計(jì)算機(jī)輔助環(huán)形外固定器在足踝外科中的臨床進(jìn)展

關(guān)升升 杜輝 秦泗河

（1.美國(guó)加州灣區(qū)足踝外科診所，95008；2.北京積水潭醫(yī)院矯形骨科，北京 100035；3.國(guó)家康復(fù)輔具研究中心附屬康復(fù)醫(yī)院矯形外科民政部人體運(yùn)動(dòng)分析與康復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京市老年功能障礙康復(fù)輔助技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100176）

20 世紀(jì)中期，俄羅斯骨科醫(yī)師加夫里爾·阿布拉莫維奇·伊里扎洛夫（Gavriil Abramovitch Ilizarov）研制了多用途環(huán)形外固定器，創(chuàng)建了治療創(chuàng)傷與骨病的全新技術(shù)體系，其發(fā)現(xiàn)的牽拉成骨（distraction osteogenesis,DO）生物學(xué)理論被公認(rèn)為20世紀(jì)外科領(lǐng)域最偉大的發(fā)現(xiàn)之一[1]。Ilizarov 技術(shù)于20世紀(jì)80年代推廣至全世界，對(duì)于治療嚴(yán)重肢體創(chuàng)傷、復(fù)雜畸形和骨搬運(yùn)修復(fù)骨缺損等起到重要作用。在足踝外科領(lǐng)域，Ilizarov 技術(shù)同樣成為治療復(fù)雜畸形和創(chuàng)傷的重要手段，隨著計(jì)算機(jī)輔助環(huán)形外固定器的出現(xiàn)，這一技術(shù)的應(yīng)用方式有了更大的發(fā)展。

1 計(jì)算機(jī)輔助環(huán)形外固定器的發(fā)展史

Ilizarov 外固定器對(duì)于軸向畸形矯正的優(yōu)勢(shì)顯著[2-10]，可以根據(jù)畸形的位置安放鉸鏈，從而達(dá)到滿意的治療效果[4-7]。對(duì)于復(fù)雜畸形的矯正，醫(yī)師常需要耗費(fèi)很多時(shí)間對(duì)環(huán)形外固定器結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次調(diào)整以達(dá)到最佳的治療效果，但對(duì)于扭轉(zhuǎn)、平移畸形的矯正非常困難[5-11]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，查爾斯·泰勒（Charles Taylor）和哈羅德·泰勒（Harold Taylor）于1994 年設(shè)計(jì)了一種新型的計(jì)算機(jī)輔助六軸環(huán)形外固定器，簡(jiǎn)稱為泰勒空間外固定器（Taylor spatial frame,TSF）[12]。TSF 是在Ilizarov 外固定器的基本構(gòu)造和基礎(chǔ)上，結(jié)合了Stewart 平臺(tái)的原理，使用六根首尾相連的撐桿連接調(diào)整環(huán)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件精確計(jì)算調(diào)整數(shù)據(jù)，從而達(dá)到多平面畸形的同步矯正[7,9,10]。而不需要調(diào)整結(jié)構(gòu)[13-15]。因此，與Ilizarov 外固定器相比，TSF 在多平面復(fù)雜畸形的調(diào)整上具有優(yōu)勢(shì)。

1995 年泰勒完成了第一臺(tái)TSF 手術(shù)，并于1997年獲得了TSF的專利。2002年，基于網(wǎng)絡(luò)的TSF軟件開始推向市場(chǎng)，并且在隨后近20 年做出了多次改進(jìn)和完善。目前，市場(chǎng)上有多種計(jì)算機(jī)輔助環(huán)形外固定系統(tǒng)，但是應(yīng)用最廣泛的還是TSF。

