人工智能在膝关节前交叉韧带重建中的应用进展

有文献报道，前交叉韧带 (anterior cruciate ligament，ACL) 重建的失败率为 10%～40%，主要表现为短期术后膝关节不稳和旋转松弛

，长期为半月板、软骨的损坏以及关节炎。究其原因主要是股骨、胫骨隧道非解剖重建及移植物问题。Jaecker 等

通过一项回顾性研究发现77.2% 的 ACL 重建失败患者股骨隧道位于非解剖性股骨隧道位置，40.1% 的患者胫骨隧道为非解剖性胫骨隧道位置。可见定位 ACL 足印区并不容易，而 3D 打印和计算机导航的出现可为 ACL 重建提供精准的定位，以便提供更好的膝关节功能活动及稳定性。笔者综述了 3D 打印和计算机导航系统在 ACL 重建方面的优势，以期为临床决策提供参考。

一、3D 打印技术在 ACL 重建中的应用

1.3D 打印的优势：3D 打印技术具有操作简单，术中不受体位影响，手术操作时间短，手术精准性和安全性高，术中副损伤和出血少等优势。对于初学者而言，大大减少了学习时间，可加深初学者对手术的理解，促进医院及新技术的发展。随着 3D 打印技术的逐渐成熟，3D 打印在 ACL 重建中的应用主要体现在以下几个方面：(1) 3D打印导板进行 ACL 股骨及胫骨隧道的解剖定位；(2) 3D打印导板进行个体化重建；(3) 3D 打印导板技术调整隧道长度及方向促进腱骨愈合；(4) 3D 打印制作界面螺钉、固定支架骨。

2.3D 打印导板技术应用于 ACL 重建的原理及过程：患者术前进行患侧膝关节 MRI、CT 平扫检查，使用 3D 打印重建软件分析，并在合适的膝关节屈曲角度下精确定位ACL 解剖止点及隧道出口，以便获得安全的隧道长度及方向，然后模拟 ACL 重建手术过程，加以调整，综合分析设计股骨及胫骨导板，导出相关信息，利用 3D 打印机打印膝关节模型及导板，再次进行预实验，严格消毒后，用于术中 ACL 重建

。

冬天气温低，温差变化大，易发生风疹、流感等病毒性传染病，孕妈妈若感染此类病毒，会对胎儿造成不同程度的损害。因此孕妈妈注意不要与患病人员接触，并且自己要注意衣着和起居，室温力求稳定。寒潮来临时要多加些衣服，外出时要注意保暖，以防着凉受寒，切不可到疾病流行的公共场合，包括公共厕所。

3.3D 打印导板进行 ACL 股骨及胫骨隧道的解剖定位：

4.3D 打印导板进行个体化重建：Hofbauer 等

提出了个体化解剖重建概念，目的是使重建的 ACL 恢复到最接近自身解剖和功能的程度，指出个体化手术会促进长期临床效果的改善。Liu 等

采用随机对照研究将 ACL 重建患者分为常规组和 3D 组，患者术前行 MRI 检查，评估患膝ACL 重建股骨与胫骨的解剖止点，ACL 重建长度、宽度、足印区形状、面积大小及髁间窝大小等，及时修整狭窄的髁间窝，结合 3D 打印，设计个性化导航模板辅助 ACL 重建。结果显示，3D 打印个体化导航模板的使用较传统的ACL 重建手术方法相比提高了定位精度，缩短了术中定位时间，手术早期效果有明显改善，但是长期结果须要进一步随访。刘铭等

、刘欣伟等

利用 3D 打印技术制备个体化股骨导板，应用膝关节前内侧入路对两组患者进行ACL 重建，结果表明，3D 打印个体化导板技术可精准定位股骨解剖止点，术后早期膝关节评分较前明显升高。

(2) 3D 打印导板技术在 ACL 胫骨侧的定位应用：胫骨隧道常通过外口软组织、外侧半月板前角、ACL 残端等标记综合评估，但外口软组织的个体差异，陈旧性 ACL损伤中残端的吸收使得 ACL 的足印区更加难以辨别。Kim等

认为胫骨隧道的中心更接近 ACL 的后内侧束，位于ACL 的中心偏后。而周波等

提出，胫骨隧道内口位于ACL 残端中心、外侧半月板滑膜缘、后交叉韧带前方约7 mm，此位置结合适合的角度可大大降低韧带松弛率及髁间撞击率。Riboh 等

则认为 ACL 中心作为胫骨隧道内口时可获得更好的功能，但并没有通过生物力学进一步说明。随着研究的进一步加深，现今有学者被认为是 ACL重建中胫骨侧最好的定位方法

