計算機技術在髖臼骨折中的應用進展

個性化，精確化，微創化是21世紀骨科學的發展方向，這非常依賴于計算機信息技術的廣泛應用。由于髖臼骨折的復雜性，傳統輔助治療技術的效果受到很大限制，而計算機技術的飛速發展為這類復雜骨折的處理提供了很好的便利性，本文試簡述這方面的進展。

1 三維成像技術的廣泛應用

髖臼結構復雜，髖臼骨折屬于關節內骨折、治療要求高，需要在術前利用影像學資料對骨折進行充分準確的評估，制定詳細的手術計劃。X線平片對絕大多數骨折可做出診斷，但圖像重疊，有時因為患者病情難以加拍骨盆出、入口位及髖臼髂骨斜位、閉孔斜位片；二維CT能發現普通平片難以發現的骨折線和碎骨塊，但不能提供骨折部位的立體結構；三維CT圖像能直觀顯示骨折處的立體結構，可得到骨折處的空間信息。

Fadero PE等[1]認為骨科手術依賴于影像學，在創傷骨科領域，對于類似于髖臼骨折等的復雜骨折，3D影像重建術方便術者制定術前計劃，比如選擇合適的手術入路、恰當的骨折復位及適當的內固定。O'Toole RV等[2]的研究證實，CT成像對于髖臼骨折的診斷準確性比平片要高，觀察者間一致性比平片好。但影像軟件操作對外科醫生來說掌握不易，3D影像重建術應該有進一步的發展，以使其更加簡單和易于掌握，擴大應用范圍[1]。

Gabbe BJ等[3]研究了嚴重骨盆環損傷患者在兩個一級創傷中心就診時的影像學技術的使用情況，在平片和三維CT重建影像學技術基礎上使用骨折分型系統對這類嚴重骨折進行分析，觀察者間一致性也得到了評估，結果表明使用Tile/AO 和Young-Burgess分型系統的觀察者間一致性都非常低，非常嚴重的損傷由于骨折的復雜性而難以進行分型。這表明傳統骨折分型方法已經不適用于現代創傷骨科的發展，骨折的數字化分型是發展趨勢。

2 術中導航技術的應用

醫學影像技術的發展不但術前及術后可以獲得人體解剖結構的三維信息，也可以使骨科醫生在術中即時獲得人體解剖結構的三維信息，更好、更快的進行手術。

Gras F等[4]的實驗證實，盡管都沒有發生錯誤的置釘于關節內情況，但使用3D影像導航技術的置釘時間較使用2D影像導航技術所用時間明顯減少（盡管3D影像技術采集圖像的時間比2D影像技術長），置釘精度更高，因此他們特別推薦在狹窄區域置釘時使用3D影像導航技術。Grossterlinden L等[5]的研究證明，3D術中增強導航技術對于髖臼上置釘技術幫助很大，共有3例錯誤的置釘案例在實驗中被這種技術所發現。他們認為經驗較少的外科醫生進行骨盆手術時，3D術中增強導航技術是一個有益的工具。

阮志勇等[6]認為Arcadis orbic 3D術中三維導航系統在對皮質骨的顯示方面可以與CT相媲美，對關節軟骨下的軟骨下骨顯示比較清楚，判斷關節面的復位及螺釘是否進入關節腔的臨床診斷價值可以與CT相當。其缺點是設備昂貴、術中射線量大、對軟組織及松質骨成像效果差，最明顯的缺點是成像范圍太小，術中使用不方便。

3 數字技術在醫學教學中的應用

醫學是一門實踐科學，需要通過漫長的學習才能逐步掌握治療技能，對于外科醫生尤其如此。虛擬現實技術可使醫學生及低年資醫生的實踐機會成倍增加，大大提高學習效率。對于類似髖臼骨折這樣復雜的骨折，虛擬現實技術對有經驗的醫生也有很大幫助。Garrett J等[7]的研究表明，在骨科住院醫生培訓中、對于復雜的骨盆立體結構的的理解是個難點，而3D影像技術是一個有效的培訓工具，有助于髖臼骨折類型的學習及正確運用骨折分型系統，在的不同培訓階段，學習效果都明顯優于平片和二維CT，對初級住院醫師的幫助尤其顯著。Hansen E等[8]認為骨科住院醫師的學習過程中，與單純使用非信息化的教學板相比，使用可\"實踐\"的三維骨盆模型有助于增進他們準確判斷髖臼骨折類型的能力。Pahuta MA等[9]將醫學生及住院醫生分成對照組、模型組及虛擬現實組，觀察他們學習髖臼雙柱骨折的情況。結果表明，虛擬現實組的表現明顯比對照組和模型組好，而對照組和模型組的學習情況沒有顯著性差異。他們認為，在幫助外科醫生理解復雜骨折的三維空間結構方面，虛擬現實技術在定性和定量上均明顯優于傳統的術前計劃及策略制定方法。

