基于MRI和三维CT个性化截骨导板在内轴型膝关节假体置换中的应用

背景:基于三维CT数据的个性化定位导板可提高后稳定型假体关节置换的精确度,但基于三维CT扫描数据的骨性结构重建忽略了股骨远端关节软骨厚度,将影响个性化截骨导板使用及全膝关节置换后的临床效果。目的:探讨基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助内轴型膝关节假体置换的安全性、准确性及早期临床疗效。方法:选择南京医科大学附属南京医院骨科2018年2月至2019年4月收治的110例膝关节骨关节炎患者,均使用内轴型膝关节假体行全膝关节置换,随机分2组进行手术,试验组58例在基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助下完成膝关节截骨,对照组52例采用传统髓内、髓外定位方法完成膝关节截骨,记录两组手术时间、术中出血量。术后随访复查X射线片,并评估膝关节协会功能KSS评分与目测类比评分。结果与结论:①110例患者获得6-10个月随访,未出现严重术后并发症;②试验组手术时间、术中出血量少于对照组(P<0.01);③术后1个月X射线片显示,试验组术后髋-膝-踝角、冠状面股骨组件角、冠状面胫骨组件角、矢状面胫骨组件角与理论设计值的偏差均小于对照组(P<0.01);④试验组术后1,3,6个月的膝关节功能KSS评分高于对照组(P<0.05),两组间目测类比评分比较差异无显著性意义(P>0.05);⑤结果表明基于MRI和三维CT的个性化截骨导板辅助内轴型膝关节假体置换,能有效提高假体安放准确性,缩短手术时间,该方法安全可行,早期临床效果满意。     

基于3D打印个性化手术导航模板辅助下的人工全膝关节置换

背景：膝关节的解剖形态个体差异显著,而传统膝关节置换手术定位力线方法复杂,不能准确预测术中患者的力线位置、假体大小及截骨量。 目的：探讨基于医学图像三维重建、计算机辅助设计技术以及3D打印制造的个性化手术导航模板辅助下全膝关节置换的临床效果。 方法：采用CT或者磁共振扫描设备对患者进行扫描,获取患者医学图像数据;采用二维医学图像处理技术进行骨骼的三维重构;利用计算机辅助设计技术进行导航模板的设计;采用3D打印技术制造个性化手术导航模板,并进行临床全膝关节置换;置换后采用影像学评估术后效果。 结果与结论：Arigin 3D Pro(昕健医疗技术有限公司)能够准确重构出患者下肢骨骼三维模型,自主研发的三维设计软件Arigin Surgical Templating(昕健医疗)能够精确定位包括下肢力线、股骨旋转轴等在内的下肢相关轴线及截骨参考点。该组研究设计和制作的个性化膝关节手术导航模板,术中和股骨髁与胫骨平台骨性解剖结构贴合紧密,无明显移动;全膝关节置换后患者下肢力线偏差小于3°。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

基于X线片定制股骨柄假体的设计原理及方法

目的 介绍自编的基于X线片设计定制型股骨柄假体程序系统的设计原理及功能模块。方法 利用图像处理方法提取X线片上一些患者股骨解剖特征点（如小粗隆最高点、股骨头中心及转子间窝等）、2个规划的手术截骨位置点（大粗隆侧截骨边界位置点及截骨线最低点位置点）以及一些设计用关键位置点（如假体远端位置、假体颈干连接段最高点位置等）,以此预测患者股骨近端髓腔,并通过输入设计参数值（如颈干角、前倾角、预留的松质骨厚度、假体匹配段截面圆弧半径及假体过渡段高度等）设计出定制型股骨柄假体。并对设计出的定制股骨柄假体进行匹配区域多个截面的二维截面验证和三维的总体验证。结果 根据验证情况,调整设计参数重新生成股骨柄假体模型点云数据,使设计出的股骨柄假体与患者股骨腔相匹配,达到定制型假体设计要求。结论 介绍的程序系统可用于为患者设计定制型股骨柄假体,设计周期较短,成本较低,有利于促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。     

