数字骨科技术在髋臼骨折手术中的应用

吕厚忠，黄海样，张建春，陈巨鹏

临床研究

数字骨科技术在髋臼骨折手术中的应用

吕厚忠，黄海样，张建春，陈巨鹏

目的探讨数字骨科技术在髋臼骨折手术治疗中的应用价值及其疗效。方法对2009年1月—2011年1月收治的13例髋臼骨折病人应用数字骨科技术，术前将薄层CT扫描数据导入Mimics软件，建立骨盆和股骨近端的三维模型。计算机辅助分析髋臼骨折情况和骨折移位程度，确定合适的手术入路，骨折复位方法、顺序和内固定方法，并在计算机上模拟骨折复位和内固定过程。制作骨盆的快速成型实物模型，据此预弯拟采用的内固定钢板。最后按照计算机辅助模拟的手术方案实施髋臼骨折手术。结果所有患者均获得随访，随访时间6～18个月，平均11.8个月。骨折复位情况根据Matta影像学评分标准：解剖复位10例，复位满意3例；髋关节功能按照Harris评分标准：优9例，良2例，可2例。2例术后1年随访发现股骨头坏死，2例并发创伤性关节炎。结论计算机三维重建、计算机辅助分析和模拟髋臼骨折复位、内固定过程能提高手术的准确性和安全性，在髋臼骨折手术治疗中具有良好的应用价值。

髋骨折；髋臼；骨折固定术，内；计算机辅助设计；快速成型；数字骨科学

随着数字医学技术与骨科领域结合的日益紧密，医学成像处理和建模技术、计算机辅助临床治疗技术以及快速成型技术为骨科疾病的诊断和治疗提供了有效的方法和手段[1-3]。2009年1月至2011年1月，我们借助数字化骨科技术开展13例髋臼骨折手术，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组13例，男9例，女4例，年龄23～56岁，平均39.3岁。致伤原因：车祸伤12例，高处坠落伤1例。骨折类型按Letournel分类[4]：后壁骨折3例，后柱骨折2例，后壁伴后柱骨折2例，T形骨折1例，双柱骨折1例，前壁骨折2例，前柱骨折2例。其中2例伴髋关节后脱位，2例伴髋关节中心性脱位。合并损伤：脑挫伤2例，创伤性休克2例，其他四肢骨折3例，脊柱损伤1例。所有患者术前均行骨盆正位、髂骨斜位、闭孔斜位X线片及CT薄层平扫。

1.2 计算机辅助分析

1.2.1 骨盆CT薄层扫描和三维重建 16排螺旋CT扫描（层厚1.0 mm、层距1.0 mm）获取骨盆的二维图像数据（图1），以DICOM格式刻录至光盘，导入Mimics 10.0软件，通过域值分割、区域增加、修补面罩、计算三维模型，建立骨盆、骨折块以及股骨近端的三维解剖模型（图2）。

1.2.2 计算机辅助分析髋臼骨折移位 进一步分析骨盆、骨折块和股骨近端的三维重建模型：运用可视和隐藏工具独立显示髋臼和骨折块的三维模型；通过旋转和平移工具从任意角度观察髋臼骨折的移位情况，精确定位髋臼骨折的位置和类型；通过镜像工具比较健侧与患侧的髋臼解剖模型，准确掌握骨折块的移位情况。

1.2.3 计算机辅助模拟手术过程 利用骨盆、骨折块的解剖模型，借助Mimics软件的手术模拟模块，在计算机上进行外科手术过程的设计和规划，同时模拟骨折复位和骨折内固定过程（图3），验证手术设计方案的可行性。

1.2.4 快速成型制作 将骨盆、骨折块和股骨近端的三维重建模型以STL格式输出，导入快速成型处理软件后进行再切片、加支撑等处理，最后通过快速成型机制作出骨盆、骨折块和股骨近端的实物模型（图4）。在快速成型原型上实物操演外科手术过程，预弯拟采用的内固定钢板（图5）。

1.3 手术方法

根据术前骨盆、骨折块和股骨近端的三维重建模型，明确髋臼骨折的分型，选择最合适的手术入路。本组采用Kocher-Langenbeck入路7例，髂腹股沟入路4例，Kocher-Langenbeck入路联合髂腹股沟入路2例。充分显露髋臼骨折部位，按照术前计算机辅助设计和模拟所确定的方案，实施骨折块撬拨、复位，髋臼复位钳或克氏针临时固定后，恢复髋臼关节面的解剖结构，选择术前预弯的内固定钢板进行植入固定。