2 TSF的原理

掌握畸形矯正的原則和理解TSF 的基本結(jié)構(gòu)是完成TSF矯形手術(shù)的前提。標(biāo)準(zhǔn)TSF由2個(gè)全環(huán)或2/3 環(huán)和6 個(gè)伸縮撐桿組成（圖1），通過(guò)調(diào)節(jié)撐桿的長(zhǎng)度達(dá)到兩環(huán)的最佳擺放位置。術(shù)后醫(yī)師需要輸入軟件的內(nèi)容包括計(jì)算畸形參數(shù)、安裝參數(shù)和框架參數(shù)3組數(shù)據(jù)?；螀?shù)顯示原始和矯形后的狀態(tài)，一般是通過(guò)術(shù)前正側(cè)位X線片測(cè)量成角和移位畸形，通過(guò)臨床查體結(jié)合CT 測(cè)量旋轉(zhuǎn)畸形；安裝參數(shù)用來(lái)確定參考環(huán)和原點(diǎn)之間的位置關(guān)系；框架參數(shù)用來(lái)確定環(huán)的大小和伸縮桿的初始長(zhǎng)度。最后，醫(yī)師還需要在軟件中輸入風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)，也就是矯形過(guò)程中骨組織和血管神經(jīng)中最可能被牽拉損傷結(jié)構(gòu)的位置，并且選擇正確的矯正速度，從而計(jì)算出最佳的調(diào)整周期，并將六根撐桿的初始刻度和最終刻度均勻分割成相應(yīng)的天數(shù)，獲得最終的調(diào)整方案。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)TSF的基本構(gòu)型

3 TSF在足踝矯形手術(shù)中的應(yīng)用

TSF可用于各種先天和后天足踝畸形的治療，可以通過(guò)不同的組合方式制定出適合的治療方式，從而達(dá)到最佳的治療效果。以下是有幾種常見組合（圖2）。

3.1 常規(guī)踝構(gòu)型（圖2A，2個(gè)環(huán)連接6個(gè)伸縮撐桿）

常規(guī)踝構(gòu)型簡(jiǎn)單而實(shí)用，可以有效治療重度馬蹄內(nèi)翻足，增加背伸角度。此外，對(duì)于部分踝關(guān)節(jié)僵硬或已融合的患者，如果畸形的頂點(diǎn)位于踝上水平，使用常規(guī)踝構(gòu)型進(jìn)行踝上截骨加向后成角手術(shù)也是一種矯正足踝畸形的有效辦法，從而達(dá)到跖行足的目的[16,17]。目前，Ponseti 石膏是先天性馬蹄內(nèi)翻足的標(biāo)準(zhǔn)治療手段，錯(cuò)過(guò)最佳治療時(shí)期的大齡兒童或成人馬蹄內(nèi)翻足畸形矯正非常困難，在常規(guī)踝構(gòu)型基礎(chǔ)上演化出的Ponse-Taylor 構(gòu)型利用Ponseti 石膏矯正原理結(jié)合TSF 對(duì)被延誤治療的馬蹄內(nèi)翻足畸形進(jìn)行兩個(gè)階段的矯正治療（圖3）：第一個(gè)階段將距骨和脛骨遠(yuǎn)端作為一個(gè)整體，將足的其余部分相對(duì)距骨調(diào)節(jié)，矯正足內(nèi)收和后足內(nèi)翻；第二個(gè)階段將距骨和足部其他部分作為一個(gè)整體，相對(duì)脛骨遠(yuǎn)端調(diào)節(jié)，進(jìn)一步矯正踝關(guān)節(jié)跖屈，從而恢復(fù)跖行足。

圖3 Ponse-Taylor環(huán)形外固定器的基本結(jié)構(gòu)（經(jīng)授權(quán)使用，版權(quán)歸Rubin institute for advanced orthopedics）

3.2 斜接串聯(lián)構(gòu)型（Miter構(gòu)型，圖2B，6×6）

斜接串聯(lián)構(gòu)型由2 個(gè)全環(huán)、1 個(gè)2/3 環(huán)和12 個(gè)伸縮撐桿組成，最近端以全環(huán)固定在脛骨上，中間環(huán)為開口朝前方的2/3 環(huán)，此環(huán)通常固定在跟骨和距骨上，第3 個(gè)環(huán)通常為全環(huán)，固定前足。近端兩個(gè)環(huán)組成的單元一般可以矯正踝關(guān)節(jié)部位的畸形，例如馬蹄內(nèi)翻足畸形。遠(yuǎn)端兩個(gè)環(huán)組成的單元可以解決中足的畸形，例如高弓、內(nèi)收或旋后畸形。

