数字骨科学在胫骨平台骨折的应用

张莹莹，田京

(1.南方医科大学第二临床医学院，广东 广州 510282；2.南方医科大学第二附属医院珠江医院骨科，广东 广州 510282)

数字骨科学在胫骨平台骨折的应用

张莹莹1，田京2

(1.南方医科大学第二临床医学院，广东 广州 510282；2.南方医科大学第二附属医院珠江医院骨科，广东 广州 510282)

胫骨平台骨折属关节内骨折，多由间接暴力或直接暴力引起，占所有骨折的1.3%[1]，占老年人群骨折的8%[2]，是膝关节创伤中常见的骨折之一。胫骨平台骨折常伴有严重的膝关节韧带，半月板等软组织损伤等[3]，临床表现复杂多变，其复杂的类型变化给治疗带来很大的难度。有研究表明术后10年需要全膝关节置换的患者大约有7.3%[4]，因此正确的术前诊断及明确的骨折分型，对于手术计划的制订和治疗有着至关重要的作用。传统的胫骨平台骨折诊断多是借助X线片、CT扫描等完成的。但由于骨折组织是三维立体的，X线和CT扫描常由于二维局限性不能对骨折结构做出全面判断。

裴国献等[5]在2007年提出数字骨科学，其定义为计算机技术和临床骨科紧密联系的一种新型数字化医疗技术。目前应用于骨科的数字技术主要包括医学影像处理与三维建模技术、三维虚拟仿真与可视化技术、临床计算机辅助设计(computer assisted design，CAD)、计算机辅助制造(computer assisted manufacturing，CAM)技术、有限元技术、手术导航与机器人辅助技术、人体骨肌系统力学仿真技术等[6]。随着计算机技术的发展，数字骨科将数字化新技术与骨科应用紧密结合，具有显著的临床实用性而有别于其他医学计算机虚拟技术[7]。

数字骨科学近十年的迅速发展，为胫骨平台骨折带来新的诊治手段。现就胫骨平台骨折中数字骨科学的应用展开综述。

1 传统诊断

X线片和CT扫描是临床上诊断胫骨平台骨折使用最多的技术。X线片使用快捷、简单，因此是门诊上最常见的初筛手段。对于大部分结构简单的部位骨折，X线片可以明确显示前后位的不同。但是X线发生伪影的概率较高，且影像相互重叠不能很准确地显示关节面的情况，难以对骨折的特征进行全面地诊断分析，对有些移位不明显的劈裂骨折和局限于平台边缘的小块塌陷骨折容易漏诊。此外单凭X线不能准确判断胫骨平台骨折平台塌陷的部位、程度以及关节劈裂移位的程度。与X线片相比，CT扫描在评价粉碎骨折以及压缩骨折上优势较高。但是常规X线片及普通横断面CT扫描通常不能显示微小的骨折和骨折部位，类型，骨折块的移位，关节面的塌陷等情况。而且CT扫描和X线片都只能反应骨折组织的二维结构，不能完全反映骨折组织的结构。因此多与其他技术结合使用。研究表明结合CT和核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)结合可提高分型的准确率[8]，MRI可检查骨折部分的软组织损伤，可增加医师之间对于骨折分型的一致率[9]。Xu等[10]对71 例复杂胫骨平台骨折患者同时运用X线，多排螺旋CT(Multi Slice Spiral CT，MDCT)和MRI诊断，结果证明MDCT和MRI诊断隐匿性损伤比X线具有更高的敏感性。

2 数字骨科技术

2.1 CT三维重建 CT三维重建是指依据MDCT扫描所得影像在计算机软件的处理后建立的组织三维立体图像。依据MDCT三维重建技术，可以立体看到骨折表面的结构[11]。而多排MDCT和容积重组技术能多角度充分显示胫骨平台骨折的详细情况和细微结构[3]，能全面、准确反应胫骨平台骨折的类型、骨块移位的方向和平台塌陷的程度，为复杂的胫骨平台骨折的准确诊断和精确治疗提供了很好的依据。

