计算机辅助在骨盆骨折诊断与治疗方面的临床价值

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.17.009

摘要/Abstract

摘要：

背景：计算机技术已经实现了从二维图像到三维图像的飞跃，加上与快速成型术的完美结合，使临床医师可以准确判断骨折部位和制定手术计划。术前骨折复位模拟明显提高了手术的安全性和手术的质量。
目的：评价计算机辅助在骨盆骨折诊断与治疗方面的临床价值。
方法：收集20例骨盆骨折患者，随机分成计算机辅助组和传统手术组。传统手术仅行骨盆X射线片和二维CT扫描，计算机辅助组提取CT原始数据，利用MIMICS软件进行三维重建，通过快速成型技术按照1∶1比例制作骨盆和钢板模型。术者及手术参与人员术前进行骨折复位仿真模拟训练，重建过程中记录手术时间和术中出血量，与传统手术进行比较。
结果与结论：重建过程中所见与术前制作的三维骨盆骨折模型非常相似，术前的演练使术中参与者配合更默契，操作更迅速，更精确。计算机辅助组患者均获得良好的骨折复位，术中钢板的折弯更伏贴骨质，钢钉的长度更合适，位置更佳。与传统手术相比较，计算机辅助手术术中出血量更少，手术时间更短，差异有显著性意义(P < 0.05)。计算机辅助临床手术具有创伤小、更精确的特点，对患者和医疗人员更加安全，它在骨科及其他科室手术中有着广阔的应用前景。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 计算机辅助, 骨盆骨折, 三维成像, 三维重建

Abstract:

BACKGROUND: The rapid development of computer technology has realized the leap from two-dimensional image to three-dimensional image. With the perfect combination of the rapid prototyping technique, the clinician can accurately judge the fracture location and draw up a plan of operation. Preoperative fracture reduction and simulation obviously improve the safety and quality of the operation.
OBJECTIVE: To evaluate the clinical value of computer-aided technology in diagnosis and treatment of pelvic fracture.
METHODS: We collected 20 patients with pelvic fractures, who were randomly divided into the computer-aided group and the traditional surgery group. Traditional surgical method only needed X-ray and two-dimensional CT scanning of pelvis. Computer-aided group needed to extract original CT data, used MIMICS software for three-dimensional reconstruction. The models of pelvic and steel plate were made using rapid prototyping technique according to the proportion of 1:1. Performers and participants completed surgical simulation training before the operation. Time used in surgery and volume of blood loss during operation were recorded, and compared with the traditional surgery.
RESULTS AND CONCLUSION: What seen in the operation was very similar to what seen from the preoperative model of pelvic fracture. The preoperative practice made participants more tacit understanding, resulting in operating quicker and more accurate. All patients of computer-aided group got good fracture reduction, intraoperative steel plate bending more fitting for bone, the length of the steel nail was more appropriate, the location was better. Compared with traditional surgery, computer-assisted surgery had less blood loss, shorter operation time and more statistically significant difference (P < 0.05). Computer-aided clinical surgery has characteristics of small trauma, more accurate, more safety for patients and medical staffs, and has broad application prospects in orthopedics and other departments.

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Key words: computer-aided design, imaging, three-dimensional, pelvis, fractures, bone

中图分类号:

R318

孟波，孙海钰，李明，栗树伟，王大伟，宁思敏. 计算机辅助在骨盆骨折诊断与治疗方面的临床价值[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(17): 2673-2678.

Meng Bo, Sun Hai-yu, Li Ming, Li Shu-wei, Wang Da-wei, Ning Si-min . Clinical value of computer-aided technology in diagnosis and treatment of pelvic fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(17): 2673-2678.

图/表（结果） 3

2.1 参与者数量分析 20例患者骨折内固定后均随访满6个月，无失访，所有伤口19例Ⅰ期愈合，患者按照意向性分析。

2.2 纳入患者基线资料及主要观察指标比较 计算机辅助组平均手术用时(150.24±75.45) min，术中出血量(416.27±210.12) mL；传统手术组平均手术用时(248.41±76.83) min，术中出血量(1 750.57±525.84) mL，两组比较，差异有显著性意义(P < 0.05)。见表1。

2.3 骨折内固定治疗过程评估 所有患者均按计划完成了手术，计算机辅助组术前模拟与术中所见完全吻合、准确，直观的反映了骨折部位情况，给手术人员带来了极大的方便，使得手术过程更加顺利。计算机辅助组术中所需时间明显缩短，术中出血量明显减少，切口位置更加准确，切口长度减少，内固定钢板折弯更加准确，更加敷贴骨质，骨折部位几近解剖复位。内置钢钉长度、位置均与模拟测量数据一致，且术中显著减少了透视次数，减少了辐射量，减少了对医护人员身体的损害。内固定过程中未损伤神经、血管等重要组织。

