數(shù)字骨科技術(shù)在髖臼骨折手術(shù)中的應用

呂厚忠，黃海樣，張建春，陳巨鵬

臨床研究

數(shù)字骨科技術(shù)在髖臼骨折手術(shù)中的應用

呂厚忠，黃海樣，張建春，陳巨鵬

目的探討數(shù)字骨科技術(shù)在髖臼骨折手術(shù)治療中的應用價值及其療效。方法對2009年1月—2011年1月收治的13例髖臼骨折病人應用數(shù)字骨科技術(shù)，術(shù)前將薄層CT掃描數(shù)據(jù)導入Mimics軟件，建立骨盆和股骨近端的三維模型。計算機輔助分析髖臼骨折情況和骨折移位程度，確定合適的手術(shù)入路，骨折復位方法、順序和內(nèi)固定方法，并在計算機上模擬骨折復位和內(nèi)固定過程。制作骨盆的快速成型實物模型，據(jù)此預彎擬采用的內(nèi)固定鋼板。最后按照計算機輔助模擬的手術(shù)方案實施髖臼骨折手術(shù)。結(jié)果所有患者均獲得隨訪，隨訪時間6～18個月，平均11.8個月。骨折復位情況根據(jù)Matta影像學評分標準：解剖復位10例，復位滿意3例；髖關(guān)節(jié)功能按照Harris評分標準：優(yōu)9例，良2例，可2例。2例術(shù)后1年隨訪發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死，2例并發(fā)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎。結(jié)論計算機三維重建、計算機輔助分析和模擬髖臼骨折復位、內(nèi)固定過程能提高手術(shù)的準確性和安全性，在髖臼骨折手術(shù)治療中具有良好的應用價值。

髖骨折；髖臼；骨折固定術(shù)，內(nèi)；計算機輔助設(shè)計；快速成型；數(shù)字骨科學

隨著數(shù)字醫(yī)學技術(shù)與骨科領(lǐng)域結(jié)合的日益緊密，醫(yī)學成像處理和建模技術(shù)、計算機輔助臨床治療技術(shù)以及快速成型技術(shù)為骨科疾病的診斷和治療提供了有效的方法和手段[1-3]。2009年1月至2011年1月，我們借助數(shù)字化骨科技術(shù)開展13例髖臼骨折手術(shù)，現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本組13例，男9例，女4例，年齡23～56歲，平均39.3歲。致傷原因：車禍傷12例，高處墜落傷1例。骨折類型按Letournel分類[4]：后壁骨折3例，后柱骨折2例，后壁伴后柱骨折2例，T形骨折1例，雙柱骨折1例，前壁骨折2例，前柱骨折2例。其中2例伴髖關(guān)節(jié)后脫位，2例伴髖關(guān)節(jié)中心性脫位。合并損傷：腦挫傷2例，創(chuàng)傷性休克2例，其他四肢骨折3例，脊柱損傷1例。所有患者術(shù)前均行骨盆正位、髂骨斜位、閉孔斜位X線片及CT薄層平掃。

1.2 計算機輔助分析

1.2.1 骨盆CT薄層掃描和三維重建 16排螺旋CT掃描（層厚1.0 mm、層距1.0 mm）獲取骨盆的二維圖像數(shù)據(jù)（圖1），以DICOM格式刻錄至光盤，導入Mimics 10.0軟件，通過域值分割、區(qū)域增加、修補面罩、計算三維模型，建立骨盆、骨折塊以及股骨近端的三維解剖模型（圖2）。

1.2.2 計算機輔助分析髖臼骨折移位 進一步分析骨盆、骨折塊和股骨近端的三維重建模型：運用可視和隱藏工具獨立顯示髖臼和骨折塊的三維模型；通過旋轉(zhuǎn)和平移工具從任意角度觀察髖臼骨折的移位情況，精確定位髖臼骨折的位置和類型；通過鏡像工具比較健側(cè)與患側(cè)的髖臼解剖模型，準確掌握骨折塊的移位情況。

