三维重建在全膝关节置换术中的应用进展
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摘要：人工膝关节置换是通过手术将病损的膝关节由人工关节部件所替代[1]，其中，人工全膝关节置换（TKA）在临床上应用较为广泛 [2]，但全膝关节置换存在假体松动、下沉和失稳等并发症，这就要求在手术过程中，必须更好的恢复下肢生物力线[3]，更精确的截骨，最大程度的平衡周围软组织[4]，提高假体植入的几何精度，对于这些核心问题，过去往往是根据术者在手术过程中肉眼和经验来判断，无形中增大了手术误差，近些年来，三维重建技术广泛应用到全膝关节置换术中，获得了较好的疗效，尤其是对于严重内外翻畸形，严重骨质增生，软骨面磨损和术中难以判断股骨轴线的病例，术前在三维重建的膝关节模型上进行预测量和预截骨，初定假体型号和下肢力线，可以大大减少全膝关节置换术后并发症的出现。
关键词：膝关节；置换；三维重建；进展
膝关节是人体最复杂的关节，膝关节的静力稳定结构与动力稳定的软组织借助神经系统的反馈调制机制来维持膝关节功能运动，膝关节退行性变会引起膝关节的骨质增生，软骨剥脱，疼痛畸形的病变，给人们的生活带来严重不便。
在骨科领域，20 世纪的一项革新是人工关节的诞生，膝关节成形术（total knee arthroplasty，TKA）最早由Vernei 医生提出，限于当时手术技术和材料缺陷等问题，手术未获得成功，随后经过100多年的研究，20世纪50年代诞生了铰链式人工膝关节假体。从20世纪60年代末期至70年代中期开始，Gunston，Townly，Freeman，Swonson，Insall等专家逐步改进设计出了更符合生物力学的膝关节假体[5]，其中以Insall设计研发的全髁膝关节假体为代表。近10年来，人工膝关节置换术呈现出迅猛增加的趋势。但膝关节周围结构复杂，有的膝关节伴有严重内外翻畸形及关节失稳等情况，在进行全膝关节置换手术时难以精确的进行定位、截骨和选择假体，故术后常见患肢下肢力线不良，假体大小选择偏差，膝关节结构不稳，功能较差等情况[6]。
目前，全膝关节置换术中所使用的人工假体包括标准系列和定制系列两种，其中标准系列人工关节在临床应用较广泛，它是按照常规膝关节的解剖参数进行设计加工的，以西方人膝关节为基础，国产的人工膝关节假体在设计理念和制造水平上也多仿制进口假体，假体不仅种类有限费用高，而且假体参数与国内患者膝关节匹配度不佳，符合国人的膝关节假体设计的相关参数还不完善，因此，假体很难和骨质应力匹配，进而影响假体的稳定性和手术的成功率。定制化人工膝关节定制化人工膝关节是根据患者的实际情况制定个体化的膝关节假体，更适合患者的需要，但其涉及三维重建，数控加工等多个领域，耗时耗力，费用较高，难以普遍推广。
评价人工全膝关节置换术是否成功主要参照术后患者的恢复情况以及假体的使用寿命，手术最重要的就是确定下肢力线，而在手术过程中，术中只能看到靠近膝关节的少部分股骨和胫骨，判断下肢力线主要是通过手术医生通过目测或经验来决定，这种人为的因素无形中就增大了误差，股骨髓内定位杆不同的入点会导致股骨力线的偏差，力线数据存在连锁效应，初始误差会引起误差传递和累积，导致假体安装位置的偏移，进而影响到手术的成败。多年来，临床专家一直致力于探索更精准更方便确定下肢力线和股骨髓内定位入点的方法。1997 年，Leitner 等[7] 提出了计算机辅助膝关节置换手术，其原理是利用光学定位追踪仪，通过追踪股骨、胫骨以及踝部的解剖点来确定下肢力线，此方法一度成为国外许多临床医师追捧的研究热点，但其较高的专业性和定位的单一性，成为此项研究的瓶颈。我国的研究者通过对承受应力的胫骨平台聚乙烯假体进行研究发现模拟解剖重建机体模型的重要性[8]。
三维重建技术始于20世纪80年代，通过计算机对CT扫描数据进行处理，获得三维立体图像，为临床医生提供个体化的膝关节解剖图像，最近几年，随着计算机技术和医学影像技术的迅猛发展，三维重建的精准度和实用性越来越高，越来越多的研究者开始追逐三维重建和医疗领域更有效的结合点。
1 人工全膝关节置换术的研究进展
