三維重建在全膝關節置換術中的應用進展

摘要：人工膝關節置換是通過手術將病損的膝關節由人工關節部件所替代[1]，其中，人工全膝關節置換（TKA）在臨床上應用較為廣泛 [2]，但全膝關節置換存在假體松動、下沉和失穩等并發癥，這就要求在手術過程中，必須更好的恢復下肢生物力線[3]，更精確的截骨，最大程度的平衡周圍軟組織[4]，提高假體植入的幾何精度，對于這些核心問題，過去往往是根據術者在手術過程中肉眼和經驗來判斷，無形中增大了手術誤差，近些年來，三維重建技術廣泛應用到全膝關節置換術中，獲得了較好的療效，尤其是對于嚴重內外翻畸形，嚴重骨質增生，軟骨面磨損和術中難以判斷股骨軸線的病例，術前在三維重建的膝關節模型上進行預測量和預截骨，初定假體型號和下肢力線，可以大大減少全膝關節置換術后并發癥的出現。

關鍵詞：膝關節；置換；三維重建；進展

膝關節是人體最復雜的關節，膝關節的靜力穩定結構與動力穩定的軟組織借助神經系統的反饋調制機制來維持膝關節功能運動，膝關節退行性變會引起膝關節的骨質增生，軟骨剝脫，疼痛畸形的病變，給人們的生活帶來嚴重不便。

在骨科領域，20 世紀的一項革新是人工關節的誕生，膝關節成形術（total knee arthroplasty，TKA）最早由Vernei 醫生提出，限于當時手術技術和材料缺陷等問題，手術未獲得成功，隨后經過100多年的研究，20世紀50年代誕生了鉸鏈式人工膝關節假體。從20世紀60年代末期至70年代中期開始，Gunston，Townly，Freeman，Swonson，Insall等專家逐步改進設計出了更符合生物力學的膝關節假體[5]，其中以Insall設計研發的全髁膝關節假體為代表。近10年來，人工膝關節置換術呈現出迅猛增加的趨勢。但膝關節周圍結構復雜，有的膝關節伴有嚴重內外翻畸形及關節失穩等情況，在進行全膝關節置換手術時難以精確的進行定位、截骨和選擇假體，故術后常見患肢下肢力線不良，假體大小選擇偏差，膝關節結構不穩，功能較差等情況[6]。

目前，全膝關節置換術中所使用的人工假體包括標準系列和定制系列兩種，其中標準系列人工關節在臨床應用較廣泛，它是按照常規膝關節的解剖參數進行設計加工的，以西方人膝關節為基礎，國產的人工膝關節假體在設計理念和制造水平上也多仿制進口假體，假體不僅種類有限費用高，而且假體參數與國內患者膝關節匹配度不佳，符合國人的膝關節假體設計的相關參數還不完善，因此，假體很難和骨質應力匹配，進而影響假體的穩定性和手術的成功率。定制化人工膝關節定制化人工膝關節是根據患者的實際情況制定個體化的膝關節假體，更適合患者的需要，但其涉及三維重建，數控加工等多個領域，耗時耗力，費用較高，難以普遍推廣。

評價人工全膝關節置換術是否成功主要參照術后患者的恢復情況以及假體的使用壽命，手術最重要的就是確定下肢力線，而在手術過程中，術中只能看到靠近膝關節的少部分股骨和脛骨，判斷下肢力線主要是通過手術醫生通過目測或經驗來決定，這種人為的因素無形中就增大了誤差，股骨髓內定位桿不同的入點會導致股骨力線的偏差，力線數據存在連鎖效應，初始誤差會引起誤差傳遞和累積，導致假體安裝位置的偏移，進而影響到手術的成敗。多年來，臨床專家一直致力于探索更精準更方便確定下肢力線和股骨髓內定位入點的方法。1997 年，Leitner 等[7] 提出了計算機輔助膝關節置換手術，其原理是利用光學定位追蹤儀，通過追蹤股骨、脛骨以及踝部的解剖點來確定下肢力線，此方法一度成為國外許多臨床醫師追捧的研究熱點，但其較高的專業性和定位的單一性，成為此項研究的瓶頸。我國的研究者通過對承受應力的脛骨平臺聚乙烯假體進行研究發現模擬解剖重建機體模型的重要性[8]。