計算機信息技術在醫學生及住院醫師培訓上的應用，將明顯減輕醫學生學習負擔、加快年輕醫生的成長速度，使醫生更深刻清晰的理解損傷的本質。

4 計算機模擬手術技術的應用

計算機輔助設計、制造及分析技術使骨科醫師可以在計算機中模擬、預測和評估手術效果。外科醫生在真正動手術之前，通過計算機信息技術的幫助，在顯示器上重復地模擬手術，移動人體內的器官，能尋找最佳手術方案并提高熟練度。

Mendel T等[10]在CT掃描基礎上，利用Amira 4.2三維可視化軟件的虛擬技術，測量了骶髂螺釘植入的安全區。他們認為安全區的可視化和最恰當釘道的計算，有助于訓練外科醫生的空間思維能力、完善術前計劃。Puchwein P等[11]利用MIMICS軟件模擬經皮植入前柱螺釘（恥骨上支）、后柱螺釘（坐骨）及髖臼上區域螺釘固定手術，測量了釘道長度、植入區最狹窄區域大小、釘道至髖關節的距離。結果表明由于置釘區域非常狹窄，經皮行螺釘固定技術非常具有挑戰性，術前計劃中利用計算機影像技術確定置釘角度，有助于安全置釘，且可減少手術時間和減少放射損傷。

因此，計算機模擬手術明顯較傳統的術前規劃方式（透明圖紙在X線片上繪圖等方式）優越，術前準備更為充分、細致。但其推廣有賴于軟件的進一步優化，有利于臨床醫生的掌握和使用。

5 虛擬現實技術在骨科的應用

虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等，在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、HMD（頭盔顯示器）、感覺手套，可以模擬實際情況進行操作。

石晶晟等[12]的研究表明虛擬現實技術可成功融合多種醫學影像資源，骨骼和皮膚的提取顯像效果最好，血管重建也能獲得較好的效果，軟組織如肌肉纖維等效果較差。骨科患者的個性化解剖結構均能通過虛擬現實技術成功重建，能利用Dextroscope系統簡單模擬相關手術入路，但模擬過程較為簡易及粗糙，與實際手術過程仍有較大的差距，目前還難以與真實手術過程相比擬，制約其發展的因素是多方面的，仍需要進一步的探索。

計算機技術在醫學上的應用越來越廣泛，其核心問題是三維建模，三維建模的關鍵是圖像分割，醫學研究者的解剖學知識使其能判斷圖像分割的準確性，工科研究人員則無法對計算機自動分割結果進行修正。因此，臨床醫師掌握一定的醫用圖像軟件操作技能，能親自進行圖像的分割和分析是必要的。

參考文獻：

[1]Fadero PE， Shah M. Three dimensional （3D） modelling and surgical planning in trauma and orthopaedics[J].Journal of the Royal Colleges of Surgeons of Edinburgh and Ireland （Surgeon）， 2014，9. pii： S1479-666X（14）00044-4.

[2]O'Toole RV， Cox G， Shanmuganathan K， Castillo RC， et al. Evaluation of computed tomography for determining the diagnosis of acetabular fractures[J]. J Orthop Trauma，2010 ，24（5）：284-290.

[3]Gabbe BJ， Esser M， Bucknill A， et al. The imaging and classification of severe pelvic ring fractures： Experiences from two level 1 trauma centres[J].Bone Joint J，2013，95-B（10）： 1396-401.

[4]Gras F， Marintschev I， Klos K， et al.Screw placement for acetabular fractures： which navigation modality （2-dimensional vs. 3-dimensional） should be used？ An experimental study.[J].J Orthop Trauma，2012，26（8）：466-473.

[5]Grossterlinden L， Nuechtern J， Begemann PG， et al. Computer-assisted surgery and intraoperative three-dimensional imaging for screw placement in different pelvic regions[J].J Trauma，2011，71（4）：926-932.

[6]阮志勇，羅從風，張博，等. 下肢關節內骨折術中三維成像的圖像評價[J]. 中華創傷骨科雜志，2010， 12（7）： 695-696.

[7]Garrett J， Halvorson J， Carroll E， et al. Value of 3-D CT in classifying acetabular fractures during orthopedic residency training[J].Orthopedics，2012，35（5）：e615-620.

[8]Hansen E， Marmor M， Matityahu A. Impact of a three-dimensional \"hands-on\" anatomic teaching module on acetabular fracture pattern recognition by orthopaedic residents[J].J Bone Joint Surg Am，2012，94（23）：e1771-1777.

[9]Pahuta MA， Schemitsch EH， Backstein D， et al. Virtual fracture carving improves understanding of a complex fracture： a randomized controlled study[J].J Bone Joint Surg Am， 2012，94（24）：e182.

[10]Mendel T， Radetzki F， Wohlrab D， et al. CT-based 3-D visualisation of secure bone corridors and optimal trajectories for sacroiliac screws[J].Injury，2013，44（7）：957-963.

[11]Puchwein P， Enninghorst N， Sisak K， et al. Percutaneous fixation of acetabular fractures： computer-assisted determination of safe zones， angles and lengths for screw insertion[J].Arch Orthop Trauma Surg，2012，132（6）：805-811.

[12]石晶晟. 虛擬現實技術應用于骨科的初步探索[D].復旦大學，2009.

編輯/哈濤