數(shù)字化技術(shù)輔助治療復(fù)雜髖臼骨折

胡翰生, 鄧玉剛, 熊傳芝, 顏連啟, 虞堂云, 陶玉平, 盧志華

(1. 江蘇省蘇北人民醫(yī)院 骨科, 江蘇 揚(yáng)州, 225000;2. 新疆維吾爾自治州新源縣人民醫(yī)院 骨科, 新疆 伊犁, 835800)

骨折復(fù)位不良，螺釘誤入髖臼是髖臼骨折內(nèi)固定手術(shù)后預(yù)后不良的常見原因，如何準(zhǔn)確復(fù)位和精確的確定鋼板、螺釘最適合的位置，控制進(jìn)釘?shù)姆较蚴菑?fù)雜髖臼骨折復(fù)位內(nèi)固定術(shù)的難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)[1-3]。數(shù)字化技術(shù)輔助手術(shù)已經(jīng)在椎弓根螺釘植入術(shù)、全膝、全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)等手術(shù)的術(shù)前計(jì)劃和術(shù)中定位中展現(xiàn)了重要作用，受此啟發(fā)，作者通過三維建模軟件進(jìn)行內(nèi)植入物精準(zhǔn)化數(shù)字建模、全數(shù)字環(huán)境模擬復(fù)位、內(nèi)固定手術(shù)，指導(dǎo)術(shù)中骨折復(fù)位、鋼板塑形、鋼板、螺釘?shù)木珳?zhǔn)安放，并于術(shù)后對骨折復(fù)位三維重建再評價(jià)，探索了數(shù)字化技術(shù)在輔助髖臼骨折手術(shù)治療中的途徑和方法。

1 材料和方法

1.1 髖臼骨折的三維建模與模擬復(fù)位

選取髖臼骨折病例18例，男17例，女1例，平均48.6歲，按Letournel分類，前柱骨折3例，后柱骨折2例，后壁骨折4例，后壁加后柱骨折4例，橫行加后柱骨折2例，雙柱骨折3例。合并髖關(guān)節(jié)后脫位7例，中央性脫位2例，坐骨神經(jīng)損傷2例。使用GE公司64螺旋CT，對所有病例進(jìn)行全骨盆薄層掃描，掃描數(shù)據(jù)以DICOM?格式導(dǎo)入至Materialise公司的交互式醫(yī)學(xué)影像處理軟件mimics10.1系統(tǒng)，經(jīng)過閾值分割，區(qū)域增長等操作，分別構(gòu)建包括各骨折塊的髖臼骨折三維模型，通過對骨折塊進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)、平移的功能，對骨折塊進(jìn)行模擬復(fù)位，利用二維和三維圖像檢測復(fù)位結(jié)果。

1.2 骨折內(nèi)固定材料的三維建模與模擬固定

按照骨盆重建鋼板、螺釘?shù)某叽?，在solidwork軟件內(nèi)建立不同長度鋼板及螺釘模型，螺釘模型長度與術(shù)中一致按2 mm遞增，不同長度的螺釘用不同顏色標(biāo)記，以便術(shù)中參考時(shí)能快速辨認(rèn)，在復(fù)位后的髖臼骨折三維模型上，用mimics三維測量功能測量擬安放鋼板的長度、弧度、折彎頂點(diǎn)，并據(jù)此用solidwork軟件對相應(yīng)長度的鋼板進(jìn)行折彎。將螺釘、鋼板以stl格式導(dǎo)入mimics軟件中進(jìn)行模擬內(nèi)固定，根據(jù)三維圖像和透視圖確定鋼板、鋼釘?shù)奈恢谩㈤L度和角度，測量鋼板距離骨性解剖標(biāo)志的距離、不同釘孔螺釘?shù)拈L度和安全角度。術(shù)中根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)折彎鋼板，按預(yù)定距骨性解剖標(biāo)志的距離放置鋼板，按釘孔位置置入術(shù)前設(shè)計(jì)的對應(yīng)長度、角度的螺釘。

1.3 術(shù)后內(nèi)固定效果、骨折復(fù)位、髖關(guān)節(jié)功能的評價(jià)

