3D打印导板辅助前交叉韧带重建术中骨隧道定位的准确性

宋丹丹 黄成龙 陈刚 俞涵 徐红伟*

前交叉韧带（anterior cruciate ligaments，ACL）断裂是常见的运动损伤［1-2］，主要治疗方法是关节镜下前交叉韧带重建，长期随访效果良好［3-4］。全球运动医学研究已经开始探索更加精确的前交叉韧带重建方法［5-6］。由于个体发育状况的不同，不同患者的前交叉韧带骨隧道存在差异［7］。在前交叉韧带的重建过程中，准确确定前交叉韧带的骨隧道解剖点并不容易，个体化的前交叉韧带解剖重建尤为重要。目前，计算机辅助技术在ACL重建精确定位中的临床应用鲜有报道。笔者根据患者术前影像学资料定制个体化3D打印定位导板，之后进行关节镜下韧带重建术，开发了一种个性化三维打印导航模板用于ACL重建。本文旨在探讨3D打印技术是否能够通过提高ACL重建手术中骨隧道的定位精度进而提高临床疗效，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料 收集2016年1月至2019年6月在本院关节运动医学科确诊的单侧前交叉韧带断裂患者40例，按照随机数字表法分为3D打印组与传统手术组，每组各20例（膝）。两组患者的一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。所有患者术前常规行膝关节正侧位、屈膝90°位CT薄层扫描和MRI检查，判断是否存在其他合并损伤，手术由同一手术医师组实施，前交叉韧带重建替代者均采用自体股薄肌和（或）半腱肌，术后均接受关节运动医学科的常规护理和康复训练。本研究经医院医学伦理委员会批准，所有患者签署知情同意书。

表1 两组的一般资料比较

1.2 3D打印前交叉韧带定位导板制作 收集患者屈膝90°位膝关节CT薄层扫描检查资料，根据公认的前交叉韧带的胫骨止点、股骨止点定位方法，使用Mimics 17.0确定前交叉韧带胫骨、股骨侧止点，合成导板模型，利用3D打印机（3DSL-450Hi）打印该导板模型，采用PLA材料完成经胫骨隧道3D 打印前交叉韧带定位导板制备。

1.3 手术方法 （1）3D打印组：关节镜手术，患者平卧位，患侧膝关节处于90°屈曲位。先行镜下关节腔探查，确认前交叉韧带断裂，清理韧带残端。通过髁间窝的形状决定是否进行髁间窝的成形。隧道制备：膝关节屈曲处于90°左右，将定位导板贴合膝关节皮肤，关节镜监视下通过导板内侧的导针孔直接打入定位导针，导针出胫骨髁间位置即为前交叉韧带胫骨侧关节内出口，然后膝关节保持此姿势，将导针进一步打入，通过镜下监视查看是否满足韧带止点足印区重建的需求，如果无法完全满足再进行适当的屈伸膝关节，内外翻以及内外旋膝关节［6］，调整股骨隧道的精确定位点，将导针打入股骨直至穿透股骨外侧皮质，然后选取与移植物直径一致的骨隧道钻头先后制作胫骨、股骨隧道。韧带移植物置入：先行处理合并损伤，如半月板成形、半月板缝合等。合并损伤处理完成后，将制备的相应大小的移植物拉入骨隧道，股骨侧选取Tightrope悬吊钢板固定，胫骨侧采用羟基磷灰石挤压螺钉挤压固定。（2）传统手术组：手术前准备、关节腔探查及残端清理同3D打印组。术者通过个人经验通过前交叉韧带导向器确定关节内前交叉韧带重建股骨和胫骨侧隧道口定位点，先制备胫骨隧道，然后通过经胫骨隧道定位技术确定股骨侧隧道，采用与移植物直径一致的骨隧道钻头制备骨隧道，移植物植入固定与合并损伤处理同3D打印组。两组手术均由同一手术组完成。

1.4 评价指标 （1）手术时间；（2）术后胫骨隧道情况：采用Klos法，即通过膝关节X片测量隧道中点在胫骨前后径上的相对位置，正常标准数值为（46±3）%；（3）术后股骨隧道情况：采用Amis法，即通过在X片上做一与股骨外髁后方相重叠的同心圆，平行Blumensaat线画经过同心圆圆心的一条直线，测量股骨隧道的中心点在该直线上的相对位置，正常标准数值为（61±5）%。（4）术后随访情况：术后1、3、6、12个月进行门诊随访，治疗效果评价采用Lysholm及Tegner法。（5）手术前后患者的膝关节活动范围。（6）深静脉血栓、感染等并发症发生情况，有无移植物松动或者移位。

