基于骨質疏松MR模型CAD輔助優(yōu)化股骨頸置釘通道研究

黃熙謀 萬磊 梁篤

1廣州市越秀區(qū)第二中醫(yī)醫(yī)院（廣州510100）；2廣州市正骨醫(yī)院（廣州510045）

股骨頸骨折是骨科常見疾病，骨質疏松是引起股骨頸骨折的重要因素。股骨頸骨折AO空心釘內固定術創(chuàng)傷小，固定可靠，愈合率高［1］。然而骨質疏松會增加空心釘內固定術后股骨頸短縮風險及再手術率［2］，進而影響髖關節(jié)功能［3］。為提高固定強度，學界對股骨頸置釘通道進行了改良研究［4-5］，但是缺乏針對不同骨質疏松分布模態(tài)的個體化優(yōu)化。同時近年來隨著計算機輔助術前規(guī)劃（CAD）以及3D打印技術在髖外科的應用［6］，股骨頸部骨折個體化精準手術得以開展，療效得到了提高。但是3D打印存在成本高、需要切開匹配等缺點，反而失去了空心釘治療采用閉合復位的優(yōu)勢。自2017年始，本課題組開展了增強與混合現(xiàn)實醫(yī)療技術研究［7］，對于骨量減少的患者，本研究通過采用股骨頸部骨折CT數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性的應用混合現(xiàn)實技術（mixed reality，MR）進行骨質疏松MR模型三維重建，通過計算機輔助術前規(guī)劃，優(yōu)化股骨頸置釘通道，盡量增加股骨頸皮質支撐，為臨床精準手術治療股骨頸部骨折提供新的技術路線。

1 材料與方法

1.1一般資料2018年3月至2019年2月入院股骨頸骨折患者中，符合本研究納入標準病例共28例，其中男11例，女17例，年齡53～79歲，平均71.3歲。車禍傷3例，高處墜落傷5例，平地摔傷20例。病例來源于廣州市正骨醫(yī)院。28例患者均按完全隨機設計進行前瞻性實驗研究，采用隨機密封抽簽法隨機單盲分為兩組，A組為CAD+MR優(yōu)化組14例，其中男5例，女9例，Garden分型：Ⅰ型2例，Ⅱ型6例，Ⅲ型3例，Ⅳ型3例。B組為常規(guī)手術組14例，其中男6例，女8例，Garden分型：Ⅰ型1例，Ⅱ型8例，Ⅲ型3例，Ⅳ型2例。

1.2納入與排除標準納入標準：（1）符合股骨頸骨折的診斷標準；（2）無神經(jīng)血管損傷；（3）具有手術指征；（4）患者知情同意；（5）骨質疏松。參照中國人骨質疏松癥診斷標準專家共識（第三稿·2014版）［8］，雙能X線骨密度測量（DXA）T值≤-2.0。排除標準：具有手術禁忌證者。

1.3CAD+MR輔助手術優(yōu)化方案CAD術前設計、MR混合現(xiàn)實建模、術中平板電腦MR匹配。本課題獲得相關基金資助，通過倫理審核。

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(yī)學影像系統(tǒng)：廣州市萬雄科技有限公司開發(fā)。Windows HoloLens全息眼鏡：美國微軟公司生產。Android 8.0平板電腦M2-801w：深圳市華為技術有限公司生產。

1.5 CAD+MR輔助手術優(yōu)化流程

1.5.1建立三維MR模型CAD+MR優(yōu)化組組患者手術前均行常規(guī)X線片及CT薄層掃描、常規(guī)三維重建檢查。采用DICOM格式數(shù)據(jù)在MyAR系統(tǒng)中完成MR混合現(xiàn)實動態(tài)重建，獲得骨質疏松三維MR模型，并按健側鏡像進行虛擬復位（圖1）。

1.5.2CAD設計在重建MR模型三維數(shù)據(jù)上進行CAD設計，按以下原則確定個性化空心釘置釘通道：（1）空心釘螺紋部分必須超過遠端骨折線，以發(fā)揮對骨折兩端加壓作用；（2）平行股骨頸長軸置釘，或低角度平行壓力骨小梁方向置釘；（3）空心釘螺紋尖端到達股骨頭軟骨下5 mm左右；（4）依據(jù)皮質支撐理論，3枚螺釘盡量分散，后方螺釘盡量貼近股骨頸后方皮質，下方螺釘盡量貼近下方皮質，以獲得堅強支撐，防止步行以及坐位轉為立位時股骨頭后傾和內翻趨勢。在CAD系統(tǒng)中完成空心釘位置設計、空心釘長度測量、空心釘進入角度設計等一系列術前規(guī)劃（圖2）。

