计算机辅助设计个体化腕舟骨重建：指导经皮空心钉置入内固定修复

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.44.023

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前计算机辅助设计个体化经皮穿针空心螺钉置入内固定和石膏管型外固定均被应用于治疗无移位腕舟骨骨折，但两种治疗方式的疗效尚未明确。
目的：对比分析计算机辅助设计个体化经皮空心螺钉置入内固定和石膏外固定修复HerbertⅠb型腕舟骨骨折的临床效果。
方法：将36例新鲜HerbertⅠb型腕舟骨骨折患者分成两组，计算机辅助设计个体化经皮空心螺钉置入内固定组(简称螺钉组)20例，石膏外固定组(简称石膏组)16例。螺钉组根据治疗前制定的个体化置钉参数，经皮自舟骨结节钻入0.8 mm导针，C臂透视导针方向，满意后经皮拧入合适Herbert螺钉。石膏组腕关节桡偏掌屈位石膏管型固定3个月。随访记录两组患者骨折愈合时间、骨不愈合率、恢复工作时间和腕关节活动度，并进行对比。
结果与结论：患者随访10-24个月。螺钉组20例全部骨性愈合，平均愈合时间6周；石膏组13例骨性愈合，平均愈合时间14周，3例骨不愈合，两组比较差异有显著性意义(P < 0.001)。恢复工作时间螺钉组平均7.6周，石膏组16.8周，两组差异有显著性意义(P < 0.001)。末次随访时腕关节掌屈+背伸活动范围螺钉组为 96.4°-114.4°，平均104.4°；石膏组66.4°-104.2°，平均94.2°，两组差异有显著性意义(P < 0.001)。提示计算机辅助设计个体化经皮空心螺钉置入内固定修复HerbertⅠb型腕舟骨骨折具有创伤小，置钉准确性高，可重复性强的优势，修复效果明显优于石膏外固定。

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, 舟骨骨折, 计算机辅助设计, 微创, 个体化, 经皮, 临床研究

Abstract:

BACKGROUND: Individualized percutaneous cannulated screws fixation with the help of computer-assisted design and cast immobilization are common methods for treating nondisplaced wrist scaphoid fracture. However their clinical outcomes are still unclear.
OBJECTIVE: To compare the clinical results of individualized percutaneous cannulated screws fixation with the help of computer-assisted design and cast immobilization for treatment of Herbert type Ib scaphoid fracture.
METHODS: A total of 36 patients with fresh Herbert type Ib scaphoid fracture were divided into two groups, individualized percutaneous cannulated screws fixation with the help of computer-assisted design group (screw group, 20 cases) and cast immobilization group (cast group, 16 cases). In the screw group, cannulated screws were inserted using 0.8 mm kirschner wires from scaphoid tuberosity based on the preoperative individualization fixation parameters. The direction of the wires was guided under C-arms and Herbert screws were percutaneously immobilized after fluoroscopy. In the cast group, radial deviation and palmar flexion plaster casts were immobilized for 3 months. The time of bone union, rate of bone nonunion, time return to work, wrist motion were recorded and compared in the follow-up.
RESULTS AND CONCLUSION: All cases were followed for 10-24 months. All patients in the screw fixation group and 13 out of 16 patients in the cast group achieved bone union. The average time of bone union of the two groups was 6 weeks and 14 weeks respectively (P < 0.001). The time of returning to work was 7.6 weeks and 16.8 weeks respectively, with significant differences between the two groups (P < 0.001). The range of motion of screw fixation group at the final follow-up was 96.4°-114.4°, average 104.4°, which was significantly higher than that in the cast group (66.4°-104.2°, average 94.2°; P < 0.001). Individualized percutaneous cannulated screws fixation with the help of computer-assisted design can provide mini-invasion, high accuracy and good reproducibility, has better results than cast immobilization in the treatment of Herbert typeⅠscaphoid fractures.

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Key words: surgery, microinvasive, scaphoid, fractures, computer-assisted design, internal fixators, follow-up studies

中图分类号:

R318

林旭，曾俊，郭勇，谭伦. 计算机辅助设计个体化腕舟骨重建：指导经皮空心钉置入内固定修复[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(44): 7178-7182.

