計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)在復(fù)雜足踝部骨折手術(shù)中的應(yīng)用

章 瑩，夏遠(yuǎn)軍，萬 磊，吳 文，譚新宇，謝會(huì)斌，劉漢輝，尹慶水

足踝部骨折包括脛骨遠(yuǎn)端骨折、跟骨骨折、踝關(guān)節(jié)骨折、距骨骨折、足跗骨骨折和跖趾骨骨折，此類骨折較為常見，但治療效果卻不盡人意。究其原因，主要是受制于足踝解剖結(jié)構(gòu)及其生物力學(xué)機(jī)制的復(fù)雜性[1]。臨床上術(shù)者往往很難依據(jù)平面圖像獲得足踝部骨折的整體精確三維圖像，并在此基礎(chǔ)上以有效恢復(fù)生物力學(xué)機(jī)制為目的制定個(gè)體化骨折治療方案。而一旦術(shù)中未能使骨折獲得良好復(fù)位，就極易導(dǎo)致創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生[2,3]。本研究采用CT圖像、計(jì)算機(jī)三維重建和三維設(shè)計(jì)模擬技術(shù)，在術(shù)前建立足踝部骨折的三維數(shù)字模型，以恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的脛距關(guān)節(jié)面、距骨的距下關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面為基準(zhǔn)，并在測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行撬撥復(fù)位計(jì)算機(jī)三維虛擬，測(cè)算撬撥復(fù)位旋轉(zhuǎn)角度以及需要撬撥復(fù)位的程度，從而設(shè)計(jì)出使關(guān)節(jié)面骨折解剖復(fù)位的理想方案。以此作為術(shù)中的參考依據(jù)，在C型臂X線機(jī)監(jiān)測(cè)下按計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案實(shí)施手術(shù)，復(fù)位效果滿意。

1 資料與方法

1.1 一般資料與分組

對(duì)我院2007年11月～2009年8月收治的255例復(fù)雜足踝部骨折患者進(jìn)行手術(shù)治療，其中123例采用傳統(tǒng)手術(shù)方法進(jìn)行治療，另132例在術(shù)前進(jìn)行CT圖像三維重建、計(jì)算機(jī)三維模擬手術(shù)和個(gè)體化標(biāo)本預(yù)手術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)施精確化手術(shù)。對(duì)獲得隨訪的196例患者進(jìn)行回顧性研究，其中計(jì)算機(jī)輔助組105例，男61例，女44例，年齡14～69歲，平均32.5歲；致傷原因：高處墜落傷49例，車禍傷33例，其他原因23例，受傷到治療時(shí)間3 h～5 d。常規(guī)手術(shù)組91例，男51例，女40例，年齡16～64歲，平均29.3歲。致傷原因：高處墜落傷39例，車禍傷21例，其他原因31例，受傷到治療時(shí)間3 h～5 d。兩組性別、年齡、骨折類型、受傷到治療時(shí)間等一般資料相似。

1.2 手術(shù)方法

1.2.1 傳統(tǒng)手術(shù)方法 常規(guī)手術(shù)切口，直視下復(fù)位骨折塊并植骨，植骨量為6～20 g，術(shù)中根據(jù)不同情況選用解剖鈦鋼板、松質(zhì)骨螺釘進(jìn)行內(nèi)固定。

1.2.2 計(jì)算機(jī)輔助個(gè)體化手術(shù)方法

1.2.2.1 CT數(shù)據(jù)的處理和足踝部骨折三維重建：選擇患者足踝骨折處CT平掃DICOM 3.0格式數(shù)據(jù)，掃描層距1 mm。在Mimics 11.1中調(diào)用圖像數(shù)據(jù)序列，設(shè)定Threshold line=1500（Hounsfield scale），啟動(dòng)Region Growing對(duì)跟骨建立Mask像素集合。執(zhí)行Calculate 3 d form mask，建立以健側(cè)為鏡像的患側(cè)跟骨正常狀態(tài)的三維模型?；紓?cè)骨折塊具有相近的Hounsfield值，故對(duì)骨折塊的分割采用手動(dòng)逐層追蹤，建立各骨折塊的Mask像素集合，再由Mask運(yùn)算出跟骨各骨折塊的3D Object，經(jīng)Unite布爾運(yùn)算獲得患側(cè)骨折三維模型。調(diào)用FEA模塊的Smooth功能拋光三維模型表面，減少三維圖像信號(hào)噪音，以利于選擇表面觀察點(diǎn)。