三維重建技術始于20世紀80年代，通過計算機對CT掃描數據進行處理，獲得三維立體圖像，為臨床醫生提供個體化的膝關節解剖圖像，最近幾年，隨著計算機技術和醫學影像技術的迅猛發展，三維重建的精準度和實用性越來越高，越來越多的研究者開始追逐三維重建和醫療領域更有效的結合點。

1 人工全膝關節置換術的研究進展

1.1人工全膝關節置換術概況 膝關節置換術已經發展成為治療終末期膝關節病變的常用方法。Campbell 和Boyd，Smith-Petersen設計出了鑄型半膝關節假體， Walldius，Shiers于50 年代設計出內在穩定的等帶髓腔柄的鉸鏈式假體[9]，其可實現股骨和脛骨關節的置換，而且其較長的髓內固定柄在安裝關節時便于對線，但此類假體容易下沉松動，感染率高，臨床效果差，但在當時條件下，鉸鏈式假體是主要的選擇。上世紀70年代初，真正具有現代人工膝關節置換術的發明是John Insall[10]提出的全髁置換，全髁型膝關節假體（TCP）的股骨髁采用鈷鉻鉬合金，脛骨平臺為聚乙烯材料，髕骨假體圓弧形，避免解剖型髕骨假體復雜的旋轉對線過程。全髁型膝關節假體（TCP）臨床效果顯著，20年隨訪優良率93%左右，已成為衡量其他膝關節假體臨床療效的\"金標準\"。目前臨床使用最多的是非限制型全膝關節假體，盡管設計細節上，不同公司會各有特點，但總體設計大同小異，除了假體本身的設計特點和制造工藝以外，人們越來越多地認識到手術技術和假體安裝的精確程度是決定膝關節置換效果優劣的重要因素。

隨著人工膝關節置換在發達國家的開展，我國也逐漸引入了此項新技術，TCP型假體于80年代開展，骨水泥固定的解剖型膝關節假體于90年代初出現。受到國人和外國人生理解剖的差異，國產解剖型假體與進口假體也存在一定的區別，如國產假體內外髁寬度相對偏小，髕骨假體采用聚乙烯圓弧形設計，全部假體采用骨水泥固定。最近10年來，假體國產化進程不斷加速，人工膝關節置換術每年例數突破上萬人，國內外學術界交流頻繁，大大提高了骨科醫生的技術水平，在我國，接受TKA原發疾病以骨關節炎為主，大多數患者膝關節病損嚴重，但經過幾代人的不懈努力，我國TKA技術在屈曲畸形、嚴重內外翻畸形的膝關節疾病治療上取得了突飛猛進的發展，讓更多的中國人享受新醫療技術帶來的福音。

1.2人工全膝關節置換術的并發癥

1.2.1感染 人工全膝關節置換術后感染是一種嚴重的并發癥，臨床上表現為局部紅腫熱痛，關節功能障礙，常會引起膝關節的疼痛和病廢，以致手術完全失敗，一旦出現感染大多需要再次關節置換手術治療，甚至需行截肢術來糾正感染。因此，人工全膝關節置換術前應詳細了解患者是否服用激素，免疫制劑等，對于血糖較高的患者，術前常規進行降血糖治療，控制血糖達標，常規術前清潔備皮并使用抗生素，可以控制不被察覺的潛在感染，對于肥胖和類風濕性關節炎的患者尤其注意控制感染，術前30min再次行抗生素抗感染預防，手術區域滲入足量抗生素，并且使用抗生素骨水泥，提高局部抗生素的濃度，同時盡量縮短手術操作時間，術中充分止血，減少表淺組織的剝離，術后常規應用抗生素并定期換藥，觀察并預防感染。如果懷疑感染，術后拔引流管時，可以留取部分引流液作細菌培養加藥敏試驗，及時調整抗生素。如果一旦造成感染，并發假體松動，要根據實際情況選擇保留假體還是清除假體進行治療。保留假體治療方法主要是大劑量抗生素對癥治療，肢體制動和膝關節對口引流，而清除假體治療方法主要是全身使用大劑量敏感抗生素，徹底清創后可依據實際情況選擇關節切除成形術，融合術或截肢術。

