3D打印个性化股骨侧定位辅助法在膝关节前交叉韧带重建中应用

刘欣伟，　刘松波，　张敬东，　刘宪民，　刘　铭，　王　宇，　柳云恩，　项良碧，　侯明晓

沈阳军区总医院 1.骨科 全军重症战创伤救治中心；2.全军重症战创伤救治中心实验室 数字化实验室，辽宁 沈阳　110016



·3D打印技术·

3D打印个性化股骨侧定位辅助法在膝关节前交叉韧带重建中应用

刘欣伟1，刘松波1，张敬东1，刘宪民1，刘铭1，王宇1，柳云恩2，项良碧1，侯明晓2

沈阳军区总医院 1.骨科 全军重症战创伤救治中心；2.全军重症战创伤救治中心实验室 数字化实验室，辽宁 沈阳110016

目的评价应用3D打印技术设计个性化股骨侧定位辅助法并应用于前交叉韧带(ACL)重建手术的临床效果。方法收集2015年1月至2016年8月在沈阳军区总医院应用3D打印个性化股骨侧定位辅助法行ACL重建术26例患者为3D组，本组患者术前进行3D建模、ACL股骨侧足印区定位。26例应用常规经膝关节前内侧入路手动进行股骨侧定位的ACL重建术的患者，且每例膝关节功能评分(IKDC)均>85分，设为对照组。通过术后X线评估法评价两组患者股骨侧隧道情况并进行统计学分析。结果两组患者手术过程均顺利，均未出现并发症。3D组术前均建模顺利，术前定位股骨侧隧道口后，股骨侧隧道长约(42.6±4.1)mm，常规组测量股骨侧隧道长约(39.2±3.8)mm，两组间比较，差异无统计学意义(P>0.05)。3D组与常规组NL/ML、AL/BL、α及β角差异均无统计学意义(P>0.05)。结论应用3D打印技术设计个性化股骨侧定位辅助法进行ACL重建手术有助于精准定位股骨侧解剖点，控制导针方向，利于腱骨愈合，降低“打爆”后方皮质的概率。

3D打印；前交叉韧带；重建

前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)损伤在膝关节运动损伤中非常常见。随着运动医学的发展、关节镜器械和技术的进步，ACL重建手术得到广泛的开展[1-3]。ACL也经历了理念的更新，从最初的等长重建到今天的解剖重建。然而，如何解剖定位ACL的股骨侧隧道是该手术的核心问题之一，国内外的很多学者针对该领域也进行了大量的基础和临床研究[4-9]。近些年来，3D打印技术在医学领域应用不断地取得进步，笔者针对该问题，应用3D打印技术设计个性化股骨侧定位辅助法并应用于临床ACL重建手术，取得了满意的效果。现报道如下。

1　资料与方法

1.1一般资料收集2015年1月至2016年8月在沈阳军区总医院就诊并接受关节镜下ACL重建术的26例应用3D打印个性化股骨侧定位辅助法行ACL重建术患者为研究组(3D组)，再随机选取在此期间就诊的26例应用常规经膝关节前内侧入路手动进行股骨侧定位的ACL重建术的患者，且每例膝关节功能评分(international knee documentation committee，IKDC)均>85分，此为对照组(常规组)。3D组：男性21例，女性5例；年龄19～45岁，平均年龄(28.7±10.5)岁。常规组：男性22例，女性4例；年龄22～48岁，平均年龄(25.9±11.6)岁。常规组术后12个月随访。术前均无手术禁忌证。两组患者年龄及性别差异均无统计学意义(P>0.05)。全部患者在术前均知情同意并签署手术知情同意书。术前均行MRI检查确诊为单纯ACL股骨侧断裂，Lachman试验、前抽屉试验、轴移试验均为阳性，均采用人工LARS韧带行ACL单束重建。所有患者入院后常规拍摄膝关节CT检查(GE公司，美国)。所有患者术前常规行心电图、胸片、心脏彩超、下肢动静脉血管彩超及血生化、凝血功能、术前免疫等检查，以排除手术禁忌证。

1.2手术方法两组患者均由同一医疗小组完成。所有患者均采用膝关节常规前外、前内侧入路，股骨侧均为带袢钢板(施乐辉公司，美国)固定，胫骨侧均为挤压螺钉及门型钉固定(施乐辉公司，美国)。具体手术操作略。3D组典型患者见图2。

1.3术后处理两组术后预防性使用抗生素至术后48 h，术后即可开始踝泵练习，术后第1天开始股四头肌等长收缩练习和直腿抬高练习。常规拍摄患膝关节正侧位X线影像，并鼓励患者早期在支具保护下地活动，支具佩戴3个月，保护性限制膝关节活动范围为0°～90°，3个月后准许去除支具进一步主动练习膝关节屈伸至最大屈膝角度，同时加强肌力练习。

