文 材 尹 立*

（攀枝花市中心醫(yī)院，四川 攀枝花 617000）

膝關節(jié)屬于滑車關節(jié)，由股骨內(nèi)、外側髁和脛骨內(nèi)、外側髁以及髕骨構成，作為人體最大的關節(jié)，膝關節(jié)的結構和功能尤為復雜，是下肢重要的負重關節(jié)，也是人體最容易受損傷的關節(jié)。對于膝關節(jié)損傷的治療，1800年，Verneuil和Murphy等的研究發(fā)現(xiàn)將肌肉和脂肪組織等插入膝關節(jié)內(nèi)取得了一定的療效，這成為了膝關節(jié)置換術的基礎。經(jīng)過1個多世紀的發(fā)展演變，Charnley在1960年提出將骨水泥應用于人工關節(jié)的固定，但由于材料和技術水平的限制，骨水泥固定術10年內(nèi)的并發(fā)癥發(fā)生率高達20%，經(jīng)過臨床反復研究實踐，不使用骨水泥的壓配式固定方法（即生物型固定法）被開發(fā)應用。1973年Insall開發(fā)出Total-condylar型人工關節(jié)，成為現(xiàn)在膝關節(jié)置換術的原型。之后，經(jīng)過反復的改良的人工關節(jié)被廣泛應用于臨床，這種人工關節(jié)具有更好地屈曲性，能夠更好地吻合左右膝關節(jié)。

膝關節(jié)退行性骨關節(jié)病是中老年人的常見疾病，據(jù)報道50歲以上存在癥狀的膝關節(jié)骨關節(jié)病男性發(fā)病率35%，女性高達74%。嚴重膝關節(jié)損傷病變發(fā)生率越來越高，膝關節(jié)置換術的需求量也越來越高。國內(nèi)外學者的研究發(fā)現(xiàn)，膝關節(jié)置換術對于緩解膝關節(jié)疼痛，改善膝關節(jié)功能具有非常明顯的作用，能夠有效糾正膝關節(jié)畸形并保持長期穩(wěn)定，是目前臨床常用的嚴重膝關節(jié)損傷及病變治療手段。

1 膝關節(jié)單髁置換術

1.1 膝關節(jié)單髁置換術定義：膝關節(jié)單髁置換術（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）是指在骨關節(jié)炎患者僅一側間室（一般為內(nèi)側間室）出現(xiàn)明顯損傷及病變時，對患者單側脛股關節(jié)間室進行置換。

1.2 膝關節(jié)單髁置換術適應證：對于內(nèi)側間隙膝關節(jié)單髁置換術的適應證標準，目前臨床一般選用Kozinn和Scott[1]在1989年提出的選擇標準，主要包括：①年齡60～65歲；②排除系統(tǒng)性疾病所致的關節(jié)炎；③以內(nèi)側間室病變?yōu)橹?；④負重位X線片膝關節(jié)相應間隙變窄；⑤不合并外側間室病變及髕股關節(jié)軟骨損傷；⑥膝關節(jié)畸形較為輕微，一般膝內(nèi)翻＜15°，屈曲攣縮＜5°；⑦單純外側間隙KOA[2]；⑧膝關節(jié)周圍韌帶功能正常。目前，學界公認肥胖已經(jīng)不再是膝關節(jié)單髁置換術的禁忌證[3-4]，但肥胖對UKA手術的具體影響仍需進一步研究闡明。研究還發(fā)現(xiàn)，對于有前交叉韌帶（ACL）缺陷需要進行ACL重建的患者，無論是同時進行ACL重建及UKA手術還是先行ACL重建再做UKA手術都能取得顯著的臨床療效[5]。

1.3 膝關節(jié)單髁置換術優(yōu)缺點：國內(nèi)外學者的研究結果顯示，相比全膝關節(jié)置換術（TKA），UKA的平均住院天數(shù)顯著縮短，在材料費、手術費、治療費及人均總費用等方面優(yōu)勢明顯，這與UKA手術的特點緊密相關。作為相對微創(chuàng)術式，UKA的手術的操作更簡單快捷，手術時間明顯縮短，相應費用大大節(jié)省。而且對患者的損傷較小，術后康復周期明顯縮短，康復效果也顯著提高，較TKA手術優(yōu)勢明顯[6]。