3.3 對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型（Butt構(gòu)型，圖2C，6×6）

圖2 足踝部常用TSF構(gòu)型

對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型由1 個(gè)大致平行于脛骨方向的U形板為基礎(chǔ)，在前足和后足各連接1個(gè)全環(huán)或2/3環(huán)，外加12 個(gè)伸縮撐桿組成。與斜接串聯(lián)構(gòu)型類似，對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型在矯正多頂點(diǎn)畸形上有很好的效果。對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型也可以只用前足或后足的一半構(gòu)型（單Butt構(gòu)型），如矯正糖尿病足的中足畸形。一般而言，中足截骨是做好對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型尤為重要的環(huán)節(jié)，可以通過(guò)線鋸或骨刀來(lái)完成。對(duì)于單Butt構(gòu)型，連接前足或后足的遠(yuǎn)端環(huán)是相對(duì)困難的步驟，可以先固定前足或后足的遠(yuǎn)端環(huán)，然后再連接伸縮撐桿，最后固定近端環(huán)，以保證足夠的空間位置。采用標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型時(shí)，由于空間限制，固定前足或跟骨的半針或全針常無(wú)法直接連接到遠(yuǎn)端環(huán)上，一般需要使用延伸立柱轉(zhuǎn)接。

3.4 并聯(lián)構(gòu)型（圖2D，6+6）

與對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型類似，并聯(lián)構(gòu)型也是將前足和后足作為兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)整單元，分別相對(duì)于脛骨為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整移位。并聯(lián)構(gòu)型的伸縮撐桿方向一般是沿著小腿長(zhǎng)軸方向，適用于對(duì)長(zhǎng)度正常的足進(jìn)行垂直足底方向的調(diào)整，如馬蹄足和內(nèi)外翻等；而對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型的伸縮撐桿方向垂直于小腿長(zhǎng)軸方向，適用于對(duì)長(zhǎng)度較短的足進(jìn)行沿足底方向的調(diào)整，如足部延長(zhǎng)同時(shí)調(diào)整足弓的高低和前足的內(nèi)收、外展等。兩種構(gòu)型對(duì)于空間要求較高，需要豐富的TSF使用經(jīng)驗(yàn)，否則容易出現(xiàn)無(wú)法連接合適長(zhǎng)度的伸縮撐桿或后期調(diào)整過(guò)程中立柱、環(huán)片和伸縮撐桿之間的互相撞擊阻擋。

4 TSF在足踝創(chuàng)傷手術(shù)中的應(yīng)用

環(huán)形外固定器在治療足踝創(chuàng)傷方面有一定優(yōu)勢(shì)，尤其是開放性骨折不適合采用內(nèi)固定治療時(shí)，或者pilon 骨折等軟組織損傷非常嚴(yán)重時(shí)[18]，環(huán)形外固定器具有保護(hù)軟組織、減少感染發(fā)生率以及患者可以早期負(fù)重等優(yōu)點(diǎn)。TSF 和Ilizarov 外固定器都是基于Ilizarov技術(shù)治療外傷后畸形，一般認(rèn)為3個(gè)半針和1 個(gè)張力鋼針可提供最低穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。隨著骨折的逐漸復(fù)原，逐漸移除半針和鋼針，從而達(dá)到動(dòng)力化而預(yù)防再次骨折。應(yīng)用TSF治療骨折時(shí)，可以采用兩種不同的辦法進(jìn)行安裝：①環(huán)先法，每個(gè)環(huán)都獨(dú)自安裝并垂直于骨段（近端環(huán)垂直于近骨段，遠(yuǎn)端環(huán)垂直于遠(yuǎn)骨段），手法將兩環(huán)恢復(fù)至平行以復(fù)位骨折，然后再通過(guò)6個(gè)伸縮撐桿連接2個(gè)環(huán)，最后通過(guò)電腦計(jì)算將骨折殘留畸形進(jìn)行微調(diào)復(fù)位；②改良環(huán)先法，先用6個(gè)伸縮撐桿連接2個(gè)環(huán)，但伸縮撐桿并不鎖上，然后每個(gè)環(huán)獨(dú)自安裝并垂直于骨斷段（近端環(huán)垂直于近骨端，遠(yuǎn)端環(huán)垂直于遠(yuǎn)骨端），然后鎖緊伸縮撐桿，最后通過(guò)電腦計(jì)算讓兩環(huán)逐漸牽張至兩環(huán)平行，復(fù)位骨折[19,20]。