1.1人工全膝关节置换术概况 膝关节置换术已经发展成为治疗终末期膝关节病变的常用方法。Campbell 和Boyd，Smith-Petersen设计出了铸型半膝关节假体， Walldius，Shiers于50 年代设计出内在稳定的等带髓腔柄的铰链式假体[9]，其可实现股骨和胫骨关节的置换，而且其较长的髓内固定柄在安装关节时便于对线，但此类假体容易下沉松动，感染率高，临床效果差，但在当时条件下，铰链式假体是主要的选择。上世纪70年代初，真正具有现代人工膝关节置换术的发明是John Insall[10]提出的全髁置换，全髁型膝关节假体（TCP）的股骨髁采用钴铬钼合金，胫骨平台为聚乙烯材料，髌骨假体圆弧形，避免解剖型髌骨假体复杂的旋转对线过程。全髁型膝关节假体（TCP）临床效果显著，20年随访优良率93%左右，已成为衡量其他膝关节假体临床疗效的"金标准"。目前临床使用最多的是非限制型全膝关节假体，尽管设计细节上，不同公司会各有特点，但总体设计大同小异，除了假体本身的设计特点和制造工艺以外，人们越来越多地认识到手术技术和假体安装的精确程度是决定膝关节置换效果优劣的重要因素。
随着人工膝关节置换在发达国家的开展，我国也逐渐引入了此项新技术，TCP型假体于80年代开展，骨水泥固定的解剖型膝关节假体于90年代初出现。受到国人和外国人生理解剖的差异，国产解剖型假体与进口假体也存在一定的区别，如国产假体内外髁宽度相对偏小，髌骨假体采用聚乙烯圆弧形设计，全部假体采用骨水泥固定。最近10年来，假体国产化进程不断加速，人工膝关节置换术每年例数突破上万人，国内外学术界交流频繁，大大提高了骨科医生的技术水平，在我国，接受TKA原发疾病以骨关节炎为主，大多数患者膝关节病损严重，但经过几代人的不懈努力，我国TKA技术在屈曲畸形、严重内外翻畸形的膝关节疾病治疗上取得了突飞猛进的发展，让更多的中国人享受新医疗技术带来的福音。
1.2人工全膝关节置换术的并发症
1.2.1感染 人工全膝关节置换术后感染是一种严重的并发症，临床上表现为局部红肿热痛，关节功能障碍，常会引起膝关节的疼痛和病废，以致手术完全失败，一旦出现感染大多需要再次关节置换手术治疗，甚至需行截肢术来纠正感染。因此，人工全膝关节置换术前应详细了解患者是否服用激素，免疫制剂等，对于血糖较高的患者，术前常规进行降血糖治疗，控制血糖达标，常规术前清洁备皮并使用抗生素，可以控制不被察觉的潜在感染，对于肥胖和类风湿性关节炎的患者尤其注意控制感染，术前30min再次行抗生素抗感染预防，手术区域渗入足量抗生素，并且使用抗生素骨水泥，提高局部抗生素的浓度，同时尽量缩短手术操作时间，术中充分止血，减少表浅组织的剥离，术后常规应用抗生素并定期换药，观察并预防感染。如果怀疑感染，术后拔引流管时，可以留取部分引流液作细菌培养加药敏试验，及时调整抗生素。如果一旦造成感染，并发假体松动，要根据实际情况选择保留假体还是清除假体进行治疗。保留假体治疗方法主要是大剂量抗生素对症治疗，肢体制动和膝关节对口引流，而清除假体治疗方法主要是全身使用大剂量敏感抗生素，彻底清创后可依据实际情况选择关节切除成形术，融合术或截肢术。
1.2.2 下肢静脉栓塞 下肢静脉栓塞（DVT）是1856年由Virchow[11] 首先提出的，其原因大体概括为血流缓慢，血管壁损伤和高凝状态。人工全膝关节置换术中，止血带止血、屈膝位操作、骨水泥产热等多种原因都会损伤血管，术后患者机体处于高凝状态，下肢静脉本身血流缓慢，并有静脉瓣，下肢静脉容易出现栓塞并形成血栓，通过静脉造影或多普勒超声可确诊，临床上也有用核素静脉造影进行检查诊断，虽然弥补了静脉造影有创的缺点，但其较差的准确性使其在临床应用不广泛。临床上，可以指导患者卧床休息，抬高并按摩患肢，使用低分子肝素药物、右旋糖酐、华法林和阿司匹林预防下肢静脉栓塞，一旦血栓形成，应当积极溶栓治疗，可以使用链激酶和尿激酶药物溶栓，如果血栓位置较高，可以通过静脉血栓取出术或下腔静脉网成形术进行积极治疗，从而预防下肢深静脉血栓。如果下肢深静脉血栓已扩展到下腔静脉且并发肺栓塞，往往会危及生命，肺栓塞是全膝关节置换术严重的并发症，也是常见的死因，大多数发生在术后2～3w，肺栓塞患者早期症状不明显，临床诊断困难，可通过动脉血气分析进行筛选，一旦诊断为肺栓塞，立即行气管切开，插管，应用大剂量抗凝、溶栓药物和生命支持药物治疗，但往往预后较差。
1.2.3关节僵硬 关节僵硬也是术后常见的并发症， 关节僵硬与术后疼痛、感染、假体选择不当、假体植入位置不当、髌股关节问题、关节纤维粘连以及术后功能锻炼不及时、不到位有关，人工全膝关节置换术的患者在药物或止痛泵镇痛的基础上，早期行CPM机或被动屈伸膝关节功能锻炼，术后1w患膝屈曲范围超过90°。
1.2.4关节不稳 全膝关节表面置换术后有关节不稳的并发症，常由术前未规范检查，术中损伤韧带，手术操作不当和假体设计植入不佳造成，影响了膝关节的稳定性和活动度，给患者术后膝关节活动带来了不良影响，所以术中要遵循膝关节屈伸位间隙对称的原则，对不稳定的软组织给予重建修复，严格手术操作流程和规范，恰当选择假体的大小，尽可能的避免关节不稳的发生。
