3D導板聯合混合現實在后交叉韌帶重建隧道定位中的應用*

謝旭華,范順云,李靖龍,羅浩天,張 俊,王 鋒

(1.云南省第一人民醫院骨科/云南省骨科與運動康復臨床醫學研究中心/云南省數字骨科重點實驗室/云南省呂維加專家工作站/云南省數字骨科創新團隊,云南 昆明 650000 2.云南省臨滄市人民醫院骨科,云南 臨滄 677000;3.云南省第一人醫院/昆明理工大學醫學院,云南 昆明 650000)

后交叉韌帶(posteriro cruciate ligament,PCL)損傷常見于高能量損傷,導致膝關節后向不穩。Ⅰ度及Ⅱ度的PCL損傷通常采取保守治療即可獲得較好的療效,而部分Ⅱ度和Ⅲ度損傷嚴重具有手術指征,關節鏡下PCL重建是治療此類損傷的常用方法[1,2]。

由于PCL脛骨側止點位于脛骨近端后側面、脛骨內外髁后緣當中凹陷處,距離脛骨后方關節面約1～1.5cm,關節鏡下行脛骨隧道制備時,常規前方入路難以直接觀察。另一種為雙后入路技術,此方法可直接觀察到止點,但技術難度大,需對后叉止點進行較廣泛的清理顯露,仍有一定局限性。隨著數字技術的到來,3D打印、混合現實技術的發展,筆者將兩種技術結合用于脛骨隧道的制備,初步驗證了該技術的可行性,取得了準確的定位,現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2022年6月-2023年1月應用3D打印導板聯合混合現實技術完成5例患者脛骨骨隧道制備,其中男4例,女1例;年齡18～52歲,平均 32.8歲。左側2例,右側3例。致傷原因:運動傷3例,交通事故傷2例。病程5～135 d,中位數 35.5 d。后抽屜試驗均為陽性,其中Ⅱ度1例、Ⅲ度4例,合并多韌帶損傷3例。納入標準:(1)臨床檢查及影像學檢查明確初次PCL損傷者(可合并其它韌帶損傷);(2)后抽屜試驗陽性(Ⅱ-Ⅲ°);(3)有手術指征者,均接受關節鏡下PCL重建手術治療,移植物使用目前公認可靠的自體肌腱或人工韌帶[3]。排除標準:(1)局部感染;(2)嚴重心肺功能受限及內科疾病;(3)下肢有嚴重靜脈血栓形成、下肢畸形或合并骨折等;(4)研究期間不服從研究協議,自行選擇出組者。該研究已經醫院倫理委員會同意。

1.2 術前準備

1.2.1 建模

術前掃描所有患者三維CT,將三維CT數據通過MIMICS軟件進行膝關節仿真建模設計骨隧道。本研究將骨隧道出口中心點中線位置定為:在CT冠狀位影像上應位于兩側髁間嵴中線略偏外側(占脛骨中內側總直徑的52%處)、關節面遠側1.5cm 處。矢狀位上骨道經過髓腔頂點近側>6mm(保證移植肌腱位于脛骨近端髓腔上方松質骨區),并距離脛骨近端后側皮質7mm(假設移植肌腱直徑9mm,保證脛骨近端后側保留2mm完整皮質),隧道與脛骨平臺關節線矢狀夾角在50°,見圖1。

圖1 A圖為骨隧道在CT冠狀位設計情況:c為該處脛骨平臺總直徑,b為中內側距離,止點中心占脛骨中內側總直徑的50%,即b/c=50%,a線為距脛骨平臺面的距離,為1.5cm,a、b線交點(黃點)為骨隧道中點定位。B圖為骨隧道在CT矢狀位設計情況:a為骨道中點線,距離脛骨后側皮質線(b)距離為7mm(c),與脛骨平臺的角度為48°,隧道出口點(黃點)位于脛骨平臺后側骨質斜面(d)中下1/3處,并保證a線位于脛骨骨髓腔上方的松質骨區。

