前沿研究

三维重建及术前规划辅助全膝关节置换方法

发布时间:2024-10-08 10:28:35      浏览  次

作者:朱永丽,张晓燕,朱丹丹,王学军(通信作者)

单位:内蒙古自治区人民医院 (内蒙古呼和浩特 010020)

〔关键词〕三维重建;术前规划;全膝关节置换术

〔中图分类号〕R687.4  〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1002-2376(2024)08-0001-05

基金项目:内蒙古自治区科技计划项目(2021GG0135);内蒙古自治区人民医院院内基金项目(2021YN24)

膝骨关节炎是由膝关节软骨变性和骨质增生导致的骨科疾病,老年人患病率较高。膝关节疼痛、关节畸形以及跛行等是该病的主要临床症状 [1-2]。膝骨关节炎的治疗方式主要为手术治疗,其中效果最好、效率最高的为全膝关节置换术 [3]。全膝关节置换术(total knee arthroplasty,TKA)多用于骨性关节炎的终末期 [4],可以显著改善患者膝关节功能及关节灵活性、恢复膝关节力线、改善畸形、缓解疼痛且有效提高患者生活质量 [5]。研究表明,全膝关节置换术治疗的关键点是股骨和胫骨假体旋转对线的校准 [6-7]。传统的膝关节置换术术前准备需基于下肢 X 线片的二维图像,依靠医师的主观判断进行术前评估及术前规划。术中切开后借助制式器械定位力线,确定截骨角度及截骨量,且术中需进行关节假体试模,不仅极大依赖术者的经验及手术熟练度,还会增加假体摆放偏差、截骨操作不当等,造成力线偏差,导致术后出现滑膜及软组织撞击、屈曲不稳定、聚乙烯衬垫磨损加速、膝关节僵直、步态异常等症状 [8-9]。据报道,传统膝关节置换术后下肢对线不良或假体对位失准发生率高达 20% ~ 30%[10]。近年来,随着计算机技术和辅助术前规划软件技术的发展,通过术前更加详细的规划,实现精准化、个性化的手术方案是膝关节置换发展的必然趋势。

本研究针对以上传统全膝关节置换术存在的问题,探讨一种基于软件的下肢全长三维重建及全膝关节置换术前规划的方法,辅助临床医师更加精准的进行病情诊断,分析下肢力线,规划截骨角度、截骨量,预选膝关节假体,从而避免传统手术弊端、提高手术成功率、改善预后。

1  资料与方法

1.1  一般资料

选取 2022 年 1 月至 2023 年 12 月医院行单侧全膝关节置换的 50 例膝骨关节炎患者,依据术前规划所用的辅助技术不同分为常规组和规划组。每组25 例。规划组男 6 例,女 19 例;年龄 54 ~80 岁,平均(69.96±7.15)岁;左侧膝关节 12 例,右侧膝关节 13 例。常规组男 9 例,女 16 例;年龄 56 ~ 76 岁,平均(67.56±5.43)岁;左侧膝关节 9 例,右侧膝关节 16 例。两组一般资料比较,差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性 , 见表 1。本研究符合《赫尔辛基宣言》要求,所有研究对象均知情同意。

表 1 两组一般资料比较

纳入标准:年龄 18 ~ 89 岁;经影像学诊断需行单侧全膝关节置换术;关节韧带结构完整;行初次全膝关节置换手术。排除标准:有髋关节、膝关节、踝关节手术史的患者;行双侧膝关节置换术的患者;合并血液系统疾病、免疫功能障碍、严重心肺等重要器官功能障碍的疾病。

1.2  方法

1.2.1  常规组

采用负重位下肢全长二维 X 线片进行术前规划。依据 X 线片可见患者右膝关节位于下肢力线外侧,诊断为右膝关节内翻,力线与解剖轴夹角增大,膝关节有一定程度的磨损、间隙变窄,需行膝关节置换术。术中通过导向器和导向杆辅助定位、确定截骨量,并通过术中试模,确定假体型号。

