數(shù)字技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用臨床數(shù)字骨科（一）

章 瑩，尹慶水，萬 磊，王新宇

近年來，數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展為骨科疾病的臨床診療和基礎(chǔ)研究提供新的手段，其與傳統(tǒng)骨科互相融合、互相促進(jìn)、互相影響，逐漸形成具有時(shí)代特征的現(xiàn)代數(shù)字骨科。目前應(yīng)用于骨科的數(shù)字技術(shù)主要包括醫(yī)學(xué)影像處理與三維建模技術(shù)、三維虛擬仿真與可視化技術(shù)、臨床計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造（computer assisted design/computer assisted manufacturing，CAD/CAM）技術(shù)、有限元技術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航與機(jī)器人輔助技術(shù)、人體骨肌系統(tǒng)力學(xué)仿真技術(shù)等[1-2]。作為骨科的一大分支，創(chuàng)傷骨科具有與脊柱外科、關(guān)節(jié)外科等專業(yè)不同的特點(diǎn)，數(shù)字技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用也日趨廣泛?，F(xiàn)將創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域運(yùn)用的主要數(shù)字技術(shù)介紹如下。

1 術(shù)前骨折的影像處理和三維建模技術(shù)

該技術(shù)即是在骨折手術(shù)前通過Mimics等三維操控軟件系統(tǒng)，利用患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中建立相應(yīng)的骨關(guān)節(jié)三維模型。

在骨折的傳統(tǒng)診療過程中，手術(shù)復(fù)位及固定的參考標(biāo)準(zhǔn)主要包括術(shù)前X線片、CT掃描圖像以及術(shù)中透視結(jié)果等。但對(duì)于復(fù)雜粉碎性骨折而言，建立骨關(guān)節(jié)CT三維重建模型可以使術(shù)者在術(shù)前即對(duì)骨折、特別是復(fù)雜骨折形成一個(gè)立體概念；掌握骨折的全面和細(xì)節(jié)情況，并在此基礎(chǔ)上作出準(zhǔn)確判斷；為骨折治療方案的選擇提供清晰可靠的依據(jù)，從而使術(shù)者在進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)更大限度地提高復(fù)位和固定效果，保護(hù)骨折部位的血運(yùn)，改善手術(shù)效果；同時(shí)還便于患者及其家屬對(duì)病情的理解，提高宣教效果。具體到各部分骨折，骨盆髖臼骨折的情況往往比較復(fù)雜。對(duì)于嚴(yán)重的不穩(wěn)定性骨盆骨折，正確的診斷分型是確定治療方案的關(guān)鍵[3]。以往通常借助拍攝髂骨斜位及閉孔斜位X線片的檢查方法來判斷臼壁的骨折情況，目前CT掃描已成為首選的檢查方法[4]。采用計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)可以直觀地展示骨盆髖臼骨折的實(shí)際情況，為復(fù)雜骨折的準(zhǔn)確診斷和精確治療提供很好的參考依據(jù)（圖1）。對(duì)肱骨、脛骨等四肢復(fù)雜性骨折而言，CT三維重建模型的建立無疑更為全面和清晰（圖2），更加有助于術(shù)者對(duì)骨折部位解剖結(jié)構(gòu)、骨折位置及骨折類型的準(zhǔn)確理解。