1.2.5假体松动 全膝关节置换术后无菌性假体松动的发生率为3%～5%，很多原因会引起假体松动，比如术后感染，假体设计不合理，骨质疏松，术中截骨太多，下肢力线不佳、术后活动量过大等。假体松动的患者表现为负重时患膝疼痛加重，在膝关节X线片上见假体周围有大于2mm且进行性增宽的透明带，根据患者实际情况，可选择假体返修术进行治疗。临床上可以通过提高手术精确度，固定假体前充分冲洗，固定假体时，使骨水泥和骨间隙充分融合等方法来预防假体松动的发生。
1.3人工膝关节置换术的展望 人工膝关节置换术经过数十年的发展，已经成为治疗各类中晚期膝关节疾病的经典手术之一，但限于种种原因，全膝关节置换术也有失败的病例，这无形中加重了患者的精神痛苦和经济负担，过去的几十年，骨关节外科的医务人员不断研究提升膝关节置换的手术操作技术，关节假体设计技术人员也不断研究新型关节材料，完善假体设计缺陷，使得全膝关节置换术有了长足的发展。近年来，随着社会科技水平的不断发展，许多新技术应运而生，并且融入到全膝关节置换手术中，比较有代表性的就是计算机辅助导航技术，它的诞生，为微创手术提供了强大的技术支持，既有助于准确植入假体，减少假体松动、磨损，同时可以改善术后膝关节功能，延长假体的使用寿命，目前该技术在个别大医院逐渐开始应用，但是该技术对手术医生的专业性要求较高，普及比较困难。国内一线骨关节外科的专家一直致力于寻找全膝关节置换术和计算机软件的有机切入点，既简单易懂好操作，又能够提高全膝关节置换术的精准性，同时不会增加患者的负担。近几年，三维重建技术不断发展，其在人工全膝关节置换术中的应用越来越受到骨关节外科的追捧，并纷纷将其应用于临床，取得了一定的进展，三维重建技术和全膝关节置换术的有机结合，将会进一步推动全膝关节置换术的发展。
2 三维重建在人工全膝关节置换术中的应用
2.1膝关节三维模型建立的意义 膝关节置换术中，每个患者膝关节病变程度不同，其截骨、安装参数也不同，正确选用截骨、安装参数是膝关节置换手术的关键问题，术中如何确定截骨、安装参数是人工全膝关节置换术的难点，近些年来，随着三维重建医学影像学的迅猛发展，众多的研究者一致认为三维图像重建可以作为开展全膝关节置换术研究的基础，但限于种种原因，目前对膝关节周围组织结构分割重建方面的研究较少[12-13]，故借助CT技术，进行膝关节周围组织结构的三维重建，成为了更多临床专家研究的方向，为推进个体化的全膝关节置换提供有力的技术支持。
2.2三维重建技术在临床上的应用 医学图像三维重建技术诞生于20世纪80年代，它是通过对生物组织结构的连续图片进行旋转、切割，从而可以获得三维立体图像的方法。临床上，该技术主要的研究对象是CT和MRI医学影像数据。三维重建技术的应用减少了临床上测量的误差。Godest[14]等应用计算机三维成像技术对全膝关节置换术后的有效性、安全性评估进行了研究显示，影响全膝关节置换术后临床效果的关键因素是假体的选择的准确性。我国的研究者通过对承受应力的胫骨平台聚乙烯假体进行研究发现模拟解剖重建机体模型的重要性。
2.3三维重建在膝关节置换术未来的研究重点 三维重建在膝关节置换术已经取得了非常显著的成绩，在辅助术者正确确定下肢力线，正确选择假体大小，准确平衡软组织等方面发挥了重要作用，未来可以将研究重点放在开发更小创伤的示踪器固定系统、电子平衡测量仪系统和人机互动系统等方面，发挥计算机编程的作用，将术前三位重建的数据运用到计算机编程系统中，通过计算机机器人完成术中操作，真正实现人机的智能化转变。
3 结论
全膝关节置换术常见下肢力线不良、髌骨轨迹不佳、假置不好和软组织平衡失稳等情况，传统膝关节置换术通过机械式髓内随外定位进行截骨，即便是经验丰富的医生也只是凭肉眼和手感来判断假体置位及韧带平衡情况，这就会大大影响手术的精确度，三维图像重建是开展个体化膝关节置换研究的基础，利用CT数据，进行膝关节结构的分割、重建、配准，制定个体化的膝关节假体模型，制定术前规划及截骨方案，有助于正确重建下肢力线、准确定位截骨、准确置入假体、稳定软组织平衡，可以实现膝关节假体的个体化，膝关节置换的标准化。因此，三维重建应用于全膝关节置换术，可以减少手术误差，提高手术精度，改善临床效果，增加患者术后的满意度，值得在临床推广使用。
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