三維重建技術(shù)在Pilon骨折術(shù)前規(guī)劃中的應(yīng)用進(jìn)展

韓昕倬，韓大成，周玥鈞，劇鑫婕，李吳碧

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，北京 101199)

Pilon骨折是一種由垂直暴力或合并扭轉(zhuǎn)暴力累及脛距關(guān)節(jié)面的脛骨遠(yuǎn)端骨折，占脛骨各類(lèi)骨折總數(shù)的5%～7%[1]，常伴有關(guān)節(jié)面爆裂塌陷、干骺端粉碎和壓縮，骨折周?chē)浗M織損傷嚴(yán)重[2]。目前，臨床上對(duì)于Pilon骨折以手術(shù)治療為主，治療目標(biāo)是恢復(fù)關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)與垂直力線，實(shí)現(xiàn)骨折愈合與無(wú)痛負(fù)重[3]。但Pilon骨折治療對(duì)復(fù)位和固定要求較高，既要求對(duì)位對(duì)線良好，又要求關(guān)節(jié)平面平整，同時(shí)需要維持穩(wěn)定、利于早期功能鍛煉。因此，Pilon骨折的術(shù)前規(guī)劃(包括手術(shù)適應(yīng)證的把握、骨折分型的判斷、相關(guān)結(jié)構(gòu)的測(cè)量、內(nèi)固定物的設(shè)計(jì)和植入方法、手術(shù)入路的選擇等)可降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、并發(fā)癥發(fā)生率，提高踝關(guān)節(jié)功能優(yōu)良率，是手術(shù)治療成功的關(guān)鍵。三維重建技術(shù)是依托軟件實(shí)現(xiàn)立體化重建和手術(shù)模擬的技術(shù)(使用最為廣泛的軟件是Mimics)，已成為骨科手術(shù)技術(shù)創(chuàng)新的熱點(diǎn)。該技術(shù)在Pilon骨折的手術(shù)治療領(lǐng)域也有了一定的實(shí)踐，主要包括三維重建技術(shù)的術(shù)前規(guī)劃、三維建模技術(shù)在Pilon骨折微創(chuàng)手術(shù)方面的應(yīng)用、三維重建與3D打印技術(shù)的結(jié)合用于個(gè)體化骨折手術(shù)等。現(xiàn)就三維重建技術(shù)在Pilon骨折分型、植入物測(cè)量與設(shè)計(jì)、手術(shù)入路選擇、術(shù)前仿真模擬等方面的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 三維重建技術(shù)在Pilon骨折分型中的應(yīng)用

骨折分型是骨折治療方案的制訂和預(yù)后判斷的重要依據(jù)，采用較為普遍的是“Rüedi-Allg?wer”分型法[4]。楊杰和梁曉軍[5]認(rèn)為由于Pilon骨折的個(gè)體差異較大，術(shù)前準(zhǔn)備中CT及三維重建檢查必不可少，這對(duì)手術(shù)方案的設(shè)計(jì)、切口和固定方式的選擇均有重要意義。影像學(xué)資料是判斷Pilon骨折分型的重要依據(jù)，X線和CT是常用的影像學(xué)方法。X線可清晰地顯示骨折情況和位置，但是存在重疊且密度分辨率低的問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)確判斷骨折類(lèi)型和病情嚴(yán)重程度[6]。CT清晰度高，能清晰顯示骨折的碎裂情況、碎骨塊的數(shù)量與位置、軟組織結(jié)構(gòu)等。然而，對(duì)于復(fù)雜的踝關(guān)節(jié)重度骨折，常規(guī)CT檢查無(wú)法全方位、多角度地顯示骨折情況，影響臨床治療方案制訂的有效性。

