三维重建及虚拟手术在复杂胫骨平台骨折治疗中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.39.013

摘要/Abstract

摘要：

背景：复杂胫骨平台骨折一直是创伤骨科的难题，全面的修复前评估及合理的修复前规划是临床手术的关键。
目的：探讨三维重建及虚拟手术技术在复杂胫骨平台骨折修复前评估和修复前规划中的应用价值。
方法：修复前将30例胫骨平台骨折患者CT扫描图像数据导入Mimics 13.0软件，建立复杂胫骨平台骨折三维数字化模型，对胫骨平台骨折模型进行三维数据测量，按胫骨平台三柱分型进行重新分型，在三维数字化模型上进行开窗、骨块复位、植骨的虚拟手术。
结果与结论：重建的胫骨平台骨折三维数字化模型可准确反映出骨折特点，并可进行任意角度旋转观察，可以准确的进行三柱分型。Mimics13.0软件施行的胫骨平台骨折开窗、复位、植骨的虚拟手术可以逼真模拟临床手术，并且有效估算植骨量。结果证实，三维重建及虚拟手术技术有利于复杂胫骨平台骨折的修复前评估及规划，应该作为修复前准备的常规项目。

关键词: 骨关节植入物, 骨科植入物, 数字化骨科, 复杂胫骨平台骨折, CT, 三维重建, 三维数字化模型, 三柱分型, 虚拟手术, 修复前评估, 修复前计划, 省级基金

Abstract:

BACKGROUND: Treatment of complex tibial plateau fracture is a difficulty in orthopaedic trauma. Comprehensive assessment and appropriate surgical plan before surgery are the key points of surgery.
OBJECTIVE: To investigate the application value of three-dimensional reconstruction and virtual surgical techniques in assessing and surgical planning of complex tibial plateau fracture before surgery.
METHODS: The CT scan data of 30 patients with tibial plateau fracture were imported into the Mimics 13.0 software to establish the three-dimensional digital models of complex tibial plateau fracture, and three-dimensional measurements and reclassification was performed according to three-column classification were made. Virtual surgeries such as bone window operation, reduction of the fracture and bone grafting were made in these models.
RESULTS AND CONCLUSION: Reconstructed three-dimensional digital models of complex tibial plateau fracture could indicate the characteristics of fracture accurately, could be observed at any direction, and could help doctors to reclassify the fracture according to three-column classification. Virtual surgeries of bone window operation, reduction of the fracture and bone grafting made in computer by Mimics 13.0 were confirmed to be vividly simulate the clinical surgery, and helpful in estimating the amount of bone grafting. Three-dimensional reconstruction and virtual surgical techniques play an important role in assessing and surgical planning of complex tibial plateau fracture before surgery, which should be a conventional step in the management of complex tibial plateau fracture.

Key words: joints, fractures, bone, photographs, knee joint, tibia

中图分类号:

R318

陈羽，宋烜，张海兵. 三维重建及虚拟手术在复杂胫骨平台骨折治疗中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(39): 6940-6945.

Chen Yu, Song Xuan, Zhang Hai-bing. Application of three-dimensional reconstruction and virtual surgery for treatment of complex tibial plateau fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(39): 6940-6945.

图/表（结果） 6

2.1 受试者数量分析 纳入对象30例，无中途退出者，均进入结果分析。

2.2 受试者基线分析 纳入30例患者中，男19例，女11例；年龄23-64岁，平均42岁；受伤原因：车祸伤21例，高处坠落伤6例，重物砸伤3例；按Schatzker分型：Ⅱ型4例，Ⅳ型7例，Ⅴ型8例，Ⅵ型11例；11例合并外侧韧带损伤，8例合并外侧半月板损伤，6例合并前交叉韧带损伤；受伤到接受修复治疗时间1-13 d，平均7.6 d。

2.3 复杂胫骨平台骨折三维数字化模型的鉴定结果 应用Mimics 13.0软件对薄层CT扫描断层数据进行处理，重建出的胫骨平台骨折三维数字化模型，立体感强，可多角度，全方位多层次显示骨折的特征。

