李滔 李彥林 余洋

摘 要：前交叉韌帶重建的成功關(guān)鍵之一在于韌帶隧道的準(zhǔn)確定位，由于膝關(guān)節(jié)軟組織遮擋、關(guān)節(jié)鏡視覺(jué)、術(shù)者經(jīng)驗(yàn)等因素導(dǎo)致隧道定位不準(zhǔn)，而計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用為準(zhǔn)確定位韌帶隧道提供了另一種技術(shù)應(yīng)用。本文對(duì)近年來(lái)計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的種類(lèi)、優(yōu)缺點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)結(jié)合3D打印技術(shù)研制的3D打印個(gè)體化導(dǎo)航模板應(yīng)用做一綜述。

關(guān)鍵詞：前交叉韌帶；計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)；3D打??；導(dǎo)航模板

中圖分類(lèi)號(hào)：R687.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.06.003

文章編號(hào)：1006-1959（2018）06-0007-03

The Application of Computer Navigation in the Reconstruction of Anterior Cruciate Ligament

LI Tao1，LI Yan-lin2，Yu Yang2

（1.Department of Orthopedics，Second People's Hospital of Yunnan Province，Kunming 650021，Yunnan，China；

2.Department of Sports Medicine，F(xiàn)irst Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650032，Yunnan，China）

Abstract：One of the keys to the success of anterior cruciate ligament reconstruction is accurate positioning of the ligament tunnel. The positioning of the tunnel is inaccurate due to knee soft tissue occlusion，arthroscopic vision， surgeon experience and other factors. The development of computer-assisted navigation technology is to accurately locate the ligament tunnel.Another technology application is provided.This paper summarizes the types，advantages and disadvantages of computer-aided navigation systems in recent years，and the application of 3D printed individual navigation templates developed in conjunction with 3D printing technology.

Key words：Anterior cruciate ligament；Computer navigation technology；3D printing；Navigation template

計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)也稱(chēng)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（computer-assisted surgery，CAS），應(yīng)用于需要精確定位的骨科手術(shù)取得很大進(jìn)步，其通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助虛擬手術(shù)環(huán)境為外科醫(yī)生提供操作上的指導(dǎo)，可為術(shù)中定位提高精確性、準(zhǔn)確性和安全性[1]。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)已逐漸被廣泛運(yùn)用于脊柱椎弓根釘?shù)膶?dǎo)航、膝關(guān)節(jié)置換及前交叉韌帶重建等手術(shù)領(lǐng)域。前交叉韌帶（anteriorcruciateligament，ACL）重建術(shù)越來(lái)越成為常見(jiàn)手術(shù)，其目的是為了恢復(fù)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定，盡管關(guān)節(jié)鏡下ACL重建手術(shù)成為常規(guī)方式，然而文獻(xiàn)報(bào)道中仍有1.8%～12.3%的失敗率[2]。隨著對(duì)于膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)和生物力學(xué)的認(rèn)識(shí)不斷深入，ACL重建的技術(shù)從等長(zhǎng)重建逐漸轉(zhuǎn)向解剖重建[3，4]，這就意味著韌帶重建的隧道定點(diǎn)必須找準(zhǔn)原來(lái)的解剖止點(diǎn)。然而，由于膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)變異、軟組織遮擋、關(guān)節(jié)鏡視角、術(shù)者經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，在中長(zhǎng)期隨訪中出現(xiàn)了相應(yīng)數(shù)量的ACL重建失敗[5-7]，其失敗原因之一是因?yàn)閭€(gè)體ACL直徑和足印區(qū)位置的差異[8，9]，加上大多數(shù)初行ACL重建的骨科醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致隧道位置失誤[10-13]，從而導(dǎo)致術(shù)后韌帶松弛失效、膝關(guān)節(jié)失穩(wěn)、交叉韌帶撞擊、活動(dòng)受限、繼發(fā)半月板損傷等并發(fā)癥。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)既能使ACL重建時(shí)移植韌帶的精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)與精確較好的結(jié)合，同時(shí)能夠通過(guò)術(shù)中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)手術(shù)效果，對(duì)于提高手術(shù)成功率等具有十分重要的意義。由此，本文就目前計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在前交叉韌帶重建手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展做一綜述。