图 1 负重位下肢全长二维 X 线片

1.2.2  规划组

基于术前下肢全长 CT 影像数据进行三维重建,并在三维图像的基础上进行术前规划。采用GE 64 排 CT 扫描下肢全长 CT 影像,设置管电流为 156 mA、管电压为 120 kV、层厚为 1.25 mm。以获取的 CT 数据为基础,对其进行三维重建。将下肢全长 CT 数据输至医学 3D 数字影像建模软件 V2.0 中,运用软件的阈值分割功能;选取合适的阈值清晰显示骨组织,提取出骨组织,并进一步对下肢的股骨、胫骨、腓骨进行分离重建,如图 2 所示。

注:(a)阈值分割,(b)双下肢三维重建,(c)分离股骨、胫骨、腓骨

图 2 双下肢全长 CT 数据三维重建图

(1)术前测量与分析:在手术医师的全程参与下,以重建的三维图像为基础,结合患者的病情及下肢全长 X 线片测量数据,分析关节指标。采用医学 3D 数字外科手术虚拟规划软件 V2.0 在重建的患肢三维图像上确定各解剖轴及力线。a. 中心点确定:股骨头近似于球体,将股骨头球心作为髋关节中心点,将股骨髁中心点作为膝关节中心点,将内外踝表面间距中点作为踝关节中心点,如图 3所示。b. 解剖轴及力线的确定:下肢机械轴又称下肢力线,是将髋关节中心点与踝关节中心点相连接形成的线。连接髋关节中心点和膝关节中心点,可以作出股骨力线。股骨和胫骨的骨干中线为解剖轴。从膝关节中心点沿股骨骨干中线向上延申,作出股骨解剖轴;从踝关节中心点沿胫骨骨干中线向上延申,作出胫骨解剖轴。各解剖轴及力线如图 3 所示。该患者膝关节位于下肢力线外侧,诊断为膝关节内翻。c. 关键参数的测量:确定解剖轴和下肢力线后,对关键角度进行测量。外翻角的确定:外翻角是指股骨力线和股骨解剖轴之间的夹角,参考范围为5°~ 7°,一般认为 6°为宜。外翻角的测量如图 4所示。外旋角的确定:外旋角是指股骨通髁线与后踝线间夹角,参考范围为 0°~ 3°。外旋角的测量如图 5 所示。后倾角的确定:后倾角是指胫骨截骨线和胫骨平台截骨线的夹角,参考范围为0°~3°。后倾角的测量如图 6 所示。三个角度测量结果见表 2 所示。(2)膝关节置换手术方案规划:为了恢复患者患肢生物力线,将未患病的左下肢进行镜像,对患肢生物力线进行矫正,以此为基础规划膝关节置换方案,计算股骨远端截骨量、股骨后髁截骨量、胫骨平台截骨量,如表 3 所示。在重建的三维模型上标记三维模型的胫骨平台切线、胫骨内外侧线、旋转中心和截骨线,以确定截骨位置和截骨平面;通过下肢力线、股骨机械轴线、胫骨机械轴线确定矫正角度,并根据实际情况调整该角度。假体选择强生的 E009 和E019。(3)假体试模及方案验证:按照以上设计的手术方案中截骨位置、截骨角度及截骨量进行模拟截骨,并按照选择的假体型号在截骨后的模型上进行假体预安装试模,对安装关节假体的模型评估力线恢复情况,如与手术预期结果不一致,应对手术方案进行调整,直至确定手术方案。(4)手术实施:依据确定的手术方案实施手术。患者采用全身麻醉,取仰卧位。以髌旁入路切开暴露膝关节,去除骨赘。按照术前规划方案,精确测量、确定截骨角度及截骨量,进行截骨,安装试模评估下肢力线及内外侧间隙,确定后安装假体。假体安装后再次进行伸直及屈曲位间隙测试,确认无误后冲洗并关闭切口,完成手术。术后对膝关节行 X 线片检查,如图 7 所示。