1.2.3 計算機輔助模擬手術(shù)過程 利用骨盆、骨折塊的解剖模型，借助Mimics軟件的手術(shù)模擬模塊，在計算機上進行外科手術(shù)過程的設(shè)計和規(guī)劃，同時模擬骨折復位和骨折內(nèi)固定過程（圖3），驗證手術(shù)設(shè)計方案的可行性。

1.2.4 快速成型制作 將骨盆、骨折塊和股骨近端的三維重建模型以STL格式輸出，導入快速成型處理軟件后進行再切片、加支撐等處理，最后通過快速成型機制作出骨盆、骨折塊和股骨近端的實物模型（圖4）。在快速成型原型上實物操演外科手術(shù)過程，預彎擬采用的內(nèi)固定鋼板（圖5）。

1.3 手術(shù)方法

根據(jù)術(shù)前骨盆、骨折塊和股骨近端的三維重建模型，明確髖臼骨折的分型，選擇最合適的手術(shù)入路。本組采用Kocher-Langenbeck入路7例，髂腹股溝入路4例，Kocher-Langenbeck入路聯(lián)合髂腹股溝入路2例。充分顯露髖臼骨折部位，按照術(shù)前計算機輔助設(shè)計和模擬所確定的方案，實施骨折塊撬撥、復位，髖臼復位鉗或克氏針臨時固定后，恢復髖臼關(guān)節(jié)面的解剖結(jié)構(gòu)，選擇術(shù)前預彎的內(nèi)固定鋼板進行植入固定。

1.4 術(shù)后處理

術(shù)后常規(guī)應用廣譜抗生素預防感染，術(shù)后當天即開始行雙下肢關(guān)節(jié)屈伸和肌肉收縮功能鍛煉，預防下肢深靜脈血栓形成。術(shù)后患者行皮牽引或穿丁字鞋約2周，6～8周后開始不負重的主動關(guān)節(jié)活動，8～12周后逐漸開始扶拐部分負重行走，完全負重活動時間根據(jù)復查X線片結(jié)果，視骨折愈合情況確定。

2 結(jié)果

圖1 髖臼CT掃描二維圖像數(shù)據(jù)

圖2 骨盆、骨折塊和股骨近端的三維解剖模型

所有患者術(shù)后2周復查X線片，按照Matta標準[5]評定骨折復位情況：移位＜1 mm為解剖復位，1～3 mm為滿意復位，＞3 mm為不滿意復位。本組解剖復位10例，滿意復位3例。

圖3 計算機輔助模擬分析骨折移位及骨折復位模擬手術(shù)

圖4 應用快速成型技術(shù)制作骨盆的樹脂實物模型

圖5 術(shù)前在快速成型模型上預彎鋼板

所有患者均獲得隨訪，隨訪時間6～18個月，平均11.8個月。隨訪期間髖關(guān)節(jié)功能按照Harris評分標準[6]：優(yōu)9例，良2例，可2例。2例術(shù)后1年隨訪發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死，二期行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)；2例創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，經(jīng)口服阿司匹林、局部紅外線照射等保守治療后癥狀緩解。典型病例見圖6。

3 討論

3.1 計算機輔助三維重建在髖臼骨折分型的應用價值

圖6 數(shù)字技術(shù)在右髖臼陳舊性骨折手術(shù)的應用（男性，22歲）6A術(shù)前X線片 6B，6C骨盆三維重建前后視圖 6D，6E骨盆前后視圖（股骨頭隱藏）6F～6I模擬復位前后上下視圖 6J術(shù)后2周X線片

如何準確判斷髖臼骨折的分型，對于髖臼骨折的外科治療尤為重要。由于髖臼解剖結(jié)構(gòu)復雜，傳統(tǒng)的X線檢查容易受到影像重疊的影響，難以完整觀察骨折整體的移位情況[7]。采用CT對骨盆進行薄層掃描、三維重建，并利用影像工作站建立三維重建骨盆的解剖模型，是目前髖臼骨折分型診斷的主要方法[8]。然而，螺旋CT重建的骨盆三維模型受到股骨頭的遮擋，因此難以清晰觀察髖臼關(guān)節(jié)面的骨折移位情況。

