基于CAD-MR技術混合現實重建骨盆與髖臼骨折及血管網輔助手術臨床研究

萬磊 梁篤 李保林 曾湘駿 何健東 闕敏強 周陽升 彭鵬豪

廣州市正骨醫院髖關節科（廣州 510045）

骨盆骨折與髖臼骨折的手術治療一直被學界視為創傷骨科的前沿［1-3］，因為骨盆髖臼部位的骨折創傷大、出血多［4］、手術難度高［5］、康復周期長，并且骨折位置深、解剖復雜、比鄰重要血管神經［6-7］。近年來隨著計算機輔助術前規劃（CAD）［8-9］以及3D打印技術［10］在骨盆外科的應用，骨盆髖臼骨折個體化精準手術和微創手術得以開展，手術創傷減少，療效得到了提高。但是3D打印存在成本高、只還原復位前的骨折情況、無法動態追蹤復位和術中情況等缺點。自2017年始，創新性的混合現實（mixed reality，MR）技術開始逐步嘗試開始醫療應用［11］，但尚未見到臨床對比研究報道。我院同期開展增強與混合現實醫療技術研究［12］，采用骨盆髖臼骨折CT或CTA（骨盆CT血管造影）數據，創新性的應用MR技術進行計算機輔助術前規劃，以及3D模型MR混合現實術中匹配，為臨床精準手術治療骨盆髖臼骨折提供一條新的技術路線。

1 資料與方法

1.1 CAD-MR輔助手術干預方案CAD術前設計、MR混合現實重建、術中匹配。

1.2 時間及地點2017年6月至2018年3月期間，MR混合現實重建在廣州市正骨醫院增強現實醫學實驗室完成，術前設計在廣州市正骨醫院髖關節外科完成，術中匹配在廣州市正骨醫院手術室完成。

1.3 患者一般資料我院2017年6月至2018年3月入院骨盆骨折及髖臼骨折病例24例，其中男15例，女9例，年齡19～65歲，平均35歲。車禍傷13例，高處墜落傷11例。骨盆骨折按Tile分型：B1型2例，B2型1例，C1型2例，C2型1例，C3型2例，髖臼骨折按解剖（judet-letournel）分型：其中后壁骨折3例，后柱骨折2例，后壁加后柱骨折2例，雙柱骨折4例，T型骨折2例，前柱加后半橫3例。合并其它損失情況：腰椎骨折5例，同側股骨骨折3例，脛腓骨骨折6例，股骨頭軟骨面損傷2例，尿道損傷2例。所有骨折均為閉合性骨盆骨折。本組病例均有手術指征，所有病例均在1周內治療。納入標準：符合骨盆骨折及髖臼骨折的診斷標準，具有手術指征，患者知情同意。排除標準：具有手術禁忌證者。分組情況：24例患者均符合骨盆骨折及髖臼骨折臨床診斷納入標準，按完全隨機設計進行前瞻性實驗研究，24例患者采用隨機密封抽簽法隨機單盲分為兩組，A組為CAD-MR輔助手術組12例，B組為常規手術組12例。

1.4 試驗設備CT掃描機：德國SIEMENS公司生產，雙源64排螺旋CT，掃描層厚0.625 mm。MyAR交互式MR醫學影像系統：廣州市萬雄科技有限公司開發。Windows HoloLens全息眼鏡：美國微軟公司生產。

1.5 CAD-MR輔助手術干預流程本組患者手術前均行骨盆前后位、入口位、出口位、髂骨斜位、閉孔斜位X線片及骨盆CT（或CTA）薄層掃描、常規三維重建檢查。采用DICOM格式數據在MyAR交互式MR醫學影像系統中完成MR混合現實動態重建（圖1）。在重建模型MR三維數據上進行手術入路選擇、切口暴露范圍設計、骨折復位設計、鋼板試復位位置、鋼板最佳塑性設計、螺釘長度測量、螺釘進入方向設計等一系列術前預操作（圖2）。本組患者手術時主刀醫生在置入內固定前佩戴Windows HoloLens全息眼鏡，對MR混合現實三維數據識別、匹配后，確定手術以及內固定參照系統，術中透視圖像作為輔助參照系統（圖3）。