5 Ilizarov外固定器和TSF在足踝部的應(yīng)用比較

Ilizarov 技術(shù)從20 世紀(jì)80 年代開始在世界范圍內(nèi)得到推廣和應(yīng)用，對(duì)肢體矯形和肢體延長(zhǎng)學(xué)科做出了重要貢獻(xiàn)[21]。在過(guò)去二三十年間，從最初的單邊外固定器、環(huán)形外固定器到計(jì)算機(jī)輔助環(huán)形外固定器，凸顯了科技在矯形外科的重要作用。過(guò)去十年間，越來(lái)越多的文獻(xiàn)報(bào)道TSF在足踝矯形中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，足以說(shuō)明TSF在足踝外科越來(lái)越受歡迎和重視。

Ilizarov 外固定器在足踝矯形的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，TSF 能否達(dá)到同樣甚至更優(yōu)的效果，學(xué)術(shù)界尚有爭(zhēng)議。兩者均為矯形的工具，原理和理念均基于經(jīng)典Ilizarov 技術(shù)的DO 生物學(xué)理論，但兩者各具特點(diǎn)。TSF 相較Ilizarov 外固定器的優(yōu)勢(shì)：①Ilizarov 外固定器矯正軸向扭轉(zhuǎn)和側(cè)向平移畸形有一定困難[22]，常需更換鉸鏈改變構(gòu)型，對(duì)于足踝部位而言，構(gòu)型調(diào)整更為復(fù)雜，而TSF 和TL-Hex、Ortho-SUV 等其他六軸外固定器的最大優(yōu)勢(shì)是省去了構(gòu)型調(diào)整。只要是單頂點(diǎn)的畸形，無(wú)論三維畸形多么復(fù)雜，即使有軸向扭轉(zhuǎn)和側(cè)向平移，TSF的構(gòu)型也無(wú)需改變。②Ilizarov外固定器對(duì)于鉸鏈點(diǎn)的安放和推拉方向有嚴(yán)格要求和講究，調(diào)整過(guò)程中如果偏差過(guò)大可能出現(xiàn)側(cè)向移位或軸向壓縮，足踝部位的矯形多為跨關(guān)節(jié)的，這種側(cè)向移位或軸向壓縮很可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)脫位或軟骨擠壓而造成嚴(yán)重后果。如馬蹄內(nèi)翻足的矯正過(guò)程容易出現(xiàn)前脫位，Ilizarov 外固定器常需改變構(gòu)型或推拉方向來(lái)解決，而TSF只需在軟件中加入側(cè)向平移的參數(shù)更新方案即可輕松解決。③TSF 可以出具帶有明確日期及讀數(shù)的方案，患者調(diào)整更為容易且不易出錯(cuò)，隨訪復(fù)查也更為簡(jiǎn)單，可以減少術(shù)后住院時(shí)間。而Ilizarov 外固定器由患者自行調(diào)節(jié)的難度大，可能會(huì)延長(zhǎng)住院時(shí)間。