在Mimics軟件中，獨(dú)立的可操控三維實(shí)體即為Object，術(shù)前對(duì)于重要的骨折塊或骨單元均應(yīng)建立Object，以便在模擬手術(shù)中進(jìn)行操作，我們稱之為建立單元（簡(jiǎn)稱建元）。在各部位骨折中，涉及關(guān)節(jié)面的骨折塊是最重要的，只要涉及關(guān)節(jié)面且面積＞0.5 cm2，都應(yīng)單獨(dú)建元。因此，對(duì)骨折的三維重建應(yīng)由熟悉軟件性能的技術(shù)人員執(zhí)行，并注意仔細(xì)觀察，不可遺漏重要的碎小骨塊。具體到股骨髁上骨折及脛骨平臺(tái)骨折，這類骨折多由高能量損傷所致，往往有多塊涉及關(guān)節(jié)面的骨折塊，常同時(shí)伴有關(guān)節(jié)面的塌陷，治療目的主要是恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能[5-7]。在進(jìn)行三維重建時(shí)，對(duì)以上相關(guān)的骨折塊應(yīng)注意單獨(dú)建元分析，特別是塌陷的關(guān)節(jié)面部分應(yīng)盡量單獨(dú)建元，以便在CAD時(shí)可以進(jìn)行撬拔復(fù)位模擬。對(duì)于后踝骨折，長(zhǎng)期以來有觀念認(rèn)為，如果負(fù)重面＜25%，則骨折對(duì)脛距關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性影響甚微，可以不予手術(shù)復(fù)位固定[8]。近年來有學(xué)者經(jīng)過長(zhǎng)期隨訪研究，認(rèn)為當(dāng)骨折塊關(guān)節(jié)面≥脛骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面的10%時(shí)，需行切開復(fù)位固定，否則將改變關(guān)節(jié)內(nèi)原有的接觸應(yīng)力，增加創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率[9-10]。因此在進(jìn)行三維重建時(shí)，對(duì)于明確的后踝骨折均應(yīng)予以建元（圖3）。此外，踝關(guān)節(jié)骨折常合并下脛腓關(guān)節(jié)損傷[11]，對(duì)分離明顯需手術(shù)固定者，脛腓骨遠(yuǎn)端需分別建元。跟骨形狀不規(guī)則，且主要由松質(zhì)骨組成，該部位骨折常形成數(shù)量眾多的小碎骨塊，并伴松質(zhì)骨壓縮，三維重建難度較高（圖4）。而在跟骨三維重建時(shí)同時(shí)掃描對(duì)側(cè)跟骨，以對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)作為鏡像參考[12-14]（圖5），可有助于上述問題的解決。

圖1 骨盆骨折三維重建效果

圖2 肱骨近端骨折三維重建效果

圖3 踝關(guān)節(jié)骨折三維重建效果

圖4 跟骨骨折三維重建

圖5 雙側(cè)跟骨三維重建效果

2 術(shù)前計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)技術(shù)

術(shù)前骨折三維模型建立后，軟件允許我們?cè)诮⒌哪Ｐ蜕线M(jìn)行模擬測(cè)量、復(fù)位、固定等操作。在進(jìn)行CAD手術(shù)模擬時(shí)，應(yīng)按照預(yù)定的手術(shù)入路，將三維模型旋轉(zhuǎn)至適當(dāng)?shù)慕嵌?，然后在建立的骨折模型上進(jìn)行虛擬復(fù)位操作。受顯露條件的限制，術(shù)中骨折復(fù)位可能比模擬情況困難（特別是髖臼和骶骨骨折），這一點(diǎn)在手術(shù)模擬時(shí)應(yīng)予以考慮。此外，還應(yīng)考慮切口方向、軟組織阻擋以及神經(jīng)血管保護(hù)等問題。例如在肱骨近端骨折，由于肱骨頭血運(yùn)主要來自旋肱前動(dòng)脈的前外側(cè)支[15]，因此模擬手術(shù)操作應(yīng)盡量選在前外側(cè)，以盡量減少實(shí)際手術(shù)后肱骨頭缺血壞死的風(fēng)險(xiǎn)。肘關(guān)節(jié)骨折的手術(shù)入路常取后側(cè)或外側(cè)切口，應(yīng)注意橈神經(jīng)的走行情況并予以保護(hù)。股骨髁上骨折可進(jìn)行復(fù)位、固定等模擬手術(shù)，粉碎性股骨髁上骨折如伴有短縮及成角畸形，可同時(shí)進(jìn)行模擬糾正。脛骨平臺(tái)塌陷在此時(shí)亦可實(shí)施撬拔復(fù)位并植骨的模擬手術(shù)（圖6），并可預(yù)計(jì)植骨量和固定范圍。跟骨骨折則可進(jìn)行模擬撬撥復(fù)位塌陷松質(zhì)骨，恢復(fù)B?hler角，保持距下關(guān)節(jié)的平整，矯正跟骨長(zhǎng)度、寬度和高度等手術(shù)過程[16]?？紤]塌陷較大、有植骨可能時(shí)，可同時(shí)計(jì)算植骨量。另有研究表明，跟骨內(nèi)側(cè)的載距突在幾乎所有跟骨骨折中都沒有移位[17]，而外側(cè)入路可以較清楚地顯示距下關(guān)節(jié)及跟骰關(guān)節(jié)，也更有利于復(fù)位[18]，因此外側(cè)入路是跟骨折手術(shù)模擬時(shí)經(jīng)常選擇的手術(shù)入路（圖7）。

圖6 脛骨平臺(tái)骨折模擬復(fù)位三維效果

3 人體骨骼快速成型（rapid prototyping，RP）技術(shù)

