3D打印技術(shù)在膝前交叉韌帶重建中的應(yīng)用

羅樹(shù)林，黃雨亭，戴工華，馬 敏，蔡俊豐，曾 文，尹 峰

0 前言

膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（Anterior Cruciate Ligament，ACL）損傷為常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)損傷[1-3]，前交叉韌帶損傷后膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性大大下降。故對(duì)于年輕且有運(yùn)動(dòng)需求的患者，往往需要進(jìn)行前交叉韌帶重建。但是很多前交叉韌帶重建術(shù)后患者仍然不能恢復(fù)運(yùn)動(dòng)甚至影響日常活動(dòng)，這與前交叉韌帶重建的位置不佳有密切關(guān)系。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)已越來(lái)越被臨床手術(shù)重視[4,5]。國(guó)外已有文獻(xiàn)報(bào)道了其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[6]，而國(guó)內(nèi)尚未報(bào)道。本研究對(duì)15例運(yùn)動(dòng)損傷導(dǎo)致的前交叉韌帶斷裂患者，通過(guò)3D打印技術(shù)輔助關(guān)節(jié)鏡下前交叉韌帶重建手術(shù)，術(shù)后效果優(yōu)良。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇2017年12月至2018年5月同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院收治的15例運(yùn)動(dòng)損傷導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶斷裂患者，其中籃球運(yùn)動(dòng)損傷5例，足球運(yùn)動(dòng)損傷4例，羽毛球運(yùn)動(dòng)損傷6例，男10例，女5例；平均年齡33.4歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）患者年齡在17～60歲；（2）存在明確的膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)癥狀；（3）單側(cè)膝關(guān)節(jié)初次前交叉韌帶重建患者；（4）術(shù)前核磁共振檢查明確前交叉韌帶斷裂。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）合并后交叉韌帶、內(nèi)側(cè)副韌帶等其他韌帶損傷者；（2）核磁共振檢查不明確前交叉韌帶斷裂者；（3）懷疑膝關(guān)節(jié)感染者。

1.2 方法

本研究中，膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建術(shù)式均采用自體腘繩肌腱4股單束固定，固定方式為股骨側(cè)股骨端統(tǒng)一采用Endobutton（英國(guó)，施樂(lè)輝）固定，脛骨端采用擠壓螺釘固定。所有病例術(shù)前均進(jìn)行膝關(guān)節(jié)Lysholm評(píng)分和CT掃描，使用320排計(jì)算機(jī)斷層掃描（日本，東芝）對(duì)患者膝關(guān)節(jié)平掃加重建，掃描參數(shù)為管電壓120 kV，管電流250 mA、0.5 mA，1 mm/層，骨算法重建。機(jī)器操作及圖像重建由同一位影像科專業(yè)人員完成。使用MIMICS19.0對(duì)影像進(jìn)行處理，并設(shè)計(jì)股骨骨隧道導(dǎo)板 （圖1），采用FDM （Fused Deposition Modeling）3D打印機(jī)打印膝關(guān)節(jié)模型及導(dǎo)板（圖2），通過(guò)模型進(jìn)行膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建預(yù)手術(shù)，定位股骨止點(diǎn)位置，同時(shí)測(cè)量股骨骨隧道長(zhǎng)度。在實(shí)體操作時(shí)，采用膝前外側(cè)、前內(nèi)側(cè)入路，將導(dǎo)板經(jīng)前內(nèi)側(cè)入路進(jìn)入，如發(fā)生導(dǎo)板不貼服，可采用前內(nèi)下入路插入導(dǎo)板（圖3），定位前交叉韌帶股骨止點(diǎn)，經(jīng)脛骨骨隧道或前內(nèi)側(cè)入路進(jìn)行股骨骨隧道鉆孔開(kāi)口，并再次測(cè)量骨隧道長(zhǎng)度以選擇Endobutton袢的長(zhǎng)度，保證韌帶在骨隧道內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度大于20 mm。韌帶重建完成后屈伸膝關(guān)節(jié)檢查是否存在髁間窩撞擊，如發(fā)生韌帶撞擊則需進(jìn)行髁間窩成形。本研究中均未發(fā)生撞擊情況。術(shù)后處理：卡盤(pán)支具固定于伸直位，術(shù)后即開(kāi)始股四頭肌等長(zhǎng)收縮及直腿抬高肌力練習(xí)，2周后逐步開(kāi)放支具角度，每周約開(kāi)放15°進(jìn)行膝關(guān)節(jié)屈伸鍛煉，至6周時(shí)完全開(kāi)放卡盤(pán)支具限制角度，佩戴支具逐步負(fù)重，4個(gè)月后去除支具進(jìn)行訓(xùn)練，6個(gè)月后允許進(jìn)行對(duì)抗訓(xùn)練。

圖1 膝關(guān)節(jié)圖像重建及導(dǎo)板設(shè)計(jì)Figure 1 Knee Joint Image Reconstruction and Guide Plate Design

