3D打印輔助關(guān)節(jié)鏡下前交叉韌帶等長重建股骨隧道定位的研究

孫學(xué)斌，曹力

（新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 骨科中心，新疆 烏魯木齊 830054）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）是膝關(guān)節(jié)重要的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可以維持膝關(guān)節(jié)的前向和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，如果ACL 出現(xiàn)斷裂，則患膝關(guān)節(jié)會出現(xiàn)前向和旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)，關(guān)節(jié)軟骨隨之磨損，使患膝關(guān)節(jié)的功能受到嚴(yán)重的不良影響，最終導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)老化等一系列病變[1-2]。隨著醫(yī)療行業(yè)科技的進(jìn)步，ACL 損傷的診斷金標(biāo)準(zhǔn)為關(guān)節(jié)鏡探查，公認(rèn)的最佳治療方案為關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)重建ACL。然而，手術(shù)的成功與否一方面依賴于患者術(shù)后積極、及時、完善的康復(fù)訓(xùn)練，另一方面也依賴于術(shù)中ACL 的骨隧道定位位置[3]。目前，公認(rèn)理想的重建方法是盡可能地恢復(fù)ACL 在膝關(guān)節(jié)中的解剖位置[4]。因此，如何選擇合適的定位，成為關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建討論的熱點問題之一[5]。不少學(xué)者為了研究重建ACL 在股骨隧道的最佳定位點付出了大量的努力。以往有學(xué)者利用尸體的膝關(guān)節(jié)[6]，依據(jù)其股骨髁ACL 止點進(jìn)行推斷，其優(yōu)點在于可以直觀地看到ACL 的止點和走行，以及股骨止點的位置和大致范圍，但是也有其相應(yīng)的局限性，尸源較少，且大部分尸體死亡年齡偏大，導(dǎo)致得出的ACL 等長點位置代表性有限。本研究結(jié)合3D 打印技術(shù)，旨在研究ACL 最佳等長位置，為關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建術(shù)股骨隧道定位提供一定的理論依據(jù)。現(xiàn)報道如下：

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究選取2018年6月－2019年2月就診于新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院運動醫(yī)學(xué)病區(qū)、主診斷為膝關(guān)節(jié)ACL 損傷的患者共30 例。其中，男21 例，占患者總?cè)藬?shù)的70.0%，女9 例，占患者總?cè)藬?shù)的30.0%。所有患者年齡為（32.7±11.9）歲，身高為（170.1± 9.8）cm，體重為（79.1±18.6）kg，體質(zhì)指數(shù)為（26.1± 5.3）kg/m2。30 例患者中，無雙膝ACL 損傷患者，左膝18 例，右膝12 例，病程為15 d ～6 個月。納入標(biāo)準(zhǔn)：①患膝關(guān)節(jié)扭傷或摔傷，前抽屜實驗、Lachman實驗陽性，患膝關(guān)節(jié)磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）表現(xiàn)為前十字韌帶連續(xù)性和完整性中斷；②患者自訴患膝關(guān)節(jié)有不穩(wěn)感；③無基礎(chǔ)疾病和其他影響手術(shù)的疾病者；④對術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能要求較高，有關(guān)節(jié)鏡重建手術(shù)意愿者；⑤經(jīng)過完整規(guī)范的康復(fù)治療無效者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性尚可，MRI 示ACL 連續(xù)性可；②有基礎(chǔ)疾病者；③術(shù)前術(shù)區(qū)有急慢性炎癥等術(shù)區(qū)皮膚不佳；④受傷前患膝關(guān)節(jié)活動度達(dá)不到0 ～120°者；⑤有股骨髁畸形或髁間窩過窄，需在手術(shù)中行股骨髁間窩成型術(shù)者。