1目前應(yīng)用于臨床的計(jì)算機(jī)輔助ACL重建隧道定位系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

1.1 OrthoPilot系統(tǒng) OrthoPilot系統(tǒng)（德國(guó)Tuttlingen公司）的特點(diǎn)是無(wú)需術(shù)前和術(shù)中X線、CT及MRI影像，采用術(shù)中采集的解剖標(biāo)志點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)脛骨和股骨側(cè)韌帶隧道定位?？梢赃x定韌帶股骨端及脛骨端的相對(duì)等距重建點(diǎn)，并根據(jù)膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)過(guò)程中韌帶的動(dòng)態(tài)變化，檢測(cè)移植韌帶與髁間窩是否發(fā)生撞擊[14]。Eichhom在3年間采用OrthoPilot系統(tǒng)完成了超過(guò)300例手術(shù)，與常規(guī)手術(shù)相比改善了隧道定位和操作的準(zhǔn)確性。Angelini等[15]比較Orthopilot組與常規(guī)手術(shù)組，兩組在隧道位置上無(wú)差異，Orthopilot組重建的前交叉韌帶在屈曲和伸展時(shí)的距離變化較小，等距性更好。

王偉等[16]采用OrthoPilot紅外線計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助關(guān)節(jié)鏡下行ACL重建術(shù)，通過(guò)采用解剖標(biāo)志點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)為標(biāo)記，對(duì)脛骨和股骨隧道入點(diǎn)及方向進(jìn)行導(dǎo)航，精準(zhǔn)定位股骨和脛骨隧道口足印位置，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)導(dǎo)航，提供實(shí)時(shí)影像以隨時(shí)糾正定位。極大的提高了前交叉韌帶重建手術(shù)時(shí)隧道定位的精確度，避免因隧道定位誤差而引起的不良并發(fā)癥。經(jīng)治療35例ACL損傷患者，術(shù)后行KT-1000和Lachman試驗(yàn)，并采用Lysholm和Tegner膝關(guān)節(jié)評(píng)分系統(tǒng)評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)功能及運(yùn)動(dòng)水平，術(shù)后療效評(píng)價(jià)優(yōu)良。

1.2 Bone Morphing系統(tǒng) Bone Morphing系統(tǒng)的經(jīng)典代表有Surgetics（法國(guó)Praxim公司），術(shù)中通過(guò)軟件三維建模技術(shù)，重建膝關(guān)節(jié)精確的三維解剖。所得到的模型可實(shí)時(shí)顯示重建韌帶的位置及方向，選擇等距點(diǎn)，評(píng)估是否撞擊，從而指導(dǎo)準(zhǔn)確的隧道出入點(diǎn)。其可以實(shí)時(shí)提供三維可視化圖像，動(dòng)態(tài)監(jiān)控指導(dǎo)韌帶重建中方向、位置，從而術(shù)中取得韌帶重建等距點(diǎn)與可能發(fā)生髁間窩撞擊之間更好的平衡，使得韌帶重建更加有效恢復(fù)解剖生理功能。該導(dǎo)航系統(tǒng)不但能夠用于術(shù)中定位，而且能夠評(píng)估膝關(guān)節(jié)的前向穩(wěn)定性和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，為膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性評(píng)估提供準(zhǔn)確的、客觀的依據(jù)。Mueahl等[17]使用該導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)中比較傳統(tǒng)的ACL單束重建、解剖前內(nèi)束重建和雙束重建的效果，結(jié)果證明雙束重建優(yōu)于傳統(tǒng)的單束重建和解剖前內(nèi)束重建。

