数字技术在人工全膝关节置换术中的应用进展

张博文，张晋宁，杨天翔，陈德胜

(1.宁夏医科大学临床医学院，银川 750004； 2.宁夏医科大学总医院骨科，银川 750004)

人工全膝关节置换术(total knee arthroplasty TKA)主要应用于患严重膝关节炎等经保守治疗效果不满意的患者。通过TKA后，患者膝关节功能长期恢复良好，且可以减轻患者的痛苦[1]。综合临床和成本效益的研究表明，TKA可能是部分患者的最佳选择[2]。然而，在选择运用TKA进行治疗时应结合多方面因素谨慎考虑。目前，TKA围手术期并发症的发生率仍很高[3]。其中，感染是TKA术后最严重的并发症之一,也是原发性和翻修TKA早期失败的主要原因[4]。此外骨溶解也不容忽视，其发生与人工假体产生的磨损微粒有关[5]。感染及假体周围骨溶解是目前主要的两种翻修因素，与手术实施及手术前后准备密切相关。手术过程中的微小偏差会对临床效果和患者的生活质量带来较大影响；手术后的并发症也可能导致手术失败或给患者带来二次伤害。自20世纪70年代首个TKA假体原型问世以来，TKA日渐完善和成熟。随着科技的不断发展，数字技术的加入为TKA带来更多可能，其中虚拟成像技术和手术导航等已较为成熟地应用于骨科，而有限元分析模型、机器人辅助手术、3D打印等技术的兴起也将为严重膝关节炎症患者提供更多诊疗手段。现就数字技术在TKA中的应用进展予以综述，以为相关疾病的诊疗提供新思路。

1 数字骨科技术概述

数字骨科是一门将计算机科学、图像成形等与骨科相结合的交叉学科。无论是在医学教学、专项技术培训、骨科疾病诊断与治疗等方面，还是在患者预后和医患沟通方面，数字技术均为临床骨科提供了强大的支撑和不竭的动力。目前，数字技术在临床骨科方面的运用主要有数字解剖模型、骨科手术导航、有限元分析模型、虚拟手术设计、机器人手术、3D打印等。理论上，以整个骨科手术过程来看其可分为术前的快速模型设计、3D重建甚至虚拟手术等；术中可有导航程序和机器人辅助等；术后可采用有限元模型进行比较分析等[6]。

1.1数字骨科技术的运用 数字技术为骨科相关疾病的诊疗过程及预后提供了完备的辅助方式，其涉及的骨科病种也较为多样。如骨折中较为复杂的骨股转子间骨折，由于解剖部位复杂，仅依靠术前的影像结果难以达到提升手术效率甚至个性化治疗的效果。而数字技术中的3D模拟重建技术可以使医师更加全面地了解患者骨折情况，制订术前计划以达到提升手术效率和治疗效果的目的[7]。在骨肿瘤的治疗过程中，异体骨骼的运用和选择与手术治疗效果和患者的术后生活质量密切相关。因此，异体骨骼的选择与放置的匹配程度尤为重要。术前，数字技术中的3D模型收集建库便于选择更合适的异体骨；术中，计算机辅助导航可使异体骨与患者骨缺损部位贴合更精密。这一系列操作极大地提升了骨肿瘤患者保肢术的效果[8]。可见，数字骨科不仅能精准地了解患处情况，而且有助于手术医师更加针对性地规划手术及选用耗材。此外，数字技术运用于骨科的病种并不单一，且各项技术无论是单独使用还是配合使用均能在一定程度上提升骨科疾病的诊疗效率与效果。

1.2数字骨科技术的现状 各项数字技术由于对软硬件要求不同，且产生的实际临床效益有差别，故其运用与发展现状也存在一定差异。如3D成像技术，其原理是运用患者的现有CT等图像结果进行组合与数字优化模拟还原患处的三维结构。该技术的运用要求不高，使用十分广泛，在骨肿瘤的诊断、骨折的复原、关节韧带的修复中效果均较好[9-11]。3D打印技术与手术机器人等在一定程度能够实现精准化、个性化治疗，提升手术效率[12-13]。但3D打印技术的应用周期长且耗材昂贵，手术机器人的学习成本等均为医师及患者的选择带来一定阻力。此外，有限元分析的临床运用更加受限。有限元分析不仅需要Mimics、Solid Works、Ansys等众多软件支撑，还需要影像学、解剖学和运动医学等多学科的配合[14]。因此对于骨科，有限元分析更多的是应用于生物力学及相关基础的研究，在临床方面主要对其他数字技术起辅助与优化作用。

