虛擬3D手術(shù)仿真在單髁置換術(shù)中的應(yīng)用研究

鄧 剛 蔡幸健 伍愛(ài)平 肖詩(shī)梁

江西省贛州市人民醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科，江西贛州 341000

膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）以關(guān)節(jié)僵硬、疼痛和活動(dòng)受限等為主要表現(xiàn)，是中老年人群的慢性關(guān)節(jié)病，若不盡早干預(yù)，隨著病程延長(zhǎng)會(huì)累及整個(gè)膝關(guān)節(jié)[1-2]。單髁置換術(shù)（unicompartmental kenn arthroplasty，UKA）具有手術(shù)創(chuàng)傷小、用時(shí)短、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，僅需置換已破壞的關(guān)節(jié)面，可完整保留前后交叉韌帶、正常關(guān)節(jié)面、軟組織等組織，是治療OA 的常用術(shù)式之一[3-4]。但隨著臨床治療發(fā)現(xiàn)，常規(guī)UKA 術(shù)后翻修率較高，翻修的主要原因是對(duì)側(cè)間室受累、疼痛和假體松動(dòng)。虛擬3D手術(shù)仿真輔助下實(shí)施UKA 能夠利用計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)準(zhǔn)確計(jì)算截骨量、截骨角度、脛骨平臺(tái)和股骨踝假體大小，并構(gòu)建三維模型，利用術(shù)前規(guī)劃軟件對(duì)手術(shù)截骨、假體型號(hào)、特征角度進(jìn)行模擬，明確手術(shù)方案，能夠提高假體位置的準(zhǔn)確性、獲得良好的下肢力線，逐漸應(yīng)用于臨床[5-6]。本研究分析虛擬3D手術(shù)仿真在UKA 中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2019年1月至2020年12月贛州市人民醫(yī)院收治的擬行UKA 術(shù)治療的30 例OA 患者，按隨機(jī)數(shù)字表法分為研究組（15 例）和對(duì)照組（15 例）。研究組中，女8 例，男7 例；年齡52～68 歲，平均（60.89±2.21）歲；病程4～75 個(gè)月，平均（46.78±2.14）個(gè)月。對(duì)照組中，女10 例，男5 例；年齡50～67 歲，平均（60.75±2.18）歲；病程5～73 個(gè)月，平均（46.67±2.10）個(gè)月。兩組的性別、年齡、病程等一般資料比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。所有患者及其家屬均知情同意，本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)。

1.2 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①所有患者符合《骨關(guān)節(jié)炎診療指南（2018年版）》[7]中OA 相關(guān)診斷標(biāo)準(zhǔn)；②膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度≥110°，內(nèi)翻畸形＜15°，屈曲攣縮＜10°患者；③體重指數(shù)≤30 kg/m2患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①其他急、慢性感染性疾病患者；②臟器功能不全患者；③感染性關(guān)節(jié)炎患者；④外側(cè)間室軟骨退變患者；⑤全身狀況差，不耐受手術(shù)治療患者。

1.3 方法

對(duì)照組在全麻下行常規(guī)UKA 術(shù)：取仰臥位，常規(guī)放置止血帶，屈曲膝關(guān)節(jié)90°，自髕旁的內(nèi)側(cè)向脛骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)切開(kāi)，長(zhǎng)度為5～7 cm。松解關(guān)節(jié)周圍軟組織，清除骨贅，切除內(nèi)側(cè)半月板，可保留外側(cè)半月板前角等組織，安裝脛骨導(dǎo)向器，對(duì)脛骨側(cè)實(shí)施截骨。矯正下肢力線，打磨截骨面至軟骨下骨，開(kāi)模，實(shí)施股骨試模，植入適宜的假體 （Oxford 牛津第三代單髁膝關(guān)節(jié)），用骨水泥固定，于下肢應(yīng)力狀態(tài)下確保襯墊與股骨假體的間隙達(dá)2 mm，常規(guī)留置引流管，縫合切口。術(shù)后常規(guī)實(shí)施抗凝、抗感染、鎮(zhèn)痛等治療，術(shù)后48 h將引流管拔除，引導(dǎo)患者行膝關(guān)節(jié)被動(dòng)、主動(dòng)活動(dòng)。