計算機輔助三維重建技術(shù)的發(fā)展為髖臼骨折分型的確定提供了新的方法和工具[9]。Reddix等[2]對復雜雙柱髖臼骨折（伴垂直不穩(wěn)定骨盆）進行三維重建，通過計算機輔助規(guī)劃工具——TraumaCAD全面了解損傷本質(zhì)，在此基礎(chǔ)上制定正確的術(shù)前方案。我們借助計算機輔助三維重建技術(shù)建立骨盆、骨折塊和股骨近端的三維解剖模型，通過關(guān)節(jié)解體方法將股骨頭去除，只保留髖臼，避免了股骨頭的遮擋，更清晰地顯示關(guān)節(jié)內(nèi)骨碎片以及骨折方向和移位程度；同時在計算機上可從髖臼骨折的任意方位、任意角度觀察骨折的位置和移位情況，為髖臼骨折，尤其是復雜髖臼骨折的準確分型提供可靠的依據(jù)，從而幫助醫(yī)師對髖臼的解剖結(jié)構(gòu)、病理損傷機制及損傷后改變有全面的理解和認識，為制定髖臼骨折的治療方案提供參考。

3.2 計算機輔助技術(shù)在髖臼骨折手術(shù)模擬的應用價值

憑借計算機輔助技術(shù)，可以對髖臼骨折塊模型進行分析和測量，并以健側(cè)骨盆的鏡像體模型作為骨折復位的標準，模擬骨折塊的復位方法和順序，以及鋼板內(nèi)固定、螺釘置入等操作，選擇合適長度的鋼板和螺釘，為手術(shù)入路的選擇以及手術(shù)方法的確定提供直觀充分的依據(jù)。

Citak等[10]對比研究基于三維虛擬復位手術(shù)與基于傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)的兩種手術(shù)規(guī)劃對髖臼骨折手術(shù)復位時間和復位準確性方面的影響，結(jié)果顯示，虛擬手術(shù)能潛在提高術(shù)者在真正實施手術(shù)時的復位準確率，縮短復位時間。丁煥文等[11]將計算機輔助技術(shù)應用于特殊疑難骨折、關(guān)節(jié)內(nèi)骨折、陳舊性骨折的分析、模擬復位和固定手術(shù)過程，并制作手術(shù)輔助模板引導骨折的復位和固定，取得滿意的臨床效果。本研究基于骨盆、骨折塊的三維重建模型，模擬髖臼骨折復位及內(nèi)固定過程，直觀掌握骨折需要復位的程度，明確置入物的選擇以及內(nèi)固定的位置，并了解實際手術(shù)中可能遇到的問題，在術(shù)中完全按照事先模擬的手術(shù)過程進行操作，13例手術(shù)均順利完成，髖臼骨折手術(shù)的精確性和安全性大大提高。

3.3 快速成型技術(shù)在髖臼骨折外科治療中的作用

國外學者Deshmukh等[12]運用快速成型技術(shù)進行復雜髖臼骨折的術(shù)前規(guī)劃與模擬，認為骨折塊模型可以幫助確定手術(shù)方案，模擬手術(shù)過程并節(jié)省手術(shù)時間；Hurson等[13]將快速成型（選擇性激光燒結(jié)）技術(shù)用于20例髖臼骨折手術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實物大小的髖臼骨折模型對外科醫(yī)師正確理解復雜骨折的性質(zhì)有很大幫助，同時還可有效降低觀察者(尤其是經(jīng)驗欠缺者)在骨折分類方面判定差異的程度，價格也相對低廉。