目前，國(guó)內(nèi)外醫(yī)療界普遍使用多排螺旋CT進(jìn)行三維重建，其能夠彌補(bǔ)二維影像的技術(shù)限制，獲得立體圖像檢查結(jié)果。但由于踝關(guān)節(jié)骨折比較復(fù)雜，多排螺旋CT三維重建技術(shù)形成的圖像分辨率存在差異，不可避免地導(dǎo)致誤差[7]。Mimics軟件可提升CT三維重建的精確性，在骨折分型中發(fā)揮重要作用。楊林等[8]利用Mimics 10.01軟件對(duì)18例Pilon骨折患者的CT結(jié)果進(jìn)行三維重建，通過(guò)建立的數(shù)字模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，術(shù)后根據(jù)美國(guó)骨科協(xié)會(huì)足踝外科分會(huì)踝與后足評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示優(yōu)良率為94.44%。認(rèn)為CT三維重建技術(shù)可以重建骨折內(nèi)部結(jié)構(gòu)，精確顯示骨折塊之間的空間位置，由此精準(zhǔn)分型。Li等[9]對(duì)84例Pilon骨折患者進(jìn)行分組對(duì)照研究，試驗(yàn)組術(shù)前采用CT三維重建技術(shù)進(jìn)行骨折分型后再行手術(shù)治療，對(duì)照組則采用傳統(tǒng)手術(shù)治療。結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組的手術(shù)時(shí)間縮短、術(shù)中出血量明顯減少、踝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)更好，體現(xiàn)了3D-CT技術(shù)在提高骨折分型與治療方案可靠性方面的作用。上述分析結(jié)果顯示，利用Mimics軟件和CT影像數(shù)據(jù)建立的三維模型可有效彌補(bǔ)X線和CT技術(shù)的不足，可以直觀觀察骨折內(nèi)部情況、骨折線走向、各個(gè)骨折塊解剖形態(tài)和移位情況，而且能觀察與周?chē)M織的關(guān)系，是輔助醫(yī)師對(duì)Pilon骨折進(jìn)行分型的有效工具。

2 三維重建技術(shù)在Pilon骨折植入物中的應(yīng)用

植骨操作與骨折內(nèi)固定系統(tǒng)的選擇需要精確的空間數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)手術(shù)利用二維影像很難獲得踝骨關(guān)節(jié)內(nèi)部的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。Mimics自帶的Tools功能可為Pilon骨折的手術(shù)規(guī)劃提供全面、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，突破了傳統(tǒng)手術(shù)術(shù)前規(guī)劃的瓶頸。

2.1三維重建技術(shù)在Pilon骨折手術(shù)內(nèi)固定物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 加入內(nèi)固定物是不穩(wěn)定骨折與非手術(shù)治療失敗骨折患者的首選治療方法[10]。Pilon骨折是典型的不穩(wěn)定骨折(累及關(guān)節(jié)面)，不僅需要解剖復(fù)位，還需要堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定[11]。由于患者損傷機(jī)制不同，骨折形態(tài)各有差異，通過(guò)三維重建技術(shù)重建Pilon骨折模型進(jìn)行影像學(xué)評(píng)估，對(duì)于正確選擇固定物，模擬術(shù)中固定步驟起重要作用。覃重航等[12]研究Mimics三維建模輔助治療Pilon骨折(Ⅲ型)患者的效果，對(duì)骨折進(jìn)行三維重建后，利用Tools進(jìn)行骨折處容積測(cè)量，計(jì)算相關(guān)骨折復(fù)位、固定等所需信息；此外，還使用Mimics軟件分析釘?shù)赖南嚓P(guān)參數(shù)，進(jìn)行螺釘植入模擬。樊文勃等[13]利用三維建模技術(shù)進(jìn)行個(gè)體化Pilon骨折治療的研究。個(gè)體化骨折治療的關(guān)鍵是獲得骨折斷端、蝶形骨片的形狀及旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可通過(guò)Mimics軟件的Tools獲得。該研究還利用了3D打印技術(shù)，手術(shù)前醫(yī)師利用3D模型設(shè)計(jì)內(nèi)固定物的尺寸、種類(lèi)和形態(tài)，并模擬安裝位置及置入路徑。在手術(shù)中，該3D打印模型還被用于輔助安裝固定物。陳劍等[14]對(duì)70例Pilon骨折患者進(jìn)行了Mippo技術(shù)手術(shù)治療效果的研究，利用數(shù)字模型進(jìn)行骨折復(fù)位、選擇內(nèi)固定物、調(diào)整鋼板位置等模擬手術(shù)流程的操作；根據(jù)模擬和患者實(shí)際情況，制訂手術(shù)方案完成手術(shù)實(shí)施。姜雙雙等[15]在三維重建的骨折模型上，利用導(dǎo)入的各型號(hào)器械進(jìn)行模擬復(fù)位骨折塊，選用合適的內(nèi)固定物進(jìn)行模擬手術(shù)，并根據(jù)模擬手術(shù)結(jié)果和實(shí)際情況進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，然后進(jìn)行鋼板內(nèi)固定手術(shù)。

