數(shù)字骨科技術(shù)在個體化Pilon骨折治療中的應(yīng)用價值與臨床意義

樊文勃，郭永良，王爭剛，潘建宏

(陜西省核工業(yè)二一五醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，陜西 咸陽 712000)

樊文勃(1984-)，男，主治醫(yī)師。E-mail：fanwenbo11@163.com

潘建宏，副主任醫(yī)師。E-mail：18709101188@163.com

論著

10.11724/jdmu.2017.05.10

數(shù)字骨科技術(shù)在個體化Pilon骨折治療中的應(yīng)用價值與臨床意義

樊文勃，郭永良，王爭剛，潘建宏

(陜西省核工業(yè)二一五醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，陜西 咸陽 712000)

目的評價數(shù)字骨科技術(shù)在個體化Pilon骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用價值與臨床意義。方法選取2012年1月至2016年5月收治的9例Pilon骨折患者，術(shù)前通過螺旋CT檢查獲取Pilon骨折患者的DICOM格式數(shù)據(jù)，而后利用Mimics17.0軟件將其加工成數(shù)字模型，并進(jìn)行Pilon骨折的診斷、分型和相關(guān)參數(shù)測量，最后依靠快速成型技術(shù)制作3D模型，輔助制定術(shù)前方案的同時模擬手術(shù)，指導(dǎo)手術(shù)治療。觀察骨折愈合時間、手術(shù)時間、Burwell-Charnley放射學(xué)標(biāo)準(zhǔn)評價系統(tǒng)、骨折分型和內(nèi)固定(大小和位置)的準(zhǔn)確率、Baird-Jackson踝關(guān)節(jié)功能評分及術(shù)后優(yōu)良率等指標(biāo)。結(jié)果9例患者均獲隨訪，隨訪時間為 (5.1±6.3) (1～15)個月。9例患者均順利骨性愈合，平均愈合時間為(3.2±0.7)個月；平均手術(shù)時間為(1.0±0.3)h；Burwell-Charnley放射學(xué)標(biāo)準(zhǔn)8例患者解剖復(fù)位，1例患者功能復(fù)位；術(shù)前通過3D模型進(jìn)行預(yù)彎的鋼板與術(shù)中患者骨折表面完全貼合，骨折分型和內(nèi)固定(大小、位置)的準(zhǔn)確率均為100%；Baird-Jackson踝關(guān)節(jié)功能評分平均(84.6±9.0)分，術(shù)后優(yōu)良率為88.9%。結(jié)論數(shù)字骨科技術(shù)在Pilon骨折的正確診斷和個體化治療中有著重要的潛在臨床應(yīng)用價值。

數(shù)字骨科技術(shù)；快速成型；Pilon骨折；內(nèi)固定

Pilon骨折為累及踝穴關(guān)節(jié)面(壓縮、塌陷或移位)的脛骨遠(yuǎn)端骨折[1]，因涉及到脛距關(guān)節(jié)面、下肢生物力線及附屬關(guān)節(jié)的聯(lián)動，是臨床較為復(fù)雜的創(chuàng)傷性治療難題。Pilon骨折一旦發(fā)生，將會嚴(yán)重影響患者踝關(guān)節(jié)功能繼而影響人的正常行走，故Pilon骨折的合理重建，對于患者患肢功能的恢復(fù)意義重大。近年來，隨著數(shù)字骨科技術(shù)(一門將骨科專業(yè)與計算機虛擬技術(shù)緊密結(jié)合的數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)[2])的快速發(fā)展，借助于該學(xué)科相關(guān)理論與技術(shù)的優(yōu)勢，使得醫(yī)學(xué)影像處理、計算機輔助設(shè)計軟件及快速成型技術(shù)(3D打印)有機結(jié)合的方法開始運用到了骨科個體化治療領(lǐng)域。本借助數(shù)字骨科技術(shù)，從術(shù)前準(zhǔn)備、方案制定及術(shù)中指導(dǎo)等多方面、多角度進(jìn)行探討，旨在為個體化Pilon骨折手術(shù)治療提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2012年1月至2016年5月陜西省核工業(yè)二一五醫(yī)院收治的9例Pilon骨折患者，其中男性6例，女性3例；年齡19～51歲，平均(28.1±19.4)歲；受傷機制：摔傷4例，交通傷2例，重物砸傷3例；按照Ruedi-Allgower分型標(biāo)準(zhǔn)[3]：I型5例，Ⅱ型2例，Ⅲ型2例；側(cè)別：左側(cè)3例，右側(cè)6例；8例閉合性骨折，1例開放性骨折(8 h內(nèi))；手術(shù)時間為傷后3 h～4 d。因研究需要，患者術(shù)前均行64排螺旋CT(西門子，德國)檢查，用以獲取Pilon骨折的DICOM格式數(shù)據(jù)已備后續(xù)數(shù)據(jù)處理使用。