图 3 下肢各解剖轴及力线

图 4 外翻角的测量

图 5 外旋角的测量

图 6 后倾角的测量

表 2 患侧下肢关键参数测量结果及参考范围

表 3 截骨规划参数

注:R 为右侧

图 7 术后膝关节 X 线片

1.3  评价指标

包括两组的手术时间、术中出血量、总住院时间及术后住院时间。

1.4  统计学处理

采用 SPSS 26.0 统计软件进行数据分析。计量资料以 x ±s 表示,采用 t 检验。计数资料以率表示,采用 χ2 检验。P< 0.05 为差异有统计学意义。

2  结果

2.1  两组手术时间及术中出血量比较

规划组与常规组手术时间比较,差异有统计学意义(P< 0.05)。规划组与常规组术中出血量比较,差异有统计学意义(P< 0.05)。见表 4。

表 4 两组手术时间及术中出血量比较(x ±s

2.2  两组总住院时间和术后住院时间比较

两组总住院时间和术后住院时间比较,差异无统计学意义(P> 0.05),见表 5。

表 5 两组总住院日和术后住院时间比较(x ±s

3  讨论

全膝关节置换术后下肢力线的恢复关系到患者的生活质量和假体的使用寿命。研究表明,下肢力线残余内翻会引起患者内侧假体聚乙烯衬垫磨损加速、外侧过度松弛程度加剧 [11],导致残余内外翻角度增加、聚乙烯衬垫磨损程度增加。而传统手术中,截骨角度、截骨量等直接影响力线恢复的因素极大依赖手术医师的主观判断,如果缺少经验或骨性标志发生变异,术中极有可能出现误判,导致截骨不够精准 [12-13]。有研究显示,即使是技术经验丰富的手术医师操作,术后下肢力线不良的发生率也可能 > 10%[14]

本研究结果显示,两组手术时间和术中出血量比较,差异有统计学意义(P< 0.05), 总住院时间及术后住院时间比较,差异无统计学意义(P> 0.05),说明通过术前三维重建及术前规划可以避免术中将不同型号的试模与患者骨骼进行多次比对,缩短手术时间、减少术中出血量。通过三维重建及术前规划,降低手术对手术医师经验及熟练程度的依赖性,避免手术的盲目性,尤其更适用于经验不足的青年医师。

三维重建及术前规划方法主要有以下几方面的优势。首先,基于患者 CT 影像数据的下肢全长三维重建,突破二维 X 线片的角度局限性,可以通过 360°旋转,充分观察患者的解剖结构变异、关节畸形情况。其次,通过三维重建图像从不同角度分析患者下肢力线改变情况,精确测量外翻角、外旋角、后倾角等重要参数,对患者病情进行准确判断。然后,基于以上参数可以预先规划患者股骨远端截骨量、股骨后髁截骨量及胫骨平台截骨量,制定最佳下肢力线恢复的个性化手术方案,最后,根据手术方案进行膝关节假体型号预选。

本研究尚存在不足,仅探讨了针对全膝关节置换术患者的三维重建及术前规划方案,但未对个性化截骨导板及膝关节假体的设计与实现进行探讨,未实现完全意义的全膝关节置换手术的个性化定制。而随着 3D 打印技术的快速发展,针对罕见或特殊病例,在常规假体无法满足治疗需要时,可以设计符合患者个性化需求的截骨导板及膝关节假体,通过 3D 打印技术进行快速制作 [15-16]。另外,本研究的三维重建是基于患者的下肢全长 CT 数据,因此患者除拍摄 X 线片外,还要拍摄 CT,一定程度增加患者的射线辐照量及诊疗费用。此外,由于时间问题,未对患者进行术后长期随访。

4  结论

与常规的手术规划比较,基于患者下肢全长CT 进行的三维重建及术前规划,能更精准的判断患者病情,术前制定可行的手术方案,减少术中不确定因素,缩短手术时间,降低术中出血量,有利于改善患者预后和关节功能的恢复。

【参考文献】  

[1]Zheng S , Wang B , Han W, etal . Vitamin D supplementation and inflammatory and metabolic biomarkers inpatients with knee osteoarthritis: post hoc analysis of a randomised controlled trial[J]. Br J Nutr, 2018, 120(1): 41-48.