上述研究案例均證明了三維重建技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)內(nèi)固定物設(shè)計(jì)的有效率高于傳統(tǒng)手術(shù)方法。Pilon骨折復(fù)雜的骨骼形態(tài)數(shù)據(jù)的獲得，使骨折復(fù)位所需的內(nèi)固定物設(shè)計(jì)、選擇和預(yù)置變得更為精準(zhǔn)，減少了由內(nèi)固定物位置不佳甚至失效導(dǎo)致的手術(shù)失敗事件的發(fā)生；利用Mimics軟件對(duì)Pilon骨折的數(shù)字模型相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量，可以獲得傳統(tǒng)方法無(wú)法輕易獲取的骨折形態(tài)相關(guān)參數(shù)，醫(yī)師可更全面地了解骨折特點(diǎn)，更好地進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。傳統(tǒng)骨折手術(shù)治療方法對(duì)骨折情況了解不夠全面，醫(yī)師大多需要多年臨床經(jīng)驗(yàn)的積累才能完成手術(shù)。因此，三維重建技術(shù)有助于縮短醫(yī)師技術(shù)的成長(zhǎng)時(shí)間。

2.2三維重建技術(shù)在Pilon骨折植骨設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 植骨是Pilon骨折手術(shù)中重要的工作環(huán)節(jié)，既能填充骨折復(fù)位后的骨缺損，又可為內(nèi)固定提供支撐點(diǎn)或咬合點(diǎn)，同時(shí)促進(jìn)骨痂形成，建立內(nèi)部穩(wěn)定性。吳富章等[16]在對(duì)粉碎性Pilon骨折的研究中采用大塊髂骨及人工骨植入、結(jié)合解剖形鋼板及外固定器的手術(shù)方法，研究的22個(gè)病例均采用傳統(tǒng)手術(shù)療法，結(jié)果根據(jù)Mazur標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)良率達(dá)77.3%。大塊植骨在粉碎性骨折復(fù)位手術(shù)中的作用不可或缺，孫鴻濤等[17]利用CT三維重建在術(shù)前判斷發(fā)生關(guān)節(jié)面骨缺損的情況，成功地對(duì)19例(22側(cè))脛骨Pilon骨折進(jìn)行了骨移植(采用自體髂骨)，重建脛骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面缺損，并采用手術(shù)內(nèi)固定的方式穩(wěn)定復(fù)位。結(jié)果16例(18側(cè))患者術(shù)后隨訪9～38個(gè)月(平均22個(gè)月)，關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位率達(dá)77.8%(14/18)，骨折愈合率達(dá)94.4%(17/18)，但Mazur標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)良率僅為66.7%(12/18)。上述兩項(xiàng)研究均采取了植骨手術(shù)，分別采用內(nèi)外固定的方式，盡管后者采用了CT三維重建技術(shù)，但是并沒(méi)有在癥狀與功能評(píng)價(jià)方面取得較大突破。其原因是部分Pilon骨折在模擬骨折復(fù)位后常出現(xiàn)干骺端的骨塊缺損，且通過(guò)X線和CT檢查很難準(zhǔn)確計(jì)算填充物。黃儉等[18]對(duì)61例Pilon骨折患者進(jìn)行分組對(duì)照研究，對(duì)照組結(jié)合檢查結(jié)果開(kāi)展內(nèi)固定治療,三維組在對(duì)照組基礎(chǔ)上利用MimicsⅤ10.0軟件進(jìn)行三維實(shí)體重建后開(kāi)展內(nèi)固定治療，結(jié)果顯示，三維組在節(jié)約手術(shù)時(shí)間、12個(gè)月后的療效方面均優(yōu)于對(duì)照組。王小平等[19]研究了三維重建與虛擬術(shù)前規(guī)劃的手術(shù)效果，納入16例Pilon骨折患者，術(shù)前利用Mimics軟件設(shè)計(jì)植骨塊并測(cè)量其體積，作為術(shù)中取骨的參考，結(jié)果顯示美國(guó)骨科協(xié)會(huì)足踝外科分會(huì)踝與后足評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分平均為92.3分；在術(shù)后18個(gè)月的末次隨訪中，優(yōu)良率達(dá)93.8%(15/16)。綜上所述，隨著Mimics等軟件三維建模技術(shù)的提升，可以進(jìn)行術(shù)前模擬、預(yù)先設(shè)計(jì)植骨塊，可在三維模型中將骨折復(fù)位的模型和健側(cè)的模型進(jìn)行對(duì)比，不僅可以形成與缺損面契合的較大植入物形狀，也可以制作較小尺寸植入物，更好地完成關(guān)節(jié)的解剖復(fù)位，以提高治療優(yōu)良率。