1.2 數(shù)字模型的制作

使用PACS影像系統(tǒng)將Pilon骨折患者CT檢查的DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)處理軟件Mimics17.0(Materialise，比利時)依次進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入(將Pilon骨折CT的DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics17.0中)、圖像濾波(消除高頻分量，降低數(shù)據(jù)噪點)、閾值分析(賦值CT數(shù)據(jù)的Hounsfiled值，刪減非骨性組織結(jié)構(gòu))區(qū)域增長(生成蒙版)、蒙版編輯(對Pilon骨折骨質(zhì)進(jìn)行分割、區(qū)分和標(biāo)記)、生成3D模型及3D模型精細(xì)加工(光順、三角面片縮減)等操作，進(jìn)而獲得所需患者的三維虛擬Pilon骨折數(shù)字模型，利用此模型可以模擬Pilon骨折復(fù)位操作，并可對骨折斷端、蝶形骨片的長度、寬度及旋轉(zhuǎn)分離角度進(jìn)行測量，最后以STL格式輸出到科瑞特3D打印機(creatbot，中國)中，以ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)為原料進(jìn)行模型打印，制作等大、仿真的Pilon骨折的3D數(shù)字模型。

1.3 數(shù)字模型的利用

利用患者Pilon骨折的3D模型，對其損傷類型進(jìn)行Ruedi-Allgower分型的確認(rèn)，同時對該3D模型進(jìn)行相關(guān)測量，選擇最適合的內(nèi)固定尺寸、類別和數(shù)量及其置入的最佳位置和分布，進(jìn)而輔助Pilon骨折個體化手術(shù)方案的制定，最后憑借Pilon骨折的3D模型，進(jìn)行手術(shù)的模擬和鋼板的預(yù)彎，指導(dǎo)術(shù)中治療。

1.4 手術(shù)操作

首先通過巾鉗或weber鉗對主要骨塊進(jìn)行復(fù)位，然后根據(jù)術(shù)中實際需要決定對脛骨前唇和脛骨后唇的復(fù)位順序，對于關(guān)節(jié)面有嚴(yán)重壓縮者，可考慮植骨(異體骨組織或自體髂骨)夯實，最后利用術(shù)前方案選擇和已預(yù)彎的內(nèi)固定如“L”型鋼板、“T”型鋼板、內(nèi)外側(cè)雙鋼板及螺釘?shù)葘ilon骨折進(jìn)行固定。骨折復(fù)位和置入內(nèi)固定時，需在C型臂的確認(rèn)下和Pilon骨折3D實物模型(術(shù)前已經(jīng)高溫蒸汽嚴(yán)格消毒)的參考下進(jìn)行，同時術(shù)中注意防止大隱靜脈、隱神經(jīng)等血管和神經(jīng)副損傷的發(fā)生。術(shù)后一般建議通過支具或短腿石膏對患者患肢進(jìn)行短期制動。

1.5 評價及隨訪

將術(shù)前方案與實際手術(shù)過程的相關(guān)情況(預(yù)彎鋼板與骨面貼合程度、內(nèi)固定位置和大小、骨折分型準(zhǔn)確率等情況)進(jìn)行比較，觀察手術(shù)時間。以電話或門診的方式對患者進(jìn)行術(shù)后隨訪。采用Burwell-Charnley放射學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[4]評價術(shù)后骨折復(fù)位情況；同時根據(jù)Baird-Jackson評分標(biāo)準(zhǔn)[5](優(yōu)秀：96分以上；良好：91～95分；可：81～90分；差：80分以下)對患者預(yù)后踝關(guān)節(jié)功能進(jìn)行評價。

2 結(jié) 果

術(shù)前通過實體模型進(jìn)行預(yù)彎的鋼板與術(shù)中患者踝關(guān)節(jié)完全貼合，骨折分型、內(nèi)固定(大小和位置)的準(zhǔn)確率均為100%，9例患者平均手術(shù)時間為(1.0±0.3)h。本研究隨訪 (5.1±6.3)(1～15)個月。9例患者均順利骨性愈合，未出現(xiàn)延遲愈合、骨不連及內(nèi)固定因位置不佳甚至失效進(jìn)而翻修的情況發(fā)生。Burwell-Charnley放射學(xué)標(biāo)準(zhǔn)8例患者解剖復(fù)位，1例患者功能復(fù)位；Baird-Jackson踝關(guān)節(jié)功能評分平均(84.6±9.0)分，其中優(yōu)3例，良5例，可1例，術(shù)后優(yōu)良率為88.9%。典型病例見圖1。

