數(shù)字化模型輔助微創(chuàng)鋼板接骨術(shù)治療脛骨遠(yuǎn)端骨折

吳溢峰 李世浩 吳焯鵬 鐘姣紅

(廣東省開平市中心醫(yī)院骨外科，開平 529300)

脛骨遠(yuǎn)端骨折，多為高能量暴力所致，常見粉碎性骨折、移位明顯，因保守治療效果欠佳而需手術(shù)治療。然而脛骨內(nèi)側(cè)軟組織較薄，且多數(shù)脛骨遠(yuǎn)端骨折同時伴有切口周圍軟組織條件差而不適宜行傳統(tǒng)切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)[1]。目前，微創(chuàng)鋼板接骨術(shù)(minimally invasive plate osteosynthesis，MIPO)已成為脛骨遠(yuǎn)端骨折常見的手術(shù)方式之一[2,3]。該術(shù)式一般遠(yuǎn)離骨折端復(fù)位，不切開骨折處皮膚及皮下組織，若合并骨折塊嵌插或軟組織阻擋等情況，MIPO手術(shù)難度增加，反復(fù)多次復(fù)位可能導(dǎo)致手術(shù)時間長、出血量多、局部軟組織損傷加重、骨折延遲愈合。

本研究探討運用Mimics軟件建立脛骨遠(yuǎn)端骨折數(shù)字化模型以及模擬手術(shù)操作，記錄重要的相關(guān)數(shù)據(jù)，以備實際手術(shù)操作時參考，旨在盡可能減少手術(shù)時間及術(shù)中出血，避免不必要的操作，以獲得更好的效果。通過與常規(guī)MIPO進行回顧性比較，評價數(shù)字化模型輔助MIPO治療脛骨遠(yuǎn)端骨折的療效。

1 臨床資料與方法

1.1 一般資料

我院2016年1月～2017年3月收治脛骨遠(yuǎn)端骨折48例，根據(jù)術(shù)前有無數(shù)字化模型建模(術(shù)前進行脛腓骨全長CT掃描且術(shù)者有時間進行數(shù)字化模型建模)分成兩組：常規(guī)MIPO組(常規(guī)組)27例，數(shù)字化模型輔助MIPO組(數(shù)字組)21例。常規(guī)組5例合并腓骨骨折，其中3例保守治療，2例手術(shù)；數(shù)字組6例合并腓骨骨折，4例保守治療，2例手術(shù)。2組一般資料比較無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)，具有可比性，見表1。

病例納入標(biāo)準(zhǔn)：①新鮮脛骨遠(yuǎn)端骨折，不累及關(guān)節(jié)面；②局部軟組織損傷程度相對較輕，AO分型為IC1或IC2型(閉合性骨折)或IO1型(開放性骨折)；③隨訪時間≥1年。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①合并神經(jīng)血管損傷；②合并影響骨折愈合的其他系統(tǒng)疾病及病理骨折；③未能按時復(fù)診及檢查。

表1 2組一般資料比較

骨折AO分型標(biāo)準(zhǔn)[4]：A：簡單骨折，B：楔形骨折，C：復(fù)雜骨折

軟組織損傷程度AO分型[4]：IC1：無表皮損傷；IC2：無表皮裂傷，但有挫傷；IO1：骨折端由內(nèi)向外刺破表皮。I表示覆蓋物，C表示閉合性，O表示開放性

1.2 方法

1.2.1 數(shù)字組數(shù)字化模型處理平臺與圖像的處理

數(shù)字化模型圖像的處理平臺：CPU酷睿i7-3770四核八線程3.4GHz，顯卡Nvida GTX970 4G，物理內(nèi)存8G，操作系統(tǒng)Windows10 64位專業(yè)版，128G固態(tài)硬盤*1+3TB機械硬盤*2。