1.2.2 下肢靜脈栓塞 下肢靜脈栓塞（DVT）是1856年由Virchow[11] 首先提出的，其原因大體概括為血流緩慢，血管壁損傷和高凝狀態。人工全膝關節置換術中，止血帶止血、屈膝位操作、骨水泥產熱等多種原因都會損傷血管，術后患者機體處于高凝狀態，下肢靜脈本身血流緩慢，并有靜脈瓣，下肢靜脈容易出現栓塞并形成血栓，通過靜脈造影或多普勒超聲可確診，臨床上也有用核素靜脈造影進行檢查診斷，雖然彌補了靜脈造影有創的缺點，但其較差的準確性使其在臨床應用不廣泛。臨床上，可以指導患者臥床休息，抬高并按摩患肢，使用低分子肝素藥物、右旋糖酐、華法林和阿司匹林預防下肢靜脈栓塞，一旦血栓形成，應當積極溶栓治療，可以使用鏈激酶和尿激酶藥物溶栓，如果血栓位置較高，可以通過靜脈血栓取出術或下腔靜脈網成形術進行積極治療，從而預防下肢深靜脈血栓。如果下肢深靜脈血栓已擴展到下腔靜脈且并發肺栓塞，往往會危及生命，肺栓塞是全膝關節置換術嚴重的并發癥，也是常見的死因，大多數發生在術后2～3w，肺栓塞患者早期癥狀不明顯，臨床診斷困難，可通過動脈血氣分析進行篩選，一旦診斷為肺栓塞，立即行氣管切開，插管，應用大劑量抗凝、溶栓藥物和生命支持藥物治療，但往往預后較差。

1.2.3關節僵硬 關節僵硬也是術后常見的并發癥， 關節僵硬與術后疼痛、感染、假體選擇不當、假體植入位置不當、髕股關節問題、關節纖維粘連以及術后功能鍛煉不及時、不到位有關，人工全膝關節置換術的患者在藥物或止痛泵鎮痛的基礎上，早期行CPM機或被動屈伸膝關節功能鍛煉，術后1w患膝屈曲范圍超過90°。

1.2.4關節不穩 全膝關節表面置換術后有關節不穩的并發癥，常由術前未規范檢查，術中損傷韌帶，手術操作不當和假體設計植入不佳造成，影響了膝關節的穩定性和活動度，給患者術后膝關節活動帶來了不良影響，所以術中要遵循膝關節屈伸位間隙對稱的原則，對不穩定的軟組織給予重建修復，嚴格手術操作流程和規范，恰當選擇假體的大小，盡可能的避免關節不穩的發生。

1.2.5假體松動 全膝關節置換術后無菌性假體松動的發生率為3%～5%，很多原因會引起假體松動，比如術后感染，假體設計不合理，骨質疏松，術中截骨太多，下肢力線不佳、術后活動量過大等。假體松動的患者表現為負重時患膝疼痛加重，在膝關節X線片上見假體周圍有大于2mm且進行性增寬的透明帶，根據患者實際情況，可選擇假體返修術進行治療。臨床上可以通過提高手術精確度，固定假體前充分沖洗，固定假體時，使骨水泥和骨間隙充分融合等方法來預防假體松動的發生。