利用PACS影像系統(tǒng)獲取患者左側(cè)Pilon骨折的DICOM格式數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入Mimics17.0系統(tǒng)進(jìn)行圖像濾波、閾值分析、區(qū)域增長、蒙版編輯等操作完成Pilon骨折數(shù)字模型(A)的建立，用于進(jìn)行確認(rèn)分型、模擬復(fù)位(B)的操作，最后利用快速成型技術(shù)進(jìn)行模型打印(C)，進(jìn)行模擬手術(shù)和內(nèi)固定的預(yù)制；根據(jù)數(shù)字骨科技術(shù)制定的個體化手術(shù)方案執(zhí)行手術(shù)，術(shù)后脛腓骨(包踝)前后位(D-E)X線顯示：骨折解剖復(fù)位，內(nèi)固定位置良好圖1 患者，女，42歲，交通傷。入院時踝關(guān)節(jié)64排雙源CT平掃檢查提示：左側(cè)Pilon骨折Fig 1 Patient, Female, 42 years old, traffic injury. On admission, the ankle 64 row of dual-source computed tomography (CT) scan revealed left Pilon fracture

3 討 論

Pilon骨折常因高能量的軸向加壓暴力(如高處墜落傷、運動傷等)所致，可造成脛距關(guān)節(jié)、腓距關(guān)節(jié)甚至整個踝穴結(jié)構(gòu)的塌陷、壓縮以及附屬軟組織周圍血供不同程度的破壞。Pilon骨折作為嚴(yán)重的關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，保守治療通常效果不佳，手術(shù)治療是目前公認(rèn)的首選治療方法。但如何根據(jù)患者自身Pilon骨折的特點，及時糾正和復(fù)位已破壞的踝穴結(jié)構(gòu)，恢復(fù)軸向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力得到再次均衡是治療Pilon骨折的要點，同時也是治療該類型骨折的難點。由于Pilon骨折對于人體負(fù)重和正常行走功能方面嚴(yán)重的負(fù)面影響，治療不當(dāng)極易出現(xiàn)例如創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)僵硬等術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。為了取得滿意的手術(shù)效果，李寶豐等[6]認(rèn)為，合理、正確的手術(shù)方案是提高患者手術(shù)安全性、成功率和預(yù)后優(yōu)良率的關(guān)鍵之一，臨床意義重大。

目前，放射學(xué)影像資料(X線片、螺旋CT、三維重建等)被作為骨科醫(yī)師制定Pilon骨折手術(shù)方案最主要依據(jù)，但因其圖像的呈現(xiàn)特點都過于抽象，不能以等大、仿真、實物的形式，全面、直觀地呈現(xiàn)患者Pilon骨折的形態(tài)和特點，容易導(dǎo)致術(shù)中發(fā)現(xiàn)的Pilon骨折實際情況與術(shù)前預(yù)測出現(xiàn)偏差，影響手術(shù)治療的安全性和有效性；而且該方法對于手術(shù)方案的制定作用相對有限，不能根據(jù)不同患者的Pilon骨折特點因人而異的進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的精細(xì)測量、手術(shù)模擬和內(nèi)固定預(yù)制(鋼板預(yù)彎、螺釘大小及分布)，從而不能制定出最為適合Pilon骨折患者的個體化手術(shù)方案。單純依靠抽象的二維影像學(xué)資料和術(shù)者的臨床經(jīng)驗對手術(shù)方案的簡單預(yù)設(shè)，容易造成主觀和客觀的偏差，影響到Pilon骨折患者的手術(shù)治療效果。王欣文等[7]學(xué)者指出，充分的術(shù)前模擬，具有熟練術(shù)中操作、縮短手術(shù)耗時以及降低術(shù)中發(fā)生意外風(fēng)險的優(yōu)點。近年來，數(shù)字骨科學(xué)技術(shù)因具有圖像疊加、參數(shù)設(shè)計、數(shù)據(jù)加工和手術(shù)模擬等優(yōu)勢，在骨科領(lǐng)域得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。本研究，筆者借助于數(shù)字骨科技術(shù)，根據(jù)Pilon骨折治療的需要，利用患者二維檢查影像(CT、MRI等)進(jìn)行圖像疊加(三維重建)，同時運用CAD(計算機輔助設(shè)計)軟件Mimics通過相關(guān)邏輯運算生成的Pilon骨折數(shù)字模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測量(如皮質(zhì)厚度、髓腔寬度、骨塊大小等)，全面了解骨折的形態(tài)同時還可進(jìn)行骨折復(fù)位的模擬操作，最后利用快速成型設(shè)備打印出與患者骨折部位1∶1等大、仿真的Pilon骨折真實模型，根據(jù)此模型可模擬內(nèi)固定的預(yù)制和置入，制定并且驗證Pilon骨折患者的個體化手術(shù)治療方案。