1.2 儀器與設(shè)備

Mimics 21.0+3-matic12.0 數(shù)字處理系統(tǒng)（比利時Materialise 公司），可處理CT 原始數(shù)據(jù)并建立模型；下肢被動運動訓(xùn)練機（美國歐普公司）；醫(yī)用電動鋸鉆（中國上海博進(jìn)電子儀表設(shè)備工貿(mào)有限公司），配有拆除固定裝置、可牢固固定各種規(guī)格的克氏針；克氏針（中國天津宇通醫(yī)療器械廠）；X519 骨科高強線（美國強生公司）；前十字韌帶脛骨導(dǎo)向器（美國史塞克公司），配有角度調(diào)整裝置和克氏針穩(wěn)定裝置；拉繩式位移傳感器（中國浙江臺州市椒江西域電子廠），配有儀表，連接后可精確讀出鋼絲的長度變化。

1.3 方法

所有患者入院時均行膝關(guān)節(jié)平掃加三維重建及MRI 檢查，評估是否存在合并傷，收集患者術(shù)前CT原始數(shù)據(jù)（由新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像和核醫(yī)學(xué)中心提供）。將患者的DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 mimics 21.0（Materialise 公司，比利時）進(jìn)行處理，通過渲染和增強等相關(guān)操作，刪除掉髕骨和腓骨，只保留股骨端和脛骨端，使用3-matic 建立患者膝關(guān)節(jié)的三維立體模型，送新疆醫(yī)科大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)中心進(jìn)行3D 打印，見圖1。將打印好的膝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行標(biāo)記，確保股骨和脛骨模型出自同一患者。有學(xué)者通過對ACL 的股骨和脛骨止點的描述[7]定位脛骨隧道出口。用直徑為2.0 mm 克氏針配合前十字韌帶脛骨導(dǎo)向器（Arthrex，美國），定位脛骨隧道的入口，并鉆孔建立脛骨隧道。以股骨外側(cè)髁內(nèi)側(cè)面ACL 止點下緣中點為圓心，以4 mm 為半徑畫圓，以圓的正上方、正右方、正下方和正左方作4 個點，分別標(biāo)記為A、B、C 和D 點，圓心標(biāo)注為E 點，見圖2。使用去掉針頭的X519 骨科高強縫線，將縫線經(jīng)隧道連接股骨和脛骨，穿出處牢固固定，防止縫線回縮，另一端固定在拉繩式位移傳感器（圖3，臺州市椒江西域電子廠，浙江，中國）的拉出端。將拉繩式位移傳感器和模擬數(shù)顯表連接，拉動位移傳感器的拉出端，測試讀數(shù)并校正，以9.0 mm為基準(zhǔn)長度。待校正之后，將位移傳感器和已經(jīng)穿好的3D 打印膝關(guān)節(jié)模型利用4 根3.0 mm 克氏針和繃帶牢固固定在下肢被動運動（continuous passive motion，CPM）訓(xùn)練機上，確保在訓(xùn)練機活動全程中膝關(guān)節(jié)模型不翻轉(zhuǎn)不移位，股骨內(nèi)外髁下端和脛骨上端在屈伸過程中無撞擊、無摩擦。啟動CPM 訓(xùn)練機，設(shè)定從0°開始，每10°為一個檔位做屈曲運動，此時隨著膝關(guān)節(jié)模型的屈曲，拉動X519 縫線，帶動拉繩式位移傳感器，再在模擬數(shù)顯表中讀數(shù)，即可知在該角度下股骨隧道和脛骨隧道的距離變化。記錄0°到120°每10°的讀數(shù)，即可知每個股骨隧道定位點屈膝時的距離變化，進(jìn)而評估該隧道的等長性。

圖1 3D 打印膝關(guān)節(jié)Fig.1 3D printing knee joint

圖2 ACL 股骨附著區(qū)域的隧道選擇Fig.2 Tunnel selection of anterior cruciate ligament femur attachment area

圖3 拉繩式位移傳感器及儀表 Fig.3 Drawstring displacement sensor and instrument

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

全部資料利用SPSS 21.0（IBM 公司，美國）軟件進(jìn)行統(tǒng)計。對A、B、C、D 和E 五個點的單組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。本組資料為多變量重復(fù)測量數(shù)據(jù)，應(yīng)用變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）對資料進(jìn)行評價。

