數(shù)字骨科學在脛骨平臺骨折的應用

張瑩瑩，田京

(1.南方醫(yī)科大學第二臨床醫(yī)學院，廣東 廣州 510282；2.南方醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院珠江醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510282)

數(shù)字骨科學在脛骨平臺骨折的應用

張瑩瑩1，田京2

(1.南方醫(yī)科大學第二臨床醫(yī)學院，廣東 廣州 510282；2.南方醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院珠江醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510282)

脛骨平臺骨折屬關節(jié)內骨折，多由間接暴力或直接暴力引起，占所有骨折的1.3%[1]，占老年人群骨折的8%[2]，是膝關節(jié)創(chuàng)傷中常見的骨折之一。脛骨平臺骨折常伴有嚴重的膝關節(jié)韌帶，半月板等軟組織損傷等[3]，臨床表現(xiàn)復雜多變，其復雜的類型變化給治療帶來很大的難度。有研究表明術后10年需要全膝關節(jié)置換的患者大約有7.3%[4]，因此正確的術前診斷及明確的骨折分型，對于手術計劃的制訂和治療有著至關重要的作用。傳統(tǒng)的脛骨平臺骨折診斷多是借助X線片、CT掃描等完成的。但由于骨折組織是三維立體的，X線和CT掃描常由于二維局限性不能對骨折結構做出全面判斷。

裴國獻等[5]在2007年提出數(shù)字骨科學，其定義為計算機技術和臨床骨科緊密聯(lián)系的一種新型數(shù)字化醫(yī)療技術。目前應用于骨科的數(shù)字技術主要包括醫(yī)學影像處理與三維建模技術、三維虛擬仿真與可視化技術、臨床計算機輔助設計(computer assisted design，CAD)、計算機輔助制造(computer assisted manufacturing，CAM)技術、有限元技術、手術導航與機器人輔助技術、人體骨肌系統(tǒng)力學仿真技術等[6]。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)字骨科將數(shù)字化新技術與骨科應用緊密結合，具有顯著的臨床實用性而有別于其他醫(yī)學計算機虛擬技術[7]。

數(shù)字骨科學近十年的迅速發(fā)展，為脛骨平臺骨折帶來新的診治手段?，F(xiàn)就脛骨平臺骨折中數(shù)字骨科學的應用展開綜述。

1 傳統(tǒng)診斷

X線片和CT掃描是臨床上診斷脛骨平臺骨折使用最多的技術。X線片使用快捷、簡單，因此是門診上最常見的初篩手段。對于大部分結構簡單的部位骨折，X線片可以明確顯示前后位的不同。但是X線發(fā)生偽影的概率較高，且影像相互重疊不能很準確地顯示關節(jié)面的情況，難以對骨折的特征進行全面地診斷分析，對有些移位不明顯的劈裂骨折和局限于平臺邊緣的小塊塌陷骨折容易漏診。此外單憑X線不能準確判斷脛骨平臺骨折平臺塌陷的部位、程度以及關節(jié)劈裂移位的程度。與X線片相比，CT掃描在評價粉碎骨折以及壓縮骨折上優(yōu)勢較高。但是常規(guī)X線片及普通橫斷面CT掃描通常不能顯示微小的骨折和骨折部位，類型，骨折塊的移位，關節(jié)面的塌陷等情況。而且CT掃描和X線片都只能反應骨折組織的二維結構，不能完全反映骨折組織的結構。因此多與其他技術結合使用。研究表明結合CT和核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)結合可提高分型的準確率[8]，MRI可檢查骨折部分的軟組織損傷，可增加醫(yī)師之間對于骨折分型的一致率[9]。Xu等[10]對71 例復雜脛骨平臺骨折患者同時運用X線，多排螺旋CT(Multi Slice Spiral CT，MDCT)和MRI診斷，結果證明MDCT和MRI診斷隱匿性損傷比X線具有更高的敏感性。

2 數(shù)字骨科技術

2.1 CT三維重建 CT三維重建是指依據(jù)MDCT掃描所得影像在計算機軟件的處理后建立的組織三維立體圖像。依據(jù)MDCT三維重建技術，可以立體看到骨折表面的結構[11]。而多排MDCT和容積重組技術能多角度充分顯示脛骨平臺骨折的詳細情況和細微結構[3]，能全面、準確反應脛骨平臺骨折的類型、骨塊移位的方向和平臺塌陷的程度，為復雜的脛骨平臺骨折的準確診斷和精確治療提供了很好的依據(jù)。