1.2.2.2 撬撥復(fù)位計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)：對(duì)跟骨結(jié)節(jié)骨折塊3D Object采取Rotate操作，緩慢旋轉(zhuǎn)跟骨骨折塊，模擬手術(shù)撬撥過程，使Bohler角逐漸恢復(fù)至健側(cè)水平。測(cè)量跟骨結(jié)節(jié)撬撥旋轉(zhuǎn)角度，對(duì)脛骨遠(yuǎn)端和三踝骨折的骨折塊3D Object進(jìn)行移動(dòng)操作，模擬手術(shù)復(fù)位過程，使骨折恢復(fù)至正常位置，同時(shí)打印跟骨骨折復(fù)位后圖片，以此作為術(shù)中參考依據(jù)。

1.2.2.3 個(gè)體化精確手術(shù)：采用計(jì)算機(jī)模擬足踝部骨折復(fù)位后打印圖片，通過計(jì)算機(jī)測(cè)量骨折塊撬撥角度，為個(gè)體化手術(shù)提供參照（圖1），使足踝部骨折精確復(fù)位成為可能[4,5]。采用常規(guī)手術(shù)切口，按術(shù)前設(shè)計(jì)的方案用骨刀將塌陷的骨折塊撬起以恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整及高度，按術(shù)前估計(jì)的植骨量采用人工骨或自體髂骨條植骨，植骨量為6～20 g，按術(shù)前模擬手術(shù)選用解剖鈦鋼板、松質(zhì)骨螺釘進(jìn)行內(nèi)固定。撬撥復(fù)位在C型臂X線機(jī)的透視下可發(fā)現(xiàn)復(fù)位固定的足踝部骨折與計(jì)算機(jī)足踝骨折復(fù)位后打印圖片一致（圖2）。

圖1 粉碎性跟骨骨折的術(shù)前三維重建及撬撥復(fù)位模擬

1.3 臨床觀察指標(biāo)

術(shù)中記錄計(jì)算機(jī)輔助組和常規(guī)手術(shù)組的復(fù)位固定時(shí)間；術(shù)后拍攝跟骨側(cè)位和軸位像以及踝關(guān)節(jié)正側(cè)位像X線片，觀察術(shù)后骨折復(fù)位情況；術(shù)后6個(gè)月按照美國足踝外科學(xué)會(huì)足部功能評(píng)分系統(tǒng)（Hindfoot score）[3]對(duì)兩組的踝關(guān)節(jié)功能進(jìn)行評(píng)估：包括疼痛（40分）、功能（50分）和力線（10分）3個(gè)方面，總分100分，90～100分為優(yōu)，75～89分為良，50～74分為可，＜50分為差。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。術(shù)中觀察指標(biāo)的分析采用t檢驗(yàn)，術(shù)后踝關(guān)節(jié)功能比較采用χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

255例患者術(shù)程順利，其中196例患者獲得6～36個(gè)月隨訪，平均隨訪時(shí)間12個(gè)月。計(jì)算機(jī)輔助組105例，常規(guī)手術(shù)組91例，復(fù)位固定時(shí)間分別為（44.3±5.4）min和（56.3±5.7）min，兩組比較為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=4.510，P=0.000）；隨訪6個(gè)月計(jì)算機(jī)輔助組踝關(guān)節(jié)功能評(píng)分（優(yōu)60例，良35例，可10例，優(yōu)良率90.4%）優(yōu)于常規(guī)手術(shù)組（優(yōu)39例，良32例，可14例，差6例，優(yōu)良率78.0%），但兩組比較為差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=1.418，P=0.165）。