2 結(jié)果

根據(jù)表1～表5可知，A、B、C、D 和E 五個點單因素方差分析均無統(tǒng)計學(xué)意義，五個點鉆取誤差尚可接受。根據(jù)表6可知，將CV 從小到大排列，股骨端的各個點到脛骨平臺韌帶附著區(qū)隧道點位的距離長度變化值的變異程度有著明顯不同。其中，在膝關(guān)節(jié)0 ～120°活動過程中，股骨端韌帶附著區(qū)D 隧道距離脛骨隧道出口的長度的CV 最小，而B 隧道距離脛骨隧道出口的長度的CV 最大。與此同時，股骨端五個隧道除了D 隧道之外，隧道A、E 的變異程度也較小。故取A、D 和E 三點，由隧道A、D 和E 在股骨外側(cè)髁的入口可圍成一個三角形，此區(qū)域為最佳等長區(qū)域，見圖4。由結(jié)果繪制單一脛骨隧道時股骨隧道各點屈伸過程中長度變化曲線，見圖5。

表1 A 點的組內(nèi)變異和組間變異Table1 Intra-group variation and inter-group variation at point A

表2 B 點的組內(nèi)變異和組間變異Table2 Intra-group variation and inter-group variation at point B

表3 C 點的組內(nèi)變異和組間變異Table3 Intra-group variation and inter-group variation at point C

表4 D 點的組內(nèi)變異和組間變異Table4 Intra-group variation and inter-group variation at point D

表5 E 點的組內(nèi)變異和組間變異Table5 Intra-group variation and inter-group variation at point E

表6 單一脛骨隧道時各股骨隧道標(biāo)記點的長度變化比較 （±s）Table6 Comparison of length changes of individual femoral tunnel markers in a single tibial tunnel （±s）

表6 單一脛骨隧道時各股骨隧道標(biāo)記點的長度變化比較 （±s）Table6 Comparison of length changes of individual femoral tunnel markers in a single tibial tunnel （±s）

股骨隧道 長度/mm CV A 點 9.70±0.662.13 B 點 8.86±1.453.98 C 點 8.90±1.273.75 D 點 9.40±0.622.04 E 點 9.90±0.652.14

圖4 ACL 等長區(qū)域Fig.4 Anterior cruciate ligament isometric area

圖5 單一脛骨隧道時股骨隧道各點屈伸過程中長度變化曲線Fig.5 Length curve of flexion and extension of femoral tunnels during single tibial tunnel

3 討論

3.1 關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建的研究現(xiàn)狀

ACL 在膝關(guān)節(jié)活動中起到限制和約束的作用[8]。因此，當(dāng)ACL 斷裂時，重建ACL 有利于防止因膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)導(dǎo)致的對半月板、關(guān)節(jié)面軟骨進(jìn)一步的磨損和破壞，有效避免骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[9]。目前，關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建術(shù)被公認(rèn)為最佳的手術(shù)方式，該術(shù)式創(chuàng)傷小，患者易接受，術(shù)后可以早期進(jìn)行康復(fù)。但是在關(guān)節(jié)鏡輔助下，ACL 重建仍有一定的失敗率。國外有學(xué)者[10]指出，在關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建的失敗率約為8%～25%，BOYLE 等[11]認(rèn)為，ACL 重建失敗率約為10%，F(xiàn)ITHIAN 等[12]在完成平均6.6年的關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建術(shù)后的隨訪指出，關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建后，患膝關(guān)節(jié)能完全恢復(fù)到術(shù)前水平的患者只有一半，而更多的人在術(shù)后5～7年發(fā)現(xiàn)ACL有著不同程度的退變，說明到目前為止，ACL 重建技術(shù)的遠(yuǎn)期預(yù)后仍然達(dá)不到預(yù)期效果，究其原因，發(fā)現(xiàn)ACL 股骨隧道位置的不同與術(shù)后效果有很大關(guān)系。