國內(nèi)涂強等[9]將計算機輔助設(shè)計-快速成型技術(shù)應用于6例復雜骨盆骨折的診斷和治療，認為該技術(shù)能夠全面、直觀、精確地顯示骨盆的立體形態(tài)和各部位解剖結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系；胡學峰等[14]對31例骨盆及髖臼骨折進行CT影像掃描和三維重建，并于術(shù)前制作出與實體1∶1大小的骨盆模型，用以指導對患者的手術(shù)治療，結(jié)果證實，利用快速成型技術(shù)制作的骨折模型仿真性好，具有很強的臨床指導作用。

本組研究中，術(shù)者可以在RP模型上按照計算機輔助模擬確定的手術(shù)方案，實施髖臼骨折復位和內(nèi)固定的實物模擬操作，驗證計算機輔助模擬手術(shù)方案的準確性和有效性；并對預先確定的鋼板進行預彎、塑形，明確合適的內(nèi)固定置入位置，并確定螺釘?shù)臄Q入方向；同時，骨盆的RP實物模型可在手術(shù)實施過程中對髖臼骨折的定位、復位和固定提供額外的導向作用，減少了軟組織損傷及出血，縮短了手術(shù)時間，術(shù)后隨訪X線片顯示預制鈦板固定牢靠，手術(shù)效果滿意。Murphy等[15]認為骨折的不良復位（移位＞3 mm）將直接影響治療的結(jié)果。本組13例均獲得滿意復位，優(yōu)良率達84.6%，可見數(shù)字骨科技術(shù)對提高髖臼骨折患者的解剖復位率、減少手術(shù)創(chuàng)傷、縮短手術(shù)時間及降低術(shù)后并發(fā)癥等方面具有非常重要的指導意義。但在目前條件下，數(shù)字骨科技術(shù)需要骨科醫(yī)生具有豐富的臨床經(jīng)驗，深刻理解局部解剖結(jié)構(gòu)，還要熟練掌握Mimics、CAD等數(shù)字骨科軟件操作技巧，這在一定程度上限制了其在臨床上的廣泛應用。

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The application of digital orthopedic techniques in acetabulum fracture treatment

Lv Houzhong,HUANG Haiyang,ZHANG Jianchun,CHEN Jupeng.Department of Orthopaedics,Pengpai Remembrance Hospital of Haifeng county,Shanwei,Guangdong 510010,China.

ObjectiveTo evaluate the application and therapeutic effect of digital orthopedic techniques in the treatment of acetabulum fracture.MethodsThirteen patients with acetabulum fractures were treated surgically from January 2009 to January 2011.Data of lamellar CT scanning were imported into Mimics software,and 3D anatomical models of pelvic and proximal femur were reconstructed.Computer-assisted analysis were carried out to understand the condition of fractures and degrees of dislocation,to choose appropriate operative approaches, reduction methods,sequence as well as fixation,and to simulate reduction and fixation procedures on the computer.Plates were pre-bended based on the entity models made by rapid prototyping.Operations for acetabulum fractures were performed according to sugical planning based on computer-aided simulation.ResultsAll patients were followed up from 6 to 18 months,with the average of 11.8 months.According to Matta imaging score,anatomical reduction achieved in 10 cases and satisfying reduction in 3 cases.According to Harris score,there were 9 cases of excellent,2 cases of good and 2 cases of fair.Femur head necrosis was found in 2 cases after one year's follow-up,and traumatic arthritis occurred in 2 cases.ConclusionWith the help of digital orthopedic techniques of 3D computer reconstruction,computer assisted analysis and computer simulation of reduction and fixation,we can promote the accuracy and safety in the acetabulum fracture treatment.

Hip fractues;Acetabulum;Fracture fixation,internal;Computer aided design;Rapid prototyping; Orthopedics

R323.4，R687.32

A

1674-666X(2011)03-0193-06

2011-08-13；

2011-09-03）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2011.03.007

516400汕尾，海豐縣彭湃紀念醫(yī)院骨外科

E-mail：happyking1978@21cn.com