3D打印導板輔助前交叉韌帶重建術中骨隧道定位的準確性

宋丹丹 黃成龍 陳剛 俞涵 徐紅偉*

前交叉韌帶（anterior cruciate ligaments，ACL）斷裂是常見的運動損傷［1-2］，主要治療方法是關節鏡下前交叉韌帶重建，長期隨訪效果良好［3-4］。全球運動醫學研究已經開始探索更加精確的前交叉韌帶重建方法［5-6］。由于個體發育狀況的不同，不同患者的前交叉韌帶骨隧道存在差異［7］。在前交叉韌帶的重建過程中，準確確定前交叉韌帶的骨隧道解剖點并不容易，個體化的前交叉韌帶解剖重建尤為重要。目前，計算機輔助技術在ACL重建精確定位中的臨床應用鮮有報道。筆者根據患者術前影像學資料定制個體化3D打印定位導板，之后進行關節鏡下韌帶重建術，開發了一種個性化三維打印導航模板用于ACL重建。本文旨在探討3D打印技術是否能夠通過提高ACL重建手術中骨隧道的定位精度進而提高臨床療效，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 收集2016年1月至2019年6月在本院關節運動醫學科確診的單側前交叉韌帶斷裂患者40例，按照隨機數字表法分為3D打印組與傳統手術組，每組各20例（膝）。兩組患者的一般資料比較，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。所有患者術前常規行膝關節正側位、屈膝90°位CT薄層掃描和MRI檢查，判斷是否存在其他合并損傷，手術由同一手術醫師組實施，前交叉韌帶重建替代者均采用自體股薄肌和（或）半腱肌，術后均接受關節運動醫學科的常規護理和康復訓練。本研究經醫院醫學倫理委員會批準，所有患者簽署知情同意書。

表1 兩組的一般資料比較

1.2 3D打印前交叉韌帶定位導板制作 收集患者屈膝90°位膝關節CT薄層掃描檢查資料，根據公認的前交叉韌帶的脛骨止點、股骨止點定位方法，使用Mimics 17.0確定前交叉韌帶脛骨、股骨側止點，合成導板模型，利用3D打印機（3DSL-450Hi）打印該導板模型，采用PLA材料完成經脛骨隧道3D 打印前交叉韌帶定位導板制備。

1.3 手術方法 （1）3D打印組：關節鏡手術，患者平臥位，患側膝關節處于90°屈曲位。先行鏡下關節腔探查，確認前交叉韌帶斷裂，清理韌帶殘端。通過髁間窩的形狀決定是否進行髁間窩的成形。隧道制備：膝關節屈曲處于90°左右，將定位導板貼合膝關節皮膚，關節鏡監視下通過導板內側的導針孔直接打入定位導針，導針出脛骨髁間位置即為前交叉韌帶脛骨側關節內出口，然后膝關節保持此姿勢，將導針進一步打入，通過鏡下監視查看是否滿足韌帶止點足印區重建的需求，如果無法完全滿足再進行適當的屈伸膝關節，內外翻以及內外旋膝關節［6］，調整股骨隧道的精確定位點，將導針打入股骨直至穿透股骨外側皮質，然后選取與移植物直徑一致的骨隧道鉆頭先后制作脛骨、股骨隧道。韌帶移植物置入：先行處理合并損傷，如半月板成形、半月板縫合等。合并損傷處理完成后，將制備的相應大小的移植物拉入骨隧道，股骨側選取Tightrope懸吊鋼板固定，脛骨側采用羥基磷灰石擠壓螺釘擠壓固定。（2）傳統手術組：手術前準備、關節腔探查及殘端清理同3D打印組。術者通過個人經驗通過前交叉韌帶導向器確定關節內前交叉韌帶重建股骨和脛骨側隧道口定位點，先制備脛骨隧道，然后通過經脛骨隧道定位技術確定股骨側隧道，采用與移植物直徑一致的骨隧道鉆頭制備骨隧道，移植物植入固定與合并損傷處理同3D打印組。兩組手術均由同一手術組完成。

1.4 評價指標 （1）手術時間；（2）術后脛骨隧道情況：采用Klos法，即通過膝關節X片測量隧道中點在脛骨前后徑上的相對位置，正常標準數值為（46±3）%；（3）術后股骨隧道情況：采用Amis法，即通過在X片上做一與股骨外髁后方相重疊的同心圓，平行Blumensaat線畫經過同心圓圓心的一條直線，測量股骨隧道的中心點在該直線上的相對位置，正常標準數值為（61±5）%。（4）術后隨訪情況：術后1、3、6、12個月進行門診隨訪，治療效果評價采用Lysholm及Tegner法。（5）手術前后患者的膝關節活動范圍。（6）深靜脈血栓、感染等并發癥發生情況，有無移植物松動或者移位。