研究組采用虛擬3D手術(shù)仿真輔助UKA 術(shù)：術(shù)前使用雙源螺旋CT 及64 排螺旋CT 實(shí)施雙下肢全長(zhǎng)掃描，以膝關(guān)節(jié)為中心，下至踝穴下方5 cm，上至股骨頭上方5 cm，掃描層厚為0.68 mm。光盤(pán)刻錄CT掃描原始DICOM 格式圖片，導(dǎo)入Mimics 21.0 高級(jí)建模模塊操作，選中骨骼閾值，建立正確的股骨蒙板，計(jì)算股骨3D 模型，根據(jù)不同閾值分別建立高精度的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外交叉韌帶模型、皮膚模型、骨骼模型，實(shí)施3D 空間測(cè)量病變范圍和骨骼間隙等。按照手術(shù)的習(xí)慣和要求，明確截骨面和截骨參數(shù)，用逆向成型技術(shù)建立單髁關(guān)節(jié)各個(gè)零件，與截骨面一起模擬置換后的手術(shù)特征，判斷其中涉及手術(shù)瑕疵因素，提前加以預(yù)案，術(shù)中解決，必要時(shí)建立3D 導(dǎo)板實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)截骨。可根據(jù)骨質(zhì)疏松程度，實(shí)現(xiàn)虛擬力學(xué)測(cè)試，改進(jìn)手術(shù)效果。其余手術(shù)步驟與對(duì)照組相同。

1.4 觀察指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

比較兩組手術(shù)相關(guān)指標(biāo)、手術(shù)前后影像指標(biāo)、關(guān)節(jié)功能恢復(fù)情況。（1）手術(shù)相關(guān)指標(biāo)包括術(shù)中失血量、手術(shù)時(shí)間、術(shù)后住院時(shí)間和引流量。（2）術(shù)后影像指標(biāo)包括伸膝關(guān)節(jié)間隙高度、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度。（3）關(guān)節(jié)功能恢復(fù)情況使用Tegner 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)分[8]及Lysholm 膝關(guān)節(jié)評(píng)分[9]評(píng)估，前者評(píng)估患者活動(dòng)情況，總分為10分，0 分為因膝關(guān)節(jié)問(wèn)題殘障或病退，1 分為可在平坦路上行走，坐著工作；2 分為不可在森林里行走，可在不平坦路上行走，輕體力勞動(dòng)；3 分：可在森林里行走，輕體力勞動(dòng)；4 分（娛樂(lè)體育）：每周至少在平坦路面慢跑兩次，可越野滑雪，自行車，中等重體力勞動(dòng)；5分（競(jìng)技體育）：每周至少在不平坦路面慢跑兩次，可越野滑雪、自行車、重體力勞動(dòng)；6 分（娛樂(lè)體育）：每周至少慢跑5 次，網(wǎng)球、手球、羽毛球、高山滑雪、籃球；7 分：①競(jìng)技體育：網(wǎng)球、跳高、手球、跑步、籃球、摩托車；②娛樂(lè)體育：冰球、足球、壁球、壘球；8 分（競(jìng)技體育）：壁球或羽毛球、壘球、高山滑雪、競(jìng)技項(xiàng)目（跳高等）；9 分（競(jìng)技體育）：摔跤、冰球、體操、較低級(jí)別足球；10 分（競(jìng)技體育）：國(guó)家或國(guó)際級(jí)足球，分值高低與患者活動(dòng)情況呈正比。后者評(píng)定患者膝關(guān)節(jié)功能，包括跛行（5 分）、支撐（5 分）、交鎖（15 分）、不穩(wěn)定（25 分）、腫脹（10 分）、疼痛（25 分）、下蹲（5 分）、爬樓梯（10 分），分值為100 分，分值越高則膝關(guān)節(jié)功能越好。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，兩組間比較采用t檢驗(yàn)，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組患者手術(shù)相關(guān)指標(biāo)的比較

研究組術(shù)中失血量、術(shù)后引流量少于對(duì)照組，手術(shù)時(shí)間和術(shù)后住院時(shí)間短于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表1）。

表1 兩組患者手術(shù)相關(guān)指標(biāo)的比較（±s）

表1 兩組患者手術(shù)相關(guān)指標(biāo)的比較（±s）

組別術(shù)中失血量（ml）手術(shù)時(shí)間（min）術(shù)后住院時(shí)間（d）術(shù)后住院時(shí)間（d）對(duì)照組（n=15）研究組（n=15）t 值P 值541.96±58.24 389.65±47.84 7.827 0.000 118.65±5.74 92.05±7.96 10.498 0.000 7.80±1.64 6.25±1.39 2.792 0.009 523.21±82.65 380.96±75.64 4.917 0.000

2.2 兩組患者手術(shù)前后影像指標(biāo)的比較

術(shù)前，兩組患者伸膝關(guān)節(jié)間隙高度、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；術(shù)后，兩組伸膝關(guān)節(jié)間隙高度、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度均低于本組術(shù)前，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；術(shù)后，研究組伸膝關(guān)節(jié)間隙高度、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表2）。

表2 兩組患者手術(shù)前后影像指標(biāo)的比較（±s）

表2 兩組患者手術(shù)前后影像指標(biāo)的比較（±s）

與同組術(shù)前比較，aP＜0.05

組別伸膝關(guān)節(jié)間隙高度（mm）術(shù)前術(shù)后膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度（°）術(shù)前術(shù)后對(duì)照組（n=15）研究組（n=15）t 值P 值24.75±2.32 24.68±2.46 0.080 0.937 18.98±1.51a 17.29±1.65a 2.926 0.007 7.72±1.48 7.68±1.50 0.074 0.942 5.26±0.32a 2.01±0.28a 29.603 0.000