經(jīng)過30年的ACL 重建手術(shù)的演化，關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建術(shù)已經(jīng)向著個體化、精準(zhǔn)化的治療發(fā)展。為了精確關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建時的股骨和脛骨定位點、減少翻修的發(fā)生、提高手術(shù)的成功率，在這30年中，有不少學(xué)者從ACL 的解剖特點、生物力學(xué)、股骨和脛骨隧道位置以及術(shù)后并發(fā)癥等多方面進(jìn)行了研究[4，13]。對ACL 的分束不同學(xué)者也有不同的看法，有學(xué)者主張ACL 不分束[14]，有學(xué)者認(rèn)為，ACL 應(yīng)分為三束[15]，也有學(xué)者提出，將ACL 分為兩束[16]，其中后者這一觀點得到大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可，奠定了ACL 重建的解剖學(xué)基礎(chǔ)。對尸體膝關(guān)節(jié)的解剖發(fā)現(xiàn)，ACL 的脛骨附著區(qū)域多為近似三角形和四邊形，股骨附著點以橢圓形最為常見[16]，且脛骨附著區(qū)域的面積明顯大于股骨附著區(qū)域。但由于個體差異以及測量誤差的存在，對于ACL 附著點的面積和位置的描述差異較大。近年來，關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建的目標(biāo)為最大化覆蓋解剖足印區(qū)，在此過程中，關(guān)節(jié)鏡下的等長重建、解剖重建和雙束重建等概念的提出，是ACL 損傷精準(zhǔn)治療的標(biāo)志。“等長”是指ACL 移植物在關(guān)節(jié)活動過程中彈性形變程度最小，即在該點時，活動膝關(guān)節(jié)前十字韌帶移植物的張力最小，目前認(rèn)為，當(dāng)滿足膝關(guān)節(jié)屈伸活動過程中前十字韌帶移植物形變距離小于2.0 mm 時，為可接受的等長重建[6]，尋找最佳等長點完成關(guān)節(jié)鏡下等長重建、探索解剖重建位置和等長重建位置的關(guān)系成為目前世界ACL 重建研究的熱點之一[17]。本研究亦以此為出發(fā)點，結(jié)合當(dāng)下熱門的3D 打印技術(shù)，模擬出患者個性化的膝關(guān)節(jié)，并研究其最佳等長點，為患者下一步治療提供了一定的參考，為關(guān)節(jié)鏡下股骨隧道定位和總結(jié)出普適性結(jié)論提供了一定的依據(jù)。

3.2 關(guān)節(jié)鏡下ACL 等長重建股骨隧道定位方法的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點

雖然，關(guān)節(jié)鏡下ACL 解剖重建為今后的發(fā)展方向，但不可否認(rèn)的是，等長重建仍然具有一定的適用性。目前，受到廣泛認(rèn)可的關(guān)節(jié)鏡下等長重建股骨隧道定位方法有兩種：根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)定位和根據(jù)影像學(xué)定位。解剖結(jié)構(gòu)定位是依據(jù)ZAVRAS 等[18]的研究，在over-the-top 點附近，關(guān)節(jié)鏡下定位采用時鐘定位法，右膝為10 點55 分，左膝1 點。根據(jù)術(shù)中透視定位，即四象限法，股骨隧道定位點即在后上方象限自上端起始第二個方格右上角。

關(guān)節(jié)鏡下等長重建的優(yōu)點在于手術(shù)相對簡單[19]，患者可早期進(jìn)行術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練，且康復(fù)時可最大程度地避免骨隧道擴(kuò)大效應(yīng)，保證了術(shù)后的效果。關(guān)節(jié)鏡下等長重建的位置相對比較恒定，不依賴股骨髁周圍的解剖標(biāo)志，鉆取隧道成功率高，避免了股骨髁后壁被打爆的風(fēng)險。但是缺點是：關(guān)節(jié)鏡下ACL 的等長重建多為單束重建，雖然保證了膝關(guān)節(jié)活動的前后穩(wěn)定性，但是對扭轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性依然不佳[20]。