1.3 透視導(dǎo)航的ACL重建系統(tǒng) 透視導(dǎo)航系統(tǒng)是通過(guò)將反射紅外線的球形導(dǎo)航子安放于脛骨近端和股骨遠(yuǎn)端，在C型臂X線機(jī)透視器上安裝反射性導(dǎo)航盤(pán)套，采用C型臂獲取數(shù)據(jù)并配準(zhǔn)，應(yīng)用軟件得出透視后的三維圖像，通過(guò)紅外線鏡頭跟蹤，手術(shù)器械可實(shí)時(shí)顯示三維圖像，從而根據(jù)三維圖像準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)隧道入口，并在三維圖像監(jiān)控下準(zhǔn)確鉆出隧道。

馮華等[18]報(bào)道臨床上通過(guò)透視結(jié)合紅外線主動(dòng)跟蹤型計(jì)算機(jī)導(dǎo)航，對(duì)40例導(dǎo)航組與40例單純關(guān)節(jié)鏡下重建組進(jìn)行術(shù)后隧道位置的測(cè)量結(jié)果比較，術(shù)后X線片測(cè)量結(jié)果顯示：導(dǎo)航組手術(shù)脛骨隧道的位置平均位于45.35%，符合（46±3）%的理想范圍，位置不佳者占17.5%；關(guān)節(jié)鏡組的位置平均位于41.05%，明顯偏前，位置不佳者占50.0%。說(shuō)明導(dǎo)航組準(zhǔn)確程度明顯提高。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)可以使關(guān)節(jié)鏡下前交叉韌帶重建手術(shù)中脛骨及股骨隧道的位置更偏后，提高了手術(shù)準(zhǔn)確性，同時(shí)縮短了初學(xué)者的學(xué)習(xí)曲線并減少患者和術(shù)者被X線照射時(shí)間。

然而，上述的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)臨床應(yīng)用受到一定限制，首先是購(gòu)買(mǎi)或租賃系統(tǒng)的費(fèi)用高，導(dǎo)航系統(tǒng)校準(zhǔn)需要嚴(yán)格的技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)操作需專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)，比傳統(tǒng)手術(shù)花費(fèi)更多，經(jīng)濟(jì)效益不佳[19]。其次，導(dǎo)航系統(tǒng)可能存在“圖像漂移”等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航不準(zhǔn)確[20]。既往計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)增加的手術(shù)時(shí)間一般需要9～45 min[21]。因此，一種運(yùn)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的個(gè)性化骨科手術(shù)導(dǎo)航模板的新技術(shù)產(chǎn)生了。

2 3D打印導(dǎo)航模板技術(shù)在前交叉韌帶隧道定位中的應(yīng)用

近年來(lái)逆向工程技術(shù)和快速成型技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，3D生物打印技術(shù)逐漸運(yùn)用于術(shù)前規(guī)劃與手術(shù)模擬、個(gè)性化內(nèi)置物、骨組織工程支架、組織打印四個(gè)方面[22]。隨之骨科手術(shù)中出現(xiàn)了一種個(gè)性化導(dǎo)航模板技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)術(shù)前計(jì)算機(jī)軟件精確設(shè)計(jì)個(gè)體化的骨三維模型，在骨模型上設(shè)計(jì)精確的導(dǎo)航模板，然后應(yīng)用快速成型技術(shù)制作成3D打印導(dǎo)航模板實(shí)物工具，術(shù)中通過(guò)將模板的特征曲面與骨骼表面貼合后即可到達(dá)個(gè)性化的定位或截骨，應(yīng)用于手術(shù)中的精確定位，該技術(shù)最早被應(yīng)用于脊柱椎弓根釘?shù)闹萌雽?dǎo)航，逐漸被擴(kuò)展至全膝關(guān)節(jié)置換定位截骨、關(guān)節(jié)矯形截骨、骨折固定定位、前交叉韌帶重建隧道定位等方面的研究和應(yīng)用。

