數字技術在人工全膝關節置換術中的應用進展

張博文，張晉寧，楊天翔，陳德勝

(1.寧夏醫科大學臨床醫學院，銀川 750004； 2.寧夏醫科大學總醫院骨科，銀川 750004)

人工全膝關節置換術(total knee arthroplasty TKA)主要應用于患嚴重膝關節炎等經保守治療效果不滿意的患者。通過TKA后，患者膝關節功能長期恢復良好，且可以減輕患者的痛苦[1]。綜合臨床和成本效益的研究表明，TKA可能是部分患者的最佳選擇[2]。然而，在選擇運用TKA進行治療時應結合多方面因素謹慎考慮。目前，TKA圍手術期并發癥的發生率仍很高[3]。其中，感染是TKA術后最嚴重的并發癥之一,也是原發性和翻修TKA早期失敗的主要原因[4]。此外骨溶解也不容忽視，其發生與人工假體產生的磨損微粒有關[5]。感染及假體周圍骨溶解是目前主要的兩種翻修因素，與手術實施及手術前后準備密切相關。手術過程中的微小偏差會對臨床效果和患者的生活質量帶來較大影響；手術后的并發癥也可能導致手術失敗或給患者帶來二次傷害。自20世紀70年代首個TKA假體原型問世以來，TKA日漸完善和成熟。隨著科技的不斷發展，數字技術的加入為TKA帶來更多可能，其中虛擬成像技術和手術導航等已較為成熟地應用于骨科，而有限元分析模型、機器人輔助手術、3D打印等技術的興起也將為嚴重膝關節炎癥患者提供更多診療手段。現就數字技術在TKA中的應用進展予以綜述，以為相關疾病的診療提供新思路。

1 數字骨科技術概述

數字骨科是一門將計算機科學、圖像成形等與骨科相結合的交叉學科。無論是在醫學教學、專項技術培訓、骨科疾病診斷與治療等方面，還是在患者預后和醫患溝通方面，數字技術均為臨床骨科提供了強大的支撐和不竭的動力。目前，數字技術在臨床骨科方面的運用主要有數字解剖模型、骨科手術導航、有限元分析模型、虛擬手術設計、機器人手術、3D打印等。理論上，以整個骨科手術過程來看其可分為術前的快速模型設計、3D重建甚至虛擬手術等；術中可有導航程序和機器人輔助等；術后可采用有限元模型進行比較分析等[6]。

1.1數字骨科技術的運用 數字技術為骨科相關疾病的診療過程及預后提供了完備的輔助方式，其涉及的骨科病種也較為多樣。如骨折中較為復雜的骨股轉子間骨折，由于解剖部位復雜，僅依靠術前的影像結果難以達到提升手術效率甚至個性化治療的效果。而數字技術中的3D模擬重建技術可以使醫師更加全面地了解患者骨折情況，制訂術前計劃以達到提升手術效率和治療效果的目的[7]。在骨腫瘤的治療過程中，異體骨骼的運用和選擇與手術治療效果和患者的術后生活質量密切相關。因此，異體骨骼的選擇與放置的匹配程度尤為重要。術前，數字技術中的3D模型收集建庫便于選擇更合適的異體骨；術中，計算機輔助導航可使異體骨與患者骨缺損部位貼合更精密。這一系列操作極大地提升了骨腫瘤患者保肢術的效果[8]。可見，數字骨科不僅能精準地了解患處情況，而且有助于手術醫師更加針對性地規劃手術及選用耗材。此外，數字技術運用于骨科的病種并不單一，且各項技術無論是單獨使用還是配合使用均能在一定程度上提升骨科疾病的診療效率與效果。

1.2數字骨科技術的現狀 各項數字技術由于對軟硬件要求不同，且產生的實際臨床效益有差別，故其運用與發展現狀也存在一定差異。如3D成像技術，其原理是運用患者的現有CT等圖像結果進行組合與數字優化模擬還原患處的三維結構。該技術的運用要求不高，使用十分廣泛，在骨腫瘤的診斷、骨折的復原、關節韌帶的修復中效果均較好[9-11]。3D打印技術與手術機器人等在一定程度能夠實現精準化、個性化治療，提升手術效率[12-13]。但3D打印技術的應用周期長且耗材昂貴，手術機器人的學習成本等均為醫師及患者的選擇帶來一定阻力。此外，有限元分析的臨床運用更加受限。有限元分析不僅需要Mimics、Solid Works、Ansys等眾多軟件支撐，還需要影像學、解剖學和運動醫學等多學科的配合[14]。因此對于骨科，有限元分析更多的是應用于生物力學及相關基礎的研究，在臨床方面主要對其他數字技術起輔助與優化作用。