圖1 MR混合現實動態重建Fig.1 MR reconstruction

圖2 MR模擬內固定Fig.2 Virtual operation of internal fixation

圖3 術中MR匹配圖像Fig.3 The MR image of operation

1.6 手術方式為排除干擾因素，本實驗24例患者均由同一醫師主刀完成，根據骨折類型不同采用Stoppa入路4例，采用后方Kocher-Langanbeck入路4例，髂腹股溝入路2例，骶髂關節后入路3例，采用腹直肌旁入路11例。顯露完畢后，CAD-MR輔助手術組患者對MR混合現實三維數據識別、匹配，確定內固定參照系統。根據術前規劃，確定內固定鋼板置入的最佳位置和螺釘置入的最佳方向。確定螺釘置入的安全區或絕對和相對危險區，按MR混合現實內固定方案進行操作，以避免螺釘穿入髖關節。

1.7 實驗指標術中采用出血量以及手術時間指標進行評定，術后采用Matta標準評價骨折復位情況，術后3個月采用Majeed評分標準進行功能評定。Matta臨床評分評估標準：優：無疼痛，步態正常，關節活動范圍＞75%，X射線片無明顯骨性關節炎改變或輕微關節間隙狹窄及硬化。良：輕微疼痛，步態正常，關節活動范圍＞50%，X射線片關節面硬化，關節間隙狹窄，有骨贅形成?？桑褐卸忍弁?，輕度跛行，關節活動范圍＜50%，X射線片有明顯骨性關節狹窄，關節面硬化和骨贅形成。差：明顯疼痛，跛行，關節僵硬伴畸形，X射線片有明顯骨性關節炎改變或股骨頭向髖臼中心明顯脫位。Majeed功能評分評估標準：評分85～100分為優，70～84分為良，55～69分為中，55分為差。

1.8 統計學方法兩組患者原始數據采用SPSS 24.0統計軟件包。對于手術時間以及術中出血量比較采用獨立樣本均數t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 CAD-MR輔助手術組與常規手術組手術時間與術中出血量比較24例患者均由同一醫師主刀完成，為精確判斷快速成型輔助設計對手術時間的影響，由皮膚切開開始到皮膚縫合完畢，將手術時間分為切開顯露時間、復位與固定時間，由臺下助手記錄各段手術時間（表1）。24例患者術中出血量對比見表2。

表1 CAD-MR輔助手術組與常規手術組手術時間Tab.1 The operation time of A/B group ± s，mm

表1 CAD-MR輔助手術組與常規手術組手術時間Tab.1 The operation time of A/B group ± s，mm

注：兩組之間差異具有統計學意義，*P＜0.05

組別CAD-MR輔助手術組常規手術組t值P值12 12 25.36±4.90*31.29±3.39-1.721 0.015 46.28±9.52*72.61±12.32-2.952 0.006例數 切開顯露時間 復位與固定時間

表2 CAD-MR輔助手術組與常規手術組術中出血量Tab.2 The amount of bleeding of A/B group ± s，mL

表2 CAD-MR輔助手術組與常規手術組術中出血量Tab.2 The amount of bleeding of A/B group ± s，mL

注：兩組之間差異具有統計學意義，*P＜0.05

組別CAD-MR輔助手術組常規手術組t值P值例數12 12術中出血量326.49±36.57 437.12±42.91-3.564 0.005

2.2 CAD-MR輔助手術組與常規手術組手術療效比較對比術前X片，CAD-MR輔助手術組12例患者手術骨折均解剖復位，內固定位置良好（圖4、5）。術后采用Matta標準評價骨折復位情況。A組CAD-MR輔助手術組：優7例；良4例，可1例，差0例。B組常規手術組：優5例；良5例，可2例，差0例。患者術后隨訪3個月，采用Majeed評分標準進行功能評定。A組CAD-MR輔助手術組：優4例；良6例，中2例，差0例。B組常規手術組：優2例；良7例，中3例，差0例。

圖4 患者1骨盆骨折內固定術后Fig.4 The X-ray image before operation of pelvic fracture

圖5 患者2骨盆骨折內固定術后Fig.5 The X-ray image of internal fixation after operation

由于本實驗結果中理論頻數偏小，采用行列表資料χ2檢驗誤差較大。后續研究中將加大觀察樣本量解決此問題。此處CAD-MR輔助手術組手術療效Matta評分優良率為91.6%，常規手術組優良率為83.3%，兩者的比較未進行統計學處理。CAD-MR輔助手術組手術療效Majeed評分優良率為83.3%，常規手術組優良率為75.5%，兩者的比較未進行統計學處理。

