越野滑雪、自行车、重体力劳动；6 分（娱乐体育）：每周至少慢跑5 次，网球、手球、羽毛球、高山滑雪、篮球；7 分：①竞技体育：网球、跳高、手球、跑步、篮球、摩托车；②娱乐体育：冰球、足球、壁球、垒球；8 分（竞技体育）：壁球或羽毛球、垒球、高山滑雪、竞技项目（跳高等）；9 分（竞技体育）：摔跤、冰球、体操、较低级别足球；10 分（竞技体育）：国家或国际级足球，分值高低与患者活动情况呈正比。后者评定患者膝关节功能，包括跛行（5 分）、支撑（5 分）、交锁（15 分）、不稳定（25 分）、肿胀（10 分）、疼痛（25 分）、下蹲（5 分）、爬楼梯（10 分），分值为100 分，分值越高则膝关节功能越好。

1.5 统计学方法

应用SPSS 21.0 软件进行数据分析，计量资料用均数±标准差（±s）表示，两组间比较采用t检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组患者手术相关指标的比较

研究组术中失血量、术后引流量少于对照组，手术时间和术后住院时间短于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）（表1）。

表1 两组患者手术相关指标的比较（±s）

表1 两组患者手术相关指标的比较（±s）

组别术中失血量（ml）手术时间（min）术后住院时间（d）术后住院时间（d）对照组（n=15）研究组（n=15）t 值P 值541.96±58.24 389.65±47.84 7.827 0.000 118.65±5.74 92.05±7.96 10.498 0.000 7.80±1.64 6.25±1.39 2.792 0.009 523.21±82.65 380.96±75.64 4.917 0.000

2.2 两组患者手术前后影像指标的比较

术前，两组患者伸膝关节间隙高度、膝关节内翻角度比较，差异无统计学差异（P＞0.05）；术后，两组伸膝关节间隙高度、膝关节内翻角度均低于本组术前，差异有统计学意义（P＜0.05）；术后，研究组伸膝关节间隙高度、膝关节内翻角度低于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）（表2）。

表2 两组患者手术前后影像指标的比较（±s）

表2 两组患者手术前后影像指标的比较（±s）

与同组术前比较，aP＜0.05

组别伸膝关节间隙高度（mm）术前术后膝关节内翻角度（°）术前术后对照组（n=15）研究组（n=15）t 值P 值24.75±2.32 24.68±2.46 0.080 0.937 18.98±1.51a 17.29±1.65a 2.926 0.007 7.72±1.48 7.68±1.50 0.074 0.942 5.26±0.32a 2.01±0.28a 29.603 0.000

2.3 两组患者手术前后膝关节功能评分的比较

术前，两组患者Tegner 膝关节运动评分、Lysholm膝关节评分比较，差异无统计学差异（P＞0.05）；术后，两组患者Tegner 膝关节运动评分、Lysholm 膝关节评分均高于本组术前，差异有统计学意义（P＜0.05）；术后，两组患者Tegner 膝关节运动评分、Lysholm 膝关节评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）（表3）。

表3 两组手术前后膝关节功能评分的比较（分，±s）

表3 两组手术前后膝关节功能评分的比较（分，±s）

与同组术前比较，aP＜0.05

组别Tegner 膝关节运动评分术前术后Lysholm 膝关节评分术前术后对照组（n=15）研究组（n=15）t 值P 值2.48±0.42 2.50±0.39 0.135 0.894 3.19±0.57a 3.35±0.64a 0.723 0.476 62.08±1.69 61.98±1.71 0.161 0.873 90.64±2.31a 91.56±1.82a 1.212 0.236

3 讨论

因UKA 具有对周围组织损伤小、骨量储备多、失血量少、恢复快、本体感觉好等优点，逐渐被应用于OA 治疗。UKA 术中仅处理软骨损伤的内侧间室，不会破坏膝关节间室，保留膝关节的本体感觉和正常关节结构，术后可保持膝关节正常运动轨迹，步态接近正常，同时术中保留了前后交叉韧带，术后可维持正常的膝关节活动力学稳定，活动度较高[10-11]。常规UAK缺乏精确的参考标记和截骨导向装置，术中选择的假体大小、截骨量及角度、软组织平衡、旋转角度等均由术者主观判断，易出现偏差，而UKA 对力线准确性有较高的要求，轻微偏移便会加重对侧间室软骨磨损程度或造成胫骨聚乙烯衬垫磨损过度，增加术后翻修率[12-13]。

本研究中，研究组患者术中失血量、术后引流量少于对照组（P＜0.05），手术时间和术后住院时间短于对照组（P＜0.05），术后伸膝关节间隙高度、膝关节内翻角度低于对照组（P＜0.05）；手术后，两组患者Tegner 膝关节运动评分、Lysholm 膝关节评分均高于手术前（P＜0.05），手术后，两组患者Tegner 膝关节运动评分、Lysholm 膝关节评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05），提示虚拟3D手术仿真辅助UKA 术可减小手术创伤，减少术中失血量和术后引流量，改善术后影像学指标，缩短术后恢复时间。分析原因在于，虚拟3D手术仿真辅助手术中有效结合计算机辅助设计技术和3D 打印技术，即术前利用计算机软件实施解剖结构建模，在计算机软件上精确测量下肢力线、假体类型和大小，设计并规划针对性的截骨导板，再利用3D 打印技术打印成实物，便于术者直观的观察膝关节病变，模拟手术路线和预测修复后结果，制定更加适宜的手术方案。这样既能减少手术误差，提高手术精准性，还能简化手术步骤，减少手术用时，相应的减少术中失血量，缩短术后患者恢复时间[14-17]。

综上所述，虚拟3D手术仿真辅助UKA 术对机体造成的创伤相对较小，能够减少术中失血量，改善术后影像学指标，缩短术后恢复时间。