各个骨折块经分割后都以不同颜色显示，每个骨折块都是一个可以单独处理的模型，可以单独显示进行全方位的解剖学数据测量，也可以在整个骨折模型中测量移位距离或塌陷距离，可以隐藏以更好的显示被遮挡的兴趣部分，也可以移动翻转虚拟修复复位，见图1A。Schatzker Ⅵ骨折，骨折累及三柱，骨折粉碎，有多块移位骨块，塌陷的骨块位于后外侧平台，大小23.16 mm × 29.81 mm，塌陷高度最高为10.96 mm。

2.4 骨折分型结果 除了Schatzker分型，本组病例均按罗从风等^[14]提出的胫骨平台骨折三柱分型予以重新分型：其中单柱骨折7例，双柱骨折16例，三柱骨折7例。

本组病例Schatzker分型与三柱分型的情况见表1。30例患者有19例(63.3%)骨折累及后柱。其中SchatzkerⅡ、Ⅳ型有54.5%(6/11)累及后柱，在SchatzkerⅤ、Ⅵ型中更是高达68.4%(13/19)。

2.5 修复入路、体位及钢板的选择

前外侧切口适用于外侧柱骨折，改良正中入路或联合后内侧入路用于内侧柱骨折，倒L形入路用于后侧柱骨折，内、外侧柱的骨折一般应用前外侧后内侧联合入路，涉及到后柱的骨折应用采用前外侧联合后内侧或后侧倒L形入路^[18]。

对采用前后联合入路的患者采用漂浮体位，减少术中再次消毒的带来的风险。前外侧采用高尔夫锁定钢板或LISS钢板固定，内侧采用4.5系统T或L形钢板固定，后侧采用3.5系统桡骨远端解剖钢板或强生公司META钢板固定。后侧钢板根据骨折的特征放置在内后侧、外后侧或者正后侧^[19-21]。

2.6 骨折块复位的虚拟手术 在三维数字化复杂胫骨平台骨折建立后，即可以使用Mimics 13.0软件中Simulation模块中的Reposition功能，对各个骨块进行空间移动、旋转达到骨折复位的目的。图1B为1例Schatzker Ⅳ型骨折复位后各个角度观。

2.7 塌陷关节面的开窗、撬拨、复位、植骨的虚拟手术及植骨量的估算 本组有1例Schatzker Ⅱ型骨折，见图2。三维数字化模型显示塌陷的骨块在外侧平台，塌陷骨块大小34.5 mm×13.2 mm，塌陷最深处为 7.2 mm，前外侧劈裂的骨块大小42.2 mm×19.8 mm。翻开前外侧骨块，看到塌陷的关节面，使用顶棒复位骨折块后见塌陷关节面下方骨质缺损，根据缺损情况，设计植骨的骨块，进行虚拟植骨后，骨缺损消失。使用Mimics 13.0软件中Properties指令，得到植骨块的体积信息，为3 529.87 mm³。

2.8 典型病例见图3。

图3所示，患者，女，61岁，车祸伤，合并前后交叉韧带损伤，根据修复前X射线，见图3A，B，分型为Schatzker Ⅳ型，三柱分型为二柱骨折：内侧柱+后侧柱。三维模型显示骨折特征，见图4A：胫骨内侧平台骨折累及后柱伴有塌陷5 mm，髁间隆突骨折伴有塌陷翻转，后侧柱正中约33.21 mm×23.00 mm大小骨折块向前方移位11 mm。修复时选择前内侧切口联合后侧倒L形切口。修复体位选择漂浮体位。钢板选择T型4.5系统锁定钢板放置在前内侧，桡骨远端3.5系统解剖锁定钢板放置在后侧。

修复前虚拟手术复位： ①前内侧切口复位：内侧骨块向前移10 mm，外移2 mm，上移2 mm，头倾7°；髁间旋转骨块内翻50°，外旋15°。②后侧切口复位：后侧骨块向后移12 mm，内旋15°，头仰17°；髁间塌陷骨块向上移5 mm，向前移3 mm，头倾10°，复位后骨折模型见图4B。该病例无负重区骨块塌陷，无需植骨。

患者伤后12 d接受修复治疗，修复时间为3.5 h，修复中出血350 mL。为减少修复创伤及时间，该病例不在负重区的髁间翻转骨片未予复位固定，拟二期关节镜下处理。其余骨块均按修复前规划予以复位，钢板放置在内侧及后侧，修复后X射线见图3C，D。术中未植骨。