2.4 典型病例分析

病例1：计算机辅助组，男，47岁，农民，重物砸伤致右坐骨支、耻骨支骨折(图3A)，钢板内固定治疗后骨盆正位片(图3B)，骨折部解剖复位。治疗后患者功能恢复良好，未出现并发症。

病例2：传统手术组，男，46岁，农民，重物砸伤致右髋臼骨折(图4A，B)，钢板内固定后骨盆X射线平片(图4C)，骨折断端复位满意，复位断端移位约0.8 cm。术中术者复位困难，手术时间长，出血量多，内固定治疗后患者功能恢复良好，疼痛时间长，但未出现并发症。

2.5 不良反应 计算机辅助组1例发生脂肪液化，均无神经、血管、脏器损伤等情况。根据两组患者在年龄性别、并发症等方面条件基本一致，差异无显著性意义(P > 0.05)。

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引言

伴随着计算机技术的不断发展和图像处理技术的不断提高，虚拟现实技术在骨科领域中的应用越来越广泛，并将促进微创外科治疗进一步的发展。尤其是计算机辅助设计(computer-aided design，CAD)和快速成型技术(rapid prototyping techniques，RP)的结合运用将会给外科手术带来革命性的进步。这两种技术的结合，已在很多领域取得了瞩目的成绩，近年来，人们也正在试图扩大其应用领域^[1-2]。

骨盆属于不规则骨，是由双侧髋骨、坐骨、耻骨及后方的骶骨构成的环状骨性结构。骨盆骨折是一种严重外伤，致残率高，救治不当死亡率高，但骨盆结构的不规则和复杂性，给很多外科医生实施手术增加了困难，术中骨折复位不满意，钢板的折弯、贴合程度不够精确，手术时间过长及术中出血量过多等，这些都会增加术中患者风险。普通的X射线片和二维CT不能很好的显现三维立体结构，然而传统的骨外科医生都是通过X射线和CT在头脑中模拟，然后制定手术计划，严重影响手术的进程和准确性。

近几年来，它的应用范围不断扩大，人们对快速成型技术在医学领域的应用研究也越来越多。以医学影像数据为基础，利用快速成型技术制作的人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。计算机模拟技术与临床真实手术相结合，通过术前在模型上模拟复位，将手术更加精确化，内置物长度、位置更加准确，使得手术时间更短，切口位置更加准确，术后并发症更少，骨折复位更加满意等优点^[3-4]。但这种技术目前还有很多需要改进和完善的地方，比如从临床科室到计算机模拟系统及模型制作，尚未建立一个很好的合作流程，也未建立一个完整的计算机系统，本实验从此基础起步，研究计算机技术在骨盆骨折方面的临床价值。

作者尝试将计算机三维模拟与制作技术和临床真实手术相结合，使手术更加精确，内置物长度、位置更加准确，使得手术时间更短，出血量更少，术后并发症更少，骨折复位等方面取得满意的效果。为以后通过三维重建和快速成型技术在治疗复杂性骨盆骨折方面提供了参考依据^[5-7]。

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材料方法

设计：数字化医学观察。

时间及地点：于2011年9月至2013年12月在山西医科大学第二医院骨外科完成。

对象：纳入骨盆骨折患者20例，男14例，女6例，年龄19-57岁，平均年龄40.3岁。致伤原因：道路交通伤11例，高处坠落伤3例，重物砸压伤6例。

20例患者按照不用的治疗方案均分为计算机辅助组(n=10)与传统手术组(n=10)，两组间年龄、性别、骨折侧别等基本情况经检验差异均无显著性意义(P > 0.05)。

入选标准：①女性患者均不在月经期，均无明显骨质疏松，无活动性出血，且不存在严重内科基础疾病及手术禁忌证。②所有实验患者均行骨盆X射线片和薄层CT扫描检查，骨折部移位明显患者均行胫骨结节骨牵引治疗。③计算机辅助组患者所行骨盆三维重建和通过快速成形术完成模型制作均在患者及家属同意签字的情况下完成。

排除标准：伴发损伤、有凝血功能障碍。

内固定植入物：钛质骨盆弓状弧形重建接骨板及螺钉购于济南恒瑞金试验机有限公司。

方法：

三维重建和模型制作：采用山西医科大学第二医院影像科德国西门子64排双螺旋CT对骨盆骨折患者进行电子计算机断层扫描。扫描条件：扫描电压120 kV，电流210 mA·s，层厚0.699 mm，窗宽2 500 Hu，床位100 Hu，扫描矩阵为512×512。骨盆骨折患者取平卧位，扫描范围从髂脊至坐骨结节最下缘水平进行全层扫描(图1)，数据的格式以DICOM格式刻盘存储。