1.4 术后处理

术后常规应用广谱抗生素预防感染，术后当天即开始行双下肢关节屈伸和肌肉收缩功能锻炼，预防下肢深静脉血栓形成。术后患者行皮牵引或穿丁字鞋约2周，6～8周后开始不负重的主动关节活动，8～12周后逐渐开始扶拐部分负重行走，完全负重活动时间根据复查X线片结果，视骨折愈合情况确定。

2 结果

图1 髋臼CT扫描二维图像数据

图2 骨盆、骨折块和股骨近端的三维解剖模型

所有患者术后2周复查X线片，按照Matta标准[5]评定骨折复位情况：移位＜1 mm为解剖复位，1～3 mm为满意复位，＞3 mm为不满意复位。本组解剖复位10例，满意复位3例。

图3 计算机辅助模拟分析骨折移位及骨折复位模拟手术

图4 应用快速成型技术制作骨盆的树脂实物模型

图5 术前在快速成型模型上预弯钢板

所有患者均获得随访，随访时间6～18个月，平均11.8个月。随访期间髋关节功能按照Harris评分标准[6]：优9例，良2例，可2例。2例术后1年随访发现股骨头坏死，二期行全髋关节置换术；2例创伤性关节炎，经口服阿司匹林、局部红外线照射等保守治疗后症状缓解。典型病例见图6。

3 讨论

3.1 计算机辅助三维重建在髋臼骨折分型的应用价值

图6 数字技术在右髋臼陈旧性骨折手术的应用（男性，22岁）6A术前X线片 6B，6C骨盆三维重建前后视图 6D，6E骨盆前后视图（股骨头隐藏）6F～6I模拟复位前后上下视图 6J术后2周X线片

如何准确判断髋臼骨折的分型，对于髋臼骨折的外科治疗尤为重要。由于髋臼解剖结构复杂，传统的X线检查容易受到影像重叠的影响，难以完整观察骨折整体的移位情况[7]。采用CT对骨盆进行薄层扫描、三维重建，并利用影像工作站建立三维重建骨盆的解剖模型，是目前髋臼骨折分型诊断的主要方法[8]。然而，螺旋CT重建的骨盆三维模型受到股骨头的遮挡，因此难以清晰观察髋臼关节面的骨折移位情况。

计算机辅助三维重建技术的发展为髋臼骨折分型的确定提供了新的方法和工具[9]。Reddix等[2]对复杂双柱髋臼骨折（伴垂直不稳定骨盆）进行三维重建，通过计算机辅助规划工具——TraumaCAD全面了解损伤本质，在此基础上制定正确的术前方案。我们借助计算机辅助三维重建技术建立骨盆、骨折块和股骨近端的三维解剖模型，通过关节解体方法将股骨头去除，只保留髋臼，避免了股骨头的遮挡，更清晰地显示关节内骨碎片以及骨折方向和移位程度；同时在计算机上可从髋臼骨折的任意方位、任意角度观察骨折的位置和移位情况，为髋臼骨折，尤其是复杂髋臼骨折的准确分型提供可靠的依据，从而帮助医师对髋臼的解剖结构、病理损伤机制及损伤后改变有全面的理解和认识，为制定髋臼骨折的治疗方案提供参考。

3.2 计算机辅助技术在髋臼骨折手术模拟的应用价值

凭借计算机辅助技术，可以对髋臼骨折块模型进行分析和测量，并以健侧骨盆的镜像体模型作为骨折复位的标准，模拟骨折块的复位方法和顺序，以及钢板内固定、螺钉置入等操作，选择合适长度的钢板和螺钉，为手术入路的选择以及手术方法的确定提供直观充分的依据。

Citak等[10]对比研究基于三维虚拟复位手术与基于传统二维数据的两种手术规划对髋臼骨折手术复位时间和复位准确性方面的影响，结果显示，虚拟手术能潜在提高术者在真正实施手术时的复位准确率，缩短复位时间。丁焕文等[11]将计算机辅助技术应用于特殊疑难骨折、关节内骨折、陈旧性骨折的分析、模拟复位和固定手术过程，并制作手术辅助模板引导骨折的复位和固定，取得满意的临床效果。本研究基于骨盆、骨折块的三维重建模型，模拟髋臼骨折复位及内固定过程，直观掌握骨折需要复位的程度，明确置入物的选择以及内固定的位置，并了解实际手术中可能遇到的问题，在术中完全按照事先模拟的手术过程进行操作，13例手术均顺利完成，髋臼骨折手术的精确性和安全性大大提高。