2 数字技术与TKA

2.1手术导航在TKA中的运用 TKA的目标是通过使用人工假体组件置入膝关节来恢复下肢的运动功能。其主要过程包括显露、骨准备、软组织松解、测试、置入、复位等。其中，骨准备、置入、复位等关键步骤对术者操作的精度要求极高。而计算机辅助外科手术导航的使用能提升TKA的准确性和精确度，以达到提高组件对齐的精准度，甚至更好地保护软组织和更优良预后等的目的[15]。在组件对齐的准确性方面，Suero等[16]进行了一项回顾性研究发现，与传统手术组相比，导航组术后机械对准异常的风险降低，其中胫骨组件冠状错位风险降低了66%。由此可见，计算机导航改善了TKA的术后对齐方式，更加精准地实现了肢体和植入物对齐。同时de Steiger等[17]的研究表明，与非导航TKA相比，运用计算机导航的TKA具有更高的对齐度，且能降低<65岁患者的总翻修率。于清波等[18]研究发现，与传统手术方式相比，使用计算机导航开展的TKA不仅能减少患者围手术期失血量，且能降低并发症的发生率。此外Song等[19]的研究表明，导航使用的经验还有助于减小实施传统TKA医师在股骨和胫骨切骨时的误差，同时有助于缩短传统TKA的手术时间，甚至能达到有超过100例TKA经验的外科医师的手术时间。

然而，在预后方面计算机导航的价值体现并没有上述两项显著。Lee等[20]进行的短期回顾性研究发现，与传统的TKA相比，使用计算机辅助TKA治疗的患者置换关节功能无明显改善。Hsu等[21]的随访发现，尽管在导航辅助下实现了肢体和假肢组件位置的精确对齐，但其临床功能评估(如国际膝关节协会评分和西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数)与常规TKA无明显差别。同时Lee 等[22]的研究也表明，计算机导航的TKA和传统TKA在临床结果或放射结果上差异无统计学意义。在TKA的实施过程中，导航技术的运用可以提高组件对齐的精准性，对组织也有一定的保护作用甚至能够在临床实践中一定程度缩短手术医师积累经验的时间。但其并没有为患者的膝功能带来显著提升和改善。

2.2机器人手术在TKA中的应用 TKA是否成功与患者的术后并发症有极大关联。Koh 等[23]研究发现，原发性TKA中最常见的两个需修复原因为假体周围感染和无菌性松动。且从TKA的术后并发症来看，假体周围感染、神经血管受损、假体非感染性松动等均可能与术中的操作不当有关。而手术机器人的出现为解决这一问题带来新途径。机器人辅助手术应用于临床治疗是通过机械操作辅助手术医师以达到提升术后膝关节软组织平衡、力线及假体位置精确度的目的，从而减少相关术后并发症的发现[24]。与其他外科相比，由于骨科的特殊性，机器人技术的加入是十分合理且具有可行性的。骨科机器人可分为关节、脊柱和创伤三大类。其中，关节骨科手术机器人是最早实现相关技术和商业应用的骨科手术机器人[25]，根据功能不同其可分为主动操作型和辅助规划型两类，主动操作型以ROBODOC和CASPAR(Computer Assisted Surgical Planning and Robotics)为代表。Liow等[26]研究认为，主动操作型机器人技术能使患者获得理想的术后对准效果。而辅助规划型机器人以MAKO和ACROBOT(Active Constraint Robot)为代表。Cobb等[27]试验发现，与传统人工单腔膝关节置换术相比，使用辅助规划型机器人的手术效果更好且患者术后膝关节性能有改善趋势。但Song等[28]的研究表明，传统TKA与运用机器人辅助TKA术后并发症发生率比较差异无统计学意义。一项回顾性研究发现，有经验的外科医师在人工单腔膝关节置换术中能够达到甚至超越机器人辅助的植入物对准精度[29]。可见，手术机器人的出现并不能为TKA手术精度带来突破性的提升。其对人工关节置换术治疗效果的提升程度，是外科医师能够达到且能超越的。因此在临床治疗过程中，手术机器人的使用不应成为广大外科术者一味追求准确度的“金标准”，更不能产生依赖。