圖2 3D打印實(shí)物及操作Figure 2 3D Printing Objects and Operation

圖3 關(guān)節(jié)鏡下操作Figure 3 Arthroscopic Operation

1.3 主要觀察指標(biāo)

術(shù)后進(jìn)行膝關(guān)節(jié)CT掃描，再次測(cè)量股骨骨隧道長(zhǎng)度，術(shù)后6個(gè)月時(shí)再次進(jìn)行Lysholm評(píng)分。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)量資料用X±S表示，組內(nèi)比較采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有顯著性意義。

2 結(jié)果

本研究所有15例病例均獲6個(gè)月以上隨訪，無(wú)深靜脈血栓、感染、固定物松動(dòng)等并發(fā)癥，關(guān)節(jié)粘連一例，經(jīng)康復(fù)治療無(wú)進(jìn)展，于術(shù)后4個(gè)月時(shí)予以靜脈麻醉下手法松解，術(shù)后6個(gè)月時(shí)膝關(guān)節(jié)屈伸角度恢復(fù)正常。3D打印膝關(guān)節(jié)模型測(cè)量股骨骨隧道平均長(zhǎng)度為（43.2±2.13）mm，術(shù)中測(cè)量（43.7±1.75）mm，術(shù)后再次 CT測(cè)量骨隧道長(zhǎng)度為 （42.4±3.25）mm，差異無(wú)顯著性意義（P＜0.05）（見(jiàn)表 1），肌腱在股骨骨隧道內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度約為（19.8±3.6）mm，術(shù)前 Lysholm 評(píng)分（46.2±5.73） 分，術(shù)后 Lysholm 評(píng)分（88.4±6.25） 分，差異有顯著性意義（P＜0.05）。

表1 3D模型、術(shù)中、術(shù)后CT骨隧道長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果（N=15）Table I 3D Model,Intraoperative and Postoperative CT Bone Tunnel Length Measurement Results(N=15)

3 討論

前交叉韌帶對(duì)維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性尤其運(yùn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有重要作用。前交叉韌帶部分損傷者，建議進(jìn)行刺激增強(qiáng)手術(shù)而非重建手術(shù)[7]。本研究的研究對(duì)象為前交叉韌帶完全斷裂患者，此類(lèi)患者往往需要通過(guò)手術(shù)進(jìn)行韌帶重建。前交叉韌帶重建術(shù)后仍有約10%的失敗率[8]，關(guān)于移植肌腱主要采用自體髕腱及腘繩肌腱移植，其優(yōu)劣仍存在爭(zhēng)議[9-11]。目前認(rèn)為前交叉韌帶重建的關(guān)鍵及難點(diǎn)在于股骨止點(diǎn)的定位[12-14]。膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)是通過(guò)器械操作，且非直視下手術(shù)，而股骨髁間窩外側(cè)壁的狹小空間亦增加了前交叉韌帶重建的難度。不同于關(guān)節(jié)置換、骨折等直視下手術(shù)，在進(jìn)行膝關(guān)節(jié)鏡前交叉韌帶股骨止點(diǎn)定位時(shí)，無(wú)法進(jìn)行多次的重復(fù)鉆孔定位，而對(duì)初學(xué)者而言，由于非直視手術(shù)，鏡下感覺(jué)的調(diào)整使得定位往往不準(zhǔn)確。李盛等認(rèn)為精確的前交叉韌帶三維空間結(jié)構(gòu)能為重建手術(shù)提供術(shù)前參考、術(shù)中定位及術(shù)后隨訪，提高手術(shù)準(zhǔn)確性，完善手術(shù)評(píng)估，減少并發(fā)癥。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，前交叉韌帶三維空間結(jié)構(gòu)還能進(jìn)行有限元分析，獲得前交叉韌帶的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，為移植物的選擇提供參考，但無(wú)預(yù)手術(shù)的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)[15]。本研究術(shù)前進(jìn)行3D打印原尺寸膝關(guān)節(jié)模型，在進(jìn)行關(guān)節(jié)鏡手術(shù)前，先在模型上進(jìn)行預(yù)手術(shù)，增加了術(shù)者對(duì)該膝關(guān)節(jié)大小形態(tài)的熟悉與適應(yīng)能力。而通過(guò)設(shè)計(jì)3D導(dǎo)板，對(duì)術(shù)者尤其初學(xué)膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)醫(yī)生而言，降低了股骨前交叉韌帶止點(diǎn)的定位難度與定位時(shí)間，避免了定位過(guò)前的垂直韌帶形成及定位過(guò)后導(dǎo)致的髁間窩后壁爆裂等并發(fā)癥，從而提高手術(shù)成功率。在前交叉韌帶股骨骨隧道測(cè)量時(shí)，由于視野遮擋及空間限制，測(cè)量往往不太準(zhǔn)確，筆者以往進(jìn)行股骨骨隧道開(kāi)孔時(shí)，為避免鉆破股骨外側(cè)皮質(zhì)，肌腱隧道長(zhǎng)度往往偏短，Endobutton無(wú)法順利拉出股骨外側(cè)皮質(zhì)，增加了手術(shù)時(shí)間。腱骨愈合是前交叉韌帶重建的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。雖然大量文獻(xiàn)報(bào)道了使用諸如生物制劑、物理刺激、移植物固定方式等可以增加腱骨愈合成功率[16-18]，保證肌腱在骨隧道內(nèi)的足夠長(zhǎng)度才是腱骨愈合的基礎(chǔ)。一般認(rèn)為，保證股骨骨隧道移植物的長(zhǎng)度為20 mm對(duì)于腱骨愈合是安全的[19]。而對(duì)于初學(xué)者而言，前交叉韌帶股骨骨隧道移植物的長(zhǎng)度往往很難得到保證。而本研究通過(guò)在術(shù)前模型上直視下測(cè)量股骨骨隧道長(zhǎng)度，在術(shù)前即模擬出骨隧道位置及長(zhǎng)度，保證其足夠的腱骨接觸長(zhǎng)度，對(duì)于術(shù)中股骨骨隧道的測(cè)量可以提供較好的參照，這樣既保證了腱骨愈合率，又增加了骨隧道成形的成功率，從而縮短手術(shù)時(shí)間。通過(guò)對(duì)3D模型組、術(shù)中組、術(shù)后CT組股骨骨隧道的測(cè)量數(shù)據(jù)比較，3組之間無(wú)明顯差異，故認(rèn)為3D打印技術(shù)輔助下建立股骨骨隧道的一致性較好，通過(guò)術(shù)前的預(yù)測(cè)量及術(shù)中的再次檢測(cè)，可基本保證術(shù)后的腱骨愈合要求。

