數(shù)字化技術輔助治療復雜髖臼骨折

胡翰生, 鄧玉剛, 熊傳芝, 顏連啟, 虞堂云, 陶玉平, 盧志華

(1. 江蘇省蘇北人民醫(yī)院 骨科, 江蘇 揚州, 225000;2. 新疆維吾爾自治州新源縣人民醫(yī)院 骨科, 新疆 伊犁, 835800)

骨折復位不良，螺釘誤入髖臼是髖臼骨折內(nèi)固定手術后預后不良的常見原因，如何準確復位和精確的確定鋼板、螺釘最適合的位置，控制進釘?shù)姆较蚴菑碗s髖臼骨折復位內(nèi)固定術的難點和研究熱點[1-3]。數(shù)字化技術輔助手術已經(jīng)在椎弓根螺釘植入術、全膝、全髖關節(jié)置換術等手術的術前計劃和術中定位中展現(xiàn)了重要作用，受此啟發(fā)，作者通過三維建模軟件進行內(nèi)植入物精準化數(shù)字建模、全數(shù)字環(huán)境模擬復位、內(nèi)固定手術，指導術中骨折復位、鋼板塑形、鋼板、螺釘?shù)木珳拾卜牛⒂谛g后對骨折復位三維重建再評價，探索了數(shù)字化技術在輔助髖臼骨折手術治療中的途徑和方法。

1 材料和方法

1.1 髖臼骨折的三維建模與模擬復位

選取髖臼骨折病例18例，男17例，女1例，平均48.6歲，按Letournel分類，前柱骨折3例，后柱骨折2例，后壁骨折4例，后壁加后柱骨折4例，橫行加后柱骨折2例，雙柱骨折3例。合并髖關節(jié)后脫位7例，中央性脫位2例，坐骨神經(jīng)損傷2例。使用GE公司64螺旋CT，對所有病例進行全骨盆薄層掃描，掃描數(shù)據(jù)以DICOM?格式導入至Materialise公司的交互式醫(yī)學影像處理軟件mimics10.1系統(tǒng)，經(jīng)過閾值分割，區(qū)域增長等操作，分別構(gòu)建包括各骨折塊的髖臼骨折三維模型，通過對骨折塊進行三維旋轉(zhuǎn)、平移的功能，對骨折塊進行模擬復位，利用二維和三維圖像檢測復位結(jié)果。

1.2 骨折內(nèi)固定材料的三維建模與模擬固定

按照骨盆重建鋼板、螺釘?shù)某叽?，在solidwork軟件內(nèi)建立不同長度鋼板及螺釘模型，螺釘模型長度與術中一致按2 mm遞增，不同長度的螺釘用不同顏色標記，以便術中參考時能快速辨認，在復位后的髖臼骨折三維模型上，用mimics三維測量功能測量擬安放鋼板的長度、弧度、折彎頂點，并據(jù)此用solidwork軟件對相應長度的鋼板進行折彎。將螺釘、鋼板以stl格式導入mimics軟件中進行模擬內(nèi)固定，根據(jù)三維圖像和透視圖確定鋼板、鋼釘?shù)奈恢谩㈤L度和角度，測量鋼板距離骨性解剖標志的距離、不同釘孔螺釘?shù)拈L度和安全角度。術中根據(jù)術前設計折彎鋼板，按預定距骨性解剖標志的距離放置鋼板，按釘孔位置置入術前設計的對應長度、角度的螺釘。

1.3 術后內(nèi)固定效果、骨折復位、髖關節(jié)功能的評價

按預定方案完成手術后復查X片，骨折線復雜者，鋼板螺釘較多且與髖臼位置關系復雜、X片難以觀察者術后復查CT三維重建，并導入mimics中，去股骨頭處理評估患者術后髖臼骨折復位情況、作三維透視圖評價鋼板螺釘與髖臼三維空間位置關系，并與術前設計的鋼板、螺釘位置進行比較，以評價數(shù)字模擬手術的準確性。骨折復位情況按Matta標準進行評判，骨折愈合后髖關節(jié)功能按改良Merle d′Aubigné and Postel評分標準評定。

2 結(jié) 果

患者均在術后1周內(nèi)復查X線片及CT，以Matta標準評定髖臼骨折復位情況，解剖復位10例，復位良好6例，復位可2例，所有患者獲得隨訪6～25個月，平均12.3個月，髖關節(jié)功能按改良Merle d’Aubigné and Postel評分標準優(yōu)12例，良4例，可2例，術前坐骨神經(jīng)損傷者分別于術后3個月、7個月恢復，隨訪期內(nèi)未觀察到患者發(fā)生股骨頭壞死、異位骨化。