1.2.2 制備3D導板

根據設計的骨隧道打印3D定位導板,導板上連接可用紅外追蹤的示蹤球,以及可插入克氏針的指示套筒套,見圖2,以便術中通過光學定位系統注冊、配準,獲取器械、攝像頭的空間位置,設置虛擬參數與攝像頭進行匹配,讓虛擬模型與攝像頭捕捉到的真實物體畫面實現重疊,達到混合現實效果,以實現三維實時手術導航。

圖2 A圖中a為3D打印導板,其上帶有示蹤球,b為脛骨近端三維模型,c為帶著示蹤球的指示套筒。B圖中導板置于脛骨近端模型上模擬定位。

1.3 手術方法

全麻下,患者取仰臥位;患肢驅血后止血帶加壓(45 kPa)止血,并自然下垂于手術臺邊緣或屈曲90°于手術臺上。常規取關節鏡前內、外側入路,行關節探查明確 PCL斷裂;取半腱、股薄肌、2/3直徑腓骨長肌做為自體移植物,處理編織肌腱,直徑達9mm,長度一般達12cm,用人工韌帶者省略上述操作。對半月板等結構處理后,常規制備股骨側骨道,再從前外側或中間入路觀察,由前內側入路置入脛骨止點定位器,適度剝離,能將定位器勾到脛骨平臺下約1.5cm處脛骨止點處實施保護即可,此時運用3D打印導板聯合混合現實技術輔助脛骨隧道制備。骨道制備好后,通過鋼絲常規將后叉移植物引入骨隧道,收緊后常規后續操作,固定肌腱。

1.3.1 術中配準

于脛骨結節內側常規取腱切口處適當顯露出脛骨結節內側、內側平臺下緣,能順利安裝帶有示蹤球的3D打印導板即可,用克氏針臨時固定,利用光學定位設備紅外追蹤3D導板上的示蹤球,進行配準,獲取器械、攝像頭的空間位置。設置虛擬參數與攝像頭進行匹配,讓虛擬模型與攝像頭捕捉到的真實物體畫面實現重疊,達到混合現實效果,實時手術導航見圖3。

圖3 A圖為術中將帶有示蹤球的3D導板在PST光學定位設備上注冊,B圖為將3D導板置于脛骨近端并固定,C圖在電腦屏幕中可見3D導板已于術前CT影像匹配融合。

此時帶有示蹤球的指示套筒套所指示的延長線(即骨隧道走行)即可在脛骨CT圖像上呈現立體動態顯示效果。

1.3.2 3D打印導板聯合混合現實技術輔助下脛骨隧道制備

順導板上的定位鉆入克氏針,套入指示套筒,即可在視頻中動態觀察到指示套筒套所指方向的骨隧道三維全貌,用常規定位器技術定位后,利用指示套筒套實時觀察比較兩骨道位置,發現兩骨道位置基本一致,遂按導板定位位置制備脛骨骨隧道,見圖4。

圖4 指示套筒套調整角度和位置,可實時在電腦的術前CT三維影像中觀察到所指示骨道的位置情況。

1.4 數據處理

2 結果

在納入研究的5例膝關節中,按隧道中心線與術前規劃線的距離對骨隧道的位置進行評估,優:≤2.5mm;良:>2.5mm且≤5mm;合格:>5mm且≤7.5mm;無效:>7.5mm。其中優4例,良1例。術前規劃矢狀角度(50±2.32)°,術后實測(50.55±2.75)°,誤差(0.16±1.9)°,骨隧道的制備時間平均35±5分鐘。通過該技術實際制備的骨隧道與術前設計高度一致,見圖5。