圖像處理軟件：Mimics Research 17.0。

數(shù)字化模型圖像的獲?。盒g(shù)前均常規(guī)行脛骨全長三維CT薄層掃描，使用飛利浦64排螺旋CT，層厚0.9 mm，層距0.45 mm。掃描層數(shù)653～1503張。每個病例的圖像數(shù)據(jù)刻錄成光盤大小1.45～3.75 G。從每個病例的CT光盤里選取骨窗文件夾里的DICOM格式圖像作為重建的源圖像，每張圖片大小768px×768px。

圖像的導(dǎo)入、三維數(shù)字化建模及手術(shù)模擬：運行Mimics Research 17.0，新建“new project”，選擇目標(biāo)文件夾，待軟件成功識別讀取本組所有病例的DICOM格式骨窗圖像，自動顯示軸位、生成冠狀位、矢狀位二維圖像。可以在任意一個二維窗口，點擊“region growing”(閾值增長)，選取所需的閾值范圍內(nèi)的組織，生成蒙版，此時的蒙版通常包含多個閾值范圍相同的組織(本研究對象為骨折的脛骨)。在蒙版上進行編輯“Edit mask”，分割圖像，將每一塊骨折塊獨立制作成單一的蒙版。點擊“Calculate 3D from mask”即可生成對應(yīng)的三維數(shù)字化模型，保存為“.mcs”格式，每個病例建立三維數(shù)字化模型大小110～450 M。生成的每個三維數(shù)字化模型即本組每個骨折個體具體的骨折情況。對每個模型進行相應(yīng)的手術(shù)模擬操作，在simulation模塊下，通過“reposition”(復(fù)位)操作，脛骨骨折近端固定，移動遠(yuǎn)端骨折塊及骨碎片，通過import選項，將合適的鋼板、螺釘?shù)哪Ｐ蛯?dǎo)入，同樣通過“reposition”操作，將其安放到合適的位置。在measurements模塊下測量并記錄骨折端復(fù)位所需移動的位移及角度，記錄植入物的型號、數(shù)量以及與脛骨、大隱靜脈的相對位置，以供實際手術(shù)操作中參考[5]。

1.2.2 手術(shù)方法 2組手術(shù)由同組醫(yī)師完成，采用相同的器械。

常規(guī)組：連續(xù)硬外麻醉，仰臥位，常規(guī)消毒鋪巾。取脛骨遠(yuǎn)端內(nèi)踝后方約3 cm縱行切口，切開深筋膜至骨膜，但不切開骨膜，閉合復(fù)位骨折端并經(jīng)X線透視確定正側(cè)位對位、對線滿意后，根據(jù)術(shù)前X線所見，挑選合適的鎖定加壓鋼板(locking compression plate，LCP)，于骨膜與深筋膜之間建立的軟組織隧道緩慢插入，避免損傷大隱靜脈及隱神經(jīng)，分別在LCP兩端切小口，各擰入合適長度、數(shù)量的螺釘，縫合傷口，留置膠片引流。

數(shù)字組：體位、麻醉均與常規(guī)組相同，操作時參考術(shù)前數(shù)字化模型里測得的數(shù)據(jù)，對骨折端進行有序、恰當(dāng)?shù)膹?fù)位，避免無效、多余的復(fù)位動作，在保證有效復(fù)位的同時將對軟組織的干擾最小化。在脛骨內(nèi)側(cè)骨折處兩側(cè)做小切口，并根據(jù)數(shù)字化模型的數(shù)據(jù)選取相應(yīng)規(guī)格的LCP鋼板、螺釘經(jīng)皮下完成MIPO操作(根據(jù)MIPO的固定原則，粉碎性骨折LCP長度應(yīng)為骨折段長度的2～3倍，螺釘密度<0.4～0.5)?？p合傷口，留置膠片引流。必要時使用X線透視以確保手術(shù)操作的準(zhǔn)確性。

1.2.3 術(shù)后處理 術(shù)后一般不需要外固定，術(shù)后3 d開始不負(fù)重進行膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)功能鍛煉，術(shù)后6周扶雙拐下地允許患肢部分負(fù)重。定期復(fù)查X線片，根據(jù)骨折愈合情況決定棄拐行走的時間。