按預(yù)定方案完成手術(shù)后復(fù)查X片，骨折線復(fù)雜者，鋼板螺釘較多且與髖臼位置關(guān)系復(fù)雜、X片難以觀察者術(shù)后復(fù)查CT三維重建，并導(dǎo)入mimics中，去股骨頭處理評估患者術(shù)后髖臼骨折復(fù)位情況、作三維透視圖評價(jià)鋼板螺釘與髖臼三維空間位置關(guān)系，并與術(shù)前設(shè)計(jì)的鋼板、螺釘位置進(jìn)行比較，以評價(jià)數(shù)字模擬手術(shù)的準(zhǔn)確性。骨折復(fù)位情況按Matta標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判，骨折愈合后髖關(guān)節(jié)功能按改良Merle d′Aubigné and Postel評分標(biāo)準(zhǔn)評定。

2 結(jié) 果

患者均在術(shù)后1周內(nèi)復(fù)查X線片及CT，以Matta標(biāo)準(zhǔn)評定髖臼骨折復(fù)位情況，解剖復(fù)位10例，復(fù)位良好6例，復(fù)位可2例，所有患者獲得隨訪6～25個(gè)月，平均12.3個(gè)月，髖關(guān)節(jié)功能按改良Merle d’Aubigné and Postel評分標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)12例，良4例，可2例，術(shù)前坐骨神經(jīng)損傷者分別于術(shù)后3個(gè)月、7個(gè)月恢復(fù)，隨訪期內(nèi)未觀察到患者發(fā)生股骨頭壞死、異位骨化。

3 討 論

髖臼骨折為關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，復(fù)位要求高，但其臨近重要血管、神經(jīng)等易損傷解剖結(jié)構(gòu)，術(shù)中顯露范圍受限，在有限的顯露窗口內(nèi)判斷骨折塊的旋轉(zhuǎn)、移位方向和復(fù)位順序，需豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和空間想象力，且不同類型的骨折的致傷機(jī)制、復(fù)位、固定方法有各自個(gè)性化特點(diǎn)，所以解剖復(fù)位難度大，學(xué)習(xí)曲線較長。而骨盆形態(tài)不規(guī)則，鋼板的擺放難以服帖、折彎塑形較一般四肢骨折困難，如螺釘長度、角度選擇不當(dāng)，發(fā)生螺釘誤入髖臼更會導(dǎo)致災(zāi)難性后果。提高復(fù)位成功率、內(nèi)固定安全性的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)的個(gè)性化術(shù)前計(jì)劃，而X片、二維CT不能顯示骨折塊的三維空間關(guān)系，普通CT三維重建難以顯示骨折復(fù)位前后形態(tài)對比、內(nèi)固定與髖臼、骨折塊之間的空間關(guān)系，因而越來越多的學(xué)者認(rèn)識到數(shù)字化技術(shù)輔助術(shù)前計(jì)劃的在髖臼骨折治療中的重要作用[4-7]。

作者通過數(shù)字化技術(shù)輔助手術(shù)治療復(fù)雜髖臼骨折的臨床實(shí)踐，體會到應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手術(shù)與常規(guī)手術(shù)比較有以下優(yōu)點(diǎn): ① 通過模擬手術(shù)復(fù)位、內(nèi)固定骨折，有利于術(shù)前分析骨折復(fù)位順序、旋轉(zhuǎn)、移動骨折塊的方法，有助于提高復(fù)位優(yōu)良率; ② 術(shù)前可在模擬骨折復(fù)位后的骨盆三維模型上測量所需鋼板長度和折彎塑形的形狀，并可以精確的測量折彎的頂點(diǎn)位置、折彎弧度，據(jù)此指導(dǎo)術(shù)中鋼板折彎。通過測量鋼板距離骨性解剖標(biāo)志的距離，術(shù)中按骨性解剖標(biāo)志安放鋼板，可確保鋼板、螺釘位置正確、有效固定骨折; ③ 精準(zhǔn)模擬不同長度、角度的螺釘植入，并通過去除股骨頭、骨骼透視功能，可清晰直觀地從任意角度觀察螺釘與髖臼的關(guān)系，有助于顯著減少螺釘進(jìn)入髖臼風(fēng)險(xiǎn)，從而提高療效。以上模擬手術(shù)復(fù)位、內(nèi)固定的功能是普通CT三維重建所不能實(shí)現(xiàn)的，能為術(shù)前計(jì)劃提供非常有價(jià)值的信息; ④ 通過術(shù)前分析骨折塊移位的特點(diǎn)和復(fù)位的方法，制定手術(shù)入路和術(shù)中復(fù)位時(shí)需顯露的范圍，制定復(fù)位和內(nèi)固定計(jì)劃，能有效縮短手術(shù)時(shí)間，減少剝離軟組織，從而減少手術(shù)創(chuàng)傷[7]; ⑤ 減少醫(yī)患雙方術(shù)中的放射線暴露，由于術(shù)前對置入鋼板和螺釘?shù)奈恢?、角度預(yù)先測量，避免了術(shù)中反復(fù)透視來確定鋼板、螺釘與髖臼的關(guān)系，只要確定鋼板、螺釘與骨性解剖標(biāo)志的距離正確，基本無需反復(fù)透視確認(rèn)螺釘是否進(jìn)入髖臼; ⑥ 有利于縮短手術(shù)學(xué)習(xí)曲線，術(shù)后可精確檢測復(fù)位效果，通過三維透視圖驗(yàn)證術(shù)中放置的螺釘與髖臼關(guān)系，通過內(nèi)固定實(shí)際放置位置與術(shù)前計(jì)劃對比，分析、總結(jié)手術(shù)中定位技巧; ⑦ 三維圖像分型較傳統(tǒng)的二維圖像分型更直觀，有利于統(tǒng)一骨折分型[4], 增加對骨折治療方法、療效評價(jià)、對比的可信度。