1.4股骨侧定位评价采用谢凯罗等[10]报道的X线评估方法，在正位片上测量股骨髁长度ML、重建韧带股骨侧止点到股骨外髁边缘的距离NL和膝关节水平线与股骨侧隧道中线的成角α，Blumensaat线的长度BL、重建ACL股骨侧抵止点到股骨髁间窝过顶点的距离AL和股骨干长轴与股骨遂道中心线的夹角β。采用Khalfayan等[11]的方法将得到的长度换算为百分率，以NL/ML表示ACL股骨止点在正位片的位置，AL/BL表示ACL股骨侧止点在侧位片的位置。

2　结果

两组患者手术过程均顺利，均未出现并发症。3D组术前均建模顺利，术前定位股骨侧隧道口后，股骨侧隧道长约(42.6±4.1)mm，常规组测量股骨侧隧道长约(39.2±3.8)mm，两组间比较，差异无统计学意义(P>0.05)。3D组与IKDC评分>85分的常规组比较如表1所示，NL/ML、AL / BL、α及β角差异均无统计学意义(P>0.05)。

表1　两组ACL重建术后X光评价股骨侧定位情况比较

3　典型病例

患者男性，22岁，左膝前交叉韧带断裂，CT检查扫描参数：120 kV，240 mA，以膝关节为中心，层厚为0.625 mm。MRI检查(GE公司，美国)扫描参数：高密度扫描层厚为2 mm，每层为512像素×512像素，扫描时将肢体外旋约15°以顺应ACL解剖走行方向。将CT扫描数据以DICOM格式导入计算机，应用计算机CT三维重建软件将CT数据进行三维重建，利用专业软件Mimics 18.0(Materialise公司，比利时)通过形态学操作构建股骨、胫骨、健侧ACL模型，以STL格式导出并加以保存。再通过Geomagic Studio 13(Geomagic公司，美国)对STL格式数据进行图像处理并融合CT与MRI，以精确定位ACL(图1a)，再将已定位足印区的图像进行镜像处理(图1b),去除ACL图像得到患侧ACL股骨侧解剖足印区(图1c)并定位其中心点即术中导针入点(图1d)，同时可调整导针方向以利遂道于股骨外侧髁内的长度合适(长度>35 mm，图1e)。

图1应用3D打印技术股骨侧定位辅助法行膝关节前交叉韧带重建(a.CT与MRI融合后精确定位ACL；b.将健侧镜像处理后得到患侧3D模型；c.去除ACL后精确标记ACL股骨侧足印区；d.定位其中心点即术中导针入点；e.调整导针方向可至满意遂道长度44.98 mm；f.术中镜下可见重建韧带位置良好；g,h.术后正侧位X线影像示内固定装置及骨道位置良好)

4　讨论

中国是人口大国，更是体育大国。近年来，随着国家对全民运动的宣传与倡导，越来越多的群众积极参与各类体育运动，运动损伤的患者亦是逐年增多。膝关节作为人体最为重要的大关节之一，运动损伤的概率极高，前交叉韧带急性损伤多半有明确扭伤、摔伤等病史，伤后关节肿胀、疼痛并活动受限，前交叉韧带损伤拖延超过3个月未手术治疗者易因关节不稳而出现半月板、关节软骨等继发损害，导致创伤性关节炎，严重危害关节功能甚至早期致残。随着对运动、训练损伤的认识逐渐深入和关节镜技术的成熟，既往开放手术行端端修补的术式已被摒弃，关节镜下行ACL重建已成治疗的金标准。

随着等长重建理念的落伍，解剖重建已被医师们接受，然而，股骨侧隧道定位方法众多，有仪表盘法、象限法、人字脊法等等[12]，在如何寻找更好的定位方法这个问题上的争论一直没有停息过，虽然各种方法均有一定的局限性，但仍在临床上进行应用。计算机辅助技术在创伤骨科、骨肿瘤、复杂关节置换等领域应用之后，学者通过CT数据建立1∶1模型对骨缺损、肿瘤、肢体畸形情况进行模拟，并辅助制定了术前计划，甚至通过3D打印制作手术导板、标记肿瘤位置、制定手术计划等，这些都极大地提高了外科手术的精准程度，简化了手术程序，减少了手术创伤，提高了患者预后，这些都为3D打印技术的扩展应用提供了很好的经验。本研究中，笔者将3D打印技术应用于ACL重建手术中，通过CT与MRI融合、镜像等方法定位股骨侧隧道位置，将平时完全靠医生经验进行术中手动定位改良为计算机辅助精准定位，3D组与IKDC评分>85分的常规组术后X光评价未见显著性差异，提示该方法定位精确，个体化程度高，避免了术中对骨道位置不满意而进行重新定位，亦解决了由于个体差异、骨骼大小不同要求医生完全凭借经验定位的困惑，为解决ACL重建股骨侧隧道解剖定位准确性的问题提供了新的思路。另外，由于肌腱植入骨隧道内的长度与腱骨愈合密切相关，默认的较合适的距离至少20 mm且越长越好。本研究中，3D组股骨侧平均隧道长度较常规组长，理论上更有利于腱骨愈合，且3D打印设计中可以较好地控制导针方向，从而降低了导针紧贴股骨外侧髁而“打爆”后方皮质的概率。