2.3 兩組患者手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分的比較

術(shù)前，兩組患者Tegner 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)分、Lysholm膝關(guān)節(jié)評(píng)分比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；術(shù)后，兩組患者Tegner 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)分、Lysholm 膝關(guān)節(jié)評(píng)分均高于本組術(shù)前，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；術(shù)后，兩組患者Tegner 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)分、Lysholm 膝關(guān)節(jié)評(píng)分比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）（表3）。

表3 兩組手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分的比較（分，±s）

表3 兩組手術(shù)前后膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分的比較（分，±s）

與同組術(shù)前比較，aP＜0.05

組別Tegner 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)分術(shù)前術(shù)后Lysholm 膝關(guān)節(jié)評(píng)分術(shù)前術(shù)后對(duì)照組（n=15）研究組（n=15）t 值P 值2.48±0.42 2.50±0.39 0.135 0.894 3.19±0.57a 3.35±0.64a 0.723 0.476 62.08±1.69 61.98±1.71 0.161 0.873 90.64±2.31a 91.56±1.82a 1.212 0.236

3 討論

因UKA 具有對(duì)周圍組織損傷小、骨量?jī)?chǔ)備多、失血量少、恢復(fù)快、本體感覺(jué)好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于OA 治療。UKA 術(shù)中僅處理軟骨損傷的內(nèi)側(cè)間室，不會(huì)破壞膝關(guān)節(jié)間室，保留膝關(guān)節(jié)的本體感覺(jué)和正常關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，術(shù)后可保持膝關(guān)節(jié)正常運(yùn)動(dòng)軌跡，步態(tài)接近正常，同時(shí)術(shù)中保留了前后交叉韌帶，術(shù)后可維持正常的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定，活動(dòng)度較高[10-11]。常規(guī)UAK缺乏精確的參考標(biāo)記和截骨導(dǎo)向裝置，術(shù)中選擇的假體大小、截骨量及角度、軟組織平衡、旋轉(zhuǎn)角度等均由術(shù)者主觀判斷，易出現(xiàn)偏差，而UKA 對(duì)力線準(zhǔn)確性有較高的要求，輕微偏移便會(huì)加重對(duì)側(cè)間室軟骨磨損程度或造成脛骨聚乙烯襯墊磨損過(guò)度，增加術(shù)后翻修率[12-13]。

本研究中，研究組患者術(shù)中失血量、術(shù)后引流量少于對(duì)照組（P＜0.05），手術(shù)時(shí)間和術(shù)后住院時(shí)間短于對(duì)照組（P＜0.05），術(shù)后伸膝關(guān)節(jié)間隙高度、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度低于對(duì)照組（P＜0.05）；手術(shù)后，兩組患者Tegner 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)分、Lysholm 膝關(guān)節(jié)評(píng)分均高于手術(shù)前（P＜0.05），手術(shù)后，兩組患者Tegner 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)評(píng)分、Lysholm 膝關(guān)節(jié)評(píng)分比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），提示虛擬3D手術(shù)仿真輔助UKA 術(shù)可減小手術(shù)創(chuàng)傷，減少術(shù)中失血量和術(shù)后引流量，改善術(shù)后影像學(xué)指標(biāo)，縮短術(shù)后恢復(fù)時(shí)間。分析原因在于，虛擬3D手術(shù)仿真輔助手術(shù)中有效結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和3D 打印技術(shù)，即術(shù)前利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)施解剖結(jié)構(gòu)建模，在計(jì)算機(jī)軟件上精確測(cè)量下肢力線、假體類型和大小，設(shè)計(jì)并規(guī)劃針對(duì)性的截骨導(dǎo)板，再利用3D 打印技術(shù)打印成實(shí)物，便于術(shù)者直觀的觀察膝關(guān)節(jié)病變，模擬手術(shù)路線和預(yù)測(cè)修復(fù)后結(jié)果，制定更加適宜的手術(shù)方案。這樣既能減少手術(shù)誤差，提高手術(shù)精準(zhǔn)性，還能簡(jiǎn)化手術(shù)步驟，減少手術(shù)用時(shí)，相應(yīng)的減少術(shù)中失血量，縮短術(shù)后患者恢復(fù)時(shí)間[14-17]。

綜上所述，虛擬3D手術(shù)仿真輔助UKA 術(shù)對(duì)機(jī)體造成的創(chuàng)傷相對(duì)較小，能夠減少術(shù)中失血量，改善術(shù)后影像學(xué)指標(biāo)，縮短術(shù)后恢復(fù)時(shí)間。