本組9例患者均順利骨性愈合，其中8例患者解剖復(fù)位，1例患者功能復(fù)位，而且術(shù)前通過實體模型進(jìn)行預(yù)彎的鋼板與術(shù)中患者踝關(guān)節(jié)完全貼合，內(nèi)固定(大小和位置)的準(zhǔn)確率均為100%，說明借助于數(shù)字骨科技術(shù)治療Pilon骨折解剖復(fù)位的概率較高，并且由于準(zhǔn)確的內(nèi)固定選擇和預(yù)制，減少了術(shù)中不必要的耗時。但本研究病例數(shù)較少，利用數(shù)字骨科技術(shù)輔助治療Pilon骨折可增加解剖復(fù)位的概率、減少手術(shù)用時，仍需大樣本、多中心的前瞻性研究給予證實。

[1] 王喆, 李盛龍, 湯欣. 基于四柱理論指導(dǎo)治療Pilon內(nèi)側(cè)柱骨折的療效及預(yù)后評價[J]. 實用骨科雜志, 2016, 22(11):976-979.

[2] 霍莉峰, 倪衡建. 數(shù)字骨科應(yīng)用與展望:更精確、個性、直觀的未來前景[J]. 中國組織工程研究, 2015, 19(9):1457-1462.

[3] Rüedi T， Allg?war M. Fractures of the Lower End of the tibia into the ankle joint[J]. Orthopedic Trauma Directions,2008,7(5):25-29.

[4] Burwell HN, Charnley AD. The treatment of displaced fractures at the ankle by rigid internal fixation and early joint movement[J]. J Bone Joint Surg Br, 1965, 47(4):634-660.

[5] Rose JD, Flanigan KP, Mlodzienski A. Tibiofibular diastasis without ankle fracture: a review and report of two cases[J]. J Foot Ankle Surg, 2002, 41(1):44-51.

[6] 李寶豐,章瑩,邰國良, 等. 3D數(shù)字骨科技術(shù)在髖臼骨折治療中的應(yīng)用[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2016, 36(7):1014-1017.

[7] 王欣文, 張堃, 朱養(yǎng)均, 等. 3D 打印技術(shù)在復(fù)雜脛骨平臺骨折治療中的臨床應(yīng)用[J]. 實用骨科雜志, 2015(10):887-890.

AppliedvalueandclinicalsignificanceofthedigitalorthopedicstechnologyinthetreatmentofindividualizedPilonfractures

FAN Wenbo, GUO Yongliang, WANG Zhenggang, PAN Jianhong

(DepartmentofTraumaticOrthopedic,the215HospitalofNuclearIndustry,Xianyang712000,China)

ObjectiveTo evaluate the applied value and clinical significance of digital orthopedics technology in the treatment of individualized Pilon fractures.MethodsNine patients with Pilon fractures as research objects were chosen from January 2012 to May 2016. The patients with Pilon fractures were examined by CT scan for acquiring DICOM format data, which was then made for the digital model of Pilon fractures with Mimics17.0. Proceeding the diagnosis, classification and related parameters measurement of Pilon fractures, the 3D model were printed by rapid printing technology, for making operative plan and simulating operation, and then guiding the surgical treatment. Clinical indicators, such as fracture healing time, operation time, Burwell-Charnley X-ray standard evaluation system, the accuracy rate of catagmatic classification and internal fixation (size and position), Baird-Jackson ankle function score and the excellent and good rate of postoperative, were evaluated for applied value and clinical significance of the digital orthopedics technology in terms of Pilon fracture individual treatment.ResultsThe 9 cases were followed up with a mean period of (5.1±6.3) (1～15) months. Nine cases had already healed after operation; the average healing time was (3.2±0.7)months, the operative time was (1.0±0.3)h. According to Burwell-Charnley X-ray standard：anatomical replacement was 8, functional replacement was 1. The bending plates which were shaped on 3D model were suitable for the bone surface of Pilon fractures, the accuracy rate of catagmatic classification and internal fixation (size and position) was 100%. According to Baird-Jackson ankle function score, the score was (84.6±9.0), the excellent and good rate was 88.9%.ConclusionDigital orthopedics technology has important potential application value for correct diagnosis and individualized treatment of Pilon fractures.

digital orthopedics technology; rapid prototyping; Pilon fractures; internal fixation

683.42

A

1671-7295(2017)05-0461-04

樊文勃，郭永良，王爭剛，等.數(shù)字骨科技術(shù)在個體化Pilon骨折治療中的應(yīng)用價值與臨床意義[J].大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2017,39(5)：461-464.

2017-05-12；

2017-09-09)

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