同时，随着CT三维重建技术的成熟，给胫骨平台骨折的分型也带来了影响。

基于三维成像技术建立了三柱分型[12]将胫骨平台骨折分为零柱骨折、内侧柱骨折、外侧柱骨折、后侧柱骨折、双柱骨折、三柱骨折。这补充了原有的Shatzker分型[13]，尤其是在复杂的胫骨平台后侧粉碎性骨折方面，对于后柱病例的手术入路和钢板的选择方面能提供更准确的依据。Doornberg等[14]人运用统计学讨论了2D和3D技术对胫骨平台骨折分类的影响，证明3D成像可增加医师之间对于骨折类型判断的统一度。Yang等[15]人用CT给525 例后侧胫骨平台骨折的患者进行三柱分型，实验证明依靠CT进行的三柱分型可以更好的诊断不常见的后侧胫骨平台骨折，使放射科医生和骨科医生能较全面地了解骨折程度范围以及分型，为临床制定治疗方案提供了科学全面的依据。

2.2 计算机模拟手术 计算机模拟手术是将CT以及MRI扫描数据输进Mimics等模拟软件进行骨折的三维重建，在电脑上进行模拟手术以及练习，实现人机互动，提前发现术中可能出现的问题，有助于胫骨平台骨折修复的全面的术前评估和规划。且模拟手术可以使骨科医生与参与手术的每一个医生共享手术方案并参与讨论，对手术结果进行预测，从而为患者制定最合适的手术方案。陈羽等[16]对300名患者进行了计算机模拟手术，将CT扫描断层数据以Dicom格式导出，输入Mimics 13.0软件进行三维重建，并对其进行三柱分型。术者依据测量数据，对复杂胫骨平台骨折进行虚拟手术，其中包括复位移位的骨块，估算植骨量，设计植骨模型，并进行虚拟植骨；设计手术方案，包括修复入路、体位及钢板植入数量等。依据模拟手术的数据为患者制订了最合适的手术方案。模拟手术中，记录骨折块的移动和翻转数据有助于手术修复过程中的精准复位。对于塌陷性骨折，小切口联合植骨治疗可预防修复带来的骨量丢失[17]，模拟开窗橇拨复位塌陷的骨块、设计植骨模型，完成术前评估和规划，使医师对开窗部位和修复过程有了的精准把握。章莹等[18]应用计算机-快速成型技术治疗胫骨平台骨折73 例患者，术前采取CT三维重建和计算机模拟，快速成型与个体化标本预手术处理。由于模拟手术能够为临床操作提供准确的数据和丰富的信息，结果与常规手术组相比出血量少，手术时间短，有助于术前个体化手术方案的设计，提高了胫骨平台骨折手术的效率和精确度，减少并发症，降低了风险。Suero等[19]人利用VoXim软件对五种胫骨平台骨折进行了三维重建并且给每个骨块标识不同的颜色，从而清晰而又立体的看到不同骨折各个层面的面貌。但是作者也提出术前进行三维成像所需的时间较长等问题。实验中五个患者按照AO分型被分为A，B，C三型，重建所需的时间平均为174.8 min，96.5 min和227 min。重建花费时间较长，给临床应用带来困难。但是有研究表明利用Mimics软件可以轻松的将CT资料导入计算机，其人性化的工具可以让非专业人员在30 min内建立出三维模型并轻松的实现虚拟手术。因此有学者认为可以将三维重建及虚拟手术技术作为复杂胫骨平台骨折术前规划的常规项[16]。

2.3 人体骨骼快速成形技术和计算机辅助设计制造技术 快速成形技术(rapid prototyping，RP)于20世纪80年代开始发展[20]，是由CAD模型驱动制造任意复杂形状三维物理实体技术的总称。人体骨骼快速成型技术是将骨折CT扫描数据经软件转换格式后，输入RP机即可生成三维实体模型。在胫骨平台骨折方面，主要用于制造骨折模型，个性化植骨以及钢板的设计制造。在复杂胫骨平台骨折的治疗中起到了重要的作用。通过RP技术生产复杂结构的物理模型可以用来协助诊断，手术规划，假体设计以及和患者沟通[21]。Bagaria等[22]就RP在髋臼、股骨内侧髁，跟骨的复杂骨折案例报道，将CT和MRI扫描得到的信息输进RP系统，在CAM技术指导下合成相应假体，可使术者明确骨折线的长度方向以及碎裂的小骨块等骨折状况，对骨折特点有更加形象直观的认识，可以减少手术时间、术中出血和麻醉药用量，从而进一步明确手术方案，而对侧骨折的模型可作为理想恢复的参照物[23]。有研究表明根据力学和核心结构设计的快速成型的组织对于小关节表面的重建和修复具有重要意义[24]。