不同类型膝关节后稳定型假体髁间截骨量的对比

背景：后稳定型膝关节假体股骨侧需要额外的髁间截骨来容纳胫骨柱和股骨窝结构,髁间窝两侧与股骨体相连处应力集中是骨折好发部位。不同品牌假体不同型号间截骨量的差异并没有具体数据,不便于临床医生在选择假体时参考。 目的：比较临床上常用的后稳定型膝关节假体(进口、国产的6个品牌)髁间截骨数据的不同,为临床假体选择和应用提供依据。 方法：选择目前国内常用的(进口、国产的6个品牌)后稳定型人工膝关节假体,包括Zimmer NexGen LPS、Stryker Scrorpio NRG Knee-Flexed、Depuy PFC Sigma、Smith&nephew Genesis-2 PS、United-U1及威高GKPS。根据截骨模板确定截骨面包括股骨髁前截面、后截部、股骨髁远端截面、后斜截面;对应股骨假体径线包括髁内外径宽、髁前后径宽、股骨髁间窝截骨宽度及深度,对上述数据进行对比测量。 结果与结论：6种膝关节股骨髁假体的前后径/内外径、髁间窝截骨量及形态均存在差异,国外品牌股骨远端前后截骨面间径线较短,对后髁的截骨程度较大。随着应用假体尺寸的增大,所用品牌髁间截骨宽度所致骨量丢失比例均呈下降趋势,无论是小尺寸假体还是大尺寸假体,Stryker Scrorpio NRG Knee-Flexed假体髁间截骨宽度均较小。 6个品牌的膝关节假体截骨尺寸有所不同,以上结果并不足以评价不同假体之间的优劣,但就保留髁间骨储量而言,髁间截骨量少的设计较具优势。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

3D打印个性化定位截骨导板在人工全膝关节置换术中的精准度研究

目的基于3D打印技术构建全膝关节置换术(TKA)的个性化定位截骨导航模板(POI),并对POI的精准度进行评价。方法术前对患侧下肢行全长CT扫描,膝关节MRI扫描,匹配膝关节CT及MRI数据,重建具有软骨层的下肢全长三维解剖数据。在CAD软件中测量下肢力线、模拟截骨、虚拟个性化安装TKA假体,再依据CAD设计结果,采用Boolean Subraction运算设计POI与股骨髁、胫骨平台的配准面,并根据配准面、截骨面,设计POI的外形与限位结构,最终采用FDM 3D打印技术制作POI。制作股骨髁POI及胫骨平台POI各15例,比较POI尺寸、截骨槽大小的设计值和实际值的偏差以测量POI的构建精准度;比较POI匹配点与解剖标志点距离(DML)实际值和理论值的偏差以测量POI的匹配精准度;测量术后TKA假体角度与设计值的偏差值以验证POI的截骨精准度。结果 POI的外形、限位结构与设计值差异无统计学意义(P0.05);实际股骨髁与胫骨平台POI的DML与理论值差异无统计学意义(P0.05);术后TKA假体的各特征角度与设计值差异无统计学意义(P0.05)。结论 3D打印技术可以准确构建TKA的POI,POI可以准确地配准关节面并导向TKA术中截骨,有利于TKA手术的精准化。     

标准截面形状定制型股骨柄假体设计

目的 介绍一种标准截面形状定制型股骨柄假体结构以及自行开发的设计方法。方法首先利用DICOM格式的患者股骨CT图像,重建患者股骨近端模型;根据重建出的患者股骨近端模型构建股骨柄假体匹配段矩形的截面边界,并在矩形截面边界内用简单的线条初步构建出假体的截面轮廓曲线;利用股骨近端模型对初步设计出的股骨柄假体进行验证,并通过调整设计参数使最终设计出的个性化股骨柄假体与患者股骨髓腔相匹配。结果 定制型人工髋关节股骨柄假体采用标准截面形状,便于快速设计出个性化假体,而且设计操作简单。参数化程序设计大大降低了个性化股骨柄假体的设计工作量。结论 标准截面形状定制型股骨柄假体的设计将有助于提高定制型人工髋关节置换手术的成功率,促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。     