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引言

复杂胫骨平台骨折是一种高能量复杂关节内骨折，这种骨折除常伴有严重关节面塌陷并骨缺损、膝关节周围韧带损伤及关节不稳，甚至股骨髁部骨折及半月板损伤，伤后常在较短时间内出现张力性水泡，而这种复杂损伤常需开放修复治疗，不适当的切口选择和过多的软组织暴露容易出现皮肤缺血坏死、感染、切口愈合不良、骨与内固定物外露等并发症，使其致残率高^[1-4] ，并且常伴有疼痛、关节不稳定及创伤性骨关节炎等并发症^[5-6] 。因此它要尽可能解剖恢复关节面的平整^[7-8] ，又要兼顾软组织损伤的控制，而全面的修复前评估及良好的修复前规划可以缩短修复时间，减少修复创伤，是修复成功的关键。
目前修复前对骨折程度的了解大多来自于X射线平片及CT影像。但是这些影像学资料都是二维图像，提供的信息是不完整的，需要医生结合自己的临床经验，具有主观性和差异性，因此修复前常不能制定出完整的骨折复位方案及内固定方案，需要根据术中探查情况取得更多的信息。现在通过CT机自带的软件对骨折进行重建可以得到三维的图像，但是，这种三维影像仅仅是可视化的，提供的信息有限，无法与医生进行互动，无法进行虚拟手术。
目前使用三维重建和虚拟手术来为修复前进行规划已经成为一种发展趋势，并且在整形外科、颌面外科及肝胆外科都有很好的应用^[9-11] ，在骨科一些复杂修复方法，如髋臼翻修的修复前规划也有良好的效果^[12] 。三维重建用于胫骨平台骨折诊断的报道很多，但是使用虚拟手术技术进行修复前规划的报道还很少，实验使用Mimics 13.0软件建立三维数字化模型并进行各种虚拟手术，为复杂胫骨平台骨折修复前评估和规划提供信息。

材料方法

设计：计算机模拟实验。

时间及地点：2009年1月至2011年12月在上海交通大学医学院附属新华医院崇明分院进行。

对象：选择在上海交通大学医学院附属新华医院崇明分院接受诊治的复杂胫骨平台骨折患者30例。

诊断标准： ①胫骨平台骨折按Schatzker分型法进行分型^[13]：Ⅰ型为单纯外侧平台劈裂骨折；Ⅱ型为外侧平台劈裂合并关节面塌陷；Ⅲ型为单纯外侧平台中央压缩骨折；Ⅳ型为内侧平台劈裂，伴或不伴关节面塌陷；Ⅴ型为内外侧胫骨平台同时骨折；Ⅵ型为伴有干骺端与骨干分离的平台骨折。②Schatzker Ⅱ，Ⅴ，Ⅵ型及Ⅳ型中同时伴有骨折劈裂及塌陷的病例定义为复杂胫骨平台骨折。③按三柱分型法对三维骨折模型进行再次分型^[14]。

纳入标准： ①闭合性胫骨平台骨折少于3周。②复杂胫骨平台骨折。

排除标准： ①合并血管神经损伤。②合并膝关节脱位。③开放性骨折。

根据中华人民共和国国务院颁发的《医疗机构管理条例》^[15]，在实验前将实验方案和风险告知患者及家属，并签署知情同意书。

所有患者修复前接受64排螺旋CT检查，格式为Dicom，扫描参数：扫描层厚为0.5 mm，120 kV，76 mA。

方法：

数字化胫骨平台骨折模型的建立：将CT扫描断层数据以Dicom格式导出，输入Mimics 13.0软件，经阈值分割，区域增长，分割出胫骨平台骨折部分，每层图像经选择性编辑和补洞处理，平滑处理，经3D计算建立胫骨平台骨折三维数字化模型^[16]。利用Mimics 13.0软件的分割工具对胫骨平台骨折块进行分割(包括劈裂及塌陷的骨块)，并以不同颜色显示^[17]，建立三维数字化模型。

修复前评估：对骨折三维模型进行观察，使用Mimics 13.0软件的3D测量工具对骨折块分离的距离及关节面塌陷的距离进行测量。以三柱分型对骨折进行重新分型。

虚拟手术及临床修复前规划：以测量数据为依据，进行复杂胫骨平台骨折的虚拟手术，包括复位移位的骨块并记录相关数据，开窗撬拨复位塌陷的骨块，设计植骨模型，并进行植骨，估算植骨量。根据分型设计修复入路、体位及钢板植入数量，根据修复前评估及虚拟手术提供的数据制定最终的方案。