圖1 股骨頸骨折MR模型虛擬復位 圖2 CAD輔助空心釘釘?shù)涝O計Fig.1 Virtual reduction of MR model of femoral neck fractureFig.2 CAD of cannulated screws

1.5.3術前匹配主刀醫(yī)生在術前使用Android8.0 M2-801w，在MyAR系統(tǒng)中對MR混合現(xiàn)實三維數(shù)據(jù)與患者3D打印個體化標本進行識別、匹配后，確定空心釘位置設計、空心釘長度測量、空心釘進入角度等設計是否合理、安全，并進行修正完善（圖3）。

圖3 術前CAD模型匹配與校準Fig.3 Preoperative CAD model matching and calibration

1.6手術方式為排除干擾因素，本實驗28例患者均由同一醫(yī)師主刀完成，硬腰聯(lián)合麻醉后上牽引床，C型臂X線機透視下進行骨折閉合復位，確認復位滿意后，取常規(guī)外側入路。

CAD+MR優(yōu)化組患者以術中C臂機透視定位為主參照系統(tǒng)，MR混合現(xiàn)實三維數(shù)據(jù)為輔助內固定參照系統(tǒng)，術者佩戴HoloLens全息眼鏡，根據(jù)CAD+MR術前規(guī)劃提供的混合現(xiàn)實空心釘路徑數(shù)據(jù)，手持電鉆將克氏針經(jīng)過置釘通道置入股骨頸，確定空心釘置入的最佳位置和空心釘置入的最佳角度。確定空心釘置入的安全區(qū)或絕對和相對危險區(qū)，按MR混合現(xiàn)實內固定方案進行操作，以避免空心釘穿入髖關節(jié)，置入預先測量好直徑與長度的空心釘。

1.7實驗指標術中采用手術時間指標進行評定。因術中出血量均較小，不進行對比。術后6個月復查采用髖關節(jié)功能Harris評分。

1.8統(tǒng)計學方法采用SPSS 25.0軟件分析數(shù)據(jù)，手術時間以及術中出血量屬于符合正態(tài)分布的計量資料，以均數(shù)±標準差表示并采用兩獨立樣本均數(shù)t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。Harris評分采用秩和檢驗，檢驗水準取α=0.05。

2 結果

2.1CAD+MR優(yōu)化組與常規(guī)手術組手術時間與術中出血量比較28例患者均由同一醫(yī)師主刀完成，為精確判斷CAD+MR優(yōu)化對手術時間的影響，將手術時間分為閉合復位時間和內固定時間，由臺下助手記錄各段手術時間。CAD-MR優(yōu)化組與常規(guī)手術組的閉合復位時間無明顯差異（P＞0.05）,但內固定時間，CAD-MR優(yōu)化組更短，差異具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。見表1。

表1 CAD-MR優(yōu)化組與常規(guī)手術組手術時間Tab.1 CAD-MR optimization group and routine operation group operation time x± s，min

2.2CAD+MR優(yōu)化組與常規(guī)手術組手術療效比較CAD+MR優(yōu)化組14例患者與常規(guī)手術組14例患者手術后骨折均解剖復位，內固定位置良好。也獲得，術后半年時髖關節(jié)功能Harris評分CAD+MR優(yōu)化組平均（92.16±15.27）分，常規(guī)手術組平均（83.77±13.27）分，差異有統(tǒng)計學意義（t=-4.216，P＜0.05）。

3 討論

3.1股骨頸骨折空心釘內固定術研究的“痛”點目前學界一般認為空心釘內固定是治療股骨頸骨折的有效方式，空心釘?shù)膬?yōu)點有：骨折端可獲得良好的加壓，3枚空心釘立體固定具有很高的強度及抗旋轉和抗剪力能力；有較大的壓力峰值負荷、較少的移位和較多的能量吸收等［9-10］。對于老年尤其是骨質疏松患者來說，空心釘內固定一般用于有關節(jié)置換禁忌癥的病人以及傳統(tǒng)方法固定失敗的患者，但因為骨的質量差內固定物及植入物在骨內把持力相對較差易出現(xiàn)松動、脫出等情況而最終導致治療的失敗，空心釘內固定其失效率達20%～42%［11］。為增加固定強度，F(xiàn)ILIPOV等［12］于2010年報道了一種新的股骨頸骨折空心釘固定方法：雙平面雙支撐空心釘固定（biplane double-supported screw fixation），因前后位相構型形似“F”而又稱為“F”技術，該方法中三枚空心釘分布于與股骨頭頸冠狀面相交叉的兩個平而，平行于股骨頸長軸的上、中位空心釘首先旋入、擰緊，實現(xiàn)術中對骨折斷端的加壓，而下位空心釘以大的傾斜角度自股骨干外側皮質打入，增強空心釘把持力的同時，使得負荷可以成功的從股骨頭傳遞到股骨干。可見，如何有效優(yōu)化三根空心釘?shù)臉嬓秃头植际菍崿F(xiàn)堅強固定的關鍵點［13］。