同時，隨著CT三維重建技術的成熟，給脛骨平臺骨折的分型也帶來了影響。

基于三維成像技術建立了三柱分型[12]將脛骨平臺骨折分為零柱骨折、內側柱骨折、外側柱骨折、后側柱骨折、雙柱骨折、三柱骨折。這補充了原有的Shatzker分型[13]，尤其是在復雜的脛骨平臺后側粉碎性骨折方面，對于后柱病例的手術入路和鋼板的選擇方面能提供更準確的依據(jù)。Doornberg等[14]人運用統(tǒng)計學討論了2D和3D技術對脛骨平臺骨折分類的影響，證明3D成像可增加醫(yī)師之間對于骨折類型判斷的統(tǒng)一度。Yang等[15]人用CT給525 例后側脛骨平臺骨折的患者進行三柱分型，實驗證明依靠CT進行的三柱分型可以更好的診斷不常見的后側脛骨平臺骨折，使放射科醫(yī)生和骨科醫(yī)生能較全面地了解骨折程度范圍以及分型，為臨床制定治療方案提供了科學全面的依據(jù)。

2.2 計算機模擬手術 計算機模擬手術是將CT以及MRI掃描數(shù)據(jù)輸進Mimics等模擬軟件進行骨折的三維重建，在電腦上進行模擬手術以及練習，實現(xiàn)人機互動，提前發(fā)現(xiàn)術中可能出現(xiàn)的問題，有助于脛骨平臺骨折修復的全面的術前評估和規(guī)劃。且模擬手術可以使骨科醫(yī)生與參與手術的每一個醫(yī)生共享手術方案并參與討論，對手術結果進行預測，從而為患者制定最合適的手術方案。陳羽等[16]對300名患者進行了計算機模擬手術，將CT掃描斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式導出，輸入Mimics 13.0軟件進行三維重建，并對其進行三柱分型。術者依據(jù)測量數(shù)據(jù)，對復雜脛骨平臺骨折進行虛擬手術，其中包括復位移位的骨塊，估算植骨量，設計植骨模型，并進行虛擬植骨；設計手術方案，包括修復入路、體位及鋼板植入數(shù)量等。依據(jù)模擬手術的數(shù)據(jù)為患者制訂了最合適的手術方案。模擬手術中，記錄骨折塊的移動和翻轉數(shù)據(jù)有助于手術修復過程中的精準復位。對于塌陷性骨折，小切口聯(lián)合植骨治療可預防修復帶來的骨量丟失[17]，模擬開窗橇撥復位塌陷的骨塊、設計植骨模型，完成術前評估和規(guī)劃，使醫(yī)師對開窗部位和修復過程有了的精準把握。章瑩等[18]應用計算機-快速成型技術治療脛骨平臺骨折73 例患者，術前采取CT三維重建和計算機模擬，快速成型與個體化標本預手術處理。由于模擬手術能夠為臨床操作提供準確的數(shù)據(jù)和豐富的信息，結果與常規(guī)手術組相比出血量少，手術時間短，有助于術前個體化手術方案的設計，提高了脛骨平臺骨折手術的效率和精確度，減少并發(fā)癥，降低了風險。Suero等[19]人利用VoXim軟件對五種脛骨平臺骨折進行了三維重建并且給每個骨塊標識不同的顏色，從而清晰而又立體的看到不同骨折各個層面的面貌。但是作者也提出術前進行三維成像所需的時間較長等問題。實驗中五個患者按照AO分型被分為A，B，C三型，重建所需的時間平均為174.8 min，96.5 min和227 min。重建花費時間較長，給臨床應用帶來困難。但是有研究表明利用Mimics軟件可以輕松的將CT資料導入計算機，其人性化的工具可以讓非專業(yè)人員在30 min內建立出三維模型并輕松的實現(xiàn)虛擬手術。因此有學者認為可以將三維重建及虛擬手術技術作為復雜脛骨平臺骨折術前規(guī)劃的常規(guī)項[16]。

2.3 人體骨骼快速成形技術和計算機輔助設計制造技術 快速成形技術(rapid prototyping，RP)于20世紀80年代開始發(fā)展[20]，是由CAD模型驅動制造任意復雜形狀三維物理實體技術的總稱。人體骨骼快速成型技術是將骨折CT掃描數(shù)據(jù)經(jīng)軟件轉換格式后，輸入RP機即可生成三維實體模型。在脛骨平臺骨折方面，主要用于制造骨折模型，個性化植骨以及鋼板的設計制造。在復雜脛骨平臺骨折的治療中起到了重要的作用。通過RP技術生產復雜結構的物理模型可以用來協(xié)助診斷，手術規(guī)劃，假體設計以及和患者溝通[21]。Bagaria等[22]就RP在髖臼、股骨內側髁，跟骨的復雜骨折案例報道，將CT和MRI掃描得到的信息輸進RP系統(tǒng)，在CAM技術指導下合成相應假體，可使術者明確骨折線的長度方向以及碎裂的小骨塊等骨折狀況，對骨折特點有更加形象直觀的認識，可以減少手術時間、術中出血和麻醉藥用量，從而進一步明確手術方案，而對側骨折的模型可作為理想恢復的參照物[23]。有研究表明根據(jù)力學和核心結構設計的快速成型的組織對于小關節(jié)表面的重建和修復具有重要意義[24]。