目前數(shù)字化技術(shù)輔助術(shù)前計(jì)劃方案可分為全數(shù)字化技術(shù)和半數(shù)字化技術(shù)，半數(shù)字化技術(shù)是利用CT三維重建骨盆模型后利用快速成型技術(shù)打印出骨盆模型，再用實(shí)體鋼板螺釘模擬手術(shù)。全數(shù)字化技術(shù)是將鋼板、螺釘數(shù)字化建模，在數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)模擬完成骨折復(fù)位、數(shù)字鋼板折彎、數(shù)字螺釘置入等全部手術(shù)過程。與Brown等學(xué)者的半數(shù)字化研究方法不同[5-6], 作者選擇了全數(shù)字化技術(shù)來指導(dǎo)手術(shù)，認(rèn)為本方法與半數(shù)字化技術(shù)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): ① 數(shù)字化模型建立后可反復(fù)使用，不會損壞；無限期保存，不占用任何空間；攜帶、傳輸方便；模擬手術(shù)過程可無限次重復(fù)、修正，十分便于學(xué)習(xí)、交流、經(jīng)驗(yàn)總結(jié); ② 直接在數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)完成鋼板折彎、和螺釘、鋼板放置，無需打印骨盆模型后再折彎真實(shí)的鋼板，無需增加快速成型機(jī)、模型的費(fèi)用和時(shí)間，不消耗耗材，且避免了打印模型精度原因造成的計(jì)算誤差; ③ 數(shù)字鋼板折彎可任意、反復(fù)多次進(jìn)行，可折彎多塊不同長度、不同弧度的鋼板來逐一模擬手術(shù)、固定，比較、選擇最安全可靠的固定方案，避免了反復(fù)折彎影響實(shí)體鋼板強(qiáng)度; ④ 可在數(shù)字鋼板同一個(gè)孔反復(fù)試驗(yàn)置入不同長度、角度的數(shù)字螺釘，不會損傷模型，還可以通過三維透視圖確定螺釘與髖臼的關(guān)系，從而選擇螺釘?shù)淖罴验L度和確定安全的進(jìn)釘角度范圍; ⑤ 可進(jìn)一步導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)一步行手術(shù)前后仿真化有限元生物力學(xué)分析。

本研究有一定局限性，數(shù)字模型尚未能模擬軟組織結(jié)構(gòu)，血管、神經(jīng)與內(nèi)固定物的位置關(guān)系不能顯示，模擬骨折復(fù)位也未能加入肌肉、韌帶的因素。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，諸如CT和MRI圖像配準(zhǔn)及融合技術(shù)的成熟，必能實(shí)現(xiàn)軟組織的數(shù)字化，數(shù)字模擬技術(shù)將為臨床實(shí)踐帶來高仿真的術(shù)前設(shè)計(jì)環(huán)境，并推動臨床技術(shù)的跨越式發(fā)展。

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