3 討論

足踝部骨折是骨科常見損傷之一，因骨折常波及關(guān)節(jié)面，所以即使是輕微移位亦有其重要的臨床意義[6,7]。移位的足踝部骨折盡管可以通過閉合復(fù)位手段取得滿意復(fù)位甚至解剖復(fù)位，但維持這種復(fù)位通常需要以長腿石膏托固定于非功能位至少6周，康復(fù)期較長且并發(fā)癥多，故對(duì)于無手術(shù)禁忌證、骨折塊波及關(guān)節(jié)面的移位足踝部骨折，通常主張行開放復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)。

由于踝關(guān)節(jié)面積小、承重大且接近地面，導(dǎo)致作用于踝關(guān)節(jié)的承重應(yīng)力緩沖小，其承重力線的改變無法被其他關(guān)節(jié)代償；此外，踝穴的完整性依賴于腓骨的正常長度、脛骨和腓骨切跡中的精確位置以及下脛腓聯(lián)合的完整性[8]，故對(duì)足踝部累及關(guān)節(jié)面的骨折要求達(dá)到解剖復(fù)位，踝穴、距下關(guān)節(jié)的解剖復(fù)位以及早期恢復(fù)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍是足踝部骨折治療的基本原則[9]。傳統(tǒng)手術(shù)術(shù)前無法完整評(píng)估骨折的復(fù)雜情況，從而使骨折復(fù)位不良、術(shù)后創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率較高。

數(shù)字化測(cè)量、計(jì)算機(jī)模擬、三維仿真等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為創(chuàng)傷骨科的臨床研究和診療方式提供了新的思路：首先，以往通過X線片測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以通過數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行三維測(cè)量，結(jié)果更準(zhǔn)確真實(shí)[10,11]；其次，隨著數(shù)字化骨科學(xué)的發(fā)展，數(shù)字化引導(dǎo)下快速成型制作三維導(dǎo)航模板技術(shù)日益成熟，可以使需要術(shù)者具備豐富經(jīng)驗(yàn)的手術(shù)變得簡單易行，準(zhǔn)確性和安全性得到很大程度的提高[12,13]。足踝部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，骨折后的狀況更為復(fù)雜，個(gè)體差異明顯，治療頗為棘手。采用計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)治療復(fù)雜足踝部骨折，在術(shù)前建立足踝部骨折的三維數(shù)字模型，可以使術(shù)者對(duì)骨折的粉碎程度和關(guān)節(jié)面塌陷程度有清醒的認(rèn)識(shí)和明確的了解[14]，并能仿真分析治療效果，為關(guān)節(jié)面的恢復(fù)提供新的手段；術(shù)前進(jìn)行手術(shù)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以明顯縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量，減少手術(shù)創(chuàng)傷。

圖2 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)前后X線片

本組病例采用CT圖像、計(jì)算機(jī)三維重建和三維手術(shù)設(shè)計(jì)模擬技術(shù)治療復(fù)雜足踝部骨折，結(jié)果表明，術(shù)前建立足踝骨折的三維數(shù)字模型并對(duì)關(guān)節(jié)面塌陷的數(shù)值進(jìn)行三維測(cè)量，可以從3個(gè)方面提高脛距關(guān)節(jié)面和距關(guān)節(jié)面恢復(fù)的精確度：其一，進(jìn)行撬撥復(fù)位計(jì)算機(jī)三維虛擬仿真，使需要撬撥復(fù)位的程度與關(guān)節(jié)面的恢復(fù)相關(guān)聯(lián)，并在術(shù)前進(jìn)行模擬撬撥復(fù)位，從而使術(shù)者做到心中有數(shù)，在實(shí)際撬撥操作時(shí)更加熟練準(zhǔn)確，從而提高手術(shù)的精準(zhǔn)度和安全性；其二，在三維數(shù)字影像技術(shù)的支持下，對(duì)病人健側(cè)、患側(cè)足踝部進(jìn)行個(gè)體化三維設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)，可解決個(gè)體差異帶來的影響；其三，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可預(yù)測(cè)需要植骨的體積，為術(shù)后確定植骨量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在本組進(jìn)行的回顧性研究中，計(jì)算機(jī)輔助組的術(shù)中復(fù)位固定時(shí)間短于傳統(tǒng)手術(shù)組，兩組比較為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；隨訪期間計(jì)算機(jī)輔助組的踝關(guān)節(jié)功能評(píng)分優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)組，兩組比較為差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），推測(cè)可能與例數(shù)較少有關(guān)。以上結(jié)果印證了在復(fù)雜足踝部骨折手術(shù)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)，能有效減少術(shù)中復(fù)位固定時(shí)間，改善踝關(guān)節(jié)功能，提高臨床療效。