主要观察指标： ①复杂胫骨平台骨折三维数字化模型的观察：在Mimics 13.0软件的3D浏览窗口中对骨折模型进行多角度的观察和测量，观察骨折块的移位方向、关节面塌陷的部位，测量骨折块的大小及移位的距离，测量关节面塌陷的距离。②虚拟手术复位的观察：使用Mimics 13.0软件的进行骨折块复位的虚拟手术，测量复位的入路及骨折块复位移动的距离和角度。③虚拟植骨的观察：对需要植骨的病例，使用Mimics 13.0软件设计植骨块，并测量植骨块的体积。

讨论

3.1 复杂胫骨平台骨折的定义 复杂胫骨平台骨折是高能量的损伤之下导致胫骨平台移位明显，骨折粉碎，关节面严重毁损，并合并有不同程度的软组织挫裂伤，大多合并有半月板及韧带的损伤。Schatzker Ⅴ、Ⅵ型骨折累及双髁或胫骨干骺端被国内外学者公认为复杂骨折。人体下肢外翻角的存在使外翻损伤常多于内翻损伤，一般只有在收到外界强大暴力的情况下才会出现膝关节内翻损伤引起内侧胫骨平台骨折，常累及后侧平台或伴有关节面塌陷。刘一等^[22]提出将Schatzker Ⅳ型归为复杂胫骨平台骨折。Schatzker Ⅱ型同时伴有骨折的劈裂和塌陷，罗从风等^[23]将Schatzker Ⅱ型骨折也定义为复杂胫骨平台骨折。实验将Schatzker　Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ及Ⅳ型中同时伴有骨折劈裂及塌陷的病例归为复杂胫骨平台骨折。
3.2 胫骨平台骨折三维数字化模型及三柱分型方法对临床指导意义 国内外对三维数模在骨科领域的应用做了很多研究。张智元等^[24]认为数字化技术重建的三维骨折模型可清楚显示骨折情况并明确骨折分类，为修复前的设计及内固定方式的选择等提供了依据。付鑫等^[25]认为胫骨平台三维骨折模型可清楚显示骨折情况，为修复前的设计、开窗复位的模拟、植骨量估算、三维数据测量等提供了依据。王铁才^[26]在总结了17篇探讨三维重建在胫骨平台骨折中的临床应用价值的文章后认为，多层螺旋CT多平面和三维重建后处理功能能直观的、整体的显示胫骨平台的骨折情况。还可以在三维图像、冠状面、矢状面观察骨折关节面移位及缺损情况，其所包含的信息量对指导胫骨平台骨折的分型及治疗的重要性越来越受到临床医师的重视^[27] 。在这次实验中，Mimics软件重建的胫骨平台骨折三维数字化模型可以多角度多平面观察骨折块的不同骨折面、测量骨折块的大小，重建出的骨折块可以任意旋转、任意组合、任意角度显示，从而更为清楚的显示骨折块及其相互位置关系，这对于判定骨折的移位方向损伤程度具有重要的意义。三维重建比二维CT更能提高胫骨平台骨折分型的可靠性^[28] ，可以帮助临床医生在修复前更好的理解骨折特点，为临床医生选择合适的修复入路、复位和内固定提供客观依据。
Schatzker分型方法是目前被广泛接受的胫骨平台骨折分型，但是这种分型方法主要是基于骨折正位X射线片，由于平台的解剖特点，通常X射线片不能反映出骨折的全部特征。张国柱等^[29]报道以X射线片为基础的Schatzker分型结合CT检查后更改率为22.1%。如仅采用Schatzker分型作为指导，在一些情况下临床效果不好。本组病例中，一部分Schatzker Ⅳ型骨折，在三维数字化模型中显示仅累及后侧柱，此时若采取常规正中入路将无法良好显露及修复后侧骨块，而根据三柱分型，后内侧髁的劈裂压缩骨折为后柱骨折，建议采用后内侧入路效果较好^[30] 。张贵林等^[31]总结修复复位不佳的原因，认为没有很好的理解骨折的临床特征，错误的修复入路选择导致了骨折复位的不满意。三柱分型，将累及胫骨近端皮质的破裂定义为柱骨折，有利于帮助外科医生更好理解骨折类型，指导选择修复入路及内固定方法。本组病例除Schatzker分型外还结合了三柱分型以指导修复入路、体位及钢板的选择。三柱分型不是单独的一种分型，而是对现有分型的一种补充，在涉及后柱骨折病例的修复入路选择及钢板选择方面能提供最准确的依据。
3.3 虚拟手术技术对临床的指导意义 在传统的修复中，医师是在自己的大脑中进行修复前模拟。但这种修复方案的质量高低依赖于医师个体的外科临床经验和技能，而且这种虚拟手术无法被参与操作的的每一位成员共享。通过软件对骨组织进行计算机三维重建，骨科医师可以在虚拟环境中进行模拟及修复后结果预测，从而为患者制定最佳的修复方案^[32] 。实验模拟了复杂胫骨平台骨折骨折块的复位，记录骨折块的移动数据和翻转数据有助于在临床修复中对复位的精确掌握。Guo等^[33]认为小切口联合植骨治疗塌陷性胫骨平台骨折，可以有效预防修复带来的骨量进一步丢失，从而带来良好的长期效果。实验对单纯塌陷型骨折，在修复前模拟开窗撬拨复位塌陷的骨块、设计植骨模型，帮助临床医生对开窗部位的把握和修复过程的理解，有利于精确定位修复区，减小修复切口，缩短修复时间。而利用Mimics软件仅植骨量的估算为自体骨取骨或异体植骨提供了准确的数据和指导，避免供区的过多损伤和异体骨的浪费。虚拟手术技术能为临床修复操作提供准确的数据和丰富的信息，减少修复中出血，缩短修复时间^[34] ，提高修复成功率，减少并发症，降低风险。同时，能提高医生对骨折治疗方式的理解，提高术中配合的精确度，有效地缩短修复时间，为患者修复后康复提供必要的条件。
使用普通虚拟3D软件对图像进行重建分割需要大量的时间，Suero等^[35]报道进行胫骨平台骨折计算机虚拟计划的平均时间是174 min，这限制了其在临床的应用。而实验使用的Mimics软件拥有强大的图形处理功能，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。这种方法对计算机的要求也不高，目前常规的便携式个人电脑完全可以作为操作平台。因此三维重建及虚拟手术技术可以作为复杂胫骨平台骨折修复前规划的常规项目。