1.2.4 觀察指標(biāo)及評價標(biāo)準(zhǔn) 從病歷中提取2組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、切口長度，骨折臨床愈合時間(骨折處無壓痛，不扶拐可站立3 min，行走30步，X線片見骨折線模糊)，于術(shù)后3、6、12個月根據(jù)Johner-Wruhs評價標(biāo)準(zhǔn)[6](表2)進行療效評價。

表2 Johner-Wruhs療效標(biāo)準(zhǔn)

*骨不愈合的定義為術(shù)后超過8個月骨折仍未愈合者

2 結(jié)果

數(shù)字組21例均根據(jù)脛腓骨三維CT骨窗平掃圖像在Mimics17.0中建立脛骨(或脛腓骨)骨折三維數(shù)字化模型，可以從任意角度顯示單一或多個骨折塊，以清晰顯示骨折局部的情況及毗鄰組織。在simulation模塊下，對遠(yuǎn)端骨折塊進行復(fù)位，并模擬MIPO手術(shù)置釘，最終得到滿意的虛擬骨折復(fù)位內(nèi)固定數(shù)字化模型。在數(shù)字化模型上測量相關(guān)的數(shù)據(jù)，記錄復(fù)位后的遠(yuǎn)端骨折塊相對近端骨折端所旋轉(zhuǎn)或移動過的角度、距離，鋼板、螺釘?shù)男吞?、?shù)量、與脛骨骨性標(biāo)志(如內(nèi)踝尖)的相對位置，以指導(dǎo)手術(shù)操作。2組切口長度雖無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)，但與常規(guī)組對比，數(shù)字組手術(shù)時間更短，術(shù)中出血量更少，骨折臨床愈合更早(P<0.05)，術(shù)后早期(3個月)療效優(yōu)良率也明顯高于常規(guī)組(P<0.05)(表3)，2組術(shù)后12個月療效評價均為優(yōu)。2組術(shù)后均未出現(xiàn)感染、下肢靜脈栓塞、神經(jīng)血管損傷、骨不愈合等并發(fā)癥。典型病例見圖1。

表3 2組手術(shù)情況比較

3 討論

3.1 脛骨MIPO術(shù)前數(shù)字化模型建立的重要性

三維CT重建對醫(yī)學(xué)的重要意義在于使抽象變得形象直觀，彌補了二維CT斷面圖像不能顯示器官整體的缺點。對于我們來說，三維CT圖像對骨科臨床工作帶來的作用，遠(yuǎn)不止于此。我們可以進一步利用三維CT的薄層掃描的源圖像，建立虛擬化的數(shù)字模型，用于術(shù)前的手術(shù)模擬，包括骨折的模擬復(fù)位和內(nèi)固定物的植入等。隨著微創(chuàng)理念的提出、脛骨骨折MIPO技術(shù)的要求，已不再是常規(guī)地進行骨折端的切開復(fù)位，而是非直視下間接復(fù)位及操作[7]，對于脛骨骨折MIPO這種術(shù)前、術(shù)中均未能直接肉眼觀察到骨折端的手術(shù)方式，術(shù)前數(shù)字化模型的建立尤為重要，它能使骨科醫(yī)師直觀地在數(shù)字化模型上看到了骨折本身，并可以通過計算機反復(fù)多次模擬操作，找到理想的手術(shù)方案。MIPO術(shù)前計劃得越周全，術(shù)中操作的時間就越短、出血越少，越能盡量地避免切開復(fù)位的可能[8]。