CAM是指根据计算机产生的CAD结果生成CAM数据加工指令，广泛运用于骨科器械的研发和设计，尤其是在个性化假肢、个性化模板及内固定器材的制造，手术钢板的设计等方面。黄凯等[25]对27 例复杂胫骨平台骨折患者采取数字化个体定制钢板内固定治疗。由计算机辅助设计的钢板与普通钢板相比更加个性化，其与骨的贴合程度更紧密，有利于骨折的恢复。同时，在设计钢板的时候医师也可以根据不同部位骨折程度的不同，设计不同厚度的钢板和应用不同数目螺钉，同时在选择加压孔时也可避开骨折线，增加了钢板使用的灵活性。Hu等[26]在32具尸体上证实了RP技术可提高放置螺钉的安全性。

2.4 有限元技术 有限元技术是指利用电子计算机技术，把复杂、不规则的力学分析对象离散化，形成有限个、按照一定方式相互连接在一起的几何单元体，进行分解计算的一种生物力学分析方法。随着计算机的快速发展，有限元成为处理复杂问题的有效手段，在骨科方面主要用来分析骨的结构，骨折的发生机制以及骨折的固定系统力学。有限元分析的主要步骤是：建立几何模型，定义材料特性，网格化，设置负荷和约束条件，求解和查看结果。传统生物力学实验需要大量的人力物力，并且只反映标本外部力学的变化。而基于三维图像重建后的有限元分析可以利用虚拟实验的变化，不仅可以建立逼真的模型而且可以在不同的实验条件下进行仿真分析，因而广泛应用于检测骨折内部的运动损伤机理以及手术治疗规划，器械的改进和术后评价方面等[27]。有限元技术相比传统的疗效分析，评价有了量化标准，相比之更加的科学，客观性更强。Harrysson等[28]用有限元技术评价和比较传统植入物和基于患者个性化设计的植入物，一个植入物表面是传统的五平面，基于CAD设计的植入物表面是光滑的。研究人员从生物力学的角度分析两者的不同，验证后者关节表面压力分布更加平均。Malakasi等[2]用电脑合成六种不同骨折以及内外固定材料的几何图像后，借助有限元技术比较研究内固定和组合式外固定在治疗胫骨平台骨折的硬度。但是有限元技术模型是建立在正常骨的基础上，各种条件的设定都是处于理想化的状态下，因此结果会产生一定的偏差。并且有限元技术所用的软件价格昂贵，操作复杂难以短时间内掌握，而且国内缺乏载荷和边界条件的标准，这些都是有限元技术在临床骨科应用的障碍。

3 小 结

数字骨科学的各种技术在胫骨平台骨折应用方面有很大的潜力。首先，在诊断方面，X线片在急诊和骨折初筛方面仍然发挥着不可或缺的作用，但是其往往不能显示后侧胫骨平台骨折[29]。单轴CT可以弥补X线片的缺点，可以有效的显示后侧胫骨平台骨折，但是缺乏对骨折立体直观的描述。MRI主要在诊断软组织损伤方面发挥着作用，但是对于医师要求较高。MDCT弥补了二维图像的不足。因此在临床诊断时，根据骨折类型和程度的不同选择不同的检测技术是诊断胫骨平台骨折的关键。其次，在计算机软件的帮助下，我们可以进行术前模拟手术从而提早发现手术过程中可能出现的问题，有助于制定更好的手术方案。这一点也可以用于手术教学中，可将手术思维可视化，便于教学交流。而在相关软件的开发上，在3D成像技术，模拟手术，RP以及有限元分析等方面仍需要投入更大的精力来完善，而廉价，便于操作，快捷则是这类软件发展的方向。在RP和CAM的帮助下，个性化的植入体和钢板将成为未来骨科的发展趋势。并且通过有限元技术的应用，我们可以从生物力学的角度去分析评价器材的性能并修正，也可以从力学方面分析术后恢复的程度，但是这方面相应的统一标准仍是空白，需要学者进一步的研究。

数字骨科学各技术具体临床应用仍处在发展初期，并且受到了昂贵的费用以及耗费时间较长等问题的限制，但是我们仍然可以肯定数字骨科学技术在胫骨平台骨折以及其他骨科疾病方面不可估量的价值。

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1008-5572(2014)11-1005-04

R683.42

：A

高庆峰(1985- )，男，医师，上海交通大学附属第六人民医院骨科，200233。

2014-06-04

作者简介：张莹莹(1993- )，女，本科在读，南方医科大学第二临床医学院，510282。