TSF 相較Ilizarov 外固定器的劣勢(shì)：①空間排布：TSF的矯形嚴(yán)格要求基本單元是2個(gè)全環(huán)或2/3環(huán)首尾連接6 根伸縮撐桿，不可使用半環(huán)，桿的數(shù)量位置也不能隨意更改，不如Ilizarov 外固定器自由靈活，對(duì)空間要求更大。在股骨、脛腓骨等長(zhǎng)骨畸形中并不凸顯，而足踝部的空間狹小并常有多處畸形，需要連接兩套及以上的TSF，穿針、連接環(huán)片、安放撐桿時(shí)容易互相牽制和影響。安裝好環(huán)片后使用最短的撐桿都無(wú)法連接，或是勉強(qiáng)連接后調(diào)整過(guò)程中桿的長(zhǎng)度需要調(diào)整至59 mm 以下，而此時(shí)軟件無(wú)法完成調(diào)整，常見于TSF 對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型或TSF 斜接串聯(lián)構(gòu)型；TSF 并聯(lián)構(gòu)型的前足和后足環(huán)片或立柱之間容易發(fā)生撞擊而阻礙調(diào)整。糖尿病足或創(chuàng)傷后遺癥畸形的足大小正常、空間夠用，而先天足畸形的足本身就很小，且多套TSF 安裝起來(lái)更有難度，常需要根據(jù)不同畸形頂點(diǎn)用單套TSF 分步調(diào)整。②踝關(guān)節(jié)活動(dòng)：TSF 在完成矯形后進(jìn)行踝關(guān)節(jié)活動(dòng)并不容易，TSF 常規(guī)踝構(gòu)型可采取松開快裝連接撐桿的鎖扣進(jìn)行活動(dòng)，但無(wú)法保持踝關(guān)節(jié)在牽開狀態(tài)，有可能造成軟骨擠壓，且患者疼痛常較為明顯，應(yīng)更換鉸鏈進(jìn)行活動(dòng)；TSF 對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型、TSF 斜接串聯(lián)構(gòu)型或TSF并聯(lián)構(gòu)型要進(jìn)行踝關(guān)節(jié)活動(dòng)比較困難，常需要長(zhǎng)時(shí)間跨關(guān)節(jié)固定，可能造成術(shù)后關(guān)節(jié)僵硬。③負(fù)重行走：除TSF 常規(guī)踝構(gòu)型，TSF 對(duì)接串聯(lián)構(gòu)型、TSF 斜接串聯(lián)構(gòu)型或TSF 并聯(lián)構(gòu)型在矯形過(guò)程中很難下地負(fù)重行走，容易造成骨質(zhì)疏松。④拍攝X 線片：TSF 無(wú)需安裝實(shí)體鉸鏈，其使用的是X 線片測(cè)量的虛擬鉸鏈，因而對(duì)攝片要求很高。股骨、脛腓骨等長(zhǎng)骨矯形時(shí)空間開闊，X 線遮擋不嚴(yán)重，容易定位虛擬鉸鏈，相比Ilizarov 外固定器的實(shí)體鉸鏈更為準(zhǔn)確；足踝部位如果采用兩套以上的TSF，狹小的空間范圍有大量金屬遮擋物，很難看清骨質(zhì)和關(guān)節(jié)輪廓，而且嚴(yán)重畸形的足部在攝片時(shí)難以投照到正常角度，造成虛擬鉸鏈定位困難，可能反而不如Ilizarov 外固定器的實(shí)體鉸鏈準(zhǔn)確。⑤花費(fèi)：通常情況下，TSF 相比Ilizarov外固定器價(jià)格更高。

Ilizarov外固定器和TSF因其自身結(jié)構(gòu)和原理的不同，在足踝矯形中各有所長(zhǎng)。Ilizarov外固定器用于足踝矯形的效果已毋庸置疑，而TSF在足踝矯形的應(yīng)用指征仍在探索之中。對(duì)于足踝的單頂點(diǎn)畸形（如單純的馬蹄內(nèi)翻足畸形），TSF常規(guī)踝構(gòu)型的矯形能力確實(shí)不亞于Ilizarov外固定器，但在矯形過(guò)程中如何活動(dòng)踝關(guān)節(jié)仍有待進(jìn)一步探索改進(jìn)；對(duì)于多頂點(diǎn)畸形，想要通過(guò)TSF串聯(lián)構(gòu)型或TSF并聯(lián)構(gòu)型進(jìn)行矯形而達(dá)到類似Ilizarov外固定器的效果，仍需臨床上的進(jìn)一步探索和研究。因此，TSF在足踝應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)需要正確、客觀的認(rèn)識(shí)，合理掌握正確的適應(yīng)證，進(jìn)一步改良其矯正復(fù)雜足踝畸形的效果。