2.33D打印在TKA中的应用 目前，3D打印技术已广泛应用于航空航天、工业制造、建筑建设等领域，其中在医疗领域的应用约占15%[30]。3D打印技术是以数字信息为基础，运用多种可黏合材料，通过逐层成型立体打印的方式来构造所需物体的技术。目前运用较为普遍的3D打印技术主要有喷墨打印技术、立体光刻成型技术和熔融沉积成型技术等[31]。此外，在TKA的整个诊疗过程中，3D打印这一综合技术也可以在多个环节发挥它直观、精准和个性化的独特优势。就医患沟通方面来看，膝关节由股骨下端胫骨上端髌骨和多种软组织构成，是人体最大且最复杂的关节。因此在医师与患者讲明病情和沟通手术方案的过程中，仅依靠口头描述或是图片并不能达到沟通的真正目的。此时，3D打印模型的运用能使患者更加直观地了解病情或手术情况，从而节约沟通成本。林钢等[32]的研究表明，无论是患者还是其家属均对3D打印模型在病情讲解和术前沟通中的运用表现出极大的满意度。而3D打印在截骨板方面的运用也有更积极的治疗效果，喻忠等[33]的研究表明3D打印技术能够提升TKA手术实施精度。而在另一项由孙保飞等[34]进行的TKA后失血量临床研究中发现，与传统器械TKA相比，3D打印技术的运用可以显著减少术后总失血量，并可提升患者TKA术后的康复效率。

随着TKA中植入物的不断发展，运用3D打印技术的新型植入物也进入人们的视野。王进等[35]结合3D打印与有限元分析两项数字技术，通过虚拟重建的方式论证了3D打印的运用能够实现TKA术中胫骨平台的修复。Sultan等[36]的研究调查了使用3D打印技术制造的高度多孔钛涂层基板在原发TKA中的存活率和临床结果，并通过随访发现该植入物的临床疗效优异且存活率极高。可见，3D打印技术不仅在TKA中运用十分广泛且临床效果较好。但在临床工作中特别是考虑将3D打印作为植入物来源时，其技术缺陷也不容忽视，如该技术耗时长、无法应对术中的突发变化、打印耗材费用高昂等。此外，在该技术广泛应用于人工膝关节置换术前，其作为生物材料植入的术后中长期效果也有待进一步研究。

2.4有限元分析在TKA中的应用 有限元分析是指通过采集数字信息对研究复杂的几何图形和负载系统进行建模，之后对该物体进行一定量的网格划分，将该物体看作是各自独立又相互关联的单位体。部分物体本身结构性状复杂导致研究难以进行，而有限元分析的运用能得到一个无限接近该物体本身的结果[37]。20世纪70年代，Rybicki等[38]和Brekelmans等[39]首次将有限元分析应用于骨科工作，极大地促进了有限元分析技术在骨科中的应用。在TKA方面，可以通过有限元分析的方法指导组件定位及植入物的应用等，来提升手术精度以达到更好的临床效果。在组件定位方面，徐高伟等[40]通过构建人工全膝关节置换的有限元模型，发现股骨假体置入位置的极小偏差会引起衬垫表面压应力峰值的异常变化,在TKA中通过提升股骨假体定位的精度可以获得更加优良的TKA临床效果。在植入物选择方面，有限元分析方法也为TKA的实施提供了较为全面的参考。马新硕等[41]就单髁膝关节置换术中不同胫骨固定柱形状进行有限元分析发现，单脊形胫骨元件不仅能更好地降低假体连接处松质骨应力,而且能使人工关节更加贴近机体原有应力分布。可见，有限元分析技术的运用可以提升全膝关节置换术的手术精度，使患者获得更好的诊疗体验。在人工全膝关节置换中，无论是选择植入物还是规划假体材料的植入部位，有限元技术更多的是运用于理论研究方面。在临床诊疗过程中，医师们对于该技术似乎并不太“感兴趣”。因此，在进一步开发有限元技术的同时，提升其与膝关节疾病诊疗过程的参与度也尤为重要。

3 小 结

数字技术的运用能提升手术精准度且对于不同患者的处理有更加个性化的治疗方案。然而，极致的手术精度和更个性化的手术方案并不一定是患者的最佳选择。手术导航与传统TKA患者的预后无明显差异，机器人手术精度甚至能够被人工超越，而3D打印技术也无法忽视耗时长且无法快速有效应对突发状况等缺点。数字技术为骨科临床实践带来极大便利，学习甚至掌握多种数字技术似乎不再困难。但科学技术是一把双刃剑，在数字骨科领域也不例外。因此医师对各项先进技术的选择与搭配显得尤为重要，未来通过各项数字技术的合理运用，能使TKA的治疗更加个性化与高效，同时也能为解决现有TKA局限提供新途径。