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苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节

3D 打印技术、AI 技术模拟辅助「私人定制」人工膝关节

12 月 18 日,38 岁的蔡女士来到苏州明基医院骨科杨同其教授门诊进行术后一个月的复查。

作为苏州市首例换上由 3D 打印技术、AI 技术模拟辅助「私人定制」人工膝关节 的特殊患者,能够得到这次手术的机会对她来说实在是太难得了,她等这一刻也等了快四年。

除了来医院,这四年我从来没有出过门。

蔡女士与杨同其教授,已经是旧相识了。

蔡女士是生长发育障碍患者,从小体弱多病,是类风湿关节炎患者,常年服用大量的药物。 

2014 年,蔡女士突发双髋疼痛,当时她找到骨科杨同其教授,被诊断为双侧股骨头坏死,要想恢复正常,只能进行髋关节置换手术。由于生长发育障碍症,蔡女士的骨骼发育不同于正常人,各髋关节假体生产厂家没有常规型号可以匹配,后来杨同其教授团队通过多次的术前讨论和缜密的术前准备,最终以定制的先天性髋关节脱位的假体经先后两次手术分别完成了左右双侧髋关节置换手术,解决了关节不匹配的难题。

苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节

但类风湿性关节炎疾病并未停止进展。

2017 年,蔡女士的左腿也开始出现不能伸直甚至不能弯曲行走的症状,疼痛难忍,她再次找到杨同其教授。

经过 CT 检查显示,蔡女士左膝关节出现骨性关节炎,类风湿关节炎的作用加上长期服用激素药物,左膝关节出现变形,并伴有骨质疏松,软骨及半月板都受损,当下治疗方式只能进行 人工膝关节置换手术治疗

膝关节置换术主流的术式是膝关节表面置换术,简单来说是把磨损的关节面通过模具,按医生的要求截骨后得到特定的形状,把股骨假体、胫骨假体及髌骨假体以骨水泥进行固定,磨损的关节表面被人工关节替代,从而达到缓解疼痛、纠正畸形和改善功能的目的。

人工膝关节置换至今已有近 50 年的发展历史,随着医疗技术的不断进步,人工关节的制作也逐渐成熟,这也促使膝关节的置换手术在各家医院骨科广泛开展,越来越多的成年人、老年人接受关节置换手术。

但由于人群的特殊性,目前需要并接受人工膝关节置换的主要以身体发育正常的成年人或老年人为主,对像蔡女士这样的患者进行膝关节手术是有一定的 局限性及未知性

人工膝关节置换手术的完成,需要用到与患者原膝关节大小、形状匹配的假体,以及确保术中假体安放位置准确的试模,三个条件具备后,手术才能正常开展。

第一步,找到与患者膝关节大小形状相匹配的假体。


由于生长发育障碍症,蔡女士身高不到 130 cm,相当于一般儿童 7、8 岁的身高。如果进行人工膝关节的置换也就相当于是在对儿童进行关节置换,而且成年人的关节是比儿童大的多,哪里有适合蔡女士的膝关节?如何得知人工关节与蔡女士是否匹配呢?

好在当时检查技术已有了新的突破,杨同其教授让她进行膝关节的 CT 检查,根据检查三维重建影像资料,3D 打印出膝关节模型,尝试依据 3D 打印出的膝关节模型去 定制一个人工膝关节假体

苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节
图为 2017 年 3D 打印的膝关节模型

屡遭碰壁,定制膝关节假体成难题

2017 年,定制人工关节假体在骨科领域开展的并不多,重新定制一个一模一样的人工膝关节的过程并不是那么容易。定制一个人工膝关节是需要一套工艺程序,而定制的成本费用也不可预知。杨同其教授联系国内外多家医疗器械厂商希望能够依据模型去定制一个人工膝关节。

但像蔡女士这种情况,生长发育障碍患者进行膝关节置换的病例不具备普遍性,也少有器械厂商愿意花费巨额的费用定制出一个适合生长发育障碍群体患者的人工膝关节假体模板。

杨教授曾想或许目前市场上最小型号的人工膝关节假体适合她。

但最终得到的回复是,目前市场上 最小的尺寸都比它(模型)大得多

在全国进行学术交流的峰会上,杨同其教授也屡次请教过骨科专家们,都纷纷表示 机会渺茫,风险太大,加之当时并没有厂商能够定制出适合蔡女士的人工膝关节,大家都建议杨教授拒绝家属和患者。

手术,一定要手术。

「手术,一定要手术。我跟杨主任讲,我们老两口年纪越来越大了,以后没有肯定办法照顾她的,我就请杨主任想想办法。」蔡女士今年 60 多岁的母亲一提到女儿的病情就红了眼眶,从 2017 年开始,她每年都找杨同其教授询问有没有可以手术的消息。 

这几年里,杨同其教授也一直没有放弃帮她找合适的假体。

苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节
图为杨同其教授

机会来了,不负所托!