3 討 論

髖臼骨折為關節(jié)內(nèi)骨折，復位要求高，但其臨近重要血管、神經(jīng)等易損傷解剖結(jié)構(gòu)，術中顯露范圍受限，在有限的顯露窗口內(nèi)判斷骨折塊的旋轉(zhuǎn)、移位方向和復位順序，需豐富的臨床經(jīng)驗和空間想象力，且不同類型的骨折的致傷機制、復位、固定方法有各自個性化特點，所以解剖復位難度大，學習曲線較長。而骨盆形態(tài)不規(guī)則，鋼板的擺放難以服帖、折彎塑形較一般四肢骨折困難，如螺釘長度、角度選擇不當，發(fā)生螺釘誤入髖臼更會導致災難性后果。提高復位成功率、內(nèi)固定安全性的關鍵在于精準的個性化術前計劃，而X片、二維CT不能顯示骨折塊的三維空間關系，普通CT三維重建難以顯示骨折復位前后形態(tài)對比、內(nèi)固定與髖臼、骨折塊之間的空間關系，因而越來越多的學者認識到數(shù)字化技術輔助術前計劃的在髖臼骨折治療中的重要作用[4-7]。

作者通過數(shù)字化技術輔助手術治療復雜髖臼骨折的臨床實踐，體會到應用計算機輔助設計手術與常規(guī)手術比較有以下優(yōu)點: ① 通過模擬手術復位、內(nèi)固定骨折，有利于術前分析骨折復位順序、旋轉(zhuǎn)、移動骨折塊的方法，有助于提高復位優(yōu)良率; ② 術前可在模擬骨折復位后的骨盆三維模型上測量所需鋼板長度和折彎塑形的形狀，并可以精確的測量折彎的頂點位置、折彎弧度，據(jù)此指導術中鋼板折彎。通過測量鋼板距離骨性解剖標志的距離，術中按骨性解剖標志安放鋼板，可確保鋼板、螺釘位置正確、有效固定骨折; ③ 精準模擬不同長度、角度的螺釘植入，并通過去除股骨頭、骨骼透視功能，可清晰直觀地從任意角度觀察螺釘與髖臼的關系，有助于顯著減少螺釘進入髖臼風險，從而提高療效。以上模擬手術復位、內(nèi)固定的功能是普通CT三維重建所不能實現(xiàn)的，能為術前計劃提供非常有價值的信息; ④ 通過術前分析骨折塊移位的特點和復位的方法，制定手術入路和術中復位時需顯露的范圍，制定復位和內(nèi)固定計劃，能有效縮短手術時間，減少剝離軟組織，從而減少手術創(chuàng)傷[7]; ⑤ 減少醫(yī)患雙方術中的放射線暴露，由于術前對置入鋼板和螺釘?shù)奈恢?、角度預先測量，避免了術中反復透視來確定鋼板、螺釘與髖臼的關系，只要確定鋼板、螺釘與骨性解剖標志的距離正確，基本無需反復透視確認螺釘是否進入髖臼; ⑥ 有利于縮短手術學習曲線，術后可精確檢測復位效果，通過三維透視圖驗證術中放置的螺釘與髖臼關系，通過內(nèi)固定實際放置位置與術前計劃對比，分析、總結(jié)手術中定位技巧; ⑦ 三維圖像分型較傳統(tǒng)的二維圖像分型更直觀，有利于統(tǒng)一骨折分型[4], 增加對骨折治療方法、療效評價、對比的可信度。

目前數(shù)字化技術輔助術前計劃方案可分為全數(shù)字化技術和半數(shù)字化技術，半數(shù)字化技術是利用CT三維重建骨盆模型后利用快速成型技術打印出骨盆模型，再用實體鋼板螺釘模擬手術。全數(shù)字化技術是將鋼板、螺釘數(shù)字化建模，在數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)模擬完成骨折復位、數(shù)字鋼板折彎、數(shù)字螺釘置入等全部手術過程。與Brown等學者的半數(shù)字化研究方法不同[5-6], 作者選擇了全數(shù)字化技術來指導手術，認為本方法與半數(shù)字化技術相比有以下幾個優(yōu)點: ① 數(shù)字化模型建立后可反復使用，不會損壞；無限期保存，不占用任何空間；攜帶、傳輸方便；模擬手術過程可無限次重復、修正，十分便于學習、交流、經(jīng)驗總結(jié); ② 直接在數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)完成鋼板折彎、和螺釘、鋼板放置，無需打印骨盆模型后再折彎真實的鋼板，無需增加快速成型機、模型的費用和時間，不消耗耗材，且避免了打印模型精度原因造成的計算誤差; ③ 數(shù)字鋼板折彎可任意、反復多次進行，可折彎多塊不同長度、不同弧度的鋼板來逐一模擬手術、固定，比較、選擇最安全可靠的固定方案，避免了反復折彎影響實體鋼板強度; ④ 可在數(shù)字鋼板同一個孔反復試驗置入不同長度、角度的數(shù)字螺釘，不會損傷模型，還可以通過三維透視圖確定螺釘與髖臼的關系，從而選擇螺釘?shù)淖罴验L度和確定安全的進釘角度范圍; ⑤ 可進一步導入有限元軟件中進一步行手術前后仿真化有限元生物力學分析。

本研究有一定局限性，數(shù)字模型尚未能模擬軟組織結(jié)構(gòu)，血管、神經(jīng)與內(nèi)固定物的位置關系不能顯示，模擬骨折復位也未能加入肌肉、韌帶的因素。隨著數(shù)字技術的發(fā)展，諸如CT和MRI圖像配準及融合技術的成熟，必能實現(xiàn)軟組織的數(shù)字化，數(shù)字模擬技術將為臨床實踐帶來高仿真的術前設計環(huán)境，并推動臨床技術的跨越式發(fā)展。

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