人工智能+3D打印导板辅助的膝关节固定平台单髁置换

明立功,明朝戈,孟维娜,明朝畅,冯家威,黄野,张振鹏,龙路曼,普看博

(1.河南省滑县新区医院保膝科,河南 滑县 456000;2.河南省滑县骨科医院关节科,河南 滑县 456485;3.新乡医学院研究生学院,河南 新乡 453100;4.河南大学,河南 郑州 453000;5.北京积水潭医院矫形骨科,北京 100035)

膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)是治疗膝关节骨关节炎一种常见的手术方法,具有手术创伤小、并发症少、术后恢复快、更接近正常膝关节自然功能等优点[1-4]。但是,UKA也需要一定的学习曲线,术中需要确定截骨的多个数据参数,比如截骨的位置、深度和截骨线的方向等。精确控制好上述参数才能真正做到假体置入位置精确和术后功能恢复良好。随着中国人口结构变化,40岁以上人口数量逐年递增,膝骨关节炎患者数量也随之上涨[5],如何辅助医生精准手术、优化手术流程、提高手术效率,是近年来不断探讨的课题。早在2018年Jones等[6]的研究表明,在膝关节单髁置换术中,无手术经验的外科实习医生在个性化导板(patient-specific instrumentation,PSI)的辅助下完成截骨操作,其截骨精准度可以与手术经验丰富的专家相同。这说明PSI导板可以辅助医生在手术过程中精准截骨,降低手术风险。

随着人工智能(artificial intelligence,AI)行业的发展,AI手术规划软件已经可以通过数字模拟和独有的算法,实现骨骼自动分割、精准测量角度、智能选择最佳适配假体型号和精确计算截骨量等功能,同时可以辅助解决间隙平衡问题。在确定好术中关键数据后,可为患者3D打印PSI导板,该导板根据患者骨性结构定制化打印,且拥有易固定的特点,力图使手术更加准确,减少并发症风险,最终造福患者。本文将详细介绍应用AI+3D打印导板辅助下膝关节固定平台UKA的技术步骤。

1 影像学准备

1.1 CT采集要求 CT应包含完整的膝关节,股骨髁上15 cm至胫骨平台向下15 cm,间距≤1.0 mm平扫。

1.2 X线采集要求 膝关节处于中立位的负重双下肢全长X线片,负重位的膝关节正侧位X线片。以上数据以DICOM数据格式提交。

2 AI术前规划

根据患者病变的特点行固定平台UKA。根据患者影像学数据和手术目标,AI手术规划软件会自动生成一份术前规划报告,报告内容包含术中操作的各项参数以及假体应用型号和垫片厚度等(见图1)。

图1 术前计划报告示例

3 固定平台UKA截骨导板

确认报告中的术后目标和术中参数后,AI就会根据该参数生成导板数据并3D打印截骨导板。固定平台UKA导板分为三部分(见图2),第一部分是胫骨截骨模块,该模块可以稳定地贴合在患者胫骨近端前内侧的特定部位,带有胫骨纵向和水平截骨导向槽,并标注了截骨的深度和方向。第二部分是股骨导板Ⅰ,用于股骨前髁截骨,该模块根据患者骨性结构设计,可以稳定贴附于股骨远端。第三部分是股骨导板Ⅱ,用于股骨后髁截骨,该模块的第1贴附区和股骨远端截骨后的截骨骨面完全重合,易于摆放。每个模块上均有按压点用于稳定摆放导板;2.5 mm克氏针柱孔用于打入克氏针固定导板;截骨导向槽用于辅助术者精准截骨。

a 胫骨平台截骨导板 b 股骨前髁截骨导板 c 股骨后髁截骨(二合一导板)图2 3D打印截骨导板模块示意图

4 手术步骤

4.1 麻醉和体位 麻醉采用全麻或腰硬联合麻醉,患者取仰卧平躺或患肢屈髋屈膝悬吊位,无菌止血带下手术,便于术中视野清晰。

4.2 切口与显露 膝内侧髌旁弧形切口,沿髌骨内侧缘顶点向关节线远端3 cm处做切口,远端止于胫骨结节中点,使切口在关节线以下占1/3,以上占2/3。术中辨别髌骨内侧缘,沿髌骨内侧缘切开关节囊,暴露关节腔。在关节囊上端加长切口进入股内侧肌约3 cm。切除髌下部分脂肪垫,检查韧带、外侧间室及髌股关节,进一步确认符合UKA的适应证。