，陈广超等

利用此法选取 20 具膝关节标本，采用 3D 打印技术制备胫骨侧导板，将术前模拟的隧道与术中实际做出的隧道作比较，结果显示，应用 3D 打印技术可准确地制备 ACL 胫骨隧道。陈国立等

同样采用此技术打印胫骨侧导板，证明 3D 打印组手术时间明显短于常规组，且胫骨隧道准确性提高。

4.计算机导航进行保残重建：解剖学证明 ACL 及周围的滑膜富含神经及血管，导致术后膝关节的不稳定及本体感觉的下降。近年来，有学者提出将股骨、胫骨两侧残留的 ACL 断端术中保留重建，目的是为了实现移植物血运及周围本体感觉的恢复 (即保留重建)。然而，关节镜视觉差异化增加了保残重建的难度。利用计算机导航系统可重建成三维图像，排除 ACL 残端的阻碍，可视化股骨外侧髁、髁间窝及附近骨面，将虚拟股隧道与重建的 3D图像实时重叠，进而放置导向器。Taketomi 等

通过此项导航系统对 47 例患者进行保残重建，证实计算机导航可创建出保残重建所需要的韧带止点。缺点是目前为止并没有分析使用导航系统进行保留残 ACL 重建术的临床结果，须要进一步的长期随访。

由上式可知，当P2=0时，Q=0，当P2=P1时，Q=0，故在0

Plaweski 等

通过对 52 例失败的 ACL 重建进行翻修，术中采用计算机辅助导航系统评估新旧隧道的位置以及术中的松弛程度，结果发现，约 64% 的患者通过 X 线片确定了胫骨隧道的正确位置，48% 的患者确定了股骨隧道的正确位置，因此，传统放射学标准明显降低移植物的生物力学特性，而计算机导航明确提高了精准度。Taketomi 等

同样在翻修手术中使用计算机导航进行隧道定位和运动学评估，术后没有观察到隧道定位错误。

(1) 3D 打印导板技术在 ACL 股骨侧的定位应用：在ACL 重建中，不理想的股骨隧道位置是 ACL 重建手术失败的主要原因之一。因此重建 ACL 时要尽量实现韧带的解剖重建，尤其是股骨侧隧道，以减少韧带的“蹦极效应”和“雨刷效应”，从而减少失败率。Rankin 等

通过膝关节 MRI 扫描，利用 3D 打印导板原理建立股骨隧道模型，并将该模型与 MRI 扫描相比较，结果显示，与术前相比，经导板打印的股骨隧道模型足迹中心的大小和位置无明显差异，证实了 3D 打印技术的确能提高定位股骨足印区的准确性。王宇等

认为，3D 打印可以根据关节腔内结构进行定位，不必清理 ACL 残端，运用此思路并结合 3D 打印设计股骨侧定位器，利用 LARS (ligament augmentation and reconstruction system) 韧带行 ACL 重建，结果显示，3D 打印组手术时间明显缩短，术后 1 周膝关节评分显示 3D 打印组高于常规组，术后 3 个月两组评分无明显差异，结论表明 3D 打印导板技术可准确定位隧道位置，缩短手术时间。罗树林等

、张旭腾等

将经治疗的膝关节 ACL 损伤患者分为 3D 打印组与常规组，数据分析结果显示，应用关节镜联合 3D 导板定位法可以准确定位股骨侧隧道止点，缩短定位时间，加快手术进程，且术后患者 Lysholm 评分、IKDC (international knee documentation committee knee uation form) 评分、股骨侧定位情况与常规组并无差异。

初支、二衬及管片采用服从弹性模型的实体单元模拟，参数取值见表2，管片接缝利用等效刚度折减法[12]实现。隧道临时支撑(I22a型钢)采用Shell结构单元模拟[13]，锁脚锚管(DN25中空钢管)用Cable杆件单元模拟[14]。

5.3D 打印导板技术用来调整隧道长度及方向促进腱骨愈合：术后腱骨融合是 ACL 重建成功与否的重要衡量标准，足够的肌腱长度是腱骨融合的基础。有研究称，不同的膝关节屈曲角度影响重建过程中股骨隧道的长短，进而影响腱骨愈合率及手术成功率

。一般认为，股骨隧道内移植物 20 mm 的长度对腱骨融合是安全的

。Choi等

通过研究膝关节屈曲角对股骨隧道的影响，得出屈曲角 120

作为股骨隧道定位的最佳状态，而 Osaki 等

认为股骨隧道出口位于软组织下，在 135° 屈曲的情况下钻孔比在 120° 更可取。Gali 等

则通过尸体制备股骨隧道，发现膝关节的屈曲角度与股骨隧道出口的方向密切相关，在利用前内侧入路法制备股骨隧道时，指出膝关节屈曲角度至少要达到 110° 才能获得相对安全的股骨隧道长度及合适的隧道方向，这和多数学者的研究结果相符合