2 全膝關節(jié)置換術

2.1 全膝關節(jié)置換術定義：全膝關節(jié)置換術（total knee arthroplasty，TKA）是指切除機體已無法自行修復的關節(jié)面，用人工關節(jié)部件替代損壞的關節(jié)，矯正肢體力線、消除膝關節(jié)疼痛、維持關節(jié)穩(wěn)定性、恢復膝關節(jié)功能的一種治療方法，一般用于晚期膝關節(jié)疾病治療。

2.2 全膝關節(jié)置換術適應證：迄今為止，仍很難提出明確的全膝關節(jié)置換的手術指征。無論是類風濕性關節(jié)炎，骨關節(jié)炎或其他非感染性關節(jié)炎。如關節(jié)疼痛并有明顯破壞，均可考慮行人工關節(jié)置換。但臨床共識一般應考慮以下2點：①患者年齡一般在60歲以下。②體質量一般不超過80 kg，但可根據(jù)患者年齡、性別、病程等情況具體考慮。

2.3 全膝關節(jié)置換術手術入路方式：全膝關節(jié)置換手術入路方式有很多種，但近年來臨床選擇較多的是內(nèi)側髕旁入路[7]。內(nèi)側髕旁入路視野關闊，操作便捷，準確性高，但容易損傷股四頭肌腱，引起髕骨外翻以及脛股關節(jié)半脫位，從而加劇患者術后疼痛，由于疼痛，患學者將微創(chuàng)技術引入TKA手術中，選擇股內(nèi)側肌入路進行手術，這樣能夠有效減輕患者術后疼痛，獲得更快的膝關節(jié)功能恢復，對緩解疼者很難堅持康復訓練，因此嚴重影響預后[8]。為改善此缺點，相關痛和改善預后效果明顯[9]。

2.4 全膝關節(jié)置換術并發(fā)癥及不足：除了損傷股四頭肌腱加劇患者術后疼痛外，TKA還有很多術后并發(fā)癥，比如術后感染、假體周圍骨折、關節(jié)不穩(wěn)及僵硬、深靜脈血栓、傷口愈合不良等，而且術后感染可在任意時間發(fā)生，需要引起注意[10]。這些并發(fā)癥是在造成TKA翻修手術的主要原因，臨床研究表明，患者年齡越小、活動量越大，進行翻修手術的概率越大[11]，因此，TKA手術以在終末期膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者中的應用更為廣泛。傳統(tǒng)膝關節(jié)置換手術中存在的不足主要表現(xiàn)在以下4個方面：①用于切割定位的切骨模板種類繁多，給操作帶來不便；②對操作人員的技術要求較高，手術切割精度和植入位置主要依賴于操作人員的經(jīng)驗積累，缺乏經(jīng)驗的醫(yī)師難以實施精確手術操作。③手術切口較大，創(chuàng)傷大，影響患者康復時間及預后；④手術所需時間較長[12]。

3 計算機輔助膝關節(jié)置換術系統(tǒng)

3.1 計算機輔助膝關節(jié)置換術系統(tǒng)優(yōu)勢：股骨和脛骨下肢對線誤差一直是膝關節(jié)置換手術中的一大難題。目前，臨床采用機械定位系統(tǒng)輔助進行膝關節(jié)置換，但由于機械定位系統(tǒng)需要基于肉眼對肢體和假體的觀察來實現(xiàn)，因此對線誤差問題依舊未能得到有效解決，即使是臨床經(jīng)驗豐富的醫(yī)師進行操作，股骨與脛骨下肢對線誤差依舊較大。相關研究報道顯示，由于對線誤差造成假體松動、脫位從而導致手術失敗的比率高達5%～8%[13]。隨著科技的進步，機器人輔助在外科手術中的應用使手術精確度顯著提高，手術失敗率大大降低。比如用于全膝關節(jié)置換術的機器人手術輔助系統(tǒng)（Robodoc Surgical Assistant System）能夠進行術前切骨和對線分析，有效提高股骨與假體的吻合度，相關報道顯示，傳統(tǒng)TKA手術股骨與假體的吻合度在20%左右，而機器人手術輔助系統(tǒng)能將這一數(shù)據(jù)提高到98%[14]，由此可見，在計算機輔助系統(tǒng)下會顯著提高膝關節(jié)置換術成功率，使股骨與假體更吻合，對于減輕患者疼痛、降低并發(fā)癥發(fā)生率作用明顯。