1.5 統計學方法 采用SPSS 25.0統計軟件。計量資料以（±s）表示，采用t檢驗、秩和檢驗或重復測量方差分析；計數資料以［n（%）］表示，采用χ2檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

3D打印組平均手術時間為（52.9±3.8）min，傳統手術組為（66.3±4.5）min，差異有統計學意義（P＜0.05）。兩組骨隧道準確性評價：Amis法，3D打印組為（45.17±1.27）%，傳統手術組為（41.14±1.18）%；Klos法，3D打印組為（62.62±2.06）%，傳統手術組為（53.19±2.68）%；組間差異均有統計學意義（P＜0.001），可見3D打印組在股骨、脛骨隧道定位方面明顯優于傳統手術組，更接近于解剖位置。術后隨訪，3D打印組的Lysholm評分由術前（57.06 ±3.76）分提高至術后（95.62 ±1.42）分，傳統手術組由術前（56.76 ±4.30）分提高至術后（96.33 ±1.51）分；3D打印組的Tegner評分由術前（3.47 ±0.43）分提高至術后（6.07±0.63）分，傳統手術組由術前（3.41 ±0.50）分提高至術后（5.92±0.58）分；兩組的Lysholm評分、Tegner評分比較，差異均無統計學意義（P=0.567）。3D打印組患者的膝關節活動范圍在術前為（85.9±11.3）°，術后提高至（115.8±7.2）°，傳統手術組由（87.3±7.7）°提高至（120.9±9.5）°，差異無統計學意義（P=0.367）。兩組患者均未出現深靜脈血栓、感染等并發癥，未有移植物松動或者移位。

3 討論

作為前交叉韌帶損傷治療的最佳方法，準確定位ACL解剖插入點是一項挑戰，骨科醫生主要通過關節鏡下可見的骨標志物來定位，很難實現完美的前交叉韌帶解剖重建，可能導致手術失敗。已有研究者探索出精確定位ACL插入點的新方法，并發現使用熒光透視導航系統、激光定位系統或基于2D-3D配準的重建導航系統可以實現精確的骨隧道位置定位［8-9］。在手術操作過程中，由于關節鏡鏡頭視野的限制常常無法實現骨隧道的精準定位，將直接影響植入物的術后環境，影響移植物的存活壽命，甚至導致重建手術的失敗，故而術中準確的骨隧道定位以及術后精準的測量尤為關鍵［10］。

本研究根據不同患者影像學檢查結果個性化定制3D打印導板，輔助韌帶重建術中骨隧道定位。傳統經脛骨隧道定位完全依賴手術醫師個人經驗，從而無法尊重患者個體差異。而3D 打印定位導板可以根據患者的脛骨與股骨解剖結構、足跡區等進行綜合分析，完全依據患者的個體特征建立通道，使隧道位置更近解剖位［11］，對患者術后膝關節功能的恢復與傳統手術無統計學差異。本研究結果顯示，3D 打印組具備解剖優越性，并可以獲得與傳統手術相近的手術效果。傳統組的股骨隧道位置較淺、較低，脛骨隧道位置更靠近脛骨平臺的前邊緣和內側邊緣。從結果來看，采用3D打印導板輔助前交叉韌帶重建術隧道位置優于傳統手術組，更接近解剖重建。術后隨訪，兩組的手術效果具有統計學差異（P＜0.05），兩組的Lysholm評分和Tegner評分均表明患者膝關節功能恢復良好，隨訪期間均未出現有限的膝關節伸展，可間接表明移植物未與髁間切跡碰撞，重建的骨隧道位置良好。此外，實驗組無切口腫脹、感染或其他不適的報告，表明本研究中用于模板的PLA材料可以安全地用于臨床。

本研究存在的不足：3D打印導板仍然是根據Amis法確定股骨隧道，依據Klos方法確定脛骨隧道，并完全根據不同患者的解剖結構進行個體化定制。未來還需進一步完善定制流程及標準，進而形成完整的定制體系，根據患者前交叉韌帶的走行及解剖數據，進行計算機建模并利用3D打印機制作，真正做到個體化。術后3D打印導板組和傳統手術組的結果評價，單純依據臨床膝關節功能評分較為簡單，缺乏其他術后評價指標，后期可以增加術后CT檢查等影像學指標來評價術后隧道的合理性、準確性，進一步完善評價體系。

綜上所述，3D打印導板相較于傳統的經脛骨隧道定位法可以顯著提高隧道定位的準確性，手術安全、結果滿意，且操作流程簡便，可以在基層醫院推廣應用。