1.3人工膝關節置換術的展望 人工膝關節置換術經過數十年的發展，已經成為治療各類中晚期膝關節疾病的經典手術之一，但限于種種原因，全膝關節置換術也有失敗的病例，這無形中加重了患者的精神痛苦和經濟負擔，過去的幾十年，骨關節外科的醫務人員不斷研究提升膝關節置換的手術操作技術，關節假體設計技術人員也不斷研究新型關節材料，完善假體設計缺陷，使得全膝關節置換術有了長足的發展。近年來，隨著社會科技水平的不斷發展，許多新技術應運而生，并且融入到全膝關節置換手術中，比較有代表性的就是計算機輔助導航技術，它的誕生，為微創手術提供了強大的技術支持，既有助于準確植入假體，減少假體松動、磨損，同時可以改善術后膝關節功能，延長假體的使用壽命，目前該技術在個別大醫院逐漸開始應用，但是該技術對手術醫生的專業性要求較高，普及比較困難。國內一線骨關節外科的專家一直致力于尋找全膝關節置換術和計算機軟件的有機切入點，既簡單易懂好操作，又能夠提高全膝關節置換術的精準性，同時不會增加患者的負擔。近幾年，三維重建技術不斷發展，其在人工全膝關節置換術中的應用越來越受到骨關節外科的追捧，并紛紛將其應用于臨床，取得了一定的進展，三維重建技術和全膝關節置換術的有機結合，將會進一步推動全膝關節置換術的發展。

2 三維重建在人工全膝關節置換術中的應用

2.1膝關節三維模型建立的意義 膝關節置換術中，每個患者膝關節病變程度不同，其截骨、安裝參數也不同，正確選用截骨、安裝參數是膝關節置換手術的關鍵問題，術中如何確定截骨、安裝參數是人工全膝關節置換術的難點，近些年來，隨著三維重建醫學影像學的迅猛發展，眾多的研究者一致認為三維圖像重建可以作為開展全膝關節置換術研究的基礎，但限于種種原因，目前對膝關節周圍組織結構分割重建方面的研究較少[12-13]，故借助CT技術，進行膝關節周圍組織結構的三維重建，成為了更多臨床專家研究的方向，為推進個體化的全膝關節置換提供有力的技術支持。

2.2三維重建技術在臨床上的應用 醫學圖像三維重建技術誕生于20世紀80年代，它是通過對生物組織結構的連續圖片進行旋轉、切割，從而可以獲得三維立體圖像的方法。臨床上，該技術主要的研究對象是CT和MRI醫學影像數據。三維重建技術的應用減少了臨床上測量的誤差。Godest[14]等應用計算機三維成像技術對全膝關節置換術后的有效性、安全性評估進行了研究顯示，影響全膝關節置換術后臨床效果的關鍵因素是假體的選擇的準確性。我國的研究者通過對承受應力的脛骨平臺聚乙烯假體進行研究發現模擬解剖重建機體模型的重要性。

2.3三維重建在膝關節置換術未來的研究重點 三維重建在膝關節置換術已經取得了非常顯著的成績，在輔助術者正確確定下肢力線，正確選擇假體大小，準確平衡軟組織等方面發揮了重要作用，未來可以將研究重點放在開發更小創傷的示蹤器固定系統、電子平衡測量儀系統和人機互動系統等方面，發揮計算機編程的作用，將術前三位重建的數據運用到計算機編程系統中，通過計算機機器人完成術中操作，真正實現人機的智能化轉變。

3 結論

全膝關節置換術常見下肢力線不良、髕骨軌跡不佳、假體位置不好和軟組織平衡失穩等情況，傳統膝關節置換術通過機械式髓內隨外定位進行截骨，即便是經驗豐富的醫生也只是憑肉眼和手感來判斷假體置位及韌帶平衡情況，這就會大大影響手術的精確度，三維圖像重建是開展個體化膝關節置換研究的基礎，利用CT數據，進行膝關節結構的分割、重建、配準，制定個體化的膝關節假體模型，制定術前規劃及截骨方案，有助于正確重建下肢力線、準確定位截骨、準確置入假體、穩定軟組織平衡，可以實現膝關節假體的個體化，膝關節置換的標準化。因此，三維重建應用于全膝關節置換術，可以減少手術誤差，提高手術精度，改善臨床效果，增加患者術后的滿意度，值得在臨床推廣使用。

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編輯/哈濤