3.2 計算機輔助膝關節(jié)置換術系統(tǒng)分類：按照國外學者的分類方法，依據(jù)CAOS系統(tǒng)的工作原理及工作特點，一般將其分為主動型（Active）、半主動型（Semi-Active）和被動型（Passive）三類[15]。主動型：由機器人根據(jù)術前規(guī)劃自主指揮切割工具自主完成手術，目前常見的有ROBODOC，CASPAR，MBARS等。半主動型：由機器人和醫(yī)師共同完成手術操作，醫(yī)師參與控制機器人的動作、限制機械臂的活動范圍，機器人系統(tǒng)也會根據(jù)規(guī)劃的路徑對醫(yī)師的操作動作加以限制，目前常見的有Acrobot，PFS等。被動型：由醫(yī)師完全控制操作，機器人系統(tǒng)并不直接進行操作，只負責放置切割模板或鉆導套、提供視覺導航，目前常見的有KneeNav，Galileo，SurgiGATE等。考慮機器人本身可能對患者進行傷害，目前臨床應用最多的是被動型機器人，其次為半自動型機器人，主動型機器人應用相對較少。

3.3 計算機輔助膝關節(jié)置換術系統(tǒng)的關鍵技術

3.3.1 數(shù)字化三維CT重建技術：作為手術主要信息來源，醫(yī)學圖像在臨床上的地位舉足輕重，對于需要圖像導航的矯形外科機器人系統(tǒng)，逼真、準確的圖像更是不可或缺。隨著科技的發(fā)展，三維立體成像技術在臨床也得到廣泛的應用，三維幾何模型能夠提供準確、科學、直觀的信息，對于制定最有手術方案意義非凡。數(shù)字化三維重建技術和逆向工程軟件是近年來骨科常用的數(shù)字化手術輔助手段，它可以根據(jù)多排螺旋CT（MDCT）薄層橫斷面掃描數(shù)據(jù)重建三維模型，清晰反映骨關節(jié)結構，對關節(jié)復雜的立體結構和空間關系進行重現(xiàn)，有效提高手術操作的精確性和安全性。

3.3.2 計算機輔助術前規(guī)劃與導航技術：對于膝關節(jié)置換手術，術前規(guī)劃是非常重要而且必要的。手術前需要獲取患者膝關節(jié)圖像，結合解剖學、病理學等相關學科知識確定手術方案，還需要確定植入假體的尺寸、植入位置、植入方向等問題。為保證假體植入的精確性，術前需要分析股骨和脛骨假體的精確尺寸、假體的目標位置等。目前，對于膝關節(jié)置換手術的術前規(guī)劃主要考慮假體尺寸、假體植入空間方位的三維可視化、術中機構運動學和動態(tài)下肢對齊評估四個參數(shù)?；贑T斷層影像和反求技術是目前臨床常用的計算機手術輔助手段，其主要是運用運用圖像處理、真實感圖形生成等技術，在計算機輔助下進行可視手術，確定包括切割范圍、假體尺寸及植入位置等信息的手術方案，以提高假體與骨腔的匹配程度，保證植入效果并延長假體的壽命。