圖5 A、B、C、D圖為術前CT、MRI冠狀位、矢狀位影像,a、b、c、d圖為術后CT、MRI冠狀位、矢狀位影像對比圖,術前設計的骨道與最終制備的骨道基本一致。

3 討論

由于PCL止點位置較深,周圍神經血管豐富,傳統前入路下無法直視PCL止點,故無法精確定位脛骨隧道內口[4],且增加腘窩血管神經損傷風險[5]。為此,不少術者選擇雙后入路重建PCL,該術可較好的觀察后叉殘端,但在清理腘窩后側組織及殘端時也會增加血管、神經損傷風險[6],不利于移植肌腱的再韌帶化,術后甚至發生膝關節旋轉功能障礙和本體感覺缺失的風險[7]。移植物植入時應考慮以下3個方面:(1)“殺手轉彎”效應;(2)骨隧道位置;(3)移植物長度。移植物與脛骨隧道口之間相互磨損,導致移植物強度下降,隧道口擴大,即“殺手轉彎”效應[8],為減小該效應,術者會選擇較大的隧道角度以減少磨損[9],這樣會使移植肌腱進入脛骨髓腔區。有研究發現移植物與骨質的愈合強度在以松質骨為主導的股骨隧道要明顯優于以骨髓為主導的脛骨隧道[10]。

此外,當脛骨隧道角度過大時,還會增加近端脛骨后皮質與 PCL附著斜面之間“凹陷區”處后皮質破裂風險。針對該問題,Lee等[11]對10具新鮮的尸體脛骨進行CT測量,發現脛骨隧道相對于脛骨干垂線的最大角度不宜超過 52°。王智慧等[12]研究發現在骨道矢狀位方面,當隧道與脛骨平臺成 50°時被認為是最適宜的角度。此外,移植物長度也是決定其生物力學性能的重要因素,有效長度的增加反而會導致移植物拉伸剛度降低和抗變形能力減弱[13]。受限于關節鏡視野、二維視效及手術操作者的經驗、技術的差異,如何解決上述問題仍是一個技術難點。筆者通過術前骨隧道模擬規劃,術中利用3D導板和混合現實技術將設計的骨隧道還原到實體上,術中可在電腦顯示屏上實時監視隧道情況,從而精準定位骨隧道。初步結果證實了該技術的可行性,并體現出精準性高的優勢。

本究中發現,混合現實技術會出現“漂移”現象[14],即手術對象的解剖位置在三維空間內相對移動,這是因為配準有較大難度。配準就是把虛擬的3D數字模型與真實環境下的人體進行配準,保證實時環境下的虛實聯動。筆者在人體和器械上同時放置Mark點標記,通過(point source transmittance,PST)定位儀捕捉數據并輸入到本研究設計的手術導航系統中實時操作,即可實時配準,實現術中實時觀察的效果。

本研究也存在一些不足:(1)CT無法直接觀察到韌帶止點情況,難以達到個性化和精準化的解剖重建;(2)為避免影像漂移,術中直接將標記物鉆入脛骨的特定位置做為Mark點,利用移動CT行三維掃描獲得脛骨數據,現場建模進行骨道設計并引導制備骨道,但該方法對設備及技術人員的要求高;(3)跨關節活動后股骨側骨隧道定位難以用脛骨導板完成;(4)樣本數量小。針對上述問題,未來我們準備進行以下改進:(1)MRI能更好的觀察軟組織情況,若以健側PCL止點的鏡像為參照點進行數字建模設計骨隧道,能有效提高骨隧道放置的準確性;(2)集成現代化人工智能技術探尋經濟、簡單、可靠的方法以解決配準問題,完善股骨側隧道定位的導航研究;(3)增加樣本量,對骨隧道的相關數據進行進一步的統計學分析,從而得出更客觀、全面的結果。

綜上所述,當前證據表明,3D導板聯合混合現實技術輔助PCL重建可有效提高骨隧道位置的準確性。期待隨著計算機輔助系統的軟硬件進一步完善,計算機導航輔助下的關節鏡手術將會為PCL重建提供全方位個性化、精準化的解決方案。