3.2 Mimics建立數(shù)字化模型的優(yōu)點

數(shù)字化模型(三維)的建立有順向建模和逆向建模，順向建模要求有較高的工科基礎(chǔ)，然而，對于不規(guī)則物體的建模，仍有相當(dāng)大的難度，同時這種順向建模很難做到精確的個體化[9]。順向建模多用于器械、工具的生產(chǎn)，常先有數(shù)字化模型后有實物。而對于具體的脛骨骨折患者而言，患者每一處的骨折都已客觀存在，順向建模難以復(fù)制。而Mimics三維數(shù)字化模型的建模是基于CT薄層掃描的源圖像，每一層圖像都是患者的個體化信息，都是來源于真實的數(shù)據(jù)，這種根據(jù)個體CT斷層圖像逆向建模建立的數(shù)字化模型就是每個患者骨折的實際情況，而在此模型上的模擬手術(shù)操作和內(nèi)固定物的選擇對患者的實際手術(shù)操作才具有可靠的參考意義[5]。此外，Mimics軟件有豐富的功能，其包含多個模塊，如手術(shù)模擬、CAD、3D打印、網(wǎng)格劃分功能及有限元輸出接口等?？奢敵龆喾N格式的模型格式，與ABAQUS、ANSYS等有限元軟件形成無縫連接，以便在有限元軟件里完成實體模型或病人身上無法做到的生物力學(xué)測試。本研究充分利用臨床病例的CT三維重建光盤DICOM格式的骨窗圖像，建立了數(shù)字組21例脛骨(脛腓骨)骨折的數(shù)字化模型，通過蒙版分割(對骨折塊)及導(dǎo)入(對鋼板、螺釘)，在MIPO術(shù)前進行了手術(shù)模擬，并對每一病例模擬手術(shù)骨折復(fù)位內(nèi)固定的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了記錄。

圖1 患者男，48歲，車禍致右脛腓骨開放性粉碎性骨折。術(shù)前脛腓骨X線片(A、B)：右脛腓骨粉碎性骨折，骨折AO分型C型，軟組織損傷AO分型IO1型。建立右脛腓骨數(shù)字化模型(C)并虛擬MIPO手術(shù)(D、E)，測量大隱靜脈與脛骨后緣交點至內(nèi)踝尖的距離為45.78 mm，在此位置以下縱切口可有效避免損傷大隱靜脈。數(shù)字化模型測得的骨折段長度61.15 mm，手術(shù)選取LCP鋼板長度為180 mm，螺釘密度為8/18=0.44(<0.5)，螺釘?shù)拈L度參考數(shù)字化模型所測得的數(shù)據(jù)植入。腓骨粉碎性骨折呈4段，移位明顯，根據(jù)數(shù)字化模型測量的數(shù)據(jù)，在小腿外側(cè)做小切口，成功復(fù)位后予合適長度的直徑3.0 mm克氏針從遠(yuǎn)端向近端行髓內(nèi)固定。術(shù)后3天X線片(F、G)示右脛腓骨骨折復(fù)位滿意，各骨折端對位、對線良好，內(nèi)固定物位置、型號、尺寸合適

3.3 數(shù)字化模型輔助MIPO技術(shù)在脛骨骨折中的應(yīng)用

MIPO技術(shù)是骨折生物學(xué)內(nèi)固定術(shù)(BO理論)的重要發(fā)展，其技術(shù)要點體現(xiàn)在：①盡量保護骨折端血運，遠(yuǎn)離骨折處作小切口，從切口處經(jīng)皮下、骨膜外鈍性潛行分離、經(jīng)皮下隧道插入鋼板，未涉及剝離骨膜及切開骨折處軟組織。②間接復(fù)位，通過牽引閉合復(fù)位，主要恢復(fù)脛骨軸線及長度，強調(diào)功能復(fù)位，不強求解剖復(fù)位。③使用長鋼板、低密度螺釘固定，長鋼板使得接骨板承受的應(yīng)力減小，避免應(yīng)力集中；螺釘數(shù)量少，骨干處單皮質(zhì)螺釘固定，可減少骨骼的破壞，減少應(yīng)力遮擋。