本研究的不足之处在于以下两个个方面：其一，纳入研究的患者较少，两组患者均不足100例；其二，本研究系3D打印技术在ACL重建手术中的初步探索，集中在ACL单束重建方面，而3D打印技术若辅助ACL股骨侧止点双束重建则需要更高的MRI扫描层厚和分辨率，这有待于进一步深入研究；其三，本研究仅比较3D组的定位准确性，从理论上具有更加个体化、精准化的优势，但患者随访时间较短，长期疗效尚缺乏临床评分佐证。因此，本研究还需要大样本的长期随访对照研究来进一步佐证。

3D打印技术在运动医学领域的应用前景非常广阔，有待于学者们深入探索。

[1]Thompson S，Salmon L，Waller A，et al.Twenty-year outcomes of a longitudinal prospective evaluation of isolated endoscopic anterior cruciate ligament reconstruction with patellar tendon autografts[J].Am J Sports Med,2015,43(9):2164-2174.

[2]Wirth B，Liffert F，de Bruin ED.Development and evaluation of a German version of the Lysholm score for measuring outcome after anterior cruciate ligament injuries[J].Sportverletz Sportschaden，2011,25(1):37-43.

[3]Morgan MD，Salmon LJ，Waller A，et al.Fifteen-Year Survival of Endoscopic Anterior Cruciate Ligament Reconstruction in Patients Aged 18 Years and Younger[J].Am J Sports Med,2016 ,44(2):384-392.

[4]Lee BI，Kwon SW，Choi HS，et al.Anatomic Single-Bundle Anterior Cruciate Ligament Reconstruction With Remnant Preservation Using Outside-In Technique[J].Arthrosc Tech，2015 ,4(4):e331-334.

[5]Van der Bracht H，Goubau G，Stuyts B，et al.Surgical management of anterior cruciate ligament injuries in Belgium anno 2013[J].Acta OrthopBelg，2015,81(4):738-746.

[6]Wang B，Lee KT.Results of revision anterior cruciate ligament reconstruction using a transportal technique[J].Acta OrthopBelg，2015,81(4):752-758.

[7]Nguyen DT，Ramwadhdoebe TH，van der Hart CP，et al.Intrinsic healing response of the human anterior cruciate ligament: an histological study of reattached ACL remnants[J].J Orthop Res.2014 Feb;32(2):296-301.

[8]Nakamae A，Ochi M，DeieM,etal.Biomechanical function of anterior cruciate ligament remnants: how long do they contribute to knee stability after injury in patients with complete tears[J].Arthroscopy，2010,26(12):1577-1585.

[9]Weninger P，Wepner F，Kissler F，et al.Anatomic Double-Bundle Reinsertion After Acute Proximal Anterior Cruciate Ligament Injury Using Knotless PushLock Anchors[J].Arthrosc Tech,2015,4(1):e1-6.

[10]谢凯罗，董伊隆，张力成.前交叉韧带单束解剖重建术股骨隧道定位的X线评估[J].中医正骨,2015,27(10):11-14.

[11]Khalfayan EE，Sharkey PF，Alexander AH，et al.The relationship between tunnel placement and clinical results after anterior cruciate ligament reconstruction[J].Am J Sport Med,1996,24(3):335 -341.

[12]邓永忠,王万明.前交叉韧带股骨止点解剖学及定位技术的研究进展[J].医学综述，2012,18:1720-1723.

Application of 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method in ACL reconstruction surgery

LIU Xin-wei，LIU Song-bo，ZHANG Jing-dong，LIU Xian-min，LIU Ming，WANG Yu，LIU Yun-en，XIANG Liang-bi，HOU Ming-xiao

(Department of Orthopedics，The General Hospital of Shenyang Military Command,Shenyang 110016,China)

ObjectiveTo evaluate the efficacy of application of 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method in ACL reconstruction surgery.MethodsFrom January 2015 to August 2016，26 cases were performed 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method(3D modeling，ACL femoral printing area location)preoperatively，and were divided into 3D group.All 26 cases whose IKDC knee functional scores were more than 85 points and perrformed conventional method were divided into control group.Postoperative X-ray evaluation method was performed for evaluation between the two groups.ResultsSurgery in all cases was successful and no complications occurred.Preoperative modeling in 3D group was smooth.Localization lateral femoral tunnel，lateral femoral tunnel length was(42.6±42.6)mm，and lateral femoral tunnel length was about(39.2±39.2)mm.There was no statistical significance between the two groups(P>0.05).NL/ML，AL/BL，alpha and beta angle differences had no statistical significance(P>0.05)between the two gorups.ConclusionApplication of 3D printing personalized femoral lateral positioning auxiliary method in ACL reconstruction surgery will be good to pinpoint femoral anatomic point，control the needle direction，and will be good for tendon bone healing，reducing the probability of “ringing” rear cortex.

3D printing;Anterior cruciate ligament;Reconstruction

刘欣伟(1979-)，男，黑龙江哈尔滨人，主治医师，博士

项良碧，E-mail：xiangliangbils@126.com；

侯明晓，E-mail：deformitya@126.com

2095-5561(2016)05-0265-04

R687.4

A

∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.05.03

2016-09-13