[2]田少奇,王斌,刘江俊,等.微创单髁置换治疗膝关节骨性关节炎及骨坏死的中期临床疗效 [J]. 中华创伤杂志,2016,32(7):632-637.

[3]王坤正.浅谈中国关节置换外科的现状与未来 [J].中华关节外科杂志(电子版),2015,9(6):703-706.

[4]李新天,王炜,林进,等.以无痛锻炼为核心的快速康复方案对全膝关节置换术后康复效果的影响 [J]. 中国医药,2018,13(4):575-577.

[5]余昆,韩文锋,张叶兵,等.3D 打印技术在人工全膝关节置换术中的应用及进展 [J]. 华南国防医学杂志,2019,33(3):217-220.

[6]马涛,郝林杰,张育民,等.人工膝关节置换术发展现状 [J]. 中国现代医生,2018,56(36):160-164.

[7]辛锋,赵凤朝.3D 打印技术在行全膝关节置换术患者中的应 用分析 [J]. 中国医药,2019,14(7):1062-1065.

[8]寇海洋,张蕊,马建兵.全膝关节置换术中下肢力线对线的研究进展 [J]. 临床骨科杂志,2022,25(4):600-604.

[9]刘德健,李彦林,蔡国锋,等.3D 打印截骨导板辅助人工全膝关节置换术早期疗效分析 [J]. 中国修复重建外科杂志,2018,32(7):899-905.

[10]王体惠,王旭,吴锦清,等.股骨远端三维模拟截骨在膝关节置换中的应用 [J]. 中国组织工程研究,2024,28(6):905-910.

[11]Huang TW, Lee CY, lin SJ, et al. The influence of alignment on midterm outcome after total knee arthroplasty in patients with marked coronal femoral bowing[J].J Arthroplasty, 2015, 30(9): 1531-1536.

[12]柴浩,杨德勇,张 磊,等.3D 打印个性化截骨导板与传统全膝关节置换下肢力线准确性对比的Meta 分析 [J]. 中国组织工程研究,2023,27(4):646-654.

[13]刘鹏.全膝关节置换术前术后力线与功能、运动步态的相关性研究 [D]. 广州:广州医科大学,2021.

[14]Mahaluxmivala J, Bankes MJ, Nicolai P, et al. The effect of surgeon experience on component positioning in 673 Press Fit Condylar posterior cruciate-sacrificing total knee arthroplasties[J]. J Arthroplasty, 2001, 16(5): 635-640.

[15]石威,严伟,余昕,等.3D 打印截骨导板辅助人工全膝关节置换术在重度膝内翻畸形中的应用观察 [J]. 蚌埠医学院学报,2022,47(10):1401-1406.

[16]曾巍,陈扬,袁俊虎,等.3D 打印个体化膝关节假体在动物实验中的效果评价 [J]. 深圳中西医结合杂志,2022,32(23):1-4

内容来源于《医疗装备》杂志,如需转载请注明出处。

投稿系统

本系统为《医疗装备》唯一投稿平台,以方便作者在线投稿、查询、缴费等;《医疗装备》未授权其他任何单位、个人进行网站建设或收稿、收费等行为!

官方信息

  • 欢迎关注《医疗装备》官方公众号

《医疗装备》杂志社有限责任公司   版权所有   Copyright(c)2001-2017
ylzbzz.org.cn All Right Reserved    京ICP备17008523号-1   网站构建:Blovemedia