3.3 快速成型技术在髋臼骨折外科治疗中的作用

国外学者Deshmukh等[12]运用快速成型技术进行复杂髋臼骨折的术前规划与模拟，认为骨折块模型可以帮助确定手术方案，模拟手术过程并节省手术时间；Hurson等[13]将快速成型（选择性激光烧结）技术用于20例髋臼骨折手术，结果发现，实物大小的髋臼骨折模型对外科医师正确理解复杂骨折的性质有很大帮助，同时还可有效降低观察者(尤其是经验欠缺者)在骨折分类方面判定差异的程度，价格也相对低廉。

国内涂强等[9]将计算机辅助设计-快速成型技术应用于6例复杂骨盆骨折的诊断和治疗，认为该技术能够全面、直观、精确地显示骨盆的立体形态和各部位解剖结构的空间关系；胡学峰等[14]对31例骨盆及髋臼骨折进行CT影像扫描和三维重建，并于术前制作出与实体1∶1大小的骨盆模型，用以指导对患者的手术治疗，结果证实，利用快速成型技术制作的骨折模型仿真性好，具有很强的临床指导作用。

本组研究中，术者可以在RP模型上按照计算机辅助模拟确定的手术方案，实施髋臼骨折复位和内固定的实物模拟操作，验证计算机辅助模拟手术方案的准确性和有效性；并对预先确定的钢板进行预弯、塑形，明确合适的内固定置入位置，并确定螺钉的拧入方向；同时，骨盆的RP实物模型可在手术实施过程中对髋臼骨折的定位、复位和固定提供额外的导向作用，减少了软组织损伤及出血，缩短了手术时间，术后随访X线片显示预制钛板固定牢靠，手术效果满意。Murphy等[15]认为骨折的不良复位（移位＞3 mm）将直接影响治疗的结果。本组13例均获得满意复位，优良率达84.6%，可见数字骨科技术对提高髋臼骨折患者的解剖复位率、减少手术创伤、缩短手术时间及降低术后并发症等方面具有非常重要的指导意义。但在目前条件下，数字骨科技术需要骨科医生具有丰富的临床经验，深刻理解局部解剖结构，还要熟练掌握Mimics、CAD等数字骨科软件操作技巧，这在一定程度上限制了其在临床上的广泛应用。

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The application of digital orthopedic techniques in acetabulum fracture treatment

Lv Houzhong,HUANG Haiyang,ZHANG Jianchun,CHEN Jupeng.Department of Orthopaedics,Pengpai Remembrance Hospital of Haifeng county,Shanwei,Guangdong 510010,China.

ObjectiveTo evaluate the application and therapeutic effect of digital orthopedic techniques in the treatment of acetabulum fracture.MethodsThirteen patients with acetabulum fractures were treated surgically from January 2009 to January 2011.Data of lamellar CT scanning were imported into Mimics software,and 3D anatomical models of pelvic and proximal femur were reconstructed.Computer-assisted analysis were carried out to understand the condition of fractures and degrees of dislocation,to choose appropriate operative approaches, reduction methods,sequence as well as fixation,and to simulate reduction and fixation procedures on the computer.Plates were pre-bended based on the entity models made by rapid prototyping.Operations for acetabulum fractures were performed according to sugical planning based on computer-aided simulation.ResultsAll patients were followed up from 6 to 18 months,with the average of 11.8 months.According to Matta imaging score,anatomical reduction achieved in 10 cases and satisfying reduction in 3 cases.According to Harris score,there were 9 cases of excellent,2 cases of good and 2 cases of fair.Femur head necrosis was found in 2 cases after one year's follow-up,and traumatic arthritis occurred in 2 cases.ConclusionWith the help of digital orthopedic techniques of 3D computer reconstruction,computer assisted analysis and computer simulation of reduction and fixation,we can promote the accuracy and safety in the acetabulum fracture treatment.

Hip fractues;Acetabulum;Fracture fixation,internal;Computer aided design;Rapid prototyping; Orthopedics

R323.4，R687.32

A

1674-666X(2011)03-0193-06

2011-08-13；

2011-09-03）

（本文编辑 白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2011.03.007

516400汕尾，海丰县彭湃纪念医院骨外科

E-mail：happyking1978@21cn.com