Lin Xu, Zeng Jun, Guo Yong, Tan Lun. Computer-assisted design of scaphoid reconstruction: individualized percutaneous cannulated screw fixation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(44): 7178-7182.

图/表（结果） 3

参考文献

[1]Kawamura K,Chung KC.Treatment of scaphoid fractures and nonunions.J Hand Surg(Am).2008;33(6):988-997.
[2]Geurts GF, Van Riet RP, Meermans G, et al. Volar percutaneous transtrapezial fixation of scaphoid waist fractures:surgical technique. Acta Orthopaedica Belgica.2012; 78:121-125.
[3]王锦程,沈录峰,董谢平.跌倒致腕部骨折机理及腕保护器的研究现状[J].中国矫形外科杂志,2011,19(18):1522-1525.
[4]Alshryda S,Shah A,Odak S,et al. Acute fractures of scaphiod bone:systematic review and meta-analysis. Surgeon. 2012;6: 218-229.
[5]Buijze GA,Goslings JC,Rhemrev SJ,et al.Cast immobilization with and without immobilization of the thumb for nondisplaced and minimally displaced scaphoid waist fractures:a multicenter,randomized,controlled trial.J Hand Surg.2014;39(4): 621-627.
[6]Mc Queen MM,Gelbke MK,Wakefield A,et al.Percutaneous screw fixation versus conservative treatment for fracture of the waist of the scaphoid :a prospective randomized study.J Bone Joint Surg(Br). 2008;90(1):66-71.
[7]Bedi A,Jebson PJ,Hayden RJ,et al.Internal fixation of acute nondisplaced scaphoid waist fractures via a limited dorsal approach:an assessment of radiographic and functional outcomes. J Hand Surg(Am). 2007;32(3):326-333.
[8]Schadel-hopfner M,Marent-Huber M,Gazyakan E,et al.Actue nondisplaced fractures of scaphoid:earlier return to activities after operation treatment.A controlled multicenter cohort study. Arch Orthop Trauma Surg.2010;9:1117-1127.
[9]Modi CS,Nancoo T,Powers D,et al.Operative versus nonoperative treament of acute undisplacement and minimally displaced scaphoid waist fractures:A systematic review. Injury. 2009;40(3):268-273.
[10]Parajuli NP,Shrestha D,Dhoju D,et al. Scaphoid fracture:functional outcome following fixation with herbert screw. Kathmandu Univ Med J (KUMJ). 2011;9(36):267-273.
[11]Krimmer H,Schmitt R,Herbert T. Scaphoid fractures: diagnosis, classification and therapy. Unfallchirurg. 2000;103:812-819.
[12]Dodds SD,Panjabi MM,Slade JF.Screw fixation of scaphoid fractures:a biomechanical assessment of screw length and screw augmentation.J Hand Surg.2006;31(3):405-413.
[13]Guo Y,Tian GL,Jiang BG,et al.Central placement of screw fixation for scaphoid fracture:a biomechanical study.Journal of Pekin University. Health Sci.2013;45(5):684-687.
[14]樊志强,徐永清,孟伟正,等.正常腕骨三维运动学的在体研究[J].中华关节外科杂志,2009,3(3):346-351.
[15]Geurts G,Van Riet R,Meermans G,et al.Incidence of scaphotrapezial arthritis following volar percutaneous fixation of nondisplaced scaphoid waist fractures using a transtrapezial approach.J Hand Surg(Am). 2011;36(11)1753-1758.
[16]Meermans G,Van Glabbeek F,Braem MJ,et al.Comparison of two percutaneous volar approaches for screw fixation of schaphiod waist fractures:radiographic and biomechanical study of an osteotomy-simulated model.J Bone Joint Sur(Am). 2014;96(16):1369-1376.
[17]Zhang C,Xiong G,Liu K,et al. Percutaneous retrograde cannulated screw fixation of acture scaphoid waist fracture by a transtrapezial approach. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2013;27(9):1025-1027.