将此原始数据导入三维重建软件Mimics 10.0，通过阈值分割和区域增长等功能，生成完整骨盆骨骼，再利用模拟(Simulation)模块中镜像(Mirror)和布尔运算(Boolean)等功能生成三维模型(图2A，B)，确立骨盆骨折的部位、诊断及分型。将三维重建生成STL格式文件，导入快速成型机打印模型(图2C，D)。模型成型采用太原理工大学AFS激光快速成型机，模型材料为精铸粉。

根据所生成的骨折后骨盆的三维模型情况，设计接骨板的长度和位置，利用编程语言Visual C++6.0编写的接骨板塑形程序模块，使计算机自动进行接骨板三维塑形。同时可以检查塑形后的接骨板与骨折处骨盆的敷贴程度，贴合状况满意的接骨板可以通过快速成型技术或者其他技术制作实体接骨板的三维模型，或者通过CAM技术直接生产出需要的解剖型接骨板。

骨盆重建方案的设计与模拟：计算机辅助手术设计模拟系统将CT获得的人体骨盆断层图像数据输入到MIMICS软件中，可以绘制出一个容易操作的三维立体图像^[8-9]，从这个三维图像上可以看到手术中所能看到的骨折部形态信息，手术预定部位的范围及伴随手术的进展，而发生的形态变化的预后图。通过快速成型技术可获得与实体骨盆1∶1大小的高仿真骨折骨盆模型及预置钢板模型。根据所生成的骨折后骨盆的三维图像及所生成的实体的骨盆、接骨板的三维模型，手术参与人员进行观摩及模拟演练，同时检查接骨板和骨折部位的贴合程度，制定手术入路，人员分工及最终效果评估。

内固定方法：麻妥后，患者取仰卧位，术区常规消毒铺单，取右腹股沟斜行切口长约10 cm，依次切开皮肤、皮下及浅筋膜，纵行切开腹直肌前鞘、腹直肌、腹直肌后鞘至盆腔，用压舌板将膀胱压向一侧同时予以保护，进入盆腔后向两侧分离软组织暴露骨盆环，可见右耻骨支、坐骨支骨折处有移位，清理骨折断端，点式复位钳维持复位，C臂透视满意后于右耻骨骨折断端上一预先根据模型折弯好的6孔低切迹弧形重建接骨板，完全贴附，拧入4枚皮质螺钉，再次C臂透视见右耻骨支、坐骨支复位满意，冲洗，电刀充分止血，留置负压引流，逐层缝合，包扎。术毕，患者安返病房。

骨折内固定指标设计：内固定时间及出血量计算以切开皮肤开始到关闭伤口为止，手术时间包括术中透视时间。两组主刀医师均为山大二院骨创科副教授一名，实验设计为第一、二作者。

主要观察指标：内固定时间、出血量、切口长度、内固定过程中X射线暴露次数及术后并发症。治疗后每2个月随访1次，半年后每3个月随访1次。随访内容：治疗后X射线平片检查，手术部位有无异常，疼痛，检查患者髋关节活动度及走路情况。

统计学分析：以内固定时间和出血量比较，将采集数据输入电脑，以Tile AO Muller的分型为标准，在同种骨折分型的患者比较的情况下，采用SPSS 13.0统计软件包，对两组间数据采用两独立样本均数t 检验，以P < 0.05认为差异有显著性意义。

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讨论

3.1 计算机辅助骨盆骨折的优势 骨盆是连接躯干和下肢的重要结构，常发生于高能量损伤，时常发生血流动力学不稳定，伴发内脏、泌尿系统和神经系统损伤也很常见，病死率和伤残率比较高^[10]。对于不稳定型骨盆骨折建议手术治疗，但由于骨盆结构的复杂性及骨折类型的多变性等等，手术难度往往很大。传统手术完全依赖个人经验，精确性有时不足，创伤较大，术中医护人员常常需要反复照射，手术时机长，术后并发症多等缺点，这种手术方式与现在不断发展的医学科学及其它高科技已显得格格不入。