而術(shù)后核磁共振掃描顯示前交叉韌帶重建位置均較為滿意，未發(fā)現(xiàn)“垂直韌帶”的情況。李宏云等發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，自體四股腘繩肌重建前交叉韌帶術(shù)后腱骨愈合程度逐漸提高，臨床功能評(píng)分逐漸改善，腱骨愈合水平與臨床膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分之間存在明顯相關(guān)性[20]，本研究結(jié)果與此基本相同。但本研究未將術(shù)后股骨骨隧道寬度改變納入研究，其亦是影響術(shù)后移植物愈合的重要因素。雖然3D打印技術(shù)可以提供良好的手術(shù)參照，但模型與實(shí)體仍然存在一定誤差，而導(dǎo)板在實(shí)體應(yīng)用時(shí)受軟組織影響亦可導(dǎo)致偏差，故建議在關(guān)節(jié)鏡手術(shù)時(shí)不可盲目依據(jù)導(dǎo)板進(jìn)行定位，在定位前、定位后、骨隧道成形前均需進(jìn)行“double check”。尤其在肌腱已經(jīng)固定后，如發(fā)現(xiàn)存在髁間窩撞擊，建議進(jìn)行髁間窩成形術(shù)以避免后期韌帶斷裂導(dǎo)致重建失敗。國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為雖然3D打印生物材料研究取得了重要進(jìn)展，但現(xiàn)有打印材料存在著明顯的不足，如費(fèi)用昂貴、打印精度不夠、生物降解性能不佳等問(wèn)題[21]。故手術(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮患者費(fèi)用問(wèn)題及導(dǎo)板材質(zhì)問(wèn)題，避免材料斷裂于關(guān)節(jié)腔內(nèi)或鉆孔時(shí)遺留的材料碎屑未清理干凈導(dǎo)致關(guān)節(jié)感染、異物感等。雖然通過(guò)3D打印技術(shù)輔助下可以較快速地完成膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建手術(shù)，但術(shù)后的康復(fù)依舊是非常重要的，證據(jù)表明連續(xù)被動(dòng)活動(dòng)不能增加最終活動(dòng)度，早期承重可以減少髕股關(guān)節(jié)疼痛，術(shù)后康復(fù)不會(huì)增加關(guān)節(jié)腫脹及安全活動(dòng)范圍內(nèi)疼痛，建議術(shù)后第6周進(jìn)行股四頭肌開(kāi)鏈訓(xùn)練[22]。本研究中一例發(fā)生術(shù)后粘連，考慮原因?yàn)樾g(shù)后未進(jìn)行較系統(tǒng)的康復(fù)鍛煉所致，經(jīng)手法松解后恢復(fù)良好。

綜上，3D打印模型預(yù)手術(shù)可以輔助關(guān)節(jié)鏡術(shù)中較準(zhǔn)確的定位前交叉韌帶股骨止點(diǎn)，有效節(jié)省手術(shù)時(shí)間，且術(shù)后療效優(yōu)良，可提高臨床上前交叉韌帶重建手術(shù)的成功率及患者滿意度，未來(lái)對(duì)于膝關(guān)節(jié)其他韌帶重建，如后交叉韌帶重建、前交叉韌帶雙束重建均有應(yīng)用價(jià)值，但本技術(shù)提高了醫(yī)療成本及醫(yī)療時(shí)間，且手術(shù)時(shí)存在3D打印材料污染風(fēng)險(xiǎn)，臨床也應(yīng)予以重視。