引言

腕舟骨骨折约占全身骨折的2%，占腕骨骨折的51%-90%，居腕部骨折第2位，仅次于桡骨远端骨折，多发生于年轻人，尤其是手工业者和运动员。虽然对腕舟骨骨折的研究已有100多年的历史，但仍然有许多争论，其中争议最大的是急性无移位舟骨骨折的治疗。对新鲜无明显移位腕舟骨骨折，传统的治疗方法为长时期的长臂或短臂管型石膏外固定，石膏固定的主要缺点是长期固定引起腕关节僵硬、握持力下降以及患者重返工作时间延长，文献报道保守治疗不愈合率高，严重影响患者工作和生活，所以内固定治疗各型腕舟骨骨折已成趋势^[1]。既往手术方式一般为切开空心螺钉内固定，对局部血供破坏较大，加之舟骨特殊的血供特点，有增加骨折延迟愈合或不愈合的风险。随着外科技术的不断发展，微创外科技术在不断普及、提高，对外科技术已形成微创化、个体化、精确化的概念。对急性无移位HerbertⅠb型腕舟骨腰部骨折，目前多采用掌侧经皮穿针空心螺钉内固定。舟骨为不规则骨，体积小，务必要求尽量减少穿刺次数，以减少血供破坏及提高螺钉把持力。多数文章提出掌侧经皮穿刺导针以第一、三掌骨及前臂掌侧平面为参考，但经皮穿针往往出现偏差，在实际操作中发现术中经皮经舟骨结节掌侧穿刺成功的关键点有：腕关节体位如何摆放、如何避开大多角骨结节对导针的阻挡^[2]、寻找体表易于定位的相对固定的参考标志。因舟骨骨折患者个体有差异，某一种进针方法不可能适合每一位患者，故进针置钉方法也应个体化。自贡市第四人民医院2009年1月至2013年12月收治36例新鲜HerbertⅠb型腕舟骨骨折患者，分成2组，一组采用CT扫描计算机辅助设计个体化经皮空心螺钉置入内固定治疗，另一组采用管型石膏外固定治疗，对两组随访结果进行对比分析。

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材料方法

设计：回顾性病例分析。

时间及地点：2009年1月至2013年12月在自贡市第四人民医院骨科完成。

对象：纳入腕舟骨骨折患者36例，男24例，女12例；年龄17-68岁，平均39岁；致伤原因：坠伤5例，摔伤14例，运动伤12例，交通伤5例。

纳入标准：舟骨腰部HerbertⅠb型骨折，无分离移位和侧方移位，治疗距受伤时间间隔不超过2周；纳入患者对治疗方案知情同意并均签署知情同意书。

排除标准：治疗距受伤时间间隔超过2周，合并腕关节其他骨折、腕骨性关节炎，既往有腕部受伤和手术史。

分组：依据医生建议和患者自愿选择相结合的原则，36例患者分为2组：计算机辅助设计个体化经皮空心螺钉置入内固定组(简称螺钉组)20例，石膏外固定组(简称石膏组)16例。

材料：采用常州奥斯迈医疗器械有限公司生产的Herbert螺钉，批号：120481440，型号：HBQ04型，球形(标准)自攻，材料为符合GB/T13810规定的纯钛，经过机械加工及表面处理，生物相容性等符合国家规定。

方法：

螺钉组治疗前个体化参数的制定：螺旋CT扫描腕关节(扫描范围从第三掌骨远端至下尺桡关节以上5 cm)，扫描时用腕部改良支具将腕关节固定于旋后背伸30°尺偏15°位，见图1。将CT扫描的原始数据从工作站中导出，以Dicom格式通过光盘刻录保存，将图像数据导入Mimics 10.01软件，逐步构建出腕关节三维模型。在Mimics软件中重建腕关节图像，自掌侧舟骨结节远极至背侧近极标记出尽可能垂直于腕舟骨骨折线的最长轴，若不能垂直舟骨骨折线则标记出能通过舟骨中央区最长径的轴线，并测量该轴线在舟骨内的长度，代表螺钉的长度。在Mimics重建图像中逐一测量记录该最长轴线与第1掌骨长轴线、第3掌骨长轴线、前臂掌侧平面、侧位像进钉点与桡骨远端背侧Lister结节在三维空间中夹角大小关系，见图2，作为术中个体化经皮穿刺导针的参考依据。