应用数字化术前计划预测全膝置换中的假体尺寸

背景:膝关节的解剖形态个体差异显著,而术前模板测量方法不能准确预测术中所需假体的大小。目的:探索应用数字化技术提高全膝置换假体尺寸准确性的方法。方法:回顾性分析2013年1月至2014年5月行初次全膝关节置换的膝骨关节炎患者50例,男20例,女30例,年龄54-82岁,平均67.8岁,根据治疗方案分为2组。数字化组21例术前行64排CT扫描患侧下肢,数据导入Mimics软件后建立胫骨和股骨的三维模型,然后导入假体厂家提供的不同型号的假体的CAD数据,按手术原则利用Mimics软件的模拟手术功能进行虚拟截骨、根据胫骨、股骨截骨面形态选择最匹配的三维假体模型。常规组29例按常规完成术前计划和手术。术中评估术前计划选择的假体尺寸与实际所需假体尺寸的一致性,术后拍摄下肢全长片,评估假体的匹配度与术前计划的准确性。结果与结论:术中和术后评估显示,数字化组1例患者术前计划的假体尺寸与预测值不一致,常规组11例患者与预测值不一致;数字化组预测准确率为95%,常规组预测准确率为62%,两组比较差异有显著性意义(P0.05)。常规组有4例患者假体悬挂,2例患者股骨前皮质过度切割;而数字化组均未发生。提示数字化技术设计的术前计划可以精确预测假体型号,并为个性化模拟手术提供了途径。     

全膝关节置换术截骨导板的仿生设计与制造

目的 设计制造一种考虑假体尺寸的全膝关节置换术截骨导板(简称截骨导板),实现术中快速、精准定位、辅助截骨的目的。方法 截骨导板采用德国EOS公司的FORMIGA P 110三维(3D)打印设备制造,打印材料为聚十二内酰胺(PA12)。通过CT、股骨3D重建、假体逆向重建获得股骨远端与假体的数字模型,用计算机手术预演确定合理尺寸的假体,固定股骨远端与假体的接触面作为截骨平面,以该平面为基准逐步装配其他部件。3D打印设备模型输入格式为病理性股骨标准模板库(STL),采用选择性激光烧结(SLS)技术生产截骨导板,打印主体材料为聚十二内酰胺(PA12)。制造成品灭菌消毒后,于2019年至2021年用于3例因严重骨关节炎实施的截骨手术,其中男性2例,女性1例;患处位于左侧1例,右侧2例;年龄54～67岁,平均年龄59岁。术中医生严格按照截骨导板使用指南实施截骨手术。统计术中和术后失血量、手术时间、髋膝踝角、胫股角、美国膝关节协会评分(AKS)与美国特种外科医院(HSS)膝关节功能评分对手术结果进行评估。结果 成功打印制造截骨导板,主要尺寸：固定钉钉孔到截骨平面的垂直距离10.17～12.51 m...     

肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应

目的研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。方法兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象。结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应。(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。结论肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量。建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率。     

虚拟置换后的膝关节力学分析

背景：仿真力学具有可重复性和对模型无损伤性的优势,加上个性化结构模型提高了有限元分析的可靠性,选择虚拟置换后对膝关节的力学分析不失为一种优化尝试。 目的：通过膝关节置换虚拟手术,用有限元法全面分析术后的膝关节接触面的受力状况,为下一步“手术规划”实验提供客观资料。 方法：CT/MR扫描患侧膝关节,激光扫描假体,经逆向软件数字化重建假体、膝关节及其韧带并测量下肢力线, 根据膝关节置换标准,用Mimics中的Simulation性能模拟膝关节置换手术的截骨、置入假体之后, 再将所得的模型导入ANSYS划分网格、材料赋值、施加载荷,以有限元法分析接触应力分布。 结果与结论：获得最佳的全膝关节置换后3D膝关节有限元模型,测得的力学数据与前人在力学实验中对假体直接测试所获得的结果基本一致。以有限元方法分析出虚拟置换后膝关节的结构形变、应力分布、内部能量变化等情况,有利于寻找假体置入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果,成为手术规划不可缺少的数据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