3 討論

3.1 骨盆骨折手術面臨的挑戰與新解決方案在骨盆髖臼骨折手術修復中，創傷的程度及并發癥的預防、骨折復位的情況以及內固定的質量是治療的關鍵［13-15］。骨盆髖臼骨折具有較高的致殘率和病死率［5，16-17］，因此縮短手術時間和減少出血量對于降低骨盆髖臼骨折術后并發癥尤為重要。近年來，計算機輔助術前規劃以及3D打印技術在骨盆外科的廣泛開展［18］，手術創傷減少，療效也得到了提高［19］。但是3D打印模型模擬與實際操作有一定差異，術中牽拉、體位擺放及各部位復位順序等因素，都可能造成模型模擬的情況與實際手術操作不相符合。另外將模型消毒后在手術臺上作為參考進行操作，有增加術中異物碎屑感染的可能。因此，課題組采用最新計算機科技，開展了非接觸式增強現實醫療技術研究。在本實驗中，采用混合現實技術進行骨盆髖臼骨折手術干預，研究證明：CAD-MR輔助手術組手術切開顯露時間（25.36± 4.90）min，低于常規手術組（31.29±3.39）min（P＜0.05），復位與固定時間（46.28±9.52）min，低于常規手術組（72.61±12.32）min，差異有統計學意義（P＜0.05）；術中出血量CAD-MR輔助手術組手術切開顯露時間（326.49±36.57）mL，低于常規手術組（437.12±42.91）mL，差異有統計學意義（P＜0.05）；CAD-MR輔助手術組手術療效Matta評分優良率為91.6%，常規手術組優良率為83.3%；CAD-MR輔助手術組手術療效Majeed評分優良率為83.3%，常規手術組優良率為75.5%。結果顯示：CAD-MR輔助手術可以縮短了手術時間，減少出血量，提高手術的療效。

3.2 CAD-MR技術混合現實輔助個體化手術的優勢MR運用在術中的“透視功能”。即相當于給醫生戴上“透視眼”。在手術時，將患者的骨骼成像模型調出來，利用導航技術嵌入式匹配定位在患者身上。醫生可以通過AR眼鏡中全景立體成像來實體操作手術，而且隨著患者手術中體位的位移，圖像仍能保持準確定位，輔助精準手術實施。其優勢在于：（1）術前診斷更加明確，三維立體成像相對于傳統CT平面成像，新型MR成像技術可以形成嵌入式三維影像，將復雜的骨折情況更直觀地展示在臨床醫生面前，使復雜骨折的評估及分型變得容易。對于復雜的病情，即使最有經驗的外科醫生也需要小心處理，一邊對比CT或者X片，一邊做手術，非常花費時間。甚至在術中需要反復透視，增加了患者和醫生接受的輻射量。在患者手術時體位變化時，醫生還需要在腦海中重構病灶的三維圖像，依賴醫生專業經驗，其中會存在一定的視覺漏洞造成的手術風險，而新型MR成像技術，可以讓醫生很直觀的看到患者的病灶三維形態，一次性解決了上述問題，明顯減少了手術時間及X射線透視的使用次數，這對患者及醫生的健康都是有利的。（2）CAD-MR手術技術的開展，尤其對代表21世界外科潮流的經皮手術和微創手術有比較大的意義，同時也可以使一些以前高難度的手術變得容易開展，比如骶骨螺釘技術，以前可能需要在導航引導或者CT引導下定位，現在可以利用CAD-MR展開手術方法的創新和革命。（3）CAD-MR和計算機輔助設計混合現實（CAD-MR）技術對于截骨類手術術式的改進也具有非凡的意義。筆者早在10年前開展的計算機輔助快速原型3D打印技術（CAD-RP）已經可以顯示脊柱側彎的全貌，也可以使用軟件預先確定合適的手術截骨方案。然而直到今日，MR科技輔助設備的成熟，才能真正把這些術前規劃的截骨角度和截骨線體現在手術中。（4）在CAD-MR手術技術的幫助下，甚至可以開展多種傳統術式的創新，帶來外科手術的革命性變化。