2021年5月雜誌專題3D列印

精準骨科關節置換與複雜矯正手術導引板

■高速3D 列印研究中心 / 許啟彬 助理教授

 

前言

早期一提到手術導航就會聯想到達文西手臂等精確但昂貴的設備,即便現在電腦與數位技術發達的時代,一套導航手術的設備與耗材依然不便宜,甚至培訓醫師或技師操作這些設備仍需大量的時間和人力成本,也因此導航設備在臺灣的醫療環境仍相當稀少。

這幾年3D 列印技術的普及,開始有許多臨床導入應用,其中手術導引板則是精準骨科醫療積極發展的項目之一。手術導引板有別於導航設備,於醫院端幾乎不用增添設備,僅須提供導引板設計者足夠的醫學影像資訊,即可客製化設計不同部位不同患者的導引器械,提升手術的精確動和便利性,大幅降低精準醫療成本。

手術導板的設計需要使用醫學影像透過電腦輔助模擬術前術後的情況(圖1),再以這些術前規劃的定位資訊設計相對應的導引孔或槽,術中使用時手術導板能直接貼合骨頭或硬組織表面,透過曲度或凹凸特徵卡住導板,固定後即可進行導引鑽切等步驟。目前手術導板在骨科的比較常應用的項目為關節置換和截骨矯正手術,尤其針對複雜變形的狀況,手術導板更能顯出其價值,以下就分別針對複雜狀況的關節置換和截骨矯正手術,介紹手術導板的應用。

 

手術導板於複雜關節置換的應用

人工膝關節置換
膝蓋是人體主要負重的關節,也因此退化的機率最高,接受人工關節置換個案中有95%的人是退化性關節炎所致,臺灣每年置換人工膝關約莫2 萬人,而且逐年成長5%-6%,在美國更是甚至高達20 萬人且同樣地逐年成長。人工膝關節置換猶如替膝蓋換穿一件衣服,只是大部分人工膝關節是規格品,術中依每位患者量測骨頭大小來搭配,因此裝上人工膝關節前都需要透過一連串量測定位步驟,準確切除骨頭來配合人工膝關節接合面(圖2)。人工膝關節市場性與精準置換的需求,是最早導入手術導板的項目。但人工膝關節手術是骨科醫師的必修項目,加上發展時間久相對手術器械已經當便利精確,一般狀況的置換時臺灣的臨床醫師較少使用手術導板。

但當關節嚴重變形或創傷後的退化(圖3)等特殊狀況時,手術導板便能大幅顯示其價值,因為這些特殊狀況會造成一般的手術定位器械無法安裝或精確量測,進而導致裝配位置不佳、術後滿意度差。如果透過電腦輔助術前規劃,可以很精確的知道人工膝關節的最佳裝配位置,並且評估植入物的尺寸、因創傷裝配的骨釘以及骨板是否會產生干涉、是否需要強化固定……等,再將這些資訊提供臨床醫師參考並設計手術導板,在術中快速定位切骨,這樣能大幅提升效率和精確度,對病患也更有保障。

圖1:人工膝關節客製化手術導板製作流程

手術導板於複雜截骨矯正手術的應用

高位脛骨節骨手術
手術導引板對於各種截骨手術也相當有幫助,因為骨頭畸形或變形情況相當複雜,截骨後的骨板大小和裝配位置也會影響手術結果,如果又加上微創的條件,傷口小視野不佳,定位更加困難。以常見的高位脛骨截骨手術而言,主要是治療單側膝關節退化性關節炎,利用截骨的方式將變內外翻的關節矯正,將原本集中壓力於內側或外側的關節面利用幾何的矯正,將壓力釋放至另一側(圖4A)。因此高位脛骨截骨手術雖然僅有一道截骨切口,但此切口的位置、角度和深度都會影響術後的結果,甚至截骨後的脛骨平臺撐開高度也會影響內外側壓力的平衡,因此臨床醫師以往都需要反覆打入定位針再拍攝X 光以確認角度位置的正確性(圖4B),相對效率和精確度都會因臨床醫師經驗所影響。

圖5 為針對高位脛骨截骨手術所設計的手術導引板,透過電腦規劃分析確認截骨位置與角度,並在電腦中模擬脛骨平臺撐開高度,將模擬資料設計手術導引板,導引板貼合固定於脛骨平臺下緣骨頭表面即完成定位,導引板上的切槽即可決定切口角度、位置與深度,也有導引板直接設計骨板的螺絲孔洞,切口撐開後直接可以鎖固骨板。因此,部分不需換人關關節的情況改用截骨方式治療,不僅可保留原本的骨頭,甚至傷口較小、復原較快,再搭配客製化的手術導引板,提升手術效率與精確性,實現精準的微創醫療。

圖2:傳統人工膝關節術前規劃與手術流程

圖3:創傷後人工膝關節客製化手術導板術前規劃與設計概念

畸形癒合再矯正手術
骨折術後產生併發症的病人,大多是骨折術後矯正不良,而產生的畸形癒合(Malunion) 的問題,常常合併有巨大的骨缺損、關節變形及關節不穩定,需要再次進行手術。對於這樣的病人,第二次手術是十分困難的,醫師需要在已經癒合的骨折中找出畸形癒合的位置,移除原本的內固定後,將癒合處鑿開,重新將骨折復位到原本的關節面再加以內固定(圖6)。

脛骨平臺畸形癒合時,由於骨板和骨釘還在體內,因此其CT 影像常伴隨金屬散射假影(beam-hardening)(圖7),除影像難以判讀外,所建構的三維模型也因假影有很大的誤差。而一般貼合固定於骨頭的手術導板也因誤差和骨板遮蔽導致無法順利貼覆。面對這種狀況必須另外找到定位基準,因此可改貼覆定位於骨板、骨釘等植入物上(圖8),雖然金屬會散射但透過影像處理可以重建植入物外型(圖7),透過定位和鑽孔兩階段的器械可以精確的標記骨折線,讓臨床醫師術中更容易鑿開骨塊進行矯正,減少術中拍攝X 光的數量,提升手術效率。■

圖4:高位脛骨截骨手術流程與術中定位情況

圖5:高位脛骨截骨手術的設計流程和手術導引板

圖6:傳統脛骨平臺畸形癒合的手術流程,從癒合的骨折中找出畸形癒合的位置,移除原本的內固定後將癒合處鑿開,重新將骨折復位到原本的關節面再加以內固定

圖7:脛骨平臺畸形癒合的CT 影像、金屬散射與模型重建結果示意圖

圖8:脛骨平臺畸形癒合的兩階段手術導板設計概念與手術流程示意圖

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SMARTMolding編輯部

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