随着中国竞技体育事业的进步、群众性体育运动的普及和交通运输事业的发展，膝关节运动性损伤和交通意外伤害也日益增多，前交叉韧带断裂的患者越来越多见。前交叉韧带是控制膝关节前后向稳定性和旋转稳定性的重要结构，一旦断裂，将严重影响膝关节的稳定性和运动功能，进而导致关节软骨和半月板的继发损伤[1]。关节镜下ACL解剖重建手术的难点为股骨隧道定位的精确性。目前常见的有以下几种。(1) “钟表面”定位法[2]应用最广泛，但易受关节镜视野及膝关节体位影响，导致定位不准；(2) 住院医师嵴标志定位法[3]，此方法可获得较为准确的解剖位置，但部分患者解剖标志不清，从而无法参照；(3) 辅助术前影像资料定位法存在投照体位、伪影干扰[4]。最近有学者提出了应用增强现实(augmented reality, AR)导航技术辅助前交叉韧带股骨端定位[5]，但该方法为静态研究，术中关节角度改变及关节腔肿胀后易引起失真，从而影响其准确度。故目前临床仍无比较准确的股骨骨隧道定位方法。通过Mimics图像处理软件可以设计合理的股骨骨隧道位点，并设计导板以辅助钻孔，3D打印可以精确的打印出患者股骨实体模型和预设计的导板，具有准确、直观、可重复操作的优势[6]，关于其应用于前交叉韧带重建手术在国内文献报道较少，仅有文献报道了尸体研究及胫骨骨隧道的应用研究[7-8]。本研究希望通过Mimics图像处理软件及3D打印的技术优势解决膝关节镜下前交叉韧带重建股骨骨隧道精确定位的难题。
1 资料与方法
1.1 临床资料
选取同济大学附属东方医院关节外科2017年6月—2018年5月收治的外伤导致的ACL断裂患者30例，随机分成两组(每组15例)，予以关节镜下ACL重建手术治疗，分为3D导板辅助重建组(观察组)，同时设立对照组为传统重建组15例，见表1，均采用单束重建，观察并对比两组患者手术时间、股骨骨隧道长度及术后采用Lysholm膝关节评分评价其疗效。
表1 一般资料
Tab.1 General information of patients
参数观察组(n=15)对照组(n=15)χ2/tP男/女10/59/6χ2=0.1440.705年龄/岁31±6.3630±7.83t=0.3840.704BMI/(kg·m-2)24.5±3.525.9±4.2t=-0.9920.33
1.2 手术方法
两组患者均由同一组医师手术。观察组： 通过术前CT扫描医学数字成像文件进行Mimics图像重建，同时在软件上进行股骨外侧髁内侧面的骨隧道定位(图1A)，根据解剖标志即住院医师嵴进行定位，如显示不清则根据钟表面定位(右侧10点，左侧2点)，同时设计导板及导孔方向，兼顾实体操作时的操作空间，控制股骨骨隧道长度在40mm左右，重建模型由3D打印机器打印(EOS P110)，术前通过打印模型直视下进行前交叉韧带股骨止点定位，使用导板进行二次定位，并适当调整位置及角度并记录，进行模拟手术(图1B)，在实体手术时通过打印模型的定位点进行关节镜下第三次定位(解剖单束重建，图1C～F)。对照组： 术中根据前交叉韧带止点残端判断股骨止点，胫骨骨隧道止点定位参照前交叉韧带胫骨解剖止点定位，肌腱均采用患侧膝关节腘绳肌腱2根4股单束固定，固定方式为股骨侧纽扣钢板胫骨侧挤压行固定，产品购自美国施乐辉医院产品国际贸易(上海)有限公司。
1.3 术后康复及随访
两组患者术后常规采用可调式下肢支具伸直位固定，术后即开始进行股四头肌功能锻炼，并使用低分子肝素预防下肢深静脉血栓；术后即复查膝关节CT，MRI(图2A、B)，通过CT三维重建测量股骨骨隧道(图2C)，膝关节支具活动范围每周增加15°，于术后6周时将支具角度调整至最大，主动屈伸活动锻炼，患肢开始逐渐负重并增加活动量及活动时间，3个月后完全负重。术后3个月对全部患者进行Lysholm膝关节评分。
图1 3D打印导板的使用步骤
Fig.1 Procedures of 3D printing guides
A： 在软件上进行股骨骨隧道定位并设计导板;B： 使用3D导板在模型上行进行预手术;C： 镜下发现前交叉韧带股骨止点撕脱；D： 使用导板进行前交叉韧带股骨止点定位；E： 电钻经导板导孔定位、初步确定骨隧道长度及方向；F： 经导板定位后的股骨骨隧道开口，位置理想
图2 重建完成后关节镜下及影像观察