今年(2020 年),国外一家器械公司找到杨教授,他们有特别定制一款型号相对较小的人工膝关节,不知道适不适合蔡女士使用。四年了,终于有了希望了,杨教授立即让对方将资料发了过来,经对比,确实与四年前蔡女士经过 3D 打印出来的模型相差不大,是个机会

但受疫情影响,加之国外的厂商定制,费用较大,最终一家国内的人工关节定制厂商愿意尝试帮助蔡女士定制合适的人工膝关节。

膝关节变形加剧,定制难度加大!

用来参考定制膝关节的模型是 4 年前根据蔡女士的情况 3D 打印出来了,四年过去了,患者膝关节受类风湿关节炎的影响产生大变化,又出现了新的难题。

苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节
图为患者膝关节进行 CT 平扫后的三维重建影像

根据 CT 显示,蔡女士的 左膝关节髌骨已出现严重的移动变形,并伴有骨质疏松, 加之四年来蔡女士自膝盖不能活动后就没有再行动过,骨骼未经过使用出现萎缩症状,与四年前相比,腿不能活动,也不能伸直,定制的人工膝关节必须要以现在的患者骨骼状况来定制。

苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节
图为依据三维重建影像画出来的膝关节构造图
苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节
图为 2017 年(右)、2020 年(左)分别 3D 打印出的模型

3D 打印模型、AI 技术辅助定制人工膝关节

得到消息后,杨同其教授立即通知蔡女士来到苏州明基医院,住院进行检查。很快,根据 CT 三维重建影像资料 3D 打印出的模型出来了,接下来就是根据模型尽可能地去定制一款最适用的人工膝关节。

人工膝关节置换手术常规操作一般是术者根据提前准备好的确保术中假体安放位置准确的试模来进行操作,确保膝关节成功植入患者肢体。而蔡女士这种情况的人工关节置换手术在骨科领域从未开展过,更别提有型号相匹配的试模这一说。在没有试模校准的情况下,这个手术可以说极为考验医生的操作经验和手术技巧,稍有差池,患者术后肢体功能就难以恢复,也就意味着手术的失败。

那如何确保定制的这个膝关节假体能够成功置入?

杨同其教授建议通过 AI 技术模拟将定制的人工膝关节植入患者左膝的情景,通过多次模拟不断对人工膝关节进行打磨,抛光及表面喷涂,确保每一个细节都能够严丝合缝地与患者肢体相适应。

一个月的时间,经过反复 AI 模拟,最终打磨定制出适用于患者的人工膝关节假体。

苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节
图为定制的人工膝关节

没有模具导航的截骨相当于「纯手工打造」,这种技术少有先例可循。

手术的方式对术者的要求也极高。

但机会来了就要把握住,经过慎重考虑,杨同其教授决定选择一种不太常用也少有人掌握的术式,即:旋转铰链式膝关节假体置换术。

杨同其教授在骨科已有近 40 年临床工作经验,期间开展了包括旋转铰链式膝关节假体置换术在内的大量关节置换术,积累了丰富的经验。

2020 年 11 月中旬,手术如期开展。

虽然杨同其教授已有 40 余年的手术经验,但给患有类风湿关节炎的生长发育障碍患者进行人工膝关节手术确是少数,手术过程中仍有大量不确定风险的存在。在杨同其教授的带领下,骨科团队齐心协力,在麻醉科、手术室的全程配合下,5 个小时后,成功将定制的假体植入患者左膝。

苏州明基医院成功为一位生长发育障碍患者「私人定制」人工膝关节
图为杨同其教授为患者进行手术(右起第二位)

术后第三天,蔡女士已经可以抬起自己左膝。

术后一周,她已经能够尝试下地站立。

术后两周,蔡女士借助助行器已经可以实现自己行走,与术前不同的是,术后膝盖弯曲也不会出现不适感。「以前走一步就腿痛,现在完全没有那种感觉了。」

12 月 18 日,蔡女士再次来到杨同其教授门诊复查,与一个月前相比,她已经能够脱离助行器自己慢慢行走了。

一个月前,对能否手术的焦虑,对手术后能否恢复预期的效果的担忧,一个月后都化作了能够重新站立行走,重新迎接新生活的自信笑容。

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