螺钉组内固定方法：前臂旋后用可透X射线支具将腕关节固定于背伸30°尺偏15°位，根据术前制定的个体化置钉参数，经皮自舟骨结节钻入0.8 mm导针，C臂透视导针方向，若有偏差，则以此为参考，重新钻入导针调整至合适方向，测量螺钉长度，拧入Herbert螺钉，透视骨折固定情况，内固定后行CT扫描，评价置入准确性。内固定后不用石膏外固定，麻醉消退后即可患肢功能锻炼。

石膏组外固定方法：腕关节桡偏掌屈位肘下石膏管型固定3个月，3个月后若骨折愈合拆除石膏进行功能锻炼。

主要观察指标：治疗后随访10-24个月。两组治疗后每2周门诊复查，随访记录骨折愈合时间、骨不愈合率、恢复工作时间、腕关节活动度以及腕关节Mayo功能评分。

Mayo功能评分包括疼痛程度、功能状态、活动范围、握力，优：90-100分；良：80-89分；可：60-79分；差：小于60分。

统计学分析：由第一作者采用SPSS 17.0软件完成统计处理，计量资料用x(_)±s表示，组间比较采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

腕舟骨骨折是骨科临床中常见的骨折之一，占腕骨骨折的51%-90%，受伤机制大多为手张开着地，腕过度背伸桡偏，桡月韧带和桡舟头韧带将舟骨固定于舟骨窝，舟骨腰部受到桡骨茎突和大多角骨的嵌压致骨折^[3]。对于无移位舟骨骨折的治疗仍有争议，目前主要的治疗方法有石膏管型外固定、切开复位内固定或经皮螺钉内固定。对于无移位HerbertⅠb型骨折，目前许多医生仍坚持前臂管型石膏腕桡偏掌屈位外固定，肘上石膏并不比肘下石膏更具优势^[4]，是否固定拇指差异无显著性意义^[5]，时间一般为8-12周。但长时间石膏固定容易导致关节僵硬、肌肉萎缩、握持力下降、骨质疏松等并发症^[6]，长时间不能工作也给患者、家庭及社会带来损失，且许多患者难以耐受。尽管有报道石膏固定治疗舟骨骨折愈合率可达85%-95%，但Herbert认为经石膏固定愈合率可达95%而无并发症的观点是极为错误的。作者通过随访发现石膏固定组3例骨折不愈合，分析与前臂旋转时会导致舟骨骨折移位，石膏外固定早期难以提供牢固的固定，骨折端没有有效的加压固定作用，骨折端受到剪切力移位或微动，因此发生骨不连的机率较高。目前有一些文献建议即便对无移位腕舟骨骨折也应该早期手术内固定^[7]。早期手术方式一般为切开内固定，切开内固定需广泛剥离软组织，切开关节囊，局部血供破坏大，易引起骨折延迟愈合或不愈合^[8]。有学者于1970年首次提出经皮螺钉内固定治疗舟骨骨折，目前这一术式被广泛应用到腕舟骨骨折中。循证医学研究结果显示，采用经皮内固定的方法治疗新鲜无移位的腕舟骨骨折，可缩短骨折愈合时间，降低骨不连的发生率，对无法佩戴石膏从事工作的患者或喜爱运动的年轻患者，该治疗方法具有更好的成本效益性^[9]。本组对36例腕舟骨骨折分为两组，分别采用个体化经皮空心螺钉内固定和石膏管型外固定，螺钉组全部采用Herbert螺钉固定，提供了骨折的有效固定，达到了骨折端的加压，为骨折愈合和患者早期康复提供了条件^[10]。经皮穿针多采用体表定位确定进针方向，由于腕舟骨特殊解剖结构，形态细长且不规则，体积小，经皮穿针往往出现偏差，术中很难将内固定物置入理想的位置^[11]。舟骨骨折个体有差异，因此，临床上必须强调对患者进行治疗前测量，做到手术设计的个体化、精确化，以减少术中反复穿针、C臂透视次数，提高置钉准确性，避免进一步干扰舟骨血运及对腕关节稳定起重要作用的韧带结构。成功的Herbert螺钉置入由以下几方面决定：进钉点的选择、恰当的置入角度以及螺钉长度直径。本研究利用Mimics软件个体化设计置钉方案并指导螺钉置入，为准确置入螺钉提供了坚实基础。通过随访临床效果对比分析，发现治疗前个体化设计Herbert螺钉内固定组在骨折愈合时间、骨折愈合率、恢复工作时间、腕关节活动度方面优于石膏外固定组。治疗前个体化设计Herbert螺钉内固定为经皮个体化微创治疗，可达到骨折端有效加压固定，为患者治疗后早期功能锻炼提供条件。舟骨骨折经皮微创不能直视骨折线及舟骨与周围的解剖关系，腕舟骨为不规则骨，需要术者有更强的三维空间观念和手术经验。理论上舟骨骨折最可靠的固定为螺钉垂直于骨折线，若不能垂直于骨折线则应尽可能满足螺钉通过舟骨中央区最长轴^[12-13]。经皮穿刺导针时为利于导针顺利穿入理想位置需注意以下几点：术中腕关节的适当体位、如何避开大多角骨的阻挡、寻找体表相对固定位置恒定的参考标志。不同的体位变化可使腕骨产生相对复杂的三维运动变化，因此有必要治疗前通过计算机软件三维重建再现腕部结构，进行详细的个体化手术规划、设计、模拟。腕关节背伸尺偏时舟骨背伸尺偏，而大多角骨屈曲旋前^[14]，此体位更利于从舟骨结节进针时避开大多角骨对导针的阻挡，因此本研究采用腕部改良支具，内固定前及术中将腕关节固定于背伸尺偏同一体位，以使术中参考与治疗前设计尽可能重合。临床中经舟骨结节经皮穿针常会遭遇大多角骨对导针的阻挡，有学者建议在舟骨和大多角骨之间切5 mm小切口，极度背伸尺偏腕关节避开大多角骨后穿针，但过度背伸腕关节可能造成骨折移位。亦有作者经皮经大多角骨入路逆行穿针置钉固定舟骨腰部骨折^[15-17]，随访获得良好效果，但有导致大多角骨-舟骨关节破坏的可能。经皮穿刺导针方向主要参考体表标志，体表标志一般有第一、三掌骨，前臂掌侧平面，因第一腕掌关节活动范围大，位置不易恒定，而桡骨远端背侧Lister结节位置表浅恒定，因此可加用导针方向与Lister结节连线为参考加以验证。