。因此，合适的膝关节屈曲角度是保证隧道长度合适的关键因素之一，而且可能对术后膝关节力学产生重要影响

。3D 打印个性化导板法可以于术前模拟骨隧道位置及长度，多角度调整方向，以便谋求合适的隧道长度进行预手术，为术中移植物在股骨隧道中的长度方向提供参考，这样既提高了腱骨愈合的成功率，也增加了骨隧道的成形率

，从而提高手术成功率。

Eggerding 等

在一项前瞻性、随机、双盲研究中比较了利用计算机导航和传统方法进行 ACL 重建，术后行三维 CT 检查评估准确性。结果发现，无论是隧道放置的准确性还是精确度，两组之间都没有显著差异。此研究的缺陷在于样本量小和短期随访。洪磊等

同样通过计算机导航与常规关节镜下重建 ACL 对比，利用术后 X 线测量双侧骨隧道的位置并作统计学分析，认为计算机导航可以提高骨隧道准确性。但综合国内外大量关于 ACL 重建定位的研究结果，目前尚没有任何证据支持在 ACL 重建中需常规使用计算机导航进行定位。

“先锋列车”还在继续向前开，先锋车站的每一名成员都在努力地推动这辆列车前进，车上将有更多的故事，这将成为孩子们这一年美好的回忆。

二、计算机导航在 ACL 重建中的应用

1.计算机导航的发展历史：计算机导航技术重建 ACL已有 20 多年的历史。计算机导航系统最初的应用目的主要是为了提高股骨及胫骨隧道的精准度，用于更好的重建ACL。近年来，导航系统被广泛用于评估 ACL 重建前后的运动学及稳定性

。现主要应用于以下 3 个方面

：(1)移植物的定位；(2) ACL 重建过程中的运动学评估；(3)进行保残重建。

2.计算机导航在 ACL 移植物定位的应用：移植物精确定位被认为是 ACL 重建成功的关键因素之一

。部分研究表明，计算机导航是减少手术失败的有用工具。Cho等

认为，股骨隧道是影响 ACL 重建失败的重要因素，使用基于 MRI 的导航系统辅助 ACL 重建，以评估股骨隧道位置的准确性。结果显示，每次使用基于 MRI 的导航系统进行机器人辅助 ACL 重建时，股骨隧道位置的准确性都会提高。Schep 等

通过临床研究发现，经导航重建的股骨隧道放置的准确性更高，而胫骨隧道定位的准确性在两组之间没有差异。术后长期随访中，两组患者的Lachman 测试、IKDC 评分和 Lysholm 评分均无差异。关于胫骨隧道定位准确性方面，Hart 等

、Nakagawa 等

利用计算机导航得出了和 Schep 相似的结果。

定义1 [3，4]设H是 Hilbert空间，G:H→2H 是极大单调映射，对常数 ρ＞0，定义映射 JG:H→H 为:JG(u)=(1+ρG)-1(u)，u∈H 称为 G 的预解算子，其中 I是H上的恒等映射。

邱洪九等

将收治的 ACL 急性断裂的患者分为 3D 打印组 (50 例) 和传统手术组 (50 例)。手术前后评估患者膝关节 Lysholm 评分、Tegner 评分，结果显示，3D 打印导板辅助关节镜下进行 ACL 重建定位的股骨胫骨隧道口位置比传统方法下进行 ACL 重建的隧道口位置更接近 ACL 解剖学位置，且两组患者术后评分及关节活动度无差异。

6.3D 打印界面螺钉及支架用于 ACL 重建：羟基磷灰石 (hydroxyapatite，HA) 能提高骨传导性和细胞黏附性，间充质干细胞 (mesenchymal stem cells，MSCs) 因其高增殖能力和产生胶原而被称为最理想的韧带再生细胞来源之一。Liu 等

利用 3D 打印制作螺丝状支架，负载 MSCs、HA，利用兔子模型进行 ACL 重建，组织学检查显示，12 周后在骨隧道和肌腱移植的交界处新骨形成增加。Park等

用 3D 打印材料制作支架套筒，在移植肌腱置于支架套筒之前，将 MSCs 涂在支架套筒内表面，放置于胫骨及股骨隧道中。12 周时，组织学分析发现治疗组 3D 打印支架套筒已经降解，并且在骨隧道及移植肌腱交界处同样有新骨生成，因此，他认为 3D 打印材料是安全的，未来该技术的临床应用可能会让患者更快地康复和更早地恢复运动。但目前看来，应用于人体还有很长的一段路要走。

3.计算机导航在 ACL 重建中的运动学评估：自计算机导航应用于 ACL 重建以来，外科医师致力于运用这项技术评估 ACL 重建后胫骨移动及固定角度下胫骨的内外旋及松弛度，Klos