Fig.2 Arthroscopy and imaging observation after reconstruction
A： 单束重建完成的前交叉韧带；B： 术后复查MRI提示韧带重建位置良好，无撞击及垂直韧带；C： 术后CT三维重建测量股骨骨隧道
1.4 统计学处理
采用SPSS 25.0进行数据统计分析，计数资料(性别)采用χ2检验，计量资料(年龄、BMI、平均手术时间、Lysholm膝关节评分、股骨骨隧道长度)采用独立样本t检验。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结 果
2.1 观察组与对照组的一般资料及术后并发症分析
两组性别、年龄、BMI的差异无统计学意义(P>0.05)。两组病例均无感染、深静脉血栓事件，无内植物松动及移位。
2.2 观察组与对照组的效果评价
对比两组平均手术时间、平均住院日、术前Lysholm膝关节评分及术后3个月Lysholm膝关节评分，观察组的平均手术时间及术后Lysholm膝关节评分较对照组差异有统计学意义(P<0.05)，见表2，其中观察组术后膝关节的不安定度、闭锁感、楼梯攀爬、使用支撑物方面较术前有显著改变(P<0.05)，见表3，观察组股骨骨隧道长度较对照组集中，离散程度更低，见表4。
表2 两组患者手术时间、住院时间、Lysholm膝关节评分比较
Tab.2 Comparison of surgical time, length of stay, and Lysholm knee joint score between the two groups of patients
组别观察组(n=15)对照组(n=15)tP手术时间/min46.3±12.261.5±20.25.326<0.05住院时间/d4.5±1.24.6±1.70.893>0.05术前评分48.22±12.3549.87±18.232.907>0.05术后评分95.35±5.0588.18±9.804.092<0.05
表3 观察组术前与术后Lysholm膝关节评分分项比较
Tab.3 Comparison of Lysholm knee joint scores between and after operation in the observation group
参数术前(n=15)术后(n=15)tP疼痛19.33±2.4922.67±2.490.0046>0.05不安定度5.00±1.2522.73±2.571.632<0.05闭锁感9.47±1.5415.00±02.087<0.05肿胀度5.73±1.778.40±1.960.0005>0.05跛行3.27±0.684.47±0.880.0012>0.05楼梯攀爬1.87±0.59.47±1.361.076<0.05蹲姿3.47±0.884.20±0.40.0142>0.05使用支撑物1.93±1.064.60±1.025.108<0.05
表4 观察组与对照组骨隧道长度分布趋势
Tab.4 Distribution trend of bone tunnel length in study group and control group
组别 股骨骨隧道长度/mm最大值/mm最小值/mm观察组(n=15)42.47±3.2484938对照组(n=15)42.67±5.6785235
3 讨 论
在运动损伤中，膝关节前交叉韧带损伤是常见的膝关节损伤[9]，对于年龄较大、损伤后膝关节运动功能仍较好的女性患者，国外有学者建议非手术治疗[10]，而对于年轻且有运动需求的患者而言，其完全损伤后往往需要进行手术修复[11]。近10年来关节镜下重建已为国内外普遍接受。但是ACL重建仍有7%～10%的失败率[12]。对于初学膝关节镜术者而言，前交叉韧带重建手术往往面临韧带股骨止点定位不准[13]、股骨外侧髁后壁骨折、骨隧道长度过长或过短等术中难题，而非解剖重建的韧带则导致术后关节失稳手术失败的结局。前交叉韧带重建的目的是恢复患者膝关节稳定性，而其是否重建在准确的解剖位置则尤为重要。随着对ACL解剖的进一步研究，普遍研究认为非解剖位置的重建是ACL重建术后失败的主要原因之一[14]。关节镜下ACL解剖重建手术的难点为股骨隧道定位的精确性。临床上缺乏对于前交叉韧带股骨止点准确定位的方法，传统的定位方法均虽简便易行[2-4]，但仍存在一些缺陷。