3 三維重建技術(shù)在Pilon骨折手術(shù)入路選擇中的應(yīng)用

嚴(yán)重的軟組織損傷是導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率較高的主要原因，因此要求術(shù)前選擇最佳的手術(shù)入路。張憲高等[20]在Pilon骨折手術(shù)入路的綜合研究中，歸納出15種單一入路和聯(lián)合入路的適應(yīng)證、優(yōu)點(diǎn)和局限性，說(shuō)明手術(shù)入路選擇的復(fù)雜性，提出包括三維重建技術(shù)對(duì)Pilin骨折手術(shù)入路的選擇具有重要臨床指導(dǎo)價(jià)值。目前最佳的Pilon骨折手術(shù)入路仍存在爭(zhēng)議，必須根據(jù)骨折的實(shí)際情況進(jìn)行判斷。Mimics軟件功能強(qiáng)大，功能模塊中設(shè)有專(zhuān)門(mén)的模擬功能(Stimulation模塊)，可供醫(yī)師在復(fù)雜的Pilon骨折手術(shù)前進(jìn)行反復(fù)的模擬操作，提高最佳手術(shù)入路選擇的準(zhǔn)確性。

黃宏宇等[21]認(rèn)為手術(shù)入路取決于骨折形態(tài)及植入物的位置，前內(nèi)側(cè)與后外側(cè)雙入路是常用的手術(shù)入路，并且強(qiáng)調(diào)在兩切口之間至少應(yīng)距離7 cm。在其對(duì)30例Pilon骨折患者進(jìn)行的分組對(duì)照研究中，利用Mimics 10.01軟件三維重建解剖復(fù)位及功能復(fù)位的成功率高于常規(guī)未利用三維建模組。孫少彬[22]對(duì)42例閉合Pilon骨折患者進(jìn)行研究，利用Mimics 21.0軟件將CT原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中進(jìn)行三維重建，獲得患肢蒙版模型。利用分割后的骨折塊蒙版的測(cè)量觀察和模擬復(fù)位，確定手術(shù)入路，結(jié)果利用Mimics建模的患者在手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量、解剖復(fù)位率和優(yōu)良率方面效果均優(yōu)于利用X線和CT+三維檢查的患者，但是在術(shù)后踝關(guān)節(jié)切口感染發(fā)生率、骨折愈合時(shí)間方面未表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。而且該研究并沒(méi)有詳細(xì)探討手術(shù)入路，但提出骨折骨塊間軟組織在術(shù)中對(duì)視野的影響較大，在Mimics模型下設(shè)計(jì)的手術(shù)入路可能在實(shí)際操作過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。

綜上，Mimics軟件的三維重建技術(shù)在術(shù)前為醫(yī)師提供接近真實(shí)的數(shù)字模擬功能(Stimulation模塊)，幫助醫(yī)師進(jìn)行手術(shù)入路的選擇，可以減少不必要的術(shù)中動(dòng)作和軟組織剝離，在精準(zhǔn)復(fù)位關(guān)節(jié)面骨塊的同時(shí)，兼顧軟組織保護(hù)，從而減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。但這種模擬功能與實(shí)際手術(shù)中的環(huán)境仍有差異，需要在術(shù)前充分考慮視野受阻時(shí)的手術(shù)預(yù)案。

4 三維重建技術(shù)在Pilon骨折手術(shù)模擬中的應(yīng)用

三維重建技術(shù)的模擬技術(shù)(如Stimulation模塊)對(duì)術(shù)前規(guī)劃工作有很大幫助。張濤[23]利用Mimics 19.0軟件對(duì)18例Pilon骨折患者進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)研究，根據(jù)Mimics組9例患者的原始CT數(shù)據(jù)三維重建患肢骨折數(shù)字化模型，并對(duì)其進(jìn)行術(shù)前模擬復(fù)位，指導(dǎo)術(shù)中復(fù)位應(yīng)用及內(nèi)固定的置放；對(duì)照組9例患者采用常規(guī)診療程序。結(jié)果表明，Mimics組的平均手術(shù)時(shí)間短于對(duì)照組，認(rèn)為利用Mimics對(duì)患肢進(jìn)行三維重建后的數(shù)字模型進(jìn)行模擬復(fù)位可以縮短手術(shù)時(shí)間。強(qiáng)敏菲等[24]利用基于CT三維重建技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助術(shù)前計(jì)劃(computer-assisted preoperative planning,CAPP)對(duì)27例Pilon骨折患者進(jìn)行手術(shù)模擬和虛擬手術(shù)規(guī)劃，通過(guò)CAPP技術(shù)模擬復(fù)位術(shù)前判斷單獨(dú)使用脛骨遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)鋼板聯(lián)合拉力螺釘?shù)目尚行?，結(jié)果表明術(shù)前規(guī)劃的內(nèi)固定方式可行、手術(shù)時(shí)間縮短、術(shù)后踝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)優(yōu)于術(shù)前。說(shuō)明基于三維重建技術(shù)的CAPP技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行手術(shù)模擬以進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)，且療效滿意。