2 數字技術與TKA

2.1手術導航在TKA中的運用 TKA的目標是通過使用人工假體組件置入膝關節來恢復下肢的運動功能。其主要過程包括顯露、骨準備、軟組織松解、測試、置入、復位等。其中，骨準備、置入、復位等關鍵步驟對術者操作的精度要求極高。而計算機輔助外科手術導航的使用能提升TKA的準確性和精確度，以達到提高組件對齊的精準度，甚至更好地保護軟組織和更優良預后等的目的[15]。在組件對齊的準確性方面，Suero等[16]進行了一項回顧性研究發現，與傳統手術組相比，導航組術后機械對準異常的風險降低，其中脛骨組件冠狀錯位風險降低了66%。由此可見，計算機導航改善了TKA的術后對齊方式，更加精準地實現了肢體和植入物對齊。同時de Steiger等[17]的研究表明，與非導航TKA相比，運用計算機導航的TKA具有更高的對齊度，且能降低<65歲患者的總翻修率。于清波等[18]研究發現，與傳統手術方式相比，使用計算機導航開展的TKA不僅能減少患者圍手術期失血量，且能降低并發癥的發生率。此外Song等[19]的研究表明，導航使用的經驗還有助于減小實施傳統TKA醫師在股骨和脛骨切骨時的誤差，同時有助于縮短傳統TKA的手術時間，甚至能達到有超過100例TKA經驗的外科醫師的手術時間。

然而，在預后方面計算機導航的價值體現并沒有上述兩項顯著。Lee等[20]進行的短期回顧性研究發現，與傳統的TKA相比，使用計算機輔助TKA治療的患者置換關節功能無明顯改善。Hsu等[21]的隨訪發現，盡管在導航輔助下實現了肢體和假肢組件位置的精確對齊，但其臨床功能評估(如國際膝關節協會評分和西安大略和麥克馬斯特大學骨關節炎指數)與常規TKA無明顯差別。同時Lee 等[22]的研究也表明，計算機導航的TKA和傳統TKA在臨床結果或放射結果上差異無統計學意義。在TKA的實施過程中，導航技術的運用可以提高組件對齊的精準性，對組織也有一定的保護作用甚至能夠在臨床實踐中一定程度縮短手術醫師積累經驗的時間。但其并沒有為患者的膝功能帶來顯著提升和改善。

2.2機器人手術在TKA中的應用 TKA是否成功與患者的術后并發癥有極大關聯。Koh 等[23]研究發現，原發性TKA中最常見的兩個需修復原因為假體周圍感染和無菌性松動。且從TKA的術后并發癥來看，假體周圍感染、神經血管受損、假體非感染性松動等均可能與術中的操作不當有關。而手術機器人的出現為解決這一問題帶來新途徑。機器人輔助手術應用于臨床治療是通過機械操作輔助手術醫師以達到提升術后膝關節軟組織平衡、力線及假體位置精確度的目的，從而減少相關術后并發癥的發現[24]。與其他外科相比，由于骨科的特殊性，機器人技術的加入是十分合理且具有可行性的。骨科機器人可分為關節、脊柱和創傷三大類。其中，關節骨科手術機器人是最早實現相關技術和商業應用的骨科手術機器人[25]，根據功能不同其可分為主動操作型和輔助規劃型兩類，主動操作型以ROBODOC和CASPAR(Computer Assisted Surgical Planning and Robotics)為代表。Liow等[26]研究認為，主動操作型機器人技術能使患者獲得理想的術后對準效果。而輔助規劃型機器人以MAKO和ACROBOT(Active Constraint Robot)為代表。Cobb等[27]試驗發現，與傳統人工單腔膝關節置換術相比，使用輔助規劃型機器人的手術效果更好且患者術后膝關節性能有改善趨勢。但Song等[28]的研究表明，傳統TKA與運用機器人輔助TKA術后并發癥發生率比較差異無統計學意義。一項回顧性研究發現，有經驗的外科醫師在人工單腔膝關節置換術中能夠達到甚至超越機器人輔助的植入物對準精度[29]。可見，手術機器人的出現并不能為TKA手術精度帶來突破性的提升。其對人工關節置換術治療效果的提升程度，是外科醫師能夠達到且能超越的。因此在臨床治療過程中，手術機器人的使用不應成為廣大外科術者一味追求準確度的“金標準”，更不能產生依賴。