RP技術(shù)是國(guó)外20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱。在骨科學(xué)領(lǐng)域，其與逆向工程技術(shù)、人體骨骼解剖學(xué)相結(jié)合，基于離散-堆積成型原理，在計(jì)算機(jī)控制下生成實(shí)物的三維CAD模型，用于指導(dǎo)手術(shù)和模擬手術(shù)。具體步驟是：將骨折部位的CT掃描數(shù)據(jù)經(jīng)軟件轉(zhuǎn)換格式后直接輸入RP機(jī)，即可生成手術(shù)部位骨骼的實(shí)體三維模型。

該技術(shù)有助于術(shù)者在術(shù)前更加形象地認(rèn)識(shí)患者骨骼結(jié)構(gòu)的空間特征，準(zhǔn)確診斷復(fù)雜性骨折，預(yù)先確定植入物的各類型號(hào)，明確手術(shù)方案設(shè)計(jì)以及評(píng)價(jià)術(shù)后生物力學(xué)穩(wěn)定性等；也有助于在術(shù)中進(jìn)行實(shí)體比對(duì)，提供實(shí)時(shí)參考。在肱骨近端骨折中，螺釘需要深達(dá)軟骨下骨時(shí)方可獲得最大穩(wěn)定性[19]，我們可在模擬過程及RP模型上進(jìn)行實(shí)物測(cè)量，了解肱骨頭的徑向尺寸大小，從而在實(shí)際手術(shù)時(shí)選擇理想長(zhǎng)度的螺釘。在肘部和腕部骨折中，通過測(cè)量骨折塊的實(shí)際大小，可以預(yù)計(jì)固定效果并制定最佳的固定方案。在復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)中，精確的實(shí)體模型不僅直觀展示骨折部位的實(shí)際情況，還可結(jié)合DSA數(shù)據(jù)來顯示髂血管的位置及其與骨折部位的關(guān)系，為進(jìn)一步增強(qiáng)手術(shù)安全性提供重要的依據(jù)。對(duì)于復(fù)雜的股骨髁上、脛骨平臺(tái)及踝關(guān)節(jié)骨折，利用RP技術(shù)制作實(shí)體模型（圖8），還可以了解關(guān)節(jié)面破壞的直觀情況，對(duì)手術(shù)入路及切口長(zhǎng)度的選擇、術(shù)中風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估及手術(shù)效果的預(yù)后提供參考。跟骨形狀不規(guī)則，術(shù)中進(jìn)行內(nèi)固定物的選擇和塑形將導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間的延長(zhǎng)，而傳統(tǒng)C型臂X線機(jī)引導(dǎo)下的內(nèi)固定物置入其不合理安置率可高達(dá)39%[20]。在實(shí)體模型上進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量及內(nèi)固定物的模擬塑形，不僅可以明顯縮短手術(shù)時(shí)間，而且還能大大提高內(nèi)固定物的貼合率，在實(shí)踐中取得良好效果。此外，通過實(shí)體模型還可更加明確地了解跟骨關(guān)節(jié)面的破壞程度及跟骨塌陷程度，從而決定手術(shù)入路、復(fù)位手法、固定方案及植骨選擇等。

4 計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）技術(shù)

CAM技術(shù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的CAD結(jié)果生成CAM數(shù)控加工指令，利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行個(gè)性化假體制造的技術(shù)。目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于骨科器械的研發(fā)和設(shè)計(jì)過程中，尤其是個(gè)體化手術(shù)模板及內(nèi)固定器材的制作、手術(shù)鋼板的設(shè)計(jì)改良及手術(shù)方法改進(jìn)等。例如，廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院成功開展的股骨頸骨折置釘模板（圖9），就是通過CAM技術(shù)制作手術(shù)模板，消毒后將其直接用于手術(shù)操作（圖10），臨床效果顯著。在假體工程方面，目前可通過技術(shù)含量更高的RP機(jī)床及質(zhì)量更好、精度更高的模型打印將植入材料（人工骨、金屬植入體等）直接三維成型，從而展開實(shí)物模擬手術(shù)以及精確假體植入、植骨以及內(nèi)固定等手術(shù)操作。此外，CAM技術(shù)還常用于仿生制造與假體工程，通過RP技術(shù)制作人工骨骼，微孔的數(shù)量、大小、分布及形狀均可人工控制。這種人工骨骼不僅與被代替的骨骼在形狀上基本保持一致，而且還具有極好的生物相容性和生物可降解性，在體內(nèi)可逐步被再生骨骼組織所替代。