随着计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)、数控技术、激光技术、及材料科学的进步，能将二维图像转化成三维立体图像、三维实体模型，使骨盆骨折更完整、立体、直观地展现出来^[11-12]。能够使术者在术前准确了解骨盆骨折的情况，从而进行准确的诊断、分类，选择合适的手术入路，固定方法及内固定材料等等。用计算机进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且获得的信息可供所有参与手术人员及学习人员分享，增强团队合作与交流的流畅性。比如髋臼骨折涉及到关节，而关节内骨折常常需要切开解剖复位，利用这种技术可减少术中不必要软组织的剥离，达到解剖复位的同时，减少关节周围软组织的剥离^[13]，更减少了股骨头坏死的概率。这种技术这也使得骨盆骨折手术术中手术时间更短，出血量更少，创伤性更小，避免手术参与人员反复受射线照射的危害^[14-15]。计算机辅助手术尤其适用于术中需要反复放射性拍摄，手术部位结构复杂，有神经、血管通过，精确性要求高的骨科手术，如骨盆、脊柱、人工关节置换等等。

3.2 快速成型技术在骨盆骨折方面的优势 随着材料技术的不断提高和快速成型技术的不断成熟，模型精度有了很大的提高^[16-19]，几乎和实体没有差距，因此它在医学上得到了广泛的应用。快速成型技术的飞跃式发展，将骨盆骨折乃至其它部位骨折的外科治疗提升到了个体化治疗阶段，极大地提高了手术的效率和准确率。CAM软件通过CT数据进行术前模拟，将骨盆骨折部位的移位程度进行三维重建和数字化处理，通过与健侧的比较，确定移位及复位的数据，进行模拟复位，这样就为手术医师提供了准确的术前指导。计算机辅助技术和快速成型技术结合运用制作的与实体骨折骨盆1∶1等大模型，为虚拟手术到术中实践架起了桥梁。通过术前模拟，可前瞻性的确定理想手术效果^[20-21]，有利于选择合适的医疗器械，如螺钉的长度、直径，入钉的位置及角度，还可以在模型上完成钻孔、置钉等操作，以检测与术中实际操作之间的差距。但是骨盆RP模型毕竟是脱离肌肉、韧带、血管等附着的一个孤立的模型，与真实手术操作有较大的距离。手术模拟很顺利，但真实手术中骨折端复位较模拟时困难，有时为了得到解剖复位，剥离软组织范围过大^[22]。因此如何将术前手术模拟精确实施是以后研究的一个重要方向。

3.3 计算机辅助在骨盆骨折方面的展望 计算机辅助设计和快速成型技术结合运用能很好的显示骨盆骨折部位的结构，并能进行定量分析，不仅给手术医师提供了大量的信息，还有利于患者个性化模型设计和三维模型的制作^[23-25]。因此计算机辅助技术可减少术中骨折范围的剥脱程度，又可以缩短手术时间，减少出血量，减少术后并发症的发生率，有利于骨折的早期愈合。对于手术人员可以减少术中放射量，术前模拟使得术中配合更加默契，技能增长更快。对于患者家属，术前利用模型向其详细讲解病情及手术风险性，以取得患者及家属的理解和配合，加强了术前的宣传教育^[26]，在现在医患关系紧张的局面下，给医护人员上了一道保险。进一步探索将来应用功能更加强大的计算机和软件，能够自动从CT或MRI数据中提取特征参数或重要几何细节，直接生产出骨盆骨折模型，以辅助外科诊疗方案的制定和定量手术模拟^[27]。因此，随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术在骨科和外科领域的应用将越来越广泛，并将为无创或微创技术的研究提供了参考平台，这也将促进无创或微创外科治疗的进一步发展^[28]。

医学机器人具有操作精度高，定位精度高等特点，所以医用机器人和计算机辅助骨科手术将会是一个在数字信息驱动下，各学科紧密交叉的研究方向。Stoker等^[29]于1992年第一次应用SLA模型于外科手术。快速成型技术模型在颌骨、牙假体、骨关节假体等的个体化制作及手术中拥有广泛的应用前景。

3.4 计算机辅助骨盆骨折手术存在的不足 首先，本实验是一个小样本初期疗效研究，还需要加大样本量，延长随访时间。其次，由于本实验中的快速成型的骨折模型是量体裁衣，急诊手术时间紧迫，很难实现。与传统手术比较，需要制作实体模型，患者医疗费用偏高，有待于进一步推广到临床。再次，术前CT扫描到快速成型的模型再到术前模拟需要一定的时间，之前需要和患者沟通好，得到患者的同意和认可。同时在互联网高速发展的形式下，需要实现“临床工程的网络化”^[30]，即实现图像数据与临床科室系统化，一体化。

研究表明，利用计算机辅助技术获得了准确的三维骨盆骨折模型，明确骨折诊断、分型，便于制定手术方案和器材的选择。术前模拟使手术参与人员术中配合默契，减少了患者术中出血量，减少了手术时间，减少了术中放射次数，减少了术后并发症的发生率。术前钢板折弯度和螺钉长度与术中测量值基本吻合，骨折复位满意。

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