数字化技术辅助治疗复杂髋臼骨折

胡翰生, 邓玉刚, 熊传芝, 颜连启, 虞堂云, 陶玉平, 卢志华

(1. 江苏省苏北人民医院 骨科, 江苏 扬州, 225000;2. 新疆维吾尔自治州新源县人民医院 骨科, 新疆 伊犁, 835800)

骨折复位不良，螺钉误入髋臼是髋臼骨折内固定手术后预后不良的常见原因，如何准确复位和精确的确定钢板、螺钉最适合的位置，控制进钉的方向是复杂髋臼骨折复位内固定术的难点和研究热点[1-3]。数字化技术辅助手术已经在椎弓根螺钉植入术、全膝、全髋关节置换术等手术的术前计划和术中定位中展现了重要作用，受此启发，作者通过三维建模软件进行内植入物精准化数字建模、全数字环境模拟复位、内固定手术，指导术中骨折复位、钢板塑形、钢板、螺钉的精准安放，并于术后对骨折复位三维重建再评价，探索了数字化技术在辅助髋臼骨折手术治疗中的途径和方法。

1 材料和方法

1.1 髋臼骨折的三维建模与模拟复位

选取髋臼骨折病例18例，男17例，女1例，平均48.6岁，按Letournel分类，前柱骨折3例，后柱骨折2例，后壁骨折4例，后壁加后柱骨折4例，横行加后柱骨折2例，双柱骨折3例。合并髋关节后脱位7例，中央性脱位2例，坐骨神经损伤2例。使用GE公司64螺旋CT，对所有病例进行全骨盆薄层扫描，扫描数据以DICOM?格式导入至Materialise公司的交互式医学影像处理软件mimics10.1系统，经过阈值分割，区域增长等操作，分别构建包括各骨折块的髋臼骨折三维模型，通过对骨折块进行三维旋转、平移的功能，对骨折块进行模拟复位，利用二维和三维图像检测复位结果。

1.2 骨折内固定材料的三维建模与模拟固定

按照骨盆重建钢板、螺钉的尺寸，在solidwork软件内建立不同长度钢板及螺钉模型，螺钉模型长度与术中一致按2 mm递增，不同长度的螺钉用不同颜色标记，以便术中参考时能快速辨认，在复位后的髋臼骨折三维模型上，用mimics三维测量功能测量拟安放钢板的长度、弧度、折弯顶点，并据此用solidwork软件对相应长度的钢板进行折弯。将螺钉、钢板以stl格式导入mimics软件中进行模拟内固定，根据三维图像和透视图确定钢板、钢钉的位置、长度和角度，测量钢板距离骨性解剖标志的距离、不同钉孔螺钉的长度和安全角度。术中根据术前设计折弯钢板，按预定距骨性解剖标志的距离放置钢板，按钉孔位置置入术前设计的对应长度、角度的螺钉。

1.3 术后内固定效果、骨折复位、髋关节功能的评价

按预定方案完成手术后复查X片，骨折线复杂者，钢板螺钉较多且与髋臼位置关系复杂、X片难以观察者术后复查CT三维重建，并导入mimics中，去股骨头处理评估患者术后髋臼骨折复位情况、作三维透视图评价钢板螺钉与髋臼三维空间位置关系，并与术前设计的钢板、螺钉位置进行比较，以评价数字模拟手术的准确性。骨折复位情况按Matta标准进行评判，骨折愈合后髋关节功能按改良Merle d′Aubigné and Postel评分标准评定。

2 结 果

患者均在术后1周内复查X线片及CT，以Matta标准评定髋臼骨折复位情况，解剖复位10例，复位良好6例，复位可2例，所有患者获得随访6～25个月，平均12.3个月，髋关节功能按改良Merle d’Aubigné and Postel评分标准优12例，良4例，可2例，术前坐骨神经损伤者分别于术后3个月、7个月恢复，随访期内未观察到患者发生股骨头坏死、异位骨化。

3 讨 论

髋臼骨折为关节内骨折，复位要求高，但其临近重要血管、神经等易损伤解剖结构，术中显露范围受限，在有限的显露窗口内判断骨折块的旋转、移位方向和复位顺序，需丰富的临床经验和空间想象力，且不同类型的骨折的致伤机制、复位、固定方法有各自个性化特点，所以解剖复位难度大，学习曲线较长。而骨盆形态不规则，钢板的摆放难以服帖、折弯塑形较一般四肢骨折困难，如螺钉长度、角度选择不当，发生螺钉误入髋臼更会导致灾难性后果。提高复位成功率、内固定安全性的关键在于精准的个性化术前计划，而X片、二维CT不能显示骨折块的三维空间关系，普通CT三维重建难以显示骨折复位前后形态对比、内固定与髋臼、骨折块之间的空间关系，因而越来越多的学者认识到数字化技术辅助术前计划的在髋臼骨折治疗中的重要作用[4-7]。