圖7 跟骨骨折模擬復(fù)位效果

圖8 踝關(guān)節(jié)骨折RP模型

圖9 股骨頸骨折置釘模板

圖10 術(shù)中應(yīng)用股骨頸骨折置釘模板打入導(dǎo)針

5 生物力學(xué)計(jì)算——有限元技術(shù)

有限元技術(shù)指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，把復(fù)雜、不規(guī)則的力學(xué)分析對(duì)象離散化，形成有限個(gè)幾何單元體，進(jìn)行分解計(jì)算的一種生物力學(xué)分析方法。在創(chuàng)傷骨科，可以對(duì)任意正常或損傷的骨骼或神經(jīng)血管、肌腱等軟組織利用CT、MR掃描圖像在軟件中建模、劃分網(wǎng)格并賦值，通過模擬不同的力學(xué)狀態(tài)計(jì)算測(cè)量其應(yīng)力、應(yīng)變或位移變化趨勢(shì)（圖11～14），從而分析受傷機(jī)制，比較各種手術(shù)方式、內(nèi)固定器械的穩(wěn)定性，為臨床創(chuàng)傷的治療提供生物力學(xué)基礎(chǔ)和理論依據(jù)[21-22]。為骨折的規(guī)范化分型、治療提供強(qiáng)有力的保障。

6 計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航（computer assisted navigation system，CANs）技術(shù)

CANs是指利用空間定位技術(shù)確定手術(shù)部位的組織結(jié)構(gòu)坐標(biāo)，并精確跟蹤手術(shù)器械位置變化的計(jì)算機(jī)手術(shù)輔助系統(tǒng)（圖15）。該技術(shù)通過屏幕在術(shù)中實(shí)時(shí)顯示手術(shù)器械的位置以及與患者解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而避開重要的解剖結(jié)構(gòu)，確保手術(shù)的安全；它還可以模擬手術(shù)器械的前進(jìn)和后退，測(cè)量植入物的角度、長(zhǎng)度及直徑等。目前CANs已成功用于骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入、髓內(nèi)釘置入等創(chuàng)傷骨科手術(shù)[23-25]，不僅可以進(jìn)行精確定位和準(zhǔn)確引導(dǎo)，還幫助術(shù)者經(jīng)過小切口將手術(shù)器械送入人體，進(jìn)行微創(chuàng)診斷或治療，手術(shù)變得更加快捷、安全、可靠，減輕了病人的痛苦，降低了手術(shù)的難度。

7 機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)

醫(yī)生通過操縱計(jì)算機(jī)，使醫(yī)用機(jī)械臂在影像/光學(xué)設(shè)備監(jiān)測(cè)下進(jìn)行微細(xì)手術(shù)，這就是機(jī)器人輔助手術(shù)（圖16）。術(shù)者進(jìn)行手術(shù)時(shí)手眼間協(xié)調(diào)性和觸覺的差異、手的不自主震顫等會(huì)影響手術(shù)的精度，手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可以很好地克服上述問題。目前醫(yī)用手術(shù)導(dǎo)航機(jī)械臂已成功應(yīng)用于關(guān)節(jié)腔鏡閉合髓內(nèi)釘置入、經(jīng)皮骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入、髖螺釘置入等創(chuàng)傷骨科手術(shù)[26-27]，具有手術(shù)操作可視化、手術(shù)視野廣泛以及能在虛擬環(huán)境下模擬手術(shù)并制定手術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)，極大提高了手術(shù)的精確性和安全性。