劉欣偉[23]應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)性化股骨側(cè)定位輔助法并應(yīng)用于前交叉韌帶（ACL）重建手術(shù)。具體的利用3D打印技術(shù)為：通過(guò)CT及MRI數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維模型重建，并將骨模型與前交叉韌帶模型融合，以精確定位健側(cè)ACL足印區(qū)，將健側(cè)鏡像處理后得到患側(cè)3D模型，去除ACL圖像得到患側(cè)ACL股骨側(cè)解剖足印區(qū)，并定位其中心點(diǎn)即術(shù)中導(dǎo)針入點(diǎn)，同時(shí)可調(diào)整導(dǎo)針?lè)较蛞岳斓烙诠晒峭鈧?cè)髁內(nèi)的長(zhǎng)度合適（長(zhǎng)度>35 mm），利于快速成型技術(shù)制作3D打印的股骨隧道定位導(dǎo)板模型。將其應(yīng)用于前交叉韌帶重建手術(shù)定位并與對(duì)照組對(duì)比，結(jié)果兩組患者手術(shù)過(guò)程均順利，均未出現(xiàn)并發(fā)癥。結(jié)論得出：應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)性化股骨側(cè)定位導(dǎo)航膜板進(jìn)行ACL重建手術(shù)，有助于精準(zhǔn)定位股骨側(cè)解剖點(diǎn)，控制導(dǎo)針?lè)较颍陔旃怯?，降低“打爆”后方皮質(zhì)的概率。

Jianlong Ni[24]等人通過(guò)對(duì)20例尸體膝關(guān)節(jié)運(yùn)用3D打印模板導(dǎo)航前交叉韌帶重建的股骨及脛骨隧道的研究，探討骨隧道位置的準(zhǔn)確性。成功設(shè)計(jì)并運(yùn)用3D技術(shù)打印模板，并通過(guò)CT數(shù)據(jù)分析隧道入口術(shù)前模板定位計(jì)劃點(diǎn)與實(shí)際鉆孔點(diǎn)之間偏差，其中股骨隧道顯示平均偏差0.57 mm（范圍：0～1.5 mm），脛骨隧道位置平均偏差0.58 mm（范圍：0～1.5 mm），從而驗(yàn)證運(yùn)用3D打印技術(shù)導(dǎo)航前交叉韌帶隧道的準(zhǔn)確性很高。

個(gè)性化導(dǎo)航模板導(dǎo)航無(wú)需術(shù)中進(jìn)行復(fù)雜的注冊(cè)和大型的電子導(dǎo)航系統(tǒng)，體積小，操作簡(jiǎn)單，定位精度高，既保留了機(jī)械定位導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)，又針對(duì)性地克服了影像導(dǎo)航技術(shù)存在的不足，在骨科導(dǎo)航定位中具有巨大的優(yōu)勢(shì)。較傳統(tǒng)手術(shù)方法具有更加個(gè)體化、精準(zhǔn)化的優(yōu)勢(shì)，且對(duì)于縮短手術(shù)時(shí)間，快速提高臨床醫(yī)師水平、縮短學(xué)習(xí)曲線、提高治療效果具有積極意義。此技術(shù)是數(shù)字化醫(yī)學(xué)技術(shù)及逆向工程技術(shù)等多學(xué)科的交叉，需不斷對(duì)該技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尚需大樣本及長(zhǎng)期隨訪明確其優(yōu)勢(shì)和不足。

綜上所述，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的3D打印導(dǎo)航模板技術(shù)均為前交叉韌帶重建手術(shù)提供了增加手術(shù)精確度的技術(shù)支持，使得隧道定位更加接近解剖位置，獲得良好的等距性能，避免移植肌腱與髁間窩的撞擊，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，有待于學(xué)者們深入探索。

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收稿日期：2018-1-22；修回日期：2018-3-1

編輯/楊倩