MIPO技術(shù)結(jié)合鎖定鋼板內(nèi)固定治療脛骨骨折幾乎適用于脛骨全長，在治療脛骨遠(yuǎn)端骨折的方面尤具優(yōu)勢[10,11]。脛骨遠(yuǎn)端髓腔逐漸增大且移行為松質(zhì)骨，此處的髓內(nèi)固定往往需要超遠(yuǎn)端髓內(nèi)釘，必要時尚需阻擋釘輔助，即使如此，骨折線仍然比較靠近遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面，超遠(yuǎn)端髓內(nèi)釘仍有其局限性，而MIPO的鎖定鋼板系統(tǒng)，其作用相當(dāng)于內(nèi)置的固定架，其鎖定螺釘與鋼板鎖定后形成一整體，鎖定螺釘?shù)某山欠€(wěn)定性具有良好的把持力，對于骨質(zhì)疏松者尚能起到有效的固定作用，較之于普通的加壓接骨板通過鋼板對骨膜的加壓固定，鎖定鋼板與骨面之間的有限接觸能進一步減少對骨膜血運的破壞。再者，MIPO技術(shù)置入的鎖定鋼板，較之外固定支架，起到有效固定的同時，避免長期外支架固定護理不方便、容易松動、釘?shù)栏腥镜热秉c[12]。然而，部分學(xué)者認(rèn)為MIPO與切開復(fù)位內(nèi)固定(open reduction and internal fixation，ORIF)治療脛骨關(guān)節(jié)外簡單骨折的效果無顯著性差異，MIPO僅在治療復(fù)雜粉碎性骨折時才比ORIF更有優(yōu)勢[13]，更有部分學(xué)者認(rèn)為MIPO骨折畸形愈合率會更高[14]。我們認(rèn)為，MIPO治療脛骨遠(yuǎn)端骨折，其療效是確切的，但對于手術(shù)者來說，需要一定時間的學(xué)習(xí)曲線[15]。若術(shù)者未能理解并掌握MIPO的基本要領(lǐng)，只是單純的追求小切口，并不能帶來很好的臨床效果，甚至還會出現(xiàn)比ORIF更多的并發(fā)癥。

數(shù)字化模型的建立對于MIPO盡管不是必不可少的環(huán)節(jié)，但數(shù)字化模型虛擬手術(shù)能使術(shù)者MIPO術(shù)前對骨折個體有更深刻的理解，對手術(shù)方案的設(shè)計更合理，以便手術(shù)操作中減少不必要的步驟和創(chuàng)傷。本研究2組均行MIPO手術(shù)，術(shù)后均有較好的臨床效果。更值得一提的是，數(shù)字組21例術(shù)前經(jīng)過電腦模擬骨折復(fù)位的旋轉(zhuǎn)方向、牽引長度、成角角度等參數(shù)，并確定了鎖定鋼板的合適型號、螺釘?shù)拈L短、數(shù)量。術(shù)中簡化了反復(fù)測量的步驟，減少了反復(fù)透視的時間，使得術(shù)中出血更少，對軟組織的干擾和損傷更小。術(shù)后復(fù)查X線片均顯示脛骨骨折復(fù)位、鋼板、螺釘位置、長度等均比較滿意。通過與常規(guī)組進行比較，結(jié)果表明，數(shù)字化模型輔助MIPO手術(shù)組的手術(shù)時間更短，術(shù)中出血量更少，術(shù)后骨折臨床愈合更快，早期的療效更好。而遠(yuǎn)期療效差異不大可認(rèn)為是由于術(shù)后足夠長的時間，長期的功能鍛煉及合適的干預(yù)措施的結(jié)果，并不足以否認(rèn)2組間療效的不同，更不能因此而否認(rèn)數(shù)字化模型虛擬手術(shù)給臨床工作帶來的幫助。數(shù)字化模型輔助MIPO手術(shù)的臨床運用，有助于術(shù)前更充分地準(zhǔn)備，使我們能更順利地完成手術(shù)的同時，盡可能地規(guī)避風(fēng)險、少走彎路，減少手術(shù)并發(fā)癥，使療效最大化、創(chuàng)傷最小化，值得推廣。