圖11 正常骨盆有限元模型

圖12 骶髂關(guān)節(jié)前路鋼板固定所有鋼板和螺釘?shù)挠邢拊Ｐ?/p>

圖13 正常骨盆施加500 N垂直載荷后位移分布

圖14一側(cè)骶髂關(guān)節(jié)脫位行前路鋼板固定后的位移分布

8 典型病例

8.1 典型病例1：脛骨平臺(tái)粉碎性骨折

中年男性患者，術(shù)前X線片示左側(cè)脛骨平臺(tái)粉碎性骨折（圖17A），為高能量損傷所致骨折，骨折粉碎及移位程度嚴(yán)重，手術(shù)難度較大。入院后即對(duì)患者進(jìn)行左膝關(guān)節(jié)CT掃描，將掃描數(shù)據(jù)刻錄光盤后以Mimics軟件讀取并進(jìn)行三維重建（初始三維重建效果如圖17B所示）。在三維重建模型中可以看到，此例脛骨平臺(tái)骨折有3個(gè)主要骨折塊，分別為脛骨內(nèi)髁前部、內(nèi)髁后部及外髁。內(nèi)側(cè)塌陷比較明顯，關(guān)節(jié)面多處破壞。為達(dá)到虛擬復(fù)位應(yīng)力學(xué)分析的目的，我們對(duì)脛骨平臺(tái)部位主要骨折塊分別進(jìn)行建元分析（圖17C）。對(duì)各骨折塊及實(shí)體骨結(jié)構(gòu)建元后進(jìn)一步行虛擬復(fù)位操作，模擬內(nèi)外側(cè)雙切口分別復(fù)位內(nèi)外髁骨折塊（圖17D）。虛擬復(fù)位過程證實(shí)，可以通過內(nèi)外側(cè)雙切口達(dá)到主要骨折塊的復(fù)位，并從兩側(cè)分別以脛骨近端解剖形狀鋼板進(jìn)行固定。具體操作過程：先作外側(cè)切口，將外髁骨折塊復(fù)位并固定后，再作內(nèi)側(cè)切口復(fù)位內(nèi)髁骨塊，將其撬起復(fù)位即可，無需植骨，復(fù)位后能恢復(fù)關(guān)節(jié)面的相對(duì)平整。同時(shí)對(duì)復(fù)位后脛骨平臺(tái)的寬度及前后徑進(jìn)行測(cè)量并記錄，以備術(shù)后為使用鏍釘長(zhǎng)度的確定提供參考（圖17D）。虛擬復(fù)位完成后，將骨折數(shù)據(jù)輸入RP機(jī)，制作實(shí)體RP模型（圖17E）。術(shù)前將實(shí)體模型隨手術(shù)器械一同進(jìn)行高溫高壓消毒，在手術(shù)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)體比對(duì)，提供手術(shù)操作參考。手術(shù)過程順利，因術(shù)前對(duì)手術(shù)方案進(jìn)行充分設(shè)計(jì)，對(duì)骨折的形態(tài)和特點(diǎn)有較全面和直觀的認(rèn)識(shí)，手術(shù)時(shí)間大為縮短。術(shù)中基本按照術(shù)前設(shè)計(jì)方案，采用外側(cè)切口固定外髁骨折后再作稍偏后方的內(nèi)側(cè)切口，先復(fù)位前側(cè)的內(nèi)髁骨折塊，后撬撥復(fù)位后方的骨折塊，自前外側(cè)向后內(nèi)側(cè)骨塊打入拉力鏍釘進(jìn)行固定，取得滿意效果（圖17F）。

圖15 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)

圖16 機(jī)械臂與機(jī)器人輔助手術(shù)

圖17 左側(cè)脛骨平臺(tái)粉碎性骨折圖片

圖17 E制作RP模型

圖18 右側(cè)踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)前后圖片

8.2 典型病例2：踝關(guān)節(jié)骨折

中年女性患者，術(shù)前右踝關(guān)節(jié)X線片示右三踝粉碎性骨折（圖18A），骨折情況復(fù)雜，移位嚴(yán)重，手術(shù)復(fù)位難度較大。入院后行右踝關(guān)節(jié)CT掃描（圖18B），將掃描數(shù)據(jù)刻入光盤，以Mimics軟件讀取，進(jìn)行右踝關(guān)節(jié)骨折三維重建并制作實(shí)體RP模型（圖18C～18D），指導(dǎo)手術(shù)復(fù)位。三維重建模型顯示外踝粉碎性骨折，有3個(gè)主要骨折塊，內(nèi)踝骨折向外側(cè)移位并涉及脛骨遠(yuǎn)端；后踝主要有2個(gè)骨折塊，同時(shí)存在縱行劈裂（圖18C）。根據(jù)骨折類型，術(shù)前決定先行外踝骨折復(fù)位固定，蝶形骨折塊用拉力螺釘自前向后固定，內(nèi)側(cè)選用合適苜蓿葉鋼板固定脛骨遠(yuǎn)端及內(nèi)踝，內(nèi)踝尖端可用拉力螺釘加強(qiáng)固定效果，后踝骨折塊復(fù)位后可用拉力螺釘自前向后擰入固定。在RP模型上預(yù)置選用鋼板，使其貼附良好（圖18E）。術(shù)中按計(jì)劃進(jìn)行復(fù)位及固定，術(shù)程順利，骨折復(fù)位固定滿意。術(shù)后第3天復(fù)查X線片，示內(nèi)固定位置良好，骨折對(duì)位對(duì)線好，效果滿意（圖18F）。

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