3.2CAD+MR混合現(xiàn)實的發(fā)展與輔助個體化手術優(yōu)勢混合現(xiàn)實技術（mixed reality，MR）應用于臨床手術中，能為術者提供“透視眼”效果。醫(yī)師在術中將骨骼MR模型調出來，利用導航技術嵌入式匹配將模型定位在患者身上。術者可以通過MR眼鏡來準確定位病灶，從而輔助精準手術實施。COELHO等［14］在SPINE（2018）雜志的一篇研究結果中表明：16位經(jīng)驗豐富的脊柱外科醫(yī)生采用混合現(xiàn)實技術，評估三維模型在平面解剖、病理診斷、以及影像學相關方面的作用，混合現(xiàn)實模型提供了一個高效的觀察工具，能加強脊柱外科醫(yī)生對三維解剖的理解能力，并能在安全的環(huán)境中改善和縮短外科醫(yī)生的學習曲線。

目前學界已經(jīng)認識到，骨科醫(yī)生臨床仍在遵循幾十年前的工作流程，使用數(shù)十張二維透視圖像鉆穿復雜的三維結構，如骨盆［15］。尤其對于一些新開展的經(jīng)皮微創(chuàng)手術，三維解剖結構關系復雜，即使最富有的經(jīng)驗手術醫(yī)生也需小心處理，在對比CT或X片的同時安排透視引導和手術，花費大量時間并且不安全。在患者手術時體位變化時，術者還需要在腦海中重構病灶的三維圖像，依賴術者專業(yè)經(jīng)驗，其中仍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，可以讓術者直觀地看到患者的病灶三維形態(tài)，很好地解決了上述問題，明顯減少了手術時間及X射線透視的使用次數(shù)，這對患者及術者的健康都是有利的。CAD+MR手術技術的開展，使一些從前高難度的手術變得易于開展，如脊柱經(jīng)皮螺釘技術，以前可能需要在X線或者導航的引導下定位，現(xiàn)在可以利用CAD+MR展開手術［7］。

3.3CAD+MR輔助股骨頸骨折空心釘內固定術的經(jīng)驗與不足對于骨質疏松性股骨頸骨折患者來說，因其骨小梁傳導機制破壞，患者存在自身個體化的生物力學應力傳導缺陷［16］。因此針對不同骨質疏松分布模態(tài)，進行空心釘構型個體化優(yōu)化，能為臨床精準手術治療股骨頸部骨折提供一條新的技術方案。在本實驗中，采用混合現(xiàn)實技術進行股骨頸部骨折手術優(yōu)化，CAD+MR優(yōu)化組手術閉合復位時間與常規(guī)手術組差異無統(tǒng)計學意義。但是內固定時間低于常規(guī)手術組；術后半年髖關節(jié)功能Harris評分CAD+MR優(yōu)化組優(yōu)于，常規(guī)手術組，差異有統(tǒng)計學意義。對于骨質疏松患者來說，頸部骨折空心釘內固定術采用CAD+MR輔助手術優(yōu)化可以明顯縮短內固定所需的手術時間，從而降低高齡患者的手術風險與并發(fā)癥。另一方面，優(yōu)化的股骨頸置釘通道，增加了股骨頸皮質支撐，提高了療效。

本課題尚需要進一步擴大樣本量進行評估。CAD+MR技術的應用依賴于術前設計，術中骨折端相對位置若復位不滿意，則無法順利按術前設計進行手術。所以對于骨折復位要求比較高，這是目前臨床應用的瓶頸。從另一方面說，復位好對于術后功能恢復更為有利。所以，對于有經(jīng)驗的醫(yī)生來說，要評估閉合復位的難度，并衡量這部分時間花費的利弊。未來，隨著軟硬件設備的開發(fā)以及研究的進展，MR技術與其他計算機輔助手術技術（比如機器人技術、導航技術等）結合進行術中即時三維追蹤將成為可能，這也是課題組下一步研究的方向。