4.3 安放胫骨导板 胫骨导板安放前,需显露胫骨前内侧骨面,保留胫骨平台前内侧骨赘,不做韧带松解。剥离部分髌腱显露外侧骨面,髌腱后方若有砧状骨赘,须去除。清理髁间窝骨赘,确保垂直截骨时往复锯通道畅通。胫骨截骨导板第2贴附区要与胫骨平台骨面贴附,若胫骨关节面有残留软骨要予以去除。将导板置入,术者用双手大拇指按压导板按压区,使导板第1贴附区与胫骨骨面完全贴合,第2贴附区与胫骨平台磨损最低点贴合,并确保各方向贴合,导板与骨面之间没有缝隙。此时助手按照导板标识顺序,在1～4号柱孔依次打入2.5 mm克氏针固定(见图3)。打入导针时须保持导针方向与柱孔一致,以免改变导板位置。完成后再次检查导板第1、第2贴附区是否与骨面完全贴合。此时为便于后续手术操作,可将克氏针剪短。

4.4 胫骨截骨 使用往复锯沿导板截骨槽进行垂直截骨,截骨时应注意避免上扬或下压锯片,以免损伤胫骨平台后侧皮质;水平截骨前请助手用拉钩保护内侧副韧带,之后用摆锯沿导板截骨槽进行水平截骨(见图4)。手术前AI会自动计算并打印截骨骨块,以便于术者在术中快速确认截骨量是否符合术前计划。此时术者将胫骨截骨骨块取出后与3D打印骨块进行对比,确认截骨量与术前设计一致(见图5)。

a 胫骨垂直截骨 b 胫骨水平截骨图4 术中胫骨截骨示意图

图5 术中对比截骨块与3D打印骨块

4.5 间隙测试 根据术前设计,胫骨截骨后屈曲间隙应为8 mm,伸直间隙为10 mm。使用相应的测试块,用两指测试法进行测试。

4.6 股骨导板I固定 导板贴附区需紧贴股骨远端骨面,若导板贴附位置有软骨需刮除,以免影响截骨量。导板第1贴附区与股骨内髁远端磨损点贴合,第2贴附区与股骨髁内侧及前方骨面完全贴合,放置准确后术者用双手大拇指按压导板上的2个按压区,确保导板稳定(见图6)。助手按照导板标识顺序,在1～4号柱孔依次打入2.5 mm克氏针固定。

图6 术中摆放股骨导板Ⅰ

4.7 股骨远端截骨 用摆锯沿截骨槽行股骨远端截骨(见图7)。取下股骨导板Ⅰ和截骨块,将截骨块与预先打印的截骨块进行对比,如果截骨量少于术前设计,则需要手动加截。

图7 股骨远端截骨示意图

4.8 股骨导板Ⅱ固定 导板第1贴附区贴在股骨远端与截骨面重合,第2贴附区贴合股骨髁内侧骨面。术者用双手大拇指按压导板上的2个按压区,确保导板稳定(见图8)。助手按照导板标识顺序,在1～3号柱孔依次打入2.5 mm克氏针固定(见图9)。完成后再次检查导板第1、第2贴附区是否完全贴合。

图8 术中摆放股骨导板Ⅱ

图9 术中固定股骨导板Ⅱ

4.9 股骨后髁和上斜截骨 使用打孔钻打入前侧柱孔1,插入股骨固定栓提高稳定性,再使用打孔钻打入后侧柱孔2。用摆锯沿导板截骨槽进行股骨后髁截骨,截骨后取出前方股骨固定栓。之后用摆锯沿截骨槽进行上斜截骨,取下股骨导板Ⅱ,借助窄骨刀(或摆锯)沿截骨缝打断截骨连接点,取出截骨块。

4.10 假体安装准备 切除内侧半月板,助手用拉钩保护内侧副韧带不受损伤。清理关节并确保截骨面平整,如果存在凸起的骨刺或骨赘(尤其是股骨后上髁区域),要用摆据或骨刀将其全部清除。

4.11 安装股骨试模并测量间隙 依据术前设计提供的假体型号选择、安装股骨试模。将腿伸直(保持10 °～20 °屈曲),选择10 mm的间隙测块,用两指测量法测量;再将腿屈曲90 °～100 °用同样的方法测量屈曲间隙。

4.12 安装胫骨试模并测试屈伸间隙 间隙测量合适后,取下股骨试模,把相应尺寸的胫骨托试模置于胫骨截骨表面上,使用胫骨限位钻,钻2个胫骨固定栓孔。根据术前设计型号和位置安放胫骨试模,合适的股骨部件试模、胫骨托试模以及胫骨衬垫试模进行膝关节屈伸间隙平衡和稳定性测试。

4.13 假体安装 取下胫骨试模,将伤口冲洗干净,调和骨水泥,安装胫骨假体和股骨假体。再使用工具将垫片放到胫骨底座上,保持膝关节屈曲45 °位骨水泥凝固。

综上所述,应用AI+3D打印导板进行固定平台单髁置换术具有较多优势,可以使得手术更加简便,截骨线更加精准,截骨量更加精确,膝关节屈伸平衡更加良好。应用3D打印导板进行手术也要建立固定的手术流程和操作规范,按照操作流程进行操作,将大大降低手术风险,使手术医生迅速度过学习曲线,从而实现高水平的手术精准性,同时具有手术风险小、术后恢复快和临床疗效较好的特点[7]。