CAM是指根據(jù)計算機產生的CAD結果生成CAM數(shù)據(jù)加工指令，廣泛運用于骨科器械的研發(fā)和設計，尤其是在個性化假肢、個性化模板及內固定器材的制造，手術鋼板的設計等方面。黃凱等[25]對27 例復雜脛骨平臺骨折患者采取數(shù)字化個體定制鋼板內固定治療。由計算機輔助設計的鋼板與普通鋼板相比更加個性化，其與骨的貼合程度更緊密，有利于骨折的恢復。同時，在設計鋼板的時候醫(yī)師也可以根據(jù)不同部位骨折程度的不同，設計不同厚度的鋼板和應用不同數(shù)目螺釘，同時在選擇加壓孔時也可避開骨折線，增加了鋼板使用的靈活性。Hu等[26]在32具尸體上證實了RP技術可提高放置螺釘?shù)陌踩浴?/p>

2.4 有限元技術 有限元技術是指利用電子計算機技術，把復雜、不規(guī)則的力學分析對象離散化，形成有限個、按照一定方式相互連接在一起的幾何單元體，進行分解計算的一種生物力學分析方法。隨著計算機的快速發(fā)展，有限元成為處理復雜問題的有效手段，在骨科方面主要用來分析骨的結構，骨折的發(fā)生機制以及骨折的固定系統(tǒng)力學。有限元分析的主要步驟是：建立幾何模型，定義材料特性，網(wǎng)格化，設置負荷和約束條件，求解和查看結果。傳統(tǒng)生物力學實驗需要大量的人力物力，并且只反映標本外部力學的變化。而基于三維圖像重建后的有限元分析可以利用虛擬實驗的變化，不僅可以建立逼真的模型而且可以在不同的實驗條件下進行仿真分析，因而廣泛應用于檢測骨折內部的運動損傷機理以及手術治療規(guī)劃，器械的改進和術后評價方面等[27]。有限元技術相比傳統(tǒng)的療效分析，評價有了量化標準，相比之更加的科學，客觀性更強。Harrysson等[28]用有限元技術評價和比較傳統(tǒng)植入物和基于患者個性化設計的植入物，一個植入物表面是傳統(tǒng)的五平面，基于CAD設計的植入物表面是光滑的。研究人員從生物力學的角度分析兩者的不同，驗證后者關節(jié)表面壓力分布更加平均。Malakasi等[2]用電腦合成六種不同骨折以及內外固定材料的幾何圖像后，借助有限元技術比較研究內固定和組合式外固定在治療脛骨平臺骨折的硬度。但是有限元技術模型是建立在正常骨的基礎上，各種條件的設定都是處于理想化的狀態(tài)下，因此結果會產生一定的偏差。并且有限元技術所用的軟件價格昂貴，操作復雜難以短時間內掌握，而且國內缺乏載荷和邊界條件的標準，這些都是有限元技術在臨床骨科應用的障礙。

3 小 結

數(shù)字骨科學的各種技術在脛骨平臺骨折應用方面有很大的潛力。首先，在診斷方面，X線片在急診和骨折初篩方面仍然發(fā)揮著不可或缺的作用，但是其往往不能顯示后側脛骨平臺骨折[29]。單軸CT可以彌補X線片的缺點，可以有效的顯示后側脛骨平臺骨折，但是缺乏對骨折立體直觀的描述。MRI主要在診斷軟組織損傷方面發(fā)揮著作用，但是對于醫(yī)師要求較高。MDCT彌補了二維圖像的不足。因此在臨床診斷時，根據(jù)骨折類型和程度的不同選擇不同的檢測技術是診斷脛骨平臺骨折的關鍵。其次，在計算機軟件的幫助下，我們可以進行術前模擬手術從而提早發(fā)現(xiàn)手術過程中可能出現(xiàn)的問題，有助于制定更好的手術方案。這一點也可以用于手術教學中，可將手術思維可視化，便于教學交流。而在相關軟件的開發(fā)上，在3D成像技術，模擬手術，RP以及有限元分析等方面仍需要投入更大的精力來完善，而廉價，便于操作，快捷則是這類軟件發(fā)展的方向。在RP和CAM的幫助下，個性化的植入體和鋼板將成為未來骨科的發(fā)展趨勢。并且通過有限元技術的應用，我們可以從生物力學的角度去分析評價器材的性能并修正，也可以從力學方面分析術后恢復的程度，但是這方面相應的統(tǒng)一標準仍是空白，需要學者進一步的研究。

數(shù)字骨科學各技術具體臨床應用仍處在發(fā)展初期，并且受到了昂貴的費用以及耗費時間較長等問題的限制，但是我們仍然可以肯定數(shù)字骨科學技術在脛骨平臺骨折以及其他骨科疾病方面不可估量的價值。

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1008-5572(2014)11-1005-04

R683.42

：A

高慶峰(1985- )，男，醫(yī)師，上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院骨科，200233。

2014-06-04

作者簡介：張瑩瑩(1993- )，女，本科在讀，南方醫(yī)科大學第二臨床醫(yī)學院，510282。