鉴于舟骨特殊解剖形态，治疗前依靠影像学规划的个体化置钉技术，缺乏直观感、可视性、互动性。随着医学三维影像技术与计算机技术的发展并相互渗透，利用计算机手术模拟系统可以在实际手术之前检验、评价、预测各种可行的方案，可以反复训练外科医师做各种复杂的手术操作，而且不受实验人体的限制。Mimics软件是一个连接二维图像数据(CT、MRI)与三维工程学应用的图像处理工具。拥有强大的基于断层扫描图像的建模功能，具有在二维图像和三维立体模型的长度、角度、容积测量功能，可多角度、全方位、直观观察分析骨折情况。术前CT扫描到的原始数据导入Mimics软件处理后可得到清晰、结构细致的三维图像。在此基础上可同时进行舟骨各径线的矢状面、冠状面、水平面的多平面测量和三维测量。在Mimics软件中可三维重建舟骨立体形态，可进行任意角度旋转观察，可按临床需求对任意径线进行测量记录，其数据有利于外科方案的制定。在软件中可通过旋转标记置入舟骨最佳虚拟螺钉，调整并使其处于最佳位置，测量记录虚拟螺钉轴线与周围重要骨性参考结构的三维空间关系，以此作为术中个体化置钉的参考。本组20例患者治疗后CT扫描显示螺钉全部位于舟骨内，且固定有效，治疗后随访骨折全部骨性愈合，腕关节功能良好，说明该操作具可重复性、可行性、有效性。

总之采用计算机辅助设计个体化经皮空心螺钉置入内固定修复HerbertⅠb型骨折，可以根据患者不同情况制定个体化方案，方便易行，损伤小，骨折固定可靠，骨折愈合率高，治疗后恢复快，并发症少，疗效满意，对要求尽快恢复工作、不能长时间接受石膏固定的患者，该治疗方式可以取代石膏外固定。但这种有好处又有风险的适应证还需在更大样本观察研究中去确定，且治疗前模拟设计的参数如何更精确的应用到术中需进一步研究。

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