2.33D打印在TKA中的應用 目前，3D打印技術已廣泛應用于航空航天、工業制造、建筑建設等領域，其中在醫療領域的應用約占15%[30]。3D打印技術是以數字信息為基礎，運用多種可黏合材料，通過逐層成型立體打印的方式來構造所需物體的技術。目前運用較為普遍的3D打印技術主要有噴墨打印技術、立體光刻成型技術和熔融沉積成型技術等[31]。此外，在TKA的整個診療過程中，3D打印這一綜合技術也可以在多個環節發揮它直觀、精準和個性化的獨特優勢。就醫患溝通方面來看，膝關節由股骨下端脛骨上端髕骨和多種軟組織構成，是人體最大且最復雜的關節。因此在醫師與患者講明病情和溝通手術方案的過程中，僅依靠口頭描述或是圖片并不能達到溝通的真正目的。此時，3D打印模型的運用能使患者更加直觀地了解病情或手術情況，從而節約溝通成本。林鋼等[32]的研究表明，無論是患者還是其家屬均對3D打印模型在病情講解和術前溝通中的運用表現出極大的滿意度。而3D打印在截骨板方面的運用也有更積極的治療效果，喻忠等[33]的研究表明3D打印技術能夠提升TKA手術實施精度。而在另一項由孫保飛等[34]進行的TKA后失血量臨床研究中發現，與傳統器械TKA相比，3D打印技術的運用可以顯著減少術后總失血量，并可提升患者TKA術后的康復效率。

隨著TKA中植入物的不斷發展，運用3D打印技術的新型植入物也進入人們的視野。王進等[35]結合3D打印與有限元分析兩項數字技術，通過虛擬重建的方式論證了3D打印的運用能夠實現TKA術中脛骨平臺的修復。Sultan等[36]的研究調查了使用3D打印技術制造的高度多孔鈦涂層基板在原發TKA中的存活率和臨床結果，并通過隨訪發現該植入物的臨床療效優異且存活率極高。可見，3D打印技術不僅在TKA中運用十分廣泛且臨床效果較好。但在臨床工作中特別是考慮將3D打印作為植入物來源時，其技術缺陷也不容忽視，如該技術耗時長、無法應對術中的突發變化、打印耗材費用高昂等。此外，在該技術廣泛應用于人工膝關節置換術前，其作為生物材料植入的術后中長期效果也有待進一步研究。

2.4有限元分析在TKA中的應用 有限元分析是指通過采集數字信息對研究復雜的幾何圖形和負載系統進行建模，之后對該物體進行一定量的網格劃分，將該物體看作是各自獨立又相互關聯的單位體。部分物體本身結構性狀復雜導致研究難以進行，而有限元分析的運用能得到一個無限接近該物體本身的結果[37]。20世紀70年代，Rybicki等[38]和Brekelmans等[39]首次將有限元分析應用于骨科工作，極大地促進了有限元分析技術在骨科中的應用。在TKA方面，可以通過有限元分析的方法指導組件定位及植入物的應用等，來提升手術精度以達到更好的臨床效果。在組件定位方面，徐高偉等[40]通過構建人工全膝關節置換的有限元模型，發現股骨假體置入位置的極小偏差會引起襯墊表面壓應力峰值的異常變化,在TKA中通過提升股骨假體定位的精度可以獲得更加優良的TKA臨床效果。在植入物選擇方面，有限元分析方法也為TKA的實施提供了較為全面的參考。馬新碩等[41]就單髁膝關節置換術中不同脛骨固定柱形狀進行有限元分析發現，單脊形脛骨元件不僅能更好地降低假體連接處松質骨應力,而且能使人工關節更加貼近機體原有應力分布。可見，有限元分析技術的運用可以提升全膝關節置換術的手術精度，使患者獲得更好的診療體驗。在人工全膝關節置換中，無論是選擇植入物還是規劃假體材料的植入部位，有限元技術更多的是運用于理論研究方面。在臨床診療過程中，醫師們對于該技術似乎并不太“感興趣”。因此，在進一步開發有限元技術的同時，提升其與膝關節疾病診療過程的參與度也尤為重要。

3 小 結

數字技術的運用能提升手術精準度且對于不同患者的處理有更加個性化的治療方案。然而，極致的手術精度和更個性化的手術方案并不一定是患者的最佳選擇。手術導航與傳統TKA患者的預后無明顯差異，機器人手術精度甚至能夠被人工超越，而3D打印技術也無法忽視耗時長且無法快速有效應對突發狀況等缺點。數字技術為骨科臨床實踐帶來極大便利，學習甚至掌握多種數字技術似乎不再困難。但科學技術是一把雙刃劍，在數字骨科領域也不例外。因此醫師對各項先進技術的選擇與搭配顯得尤為重要，未來通過各項數字技術的合理運用，能使TKA的治療更加個性化與高效，同時也能為解決現有TKA局限提供新途徑。