3.3 本研究的創(chuàng)新性和局限性

本研究中，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于關(guān)節(jié)鏡下ACL重建手術(shù)中股骨隧道的位置研究，通過CT 的DICOM數(shù)據(jù)，利用mimics 和3-matic 數(shù)字處理系統(tǒng)建立股骨和脛骨的模型，將該模型利用3D 打印技術(shù)打印，得到患者 1：1 復(fù)制的膝關(guān)節(jié)。一方面，在行關(guān)節(jié)鏡手術(shù)前就對患者膝關(guān)節(jié)相關(guān)解剖學(xué)數(shù)據(jù)有一個清晰直觀的認(rèn)識；另一方面，在術(shù)前即可對ACL 最佳等長點進(jìn)行測量，將曾經(jīng)按照醫(yī)生經(jīng)驗定位改為測量定位，在術(shù)中提高了精確度，個體化程度高，避免了因患者骨骼大小不同而讓醫(yī)生完全憑借經(jīng)驗定位的困惑，為解決關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建股骨側(cè)隧道解剖定位準(zhǔn)確性的難題，提供了一定的參考價值。拉繩式位移傳感器原為工業(yè)測量用具，現(xiàn)用于本研究，為運動醫(yī)學(xué)距離測量提供了新的思路。

但本研究仍有一定的局限性。首先，根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查，ACL 損傷在運動員群體中女性多見，可能與女性生理結(jié)構(gòu)原因有關(guān)，比如：女性患者的腿部肌群力量較差，ACL 的粗細(xì)、韌性和男性也不盡相同[21]。本研究中男性患者占多數(shù)，可能存在偏倚。第二，納入研究的患者較少。第三，本研究為利用3D 打印膝關(guān)節(jié)，對關(guān)節(jié)鏡下ACL 等長重建的股骨隧道最佳定位點進(jìn)行初步探索，探索重點為單束重建。有學(xué)者經(jīng)過研究[22]指出，關(guān)節(jié)鏡下雙束重建無論是手術(shù)效果亦或是術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能方面都優(yōu)于單束重建。但是，雙束重建也有自己的弊端，雙束重建手術(shù)難度大，需要在股骨外側(cè)髁建立兩個骨道，并且骨道和骨道之間需要有不少于2 mm 的骨橋，這無疑增加了手術(shù)的難度和提高了骨橋被破壞的風(fēng)險，并且雙束重建相對于單束重建來說擴(kuò)大了創(chuàng)面[23]，術(shù)后腫脹會更明顯，康復(fù)亦會推遲，這對術(shù)后恢復(fù)極為不利。基于此，我國主流的關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建仍為單束重建。并且，若需要研究雙束重建，則現(xiàn)有的CT 數(shù)據(jù)不足以支持，需要更佳的層厚和分辨率以及MRI 相關(guān)數(shù)據(jù)，這有待于今后雙束重建普及后進(jìn)行進(jìn)一步研究。第四，本研究進(jìn)行的方差分析雖然證明無統(tǒng)計學(xué)意義，但是鉆取股骨隧道為經(jīng)驗行為，仍然有鉆孔失敗、鉆孔偏差過大、股骨髁被打爆的風(fēng)險，由經(jīng)驗性鉆孔變?yōu)榫_鉆孔仍需要進(jìn)一步研究。第五，本研究利用了拉繩式位移傳感器，雖已盡可能保證精度，但儀器本身仍可能存在誤差，而且縫線和隧道粗糙處有摩擦，固定在CPM 機上的模型會隨著機器的彎曲動作，這都可能出現(xiàn)輕微的角度或位置變化。本研究結(jié)果可為關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建術(shù)提供一定參考，若想得到精確的結(jié)果，仍需大樣本的實驗。