个性化定制股骨截骨导板在单髁置换中精确性的实验研究

目的 探讨个性化定制股骨截骨导板在股骨标本单髁置换(UKA)术中应用的可行性和准确性,为临床应用提供实验性依据。方法 2016年1月—2017年2月选取复旦大学医学院解剖教研室成人股骨标本40根,男性22根、女性18根,年龄35~78岁,身高152~178 cm。采用数字表法随机分为导板组和对照组,每组20例。导板组采用个性化定制股骨截骨导板辅助UKA手术,术前采用薄层CT扫描对股骨进行医学图像数据采集,然后利用3D反求技术进行导航模板的设计,再采用3D打印技术制造个性化定制股骨截骨导板,并进行UKA术。对照组在UKA术中采用传统定位截骨。手术均由同一组医疗小组完成。评估两组标本的股骨侧手术截骨时间,并采用影像学评价下股骨假体力线和假体位置。结果 导板组术中导板与股骨髁骨性解剖结构贴合紧密,无明显移动。导板组与对照组手术截骨时间分别为(3.31±0.56) min和(4.45±0.74) min(t=-5.500, P<0.01),股骨假体内/外翻角度分别为1.31°±0.86°和2.84°±1.58°(t=-3.789,P<0.01),股骨假体后倾角度分别为8.84°±0.60°和6.25°±1.96°(t=5.661,P<0.01),差异均有统计学意义。导板组的股骨假体内/外翻角及后倾角更接近0°和10°,并且离散度小。结论 个性化定制股骨截骨导板用于UKA术能提高股骨假体冠状位和矢状位力线的精确性,缩短手术时间。     

数字技术在全膝关节置换术股骨旋转控制中的应用

目的 探讨在人工全膝关节置换术（TKA）中采用数字技术进行个体化股骨旋转定位的准确性及可行性。方法 选择上海市东方医院关节外科2012年5月—2013年11月68例膝关节严重退变病例纳入观察组进行回顾性分析,全部病例x线检查均符合Kellgren＆Lawrence分级法Ⅲ级以上,且合并严重的膝关节疼痛及活动受限。术前CT扫描下肢采集数据后利用数字化软件Mimicsl4．01在建立的3D立体模型中测量股骨后髁角,在TKA中参照该角度进行个体化截骨,术后再次测量股骨后髁角。选择2010年9月—2012年10月统一采用外旋3°截骨的62例患者作为对照组。比较两组手术前后股骨后髁角以及股骨假体旋转不良率。结果 观察组68例采用数字技术的患者术前测得股骨后髁角5．14°±1．59°（1．05°-8．26°）,术后0．83°±0．44°（0．03°～2．28°）;对照组中62例采用传统技术的患者术前测得股骨后髁角5．47°±1．23°（1．97°-8．41°）,术后3．82°±0．41°（0．08°-6．93°）。两组患者术前的股骨后髁角差异无统计学意义（t=1．349,P〉0．05）,观察组术后股骨后髁角明显小于对照组,差异有统计学意义（t=39．973,P〈0．01）。观察组股骨假体旋转不良率为10．3％（7／63）,对照组为38．7％（24／62）,两组比较差异有统计学意义（χ^2=14．420,P〈0．01）。结论 TKA术前应用数字化技术测量股骨后髁角,并根据测量结果进行个体化股骨外旋截骨,可以获得良好的股骨旋转力线。     

保留自身关节的定制型假体与新轴心式膝关节假体在股骨远端骨肉瘤保肢治疗中的应用效果比较

目的 对比分析保留自身关节的定制型假体和新轴心式膝关节假体在股骨远端骨肉瘤保肢治疗中的临床疗效。方法 回顾性队列研究。纳入2012年8月—2019年3月上海市第六人民医院股骨远端骨肉瘤患者32例,其中男22例、女10例,年龄8~73(22.1±15.9)岁。本组32例新辅助化疗均有效,均行股骨远端瘤段切除假体重建术治疗。按照假体重建方式分组:保留自身关节的定制型假体组(定制组)12例,新轴心式膝关节假体组(新轴心式组)20例。比较两组患者术后1年的国际肌肉骨骼肿瘤协会(MSTS)评分系统的功能评分、美国特种外科医院(HSS)膝关节功能评分及术后肿瘤复发率,观察两组术后并发症以及保留自身关节的定制组中15岁以下的8例儿童患者术后双下肢长度差。结果 保留自身关节的定制组与新轴心式组术后1年MSTS评分分别为(26.6±2.6)分和(22.6±1.8)分,膝关节HSS评分分别(90.1±4.1)分和(70.4±5.1)分,差异均有统计学意义(t=5.019、11.375, P＜0.05);两组肿瘤复发率分别为2/12和15%(3/20),差异无统计学意义(P=0.620)。术后保留自身关节定制组出现1例假体髓内柄断裂、1例伤口不愈合,新轴心式组出现2例假体松动、2例伤口不愈合。定制组中,保留骨骺的15岁以下8例患儿中术后满2年者双下肢长度差均大于20 mm。结论 在满足严格的保肢适应证和标准的新辅助化疗前提下,对于距离膝关节面有一定安全距离的股骨远端骨肉瘤段切除假体重建治疗患者,相比于新轴心式膝关节假体重建,采用保留自身膝关节的定制型假体重建虽然不能解决儿童日后双下肢不等长的问题,但能最大限度地保留患者的膝关节功能。     