盡管計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)治療復(fù)雜足踝部骨折具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但仍然存在以下不足之處：（1）目前的數(shù)字化軟件操作繁瑣，需要由熟練掌握相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件和創(chuàng)傷骨科專業(yè)知識(shí)的人員完成，不利于技術(shù)的普及和推廣；（2）分割骨折塊耗時(shí)，骨折塊的分割亦無法做到與實(shí)際骨折完全一致；（3）手術(shù)模擬與實(shí)際操作仍有差距，實(shí)際手術(shù)往往無法達(dá)到模擬復(fù)位的程度。因此發(fā)展更加簡單實(shí)用的數(shù)字化模擬軟件和更加精確的模擬工具仍然是數(shù)字化骨科發(fā)展的方向[10]。

1 Marx RC,Mizel MS.What's new in foot and ankle surgery[J].J Bone Joint Surg Am,2010,92(2):512-523.

2 Tabakovi? D,Manojlovi? R,Kadija M,et al.Possible factors for ankle fractures Vojnosanit Pregl[J].2010,67(3):225-228.

3 Chodos MD,Campbell JT.Intra-articular calcaneal fracture with tarsal coalition treated with open reduction,internal fixation,and isolated subtalar arthrodesis:a case report[J].Foot Ankle Int,2007,28(9):1017-1020.

4 章瑩,夏遠(yuǎn)軍,萬磊,等.計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)在復(fù)雜跟骨骨折手術(shù)中的應(yīng)用[J].中國修復(fù)重建外科雜志,2009,23(12):1447-1450.

5 章瑩,萬磊,尹慶水,等.計(jì)算機(jī)快速成型輔助個(gè)體化三踝骨折的手術(shù)治療[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2009,11(6):509-511.

6 Mason LW,Dodds A.A prospective study comparing attempted weight bearing in fiberglass below-knee casts and prefabricated pneumatic braces[J].Foot Ankle Spec,2010,3(2):64-66.

7 Tintle SM,Keeling JJ,Shawen SB.Combat foot and ankle trauma[J].J Surg Orthop Adv,2010,19(1):70-76.

8 Smerek JP,Kadakia A,Belkoff SM,et al.Percutaneous screw configuration versus perimeter plating of calcaneus fractures:a cadaver study[J].Foot Ankle Int,2008,29(9):931-935.

9 Loutzenhiser L,Lawrence SJ,Donegan RP.Treatment of select open calcaneus fractures with reduction and internal fixation:an intermediate-term review[J].Foot Ankle Int,2008,29(8):825-830.

10 尹慶水,萬磊.數(shù)字骨科-信息化世紀(jì)的新骨科[J].中國骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志,2009,1(1):77-78.

11 Rupprecht M,Pogoda P,Barvencik F,et al.The calcaneus as the site of manifestation for osteoporosis-associated fractures:age- and sex-specific changes in calcanealmorphology correlate with the incidence and severity of intra-articular calcaneal fractures[J].Unfallchirurg,2007,110(3):197-204.

12 Schepers T,van Lieshout EM,Ginai AZ,et al.Calcaneal fracture classification:a comparative study[J].J Foot Ankle Surg,2009,48(2):156-62.

13 Loutzenhiser L,Lawrence SJ,Donegan RP.Treatment of select open calcaneus fractures with reduction and internal fixation:an intermediate-term review[J].Foot Ankle Int,2008,29(8):825-830.

14 Hu YL,Ye FG,Ji AY,et al.Three-dimensional computed tomography imaging increases the reliability of classification systems for tibial plateau fractures[J].Injury,2009,40(12):1282-1285.