作者通过数字化技术辅助手术治疗复杂髋臼骨折的临床实践，体会到应用计算机辅助设计手术与常规手术比较有以下优点: ① 通过模拟手术复位、内固定骨折，有利于术前分析骨折复位顺序、旋转、移动骨折块的方法，有助于提高复位优良率; ② 术前可在模拟骨折复位后的骨盆三维模型上测量所需钢板长度和折弯塑形的形状，并可以精确的测量折弯的顶点位置、折弯弧度，据此指导术中钢板折弯。通过测量钢板距离骨性解剖标志的距离，术中按骨性解剖标志安放钢板，可确保钢板、螺钉位置正确、有效固定骨折; ③ 精准模拟不同长度、角度的螺钉植入，并通过去除股骨头、骨骼透视功能，可清晰直观地从任意角度观察螺钉与髋臼的关系，有助于显著减少螺钉进入髋臼风险，从而提高疗效。以上模拟手术复位、内固定的功能是普通CT三维重建所不能实现的，能为术前计划提供非常有价值的信息; ④ 通过术前分析骨折块移位的特点和复位的方法，制定手术入路和术中复位时需显露的范围，制定复位和内固定计划，能有效缩短手术时间，减少剥离软组织，从而减少手术创伤[7]; ⑤ 减少医患双方术中的放射线暴露，由于术前对置入钢板和螺钉的位置、角度预先测量，避免了术中反复透视来确定钢板、螺钉与髋臼的关系，只要确定钢板、螺钉与骨性解剖标志的距离正确，基本无需反复透视确认螺钉是否进入髋臼; ⑥ 有利于缩短手术学习曲线，术后可精确检测复位效果，通过三维透视图验证术中放置的螺钉与髋臼关系，通过内固定实际放置位置与术前计划对比，分析、总结手术中定位技巧; ⑦ 三维图像分型较传统的二维图像分型更直观，有利于统一骨折分型[4], 增加对骨折治疗方法、疗效评价、对比的可信度。

目前数字化技术辅助术前计划方案可分为全数字化技术和半数字化技术，半数字化技术是利用CT三维重建骨盆模型后利用快速成型技术打印出骨盆模型，再用实体钢板螺钉模拟手术。全数字化技术是将钢板、螺钉数字化建模，在数字系统内模拟完成骨折复位、数字钢板折弯、数字螺钉置入等全部手术过程。与Brown等学者的半数字化研究方法不同[5-6], 作者选择了全数字化技术来指导手术，认为本方法与半数字化技术相比有以下几个优点: ① 数字化模型建立后可反复使用，不会损坏；无限期保存，不占用任何空间；携带、传输方便；模拟手术过程可无限次重复、修正，十分便于学习、交流、经验总结; ② 直接在数字系统内完成钢板折弯、和螺钉、钢板放置，无需打印骨盆模型后再折弯真实的钢板，无需增加快速成型机、模型的费用和时间，不消耗耗材，且避免了打印模型精度原因造成的计算误差; ③ 数字钢板折弯可任意、反复多次进行，可折弯多块不同长度、不同弧度的钢板来逐一模拟手术、固定，比较、选择最安全可靠的固定方案，避免了反复折弯影响实体钢板强度; ④ 可在数字钢板同一个孔反复试验置入不同长度、角度的数字螺钉，不会损伤模型，还可以通过三维透视图确定螺钉与髋臼的关系，从而选择螺钉的最佳长度和确定安全的进钉角度范围; ⑤ 可进一步导入有限元软件中进一步行手术前后仿真化有限元生物力学分析。

本研究有一定局限性，数字模型尚未能模拟软组织结构，血管、神经与内固定物的位置关系不能显示，模拟骨折复位也未能加入肌肉、韧带的因素。随着数字技术的发展，诸如CT和MRI图像配准及融合技术的成熟，必能实现软组织的数字化，数字模拟技术将为临床实践带来高仿真的术前设计环境，并推动临床技术的跨越式发展。

[1] 高巍, 彭阿钦, 陈百成,等. 髋臼螺钉固定安全性的解剖学研究[J]. 中国矫形外科杂志, 2005, (11): 840.

[2] 毕春. 髋臼区置钉安全性的研究进展[J]. 中华创伤骨科杂志, 2013, 15(8): 231.

[3] BRIFFA N, PEARCE R, HILL A M, et al. Outcomes of acetabular fracture fixation with ten years′ follow-up [J]. The Journal of bone and joint surgery British volume, 2011, 93(2): 229.

[4] 王会祥, 汪方, 王秋根, 等. 骨盆髋臼骨折三维数字化分型系统的建立及其意义[J]. 国际骨科学杂志, 2013, (2): 119.

[5] BROWN G A, MILNER B, FIROOZBAKHSH K. Application of computer-generated stereolithography and interpositioning template in acetabular fractures: a report of eight cases[J]. Journal of orthopaedic trauma, 2002, 16(5): 347.

[6] 程斌, 梁勃威, 丁真奇. 运用计算机辅助设计快速成型技术治疗髋臼骨折的疗效分析 [J]. 中国骨与关节损伤杂志, 2013, (09): 894.

[7] 宋磊, 刘建, 孟国林, 等. CT三维重建技术诊断复杂骨盆及髋臼骨折 [J]. 实用医药杂志, 2004, (01): 9.