1.5 统计学方法 采用SPSS 25.0统计软件。计量资料以（±s）表示，采用t检验、秩和检验或重复测量方差分析；计数资料以［n（%）］表示，采用χ2检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

3D打印组平均手术时间为（52.9±3.8）min，传统手术组为（66.3±4.5）min，差异有统计学意义（P＜0.05）。两组骨隧道准确性评价：Amis法，3D打印组为（45.17±1.27）%，传统手术组为（41.14±1.18）%；Klos法，3D打印组为（62.62±2.06）%，传统手术组为（53.19±2.68）%；组间差异均有统计学意义（P＜0.001），可见3D打印组在股骨、胫骨隧道定位方面明显优于传统手术组，更接近于解剖位置。术后随访，3D打印组的Lysholm评分由术前（57.06 ±3.76）分提高至术后（95.62 ±1.42）分，传统手术组由术前（56.76 ±4.30）分提高至术后（96.33 ±1.51）分；3D打印组的Tegner评分由术前（3.47 ±0.43）分提高至术后（6.07±0.63）分，传统手术组由术前（3.41 ±0.50）分提高至术后（5.92±0.58）分；两组的Lysholm评分、Tegner评分比较，差异均无统计学意义（P=0.567）。3D打印组患者的膝关节活动范围在术前为（85.9±11.3）°，术后提高至（115.8±7.2）°，传统手术组由（87.3±7.7）°提高至（120.9±9.5）°，差异无统计学意义（P=0.367）。两组患者均未出现深静脉血栓、感染等并发症，未有移植物松动或者移位。

3 讨论

作为前交叉韧带损伤治疗的最佳方法，准确定位ACL解剖插入点是一项挑战，骨科医生主要通过关节镜下可见的骨标志物来定位，很难实现完美的前交叉韧带解剖重建，可能导致手术失败。已有研究者探索出精确定位ACL插入点的新方法，并发现使用荧光透视导航系统、激光定位系统或基于2D-3D配准的重建导航系统可以实现精确的骨隧道位置定位［8-9］。在手术操作过程中，由于关节镜镜头视野的限制常常无法实现骨隧道的精准定位，将直接影响植入物的术后环境，影响移植物的存活寿命，甚至导致重建手术的失败，故而术中准确的骨隧道定位以及术后精准的测量尤为关键［10］。

本研究根据不同患者影像学检查结果个性化定制3D打印导板，辅助韧带重建术中骨隧道定位。传统经胫骨隧道定位完全依赖手术医师个人经验，从而无法尊重患者个体差异。而3D 打印定位导板可以根据患者的胫骨与股骨解剖结构、足迹区等进行综合分析，完全依据患者的个体特征建立通道，使隧道位置更近解剖位［11］，对患者术后膝关节功能的恢复与传统手术无统计学差异。本研究结果显示，3D 打印组具备解剖优越性，并可以获得与传统手术相近的手术效果。传统组的股骨隧道位置较浅、较低，胫骨隧道位置更靠近胫骨平台的前边缘和内侧边缘。从结果来看，采用3D打印导板辅助前交叉韧带重建术隧道位置优于传统手术组，更接近解剖重建。术后随访，两组的手术效果具有统计学差异（P＜0.05），两组的Lysholm评分和Tegner评分均表明患者膝关节功能恢复良好，随访期间均未出现有限的膝关节伸展，可间接表明移植物未与髁间切迹碰撞，重建的骨隧道位置良好。此外，实验组无切口肿胀、感染或其他不适的报告，表明本研究中用于模板的PLA材料可以安全地用于临床。

本研究存在的不足：3D打印导板仍然是根据Amis法确定股骨隧道，依据Klos方法确定胫骨隧道，并完全根据不同患者的解剖结构进行个体化定制。未来还需进一步完善定制流程及标准，进而形成完整的定制体系，根据患者前交叉韧带的走行及解剖数据，进行计算机建模并利用3D打印机制作，真正做到个体化。术后3D打印导板组和传统手术组的结果评价，单纯依据临床膝关节功能评分较为简单，缺乏其他术后评价指标，后期可以增加术后CT检查等影像学指标来评价术后隧道的合理性、准确性，进一步完善评价体系。

综上所述，3D打印导板相较于传统的经胫骨隧道定位法可以显著提高隧道定位的准确性，手术安全、结果满意，且操作流程简便，可以在基层医院推广应用。