3.3.3 機器人輔助手術操作平臺：在膝關節(jié)置換術尤其是主動型和半主動型計算機輔助膝關節(jié)置換術中，機械本體是手術操作的具體執(zhí)行者，會直接接觸手術患者，其可靠性和安全性至關重要。研發(fā)高可靠性、高安全性、靈活操作的輔助關節(jié)置換機器人也是保證手術安全性和成功率的關鍵之一。

3.4 計算機輔助膝關節(jié)置換術系統(tǒng)遠景：近年來，隨著越來越多的研究機構對手術機器人的開發(fā)和研究，手術機器人的結構和功能得到很好的優(yōu)化，機器人的誤操作得到有效限制，其專業(yè)性更強、安全性更高。但是目前機器人輔助手術仍存在很多不足，需要得到進一步優(yōu)化。比如，購置整套設備價格昂貴，且安裝和調(diào)試較為復雜，系統(tǒng)尚缺乏權威性評估、其安全性及可靠性難以得到外科醫(yī)師的認可等原因限制了其臨床應用。提高計算機輔助系統(tǒng)的安全性和可信度是今后研發(fā)的重點，基于輔助手術機器人自身的特點，應該研發(fā)更能適應手術的醫(yī)用機器人，用更安全的控制技術和更精確的手術操作，提高系統(tǒng)的安全性。適應微創(chuàng)外科手術的小型化、高精度、智能化的手術機器人將是計算機手術輔助系統(tǒng)研發(fā)的重要發(fā)展方向。

4 計算機輔助導航系統(tǒng)

4.1 計算機輔助導航系統(tǒng)定義：計算機輔助導航系統(tǒng)是指利用空間導航技術指導手術操作過程的一種手法操作輔助手段，主要是利用計算機圖像處理技術，通過計算機紅外線信號，接收發(fā)射器外置信號，計算所需的線條和角度，將人體、器械及植入物轉變成直觀的線條凸顯，并在術中影像上實時更新顯示，使手術操作者實時了解手術器械的位置，避開患者重要的解剖結構，確保手術的精確度和安全性。同時，計算機輔助導航系統(tǒng)還能模擬手術器械的進退，存儲手術路線，方便醫(yī)師進行手術，有效較少術中X線機的使用，避免對患者及醫(yī)護人員的損害。

4.2 計算機輔助導航系統(tǒng)手術方式：計算機輔助導航系統(tǒng)輔助人工膝關節(jié)置換術一般采取膝關節(jié)正中切口，髕骨內(nèi)緣進入后外翻髕骨使膝關節(jié)顯露。利用自鎖螺紋釘將紅外線失蹤器固定在切口內(nèi)股骨遠端和脛骨脛骨近端距離關節(jié)間隙6 cm處；利用導航儀指控器和計算機輔助系統(tǒng)確定膝關節(jié)中心及截骨深度；隨后通過固定骨盆后的下肢運動測定股骨頭旋轉中心，繼而計算出下肢力學軸線，確定預期截骨深度和旋轉角度；按照先股骨后脛骨的順序依次安放截骨夾具，調(diào)節(jié)夾具使計算機顯示的截骨深度、前后傾角和內(nèi)外翻角等數(shù)據(jù)同預期一致，用4枚固定釘固定夾具后進行截骨，并根據(jù)導航儀檢測數(shù)據(jù)修正因夾具鋸縫和鋸片帶來的細微誤差；隨后進行假體試模的安裝，安裝成功后，通過計算機檢測下肢力線狀態(tài)，和內(nèi)、外側副韌帶平衡情況并進行適當調(diào)整，調(diào)整滿意后常規(guī)安裝假體并用骨水泥固。

4.3 計算機輔助導航系統(tǒng)有缺點：冷重光等[16]對計算機導航輔助下人工全膝關節(jié)置換于非導航下全膝關節(jié)置換進行對比：導航組力線誤差在2°～3°，而非導航組的誤差在3°～6°；如組織平衡角度方面，導航組控制在2°以內(nèi)，而非導航組在2°～4°；軟組織平衡分離變量導航組為2～4 mm，非導航組為5～7 mm；導航組出血量為550～700 mL，非導航組為700～900 mL；導航組手術時間為75～100 min，非導航組為45～60 min，導航組在縮小力線誤差、控制組織平衡角度和分離變量，減少手術出血量，縮短手術時間方面較非導航組有事明顯，可見，計算機導航輔助人工全膝關節(jié)置換術能夠彌補機械定位的不足，有效提高截骨的精確性，為人工關節(jié)置換術植入了新的活力。