随着3D打印技术的推广，目前该技术已应用于医疗的各个方面[15-16]。骨科方面，3D打印技术在关节置换、脊柱肿瘤手术等已有大量报道[17-19]。国外已有应用3D打印技术辅助前交叉韧带股骨止点骨隧道的相关研究[20]，其方法为通过健侧膝关节核磁进行图像定位股骨骨隧道，设计股骨定位工具，非患侧关节，存在一定失真及应用限制，且不能进行相关的模拟实验。国内有学者采用了类似的方法，通过图像模拟重建后设计导板，再应用于手术中[21]，但该导板为股骨胫骨一体化导板，灵活性降低，且无实体模型预实验的验证优势。本研究通过3D打印技术术前打印患者仿真膝关节模型，可在膝关节模型上直视下定位且进行手术操作及检验，从而有望达到“精准”的要求。通过Mimics软件设计股骨骨隧道长度及骨隧道出入点，辅以导板定位股骨外侧髁内侧壁，可以获得较为精确的股骨骨隧道位置及长度，从而满足腱骨愈合要求，避免因韧带位置不佳引起的膝关节屈伸时韧带受力不均导致的韧带断裂以及髁间窝撞击引起的韧带断裂。本研究中观察组的骨隧道长度比对照组的离散趋势小，这说明术前的辅助设计及导板的定位发挥了作用。前交叉韧带重建术后髁间窝撞击常常导致远期韧带断裂，撞击与患者本身的髁间窝形态相关。通过3D模型可以动态观察韧带重建后的撞击情况，但因受仿真韧带限制，以及关节镜术中如发生撞击可以还通过髁间窝成形解决，而调整韧带位置反而使手术创伤更大，故本研究未进行前交叉韧带撞击的相关试验。膝关节前交叉韧带重建术后关节肿胀也是影响其功能恢复的重要因素。除去前交叉韧带重建位置不良因素外，手术时间亦是影响关节镜术后肿胀的重要因素。初学者在股骨外髁内侧壁定位时往往花费大量时间，而反复的定位则易导致软骨损伤，亦可导致关节肿胀。本研究设计了辅助前交叉韧带股骨止点的定位导板，利用导板远端的倒钩样突起，扣住髁间窝的外侧后壁，且在导板上设计了其骨隧道走形方向的导向孔，在术前即通过3D打印模型进行预实验，确认及获取导板的最佳放置位置，在关节镜下的实体手术中，只需根据预实验的放置位置，即可快速的定位前交叉韧带股骨止点即骨隧道，从而缩短手术时间、减少软骨损伤以减少导致术后关节肿胀的可能因素。需要注意的是，由于镜下可操作空间限制，存在电钻方向与导板导孔方向不一致的情况，此时不可盲目或暴力开孔，以免发生导板或电钻断裂，以及钻孔时产生过多的3D打印材料碎屑引起炎症及术后排斥反应。如发生此种情况，笔者建议增加辅助切口找到合适的方向进行操作，或仅进行股骨止点定位而不进行骨隧道成形，定位后移除导板，再根据预估大致方向进行骨隧道成形。成人膝关节存在个体差异，而股骨endobutton长度可调性较小，国内研究[22]认为采用自体肌腱重建ACL时，骨隧道内放入肌腱的长度并不是越长越好，而是有一个最佳长度17mm，故行前交叉韧带重建手术时需要一个比较恒定的骨隧道长度，本研究发现通过3D打印导板辅助下获得的股骨骨隧道长度较为恒定，离散趋势较小。
本研究未将股骨骨隧道内侧开口纳入研究，认为在关节镜观察下，无论应用导板与否，均应最终获得一个满意的开口，两组之间的区别只是时间问题，观察组可以通过更少的时间获得满意的开口。虽然本研究中3D导板应用于前交叉韧带的解剖单束重建取得了良好效果，但对于有经验的关节镜医生而言，单束重建已经可以比较准确的重建于解剖位置，使用3D打印技术可能非必要且增加手术成本。国内学者[23]通过动态CT观察发现解剖位单束重建的韧带不等长，韧带长度在膝关节完全伸直时最长，在屈曲0°～90°时韧带逐渐缩短，90°～120°时又有所伸长，故单束重建仍未能完全的恢复前交叉韧带的生物功能，而双束重建存在难度大、操作复杂的技术挑战，3D打印技术则可能在双束重建中发挥更有效的作用。本研究认为影响前交叉韧带重建手术疗效的医源性因素的关键在于韧带重建的位置及初始稳定，且前3个月亦为其关键的康复期，故主要分析了其前3个月的Lysholm膝关节评分，但影响前交叉韧带术后疗效的因素是多方面的，其最终的疗效及术后患者重返运动的能力仍需长期的随访验证。
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