三維重建技術(shù)可通過(guò)3D打印技術(shù)，共同應(yīng)用于手術(shù)模擬中進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，提高手術(shù)質(zhì)量。王穎等[25]通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量的方法研究發(fā)現(xiàn)，Mimics軟件從2005年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)到現(xiàn)在仍處于發(fā)展時(shí)期，一方面是因?yàn)檐浖?yīng)商不斷優(yōu)化軟件功能，不斷加強(qiáng)本土化的語(yǔ)言環(huán)境；另一方面是因?yàn)?D打印技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了Mimics的發(fā)展，3D打印技術(shù)可以打印1∶1的三維立體模型，可使復(fù)雜的各種骨折的診療方法更加直觀、精確，并可執(zhí)行個(gè)性化治療。3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用是建立在患者的三維模型基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)建模軟件(Mimics)導(dǎo)入患者影像學(xué)數(shù)據(jù)建立三維模型[26]，最后輸入打印設(shè)備，打印出實(shí)體模型，供術(shù)前模擬等工作使用。岑怡彪等[27]對(duì)80例Pilon骨折患者進(jìn)行分組對(duì)照研究，對(duì)照組(40例)給予常規(guī)X線、CT三維重建結(jié)合手術(shù)醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)行內(nèi)固定術(shù)治療，觀察組(40例)則行以Mimics為基礎(chǔ)的三維重建聯(lián)合3D打印技術(shù)完成術(shù)前手術(shù)模擬，規(guī)劃患者的內(nèi)固定術(shù)治療方式。結(jié)果顯示，觀察組患者手術(shù)時(shí)間短于對(duì)照組，踝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)優(yōu)良率高于對(duì)照組(90.00%比77.50%)，說(shuō)明Pilon骨折患者術(shù)前采用三維重建聯(lián)合3D打印技術(shù)應(yīng)用效果更優(yōu)。李靖等[28]探討了二維掃描圖像轉(zhuǎn)換成可打印的模型的技術(shù)處理方法、不同3D打印設(shè)備精度與打印速度、3D打印技術(shù)在術(shù)前規(guī)劃工作中的益處，認(rèn)為3D打印技術(shù)可以推動(dòng)醫(yī)學(xué)向精細(xì)化、個(gè)性化、遠(yuǎn)程化、微創(chuàng)化的數(shù)字醫(yī)學(xué)方向發(fā)展。但3D打印技術(shù)存在設(shè)備材料昂貴、流程復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)等缺點(diǎn)[29]，導(dǎo)致其臨床應(yīng)用受限。向丹和李玉玫[30]認(rèn)為，三維重建模擬手術(shù)操作可以直觀展示患者的骨折部位、移位類(lèi)型和程度，并準(zhǔn)確評(píng)估病情，可以使用不同的手術(shù)方案進(jìn)行術(shù)前模擬，確保手術(shù)順利完成，以保證患者獲得較好的預(yù)后?？傊?，三維重建技術(shù)聯(lián)合3D打印技術(shù)、Mimics軟件(Stimulation模塊)的模擬功能、CAPP技術(shù)均存在一定的缺點(diǎn)，仍有較大的技術(shù)發(fā)展空間。

5 小 結(jié)

三維重建技術(shù)已成為國(guó)際醫(yī)療界關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)，正在改變傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的工作方法，未來(lái)將在精確定位手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)等方面帶來(lái)更多的技術(shù)變革。然而，目前三維重建技術(shù)在Pilon骨折術(shù)前規(guī)劃領(lǐng)域的研究中仍存在樣本量過(guò)少的問(wèn)題，而操作過(guò)程中追求絕對(duì)牢固固定而過(guò)度增加內(nèi)固定鋼板與螺釘?shù)闹踩?，延長(zhǎng)止血帶使用時(shí)間、增加使用次數(shù)可導(dǎo)致手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率升高。因此，未來(lái)需要多中心、大樣本的研究，更為全面的醫(yī)療效果對(duì)比來(lái)支持三維重建技術(shù)在Pilon骨折術(shù)前規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用。