5 3D打印技術在膝關節(jié)置換中的應用

5.1 3D打印技術定義：3D打印技術是近年來新起的一種物體構造技術，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，其技術已趨于成熟，在醫(yī)療領域也得到了很好的應用功能。它是以數(shù)字模型文件為模板，使用可聚合材料（比如金屬粉末）通過逐層打印最終完成文件物體再造。近年來，3D打印技術也被廣泛應用于膝關節(jié)置換手術中，它能根據(jù)患者具體情況個性化定制假體，有效解決了傳統(tǒng)置換手術中假體與患者所需不符，造成患者不適甚至出現(xiàn)關節(jié)畸形的問題，有效提高關節(jié)置換術的成功率，減少術后翻修率。

5.2 3D打印技術在膝關節(jié)置換中的優(yōu)勢

5.2.1 提高截骨定位模板設計制作的個體化水平：傳統(tǒng)的機械引導裝置和截骨工具是根據(jù)歐美人群的人體解剖特點設計的，對于我國人群的適用性較低，而且由于不同人體膝關節(jié)的大小和形態(tài)存在較大的差異，TKA的精確度普遍較低，相關研究顯示，TKA術后下肢力線對位誤差＞3°的發(fā)生率在10%以上，嚴重影響患者的預后。3D打印技術的應用，技術人員可以根據(jù)患者術前MRI或CT掃描數(shù)據(jù)，個性化的定制截骨模板，能夠有效改善引導裝置和截骨工具與患者不符的問題，對減小術后下肢力線對位誤差的作用明顯，具有截骨精確度高，手術時間短、手術創(chuàng)傷小等優(yōu)點。

5.2.2 提高膝關節(jié)翻修術中骨缺損的處理效果：骨缺損是膝關節(jié)翻修手術中常常遇到的問題，對于骨缺損的修復方法很多，但傳統(tǒng)的修復方法對于累及干骺端甚至骨干部位的巨大骨缺損的修復效果并不理想[17]，針對此問題，具有多孔特性和較好的生物相容性的多孔金屬坦墊近年來被廣泛應用，多孔金屬坦墊能夠提供良好的結構支持，具有較高的穩(wěn)定性[18]，但由于骨損形態(tài)存在較大差異，實際應用中，金屬坦墊與缺損部位無法匹配的情況非常常見，3D打印能夠根據(jù)骨缺損情況打印出適合患者的新型金屬坦墊，完美地解決了這一問題。3D打印技術在膝關節(jié)置換術中的應用取得了很大進步，克服了引導裝置、截骨工具及置換假體與患者不符的問題，有效改善骨缺損的處理效果。今后應將研發(fā)重點放在進一步提高3D打印技術假體制作個體化水平上，以更快的制作速度、更短的制作周期和更低的制作成本拓展其應用范圍。此外，還應努力創(chuàng)新假體的制作材料和制作工藝，制作出包含細胞成分、血管和神經(jīng)等多種生物組織的“生物型假體”，以促使骨組織長入，提高假體的長期穩(wěn)定性。

6 總 結

目前膝關節(jié)病變的手術方式選擇呈現(xiàn)明顯的多樣性，應嚴格把控各種手術方式的手術適應證，結合患者年齡、病情、病程等時機情況選擇最佳手術方案，最大限度地恢復患者下肢力線、緩解疼痛、提高其生活質量。我們有理由相信，隨著膝關節(jié)置換術的不斷發(fā)展，及不同技術的有機結合，不遠的將來每一位接受了人工膝關節(jié)置換的患者都將繼續(xù)奔跑著迎接嶄新的生活。