认为此技术也有利于 ACL 双束重建。Nakamae 等

通过对 15 例患者行双束 ACL 重建。利用导航系统连续测量膝关节屈曲幅度在 20°～60° 时、在前抽屉应力相同、外旋和内旋相同扭矩下，测量两束韧带分别固定时胫骨旋转的范围。结果发现，前内侧束和后外侧束在整个活动范围内对控制膝关节前松弛有不同的作用。当膝关节屈曲 20° 时，前内侧束和后外侧束的功能在控制胫股旋转方面是相似的。这与 Zaffagnini 等

的实验结果相近。Lee 等

利用同样的导航系统评估单束和双束交叉韧带重建前后旋转松弛度及功能情况。结果发现，ACL 双束重建明显改善旋转松弛问题，随访 2 年，双束重建和单束重建的功能没有差异。可见膝关节 ACL 双束重建能提高膝关节稳定性，有利于改善患者膝关节术后活动质量。

(3) 3D 打印导板技术在 ACL 双侧骨隧道的定位应用：为了论证 3D 打印导板对 ACL 重建的股骨及胫骨隧道位置准确性明显提高，Ni 等

通过对 20 具尸体进行 CT扫描，术前定位股骨及胫骨的解剖止点，利用尸体操作，将实际钻孔点与术前定位点进行统计学分析，发现股骨隧道平均偏差 0.57 mm，胫骨隧道平均偏差 0.58 mm，从而验证了 3D 打印技术能提高 ACL 重建隧道位置的准确性。

5.计算机导航的不足：Margier 等

在一项前瞻性多中心开放对照研究中，对 214 例接受 ACL 重建手术的患者在计算机辅助和非计算机辅助下进行了重建手术，结果发现，使用计算机辅助导航系统重建 ACL 比传统手术更昂贵，手术时间延长，而且并没有改善临床效果。1 篇纳入 5 个随机对照试验的 Meta

分析同样发现，运用计算机导航系统进行 ACL 重建增加了手术时间 (8～17 min)。而且在短期随访中，两组患者膝关节稳定性和功能评估方面没有显著差异。

三、3D 打印及计算机导航两者优势及不足

3D 打印导板技术提高隧道准确性，有利于医师进行解剖、个体化重建及 ACL 翻修，缩短了手术时间，但依赖于严格术前规划及准备，其经济的特点使得容易接受。而计算机导航在各种准确度面前同样令人信服，仅须术中的操作可完成 ACL 重建，较 3D 打印而言，能进行术前、术后的运动学评估，提取重要的运动学数据，便于观察及改进。但是依赖科室及医院的资源投入，临床应用较为受限。

为了解决石油供应紧张的问题，德国试图以武力夺取其他帝国主义国家的石油基地。德国企图把罗马尼亚以前分属于英国、荷兰、法国和罗马尼亚的企业重新组合，把它们作为自己的石油供应基地。1914年，德国与土耳其奥斯曼帝国结盟以后，出兵攻占英国控制下的伊朗阿巴丹炼油厂。

四、总结

目前来看，ACL 断裂最好的处理方式是进行 ACL 重建，而解剖重建则是较为符合正常人生理状态的重建方式，也是目前比较流行的重建方式，但 ACL 解剖止点的确定并不容易。

3D 打印及计算机导航能提高 ACL 隧道准确性。3D 打印技术的术前规划及计算机导航的术中观察可使得股骨髁变得直观，从而更容易找到解剖止点，使得解剖重建变得简单快速，ACL 接近生理状态。同时，3D 打印生物材料的投入及研究可加大骨与肌腱的愈合率，甚至有可能创造出组织架构与 ACL 相仿的生物材料，更利于重建。而计算机导航还可收集患者手术前后运动学数据，加以对比，从而更好地重建 ACL，在术后康复中做到及时反馈，恢复患者的术后运动及锻炼。

然而，多数文献虽然说明了 3D 打印及计算机导航在定位 ACL 解剖止点的优越性，术后早期的有效性以及计算机导航在评估运动学数据的先进性，但是两者都缺乏长期的随访，并且没有在理论上提出一种较为肯定的定位模式以为更佳准确的制备骨隧道提供参考。笔者主要阐述3D 打印及计算机导航在 ACL 重建方面的应用优势，并将两者进行比较，以期能够对研究者有所帮助。但本综述存在局限性，缺乏相应的数据进一步说明。

总之，人工智能医学技术的出现有利于更好地进行解剖性 ACL 重建，一定程度上降低了 ACL 重建失败率，缩短手术时间，提高患者活动满意度，同时反馈的运动学数据有利于术后康复。但智能医学技术的出现时间尚短，其带来的技术问题及费用问题有待考虑，最重要的是，智能医学带来的术后长期临床效果有待进一步搜集证据并加以论证。

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