文章快阅

延伸阅读

1.文章构思特点
对CT三维重建在胫骨平台骨折诊断中的意义已进行大量研究，认为三维CT能直观的、整体的显示胫骨平台的骨折情况。有助于医师对骨折进行准确的分型及充分的评估，对制定合理的手术方案有重要的意义。但是使用虚拟手术技术进行术前规划的报导还很少。实验拟使用Mimics 13.0软件建立三维数字化模型并进行各种虚拟手术，为复杂胫骨平台骨折固定前评估和规划提供信息。
2.中文内容介绍
实验在手术前将30例胫骨平台骨折患者CT扫描图像数据导入Mimics 13.0软件，建立复杂胫骨平台骨折三维数字化模型，对骨折模型进行多角度的观察和测量，观察骨折块的移位方向、关节面塌陷的部位，测量骨折块的大小及移位的距离，测量关节面塌陷的距离，按胫骨平台三柱分型进行重新分型，在三维数字化模型上进行开窗、骨块复位、植骨的虚拟手术，并对植骨量进行估算。根据这些资料制定手术方案，包括：入路、钢板的选择、体位、是否植骨及植骨量等。
3.文章创新点：
本次实验同时利用三维重建及虚拟手术技术进行复杂胫骨平台骨折术前的全面评估和合理规划。
国内外此类研究有些仅探讨了三维重建在胫骨平台骨折诊断、分型中的意义，有些着重评估了三维虚拟手术所花费的时间，有些比较了使用虚拟手术规划的病例在手术出血量和手术时间上的差异。实验详细的介绍了如何同时利用三维重建及虚拟手术技术进行全面评估和合理规划。实验结果显示三维模型逼真、可以进行三维测量、三维互动，有利于对骨折特点的理解，虚拟手术实现计算机上进行胫骨平台骨折开窗、复位、植骨，为真实临床手术提供准确信息。