保留前后交叉韧带人工全膝关节假体的胫骨近端解剖测量

背景：目前使用的保留前后叉韧带的假体仍存在诸多问题。改良和设计保留前后交叉韧带膝关节假体相关的形态测量,特别是胫骨近端未曾见到过详细的报道和研究。 目的：通过对正常膝关节三维数字化模型进行相关的胫骨近端形态学的分析,从而为改良和设计保留前后交叉韧带人工全膝关节假体提供参考。 方法：40例正常志愿者进行膝关节的CT及MRI扫描,然后将膝关节CT、MRI断层影像数据导入Mimics 10.01进行图像分割与三维重建,重建出完整的膝关节三维实体数字化模型后再导入Geomagic Studio 11,在膝关节模型上测量前后交叉韧带在胫骨近端解剖参数,模拟截骨后测量胫骨近端截骨面的解剖参数。 结果与结论：前后交叉韧带总的宽度为(14.94±2.56) mm,性别间比较提示男性需适当增加横向的截骨宽度以避免损伤前后交叉韧带。胫骨髁间棘顶部的长度为(8.02±1.03) mm,底部的长度为(15.19± 1.71) mm,截骨后高度(9.13±0.88) mm,而且此梯形结构位于前后径48%-82%。胫骨截骨面内侧的内外径短于外侧的内外径,内侧前后径大于外侧的前后径,因而保留前后交叉韧带的假体更需要非对称性的设计。     

股骨髁间窝宽度CT测量的方法及意义

目的测量股骨髁间窝的宽度，为人工全膝关节置换术前假体的选择提供有效的方法。方法50例正常人，应用螺旋CT模拟全膝关节置换术中股骨切骨，对后髁切骨前后的髁间窝的宽度测量后进行比较。结果切骨前股骨髁间窝宽度为20．10±1．56mm，切骨后股骨髁间窝宽度为18．09±1．17mm。切骨前后股骨髁间窝的宽度有显著性差异（P〈0．05）。结论应用CT测量股骨髁间窝的宽度准确性较高，误差小，使术前假体的选择方便、准确。以股骨后髁切骨后髁间窝的宽度为截骨标准比较精确，可以在术中最大限度的保留正常骨质。     

全膝关节置换中的改良截骨

背景：近年来全膝关节置换在临床应用普遍,置换技术及假体设计理念均获得极大改善和提高,但尚无截骨顺序方面的研究。 目的：探讨改良截骨方法在全膝关节置换过程中应用的临床效果。 方法：对60例患者的60膝行全膝关节置换,原发疾病包括骨关节炎52例,类风湿性关节炎6例,创伤性关节炎2例,均为后稳定型膝关节,应用强生PFC-Sigma PS型假体或LINK Gemini PS型假体。在极度屈膝下,先行股骨截骨,包括股骨远端前方后方斜面截骨(某些类型还包括股骨髁间截骨)。髌骨不常规置换,再行胫骨平台截骨。记录手术时间,置换后引流量,置换前及置换后6,12周膝关节活动度及美国特种外科医院膝关节评分,并进行统计学分析。 结果与结论：60例患者均获得随访,随访时间3-14个月。手术时间平均(51.3±12.5) min,置换后引流量平均(302±39) mL。置换后6,12周患者膝关节活动度及美国特种外科医院膝关节评分均较置换前明显改善(P < 0.01)。2例患者置换后1个月出现低度感染,经抗感染治疗后好转,未出现假体排异反应。提示全膝关节置换过程中先行股骨截骨可以为胫骨的操作获得更大的空间,方便切除半月板,并可安全地进一步松解周围软组织。操作简便,可以缩短手术时间,减少术中失血,具有良好的修复效果。