数字化技术辅助下内固定三维重建：个性化方案修复髋臼骨折

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.48.023

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (48): 7838-7843.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.48.023

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数字化技术辅助下内固定三维重建：个性化方案修复髋臼骨折

郭晓泽，章莹，夏远军，黄显华，余杰锋

解放军广州军区广州总医院创伤骨科，广东省广州市 510010

收稿日期:2014-10-23 出版日期:2014-11-26 发布日期:2014-11-26
通讯作者: 章莹，博士，教授，主任医师，主任，解放军广州军区广州总医院创伤骨科，广东省广州市 510010
作者简介:郭晓泽，男，1984年生，广东省揭阳市人，汉族，2012年广州中医药大学毕业，硕士，医师，主要从事创伤骨科研究。
基金资助:
广东省科技计划项目(2012B060100008)

Three-dimensional reconstruction by internal fixation under the assistance of digital technology: individual scheme for acetabulum fracture

Guo Xiao-ze, Zhang Ying, Xia Yuan-jun, Huang Xian-hua, Yu Jie-feng

Department of Orthopedic Trauma, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China

Received:2014-10-23 Online:2014-11-26 Published:2014-11-26
Contact: Zhang Ying, M.D., Professor, Chief physician, Department of Orthopedic Trauma, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
About author:Guo Xiao-ze, Master, Physician, Department of Orthopedic Trauma, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command of Chinese PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
Supported by:
Science and Technology Projects of Guangdong Province, No. 2012B060100008

摘要/Abstract

摘要：

背景：髋臼骨折属于关节内骨折，髋臼具有位置较深、外形不规则及毗邻重要血管神经等解剖学特点。髋臼骨折的治疗目的就是要精确恢复髋臼关节面的解剖对位，最大程度的保存髋关节功能。数字化技术对髋臼骨折的内固定治疗具有指导意义。
目的：探讨数字化技术辅助下内固定修复髋臼骨折的临床效果。
方法：2009年3月至2011年9月在解放军广州军区广州总医院创伤骨科收治50例髋臼骨折患者，随机分为2组。试验组25例应用数字化技术进行术前计划，并根据术前计划进行切开复位内固定；对照组25例未采用数字化技术进行切开复位内固定。比较两组患者在术中出血量、手术时间、住院时间及内固定后髋关节功能评分方面的差异。
结果与结论：试验组23例患者获得随访，随访时间13-24个月；对照组22例患者获得随访，随访时间12-26个月。试验组患者手术持续时间、术中出血量均显著小于对照组，差异均有显著性意义(P < 0.05)。内固定后试验组患者住院时间及骨折愈合时间均显著小于对照组，差异有显著性意义(P < 0.05)。内固定后试验组患者髋关节功能评分优良率显著高于对照组，差异有显著性意义(P < 0.05)。提示术前利用数字化技术进行髋臼骨折模型三维重建，模拟骨折复位，制定个体化方案，依据个体化方案进行切开复位内固定，内固定效果令人满意。

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, 髋臼骨折, 数字化技术, 内固定, 切开复位, 三维重建, 手术入路, 个体化方案, 随访研究

Abstract:

BACKGROUND: Acetabulum fracture is an intra-articular fracture. The acetabulum has a deep position, irregular shape and is adjacent to many important blood vessels and nerves. The purpose of treatment is to recover the anatomical contraposition of acetabulum joint surface accurately and to maximize the function of the hip retained. The digital technology has a guiding significance to the treatment of the acetabulum fracture.
OBJECTIVE: To investigate clinical therapeutic effect of internal fixation with the assistance of digital technology on acetabulum fracture.
METHODS: 50 patients with acetabulum fracture were recruited from Department of Orthopedic Trauma, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command of Chinese PLA between March 2009 and September 2011. The involved patients were divided into control group and study group randomly. 25 cases of study group received preoperative plans through the digital technology and treated with open reduction and internal fixation according to the plans. 25 cases of control group were treated with operations only. The amount of bleeding during the operations, the duration of the operations, the duration of hospitalizations and the function evaluation after the operations were compared between the two groups.
RESULTS AND CONCLUSION: 23 cases had been followed up from 13 to 24 months in the study group and 24 cases had been followed up from 12 to 26 months in the control group. The amount of bleeding during the operations and the duration of the operations in the study group were significantly lower than that in the control group (P < 0.05). The duration of hospitalizations and the healing time of the fracture after the operations were significantly shorter in the study group than in the control group (P < 0.05). The hip function scores after the operations in the study group were significantly higher than that in the control group (P < 0.05). Using the digital technology we reconstruct the three-dimensional models of acetabulum fracture before surgeries can help imitating the fracture reductions and formulating the individualized operation plans. It has satisfactory effect to treat the patients with open reduction and internal fixation surgeries according to the plans.

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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Key words: acetabulum, fractures, internal fixators, follow-up studies

中图分类号:

R318

郭晓泽，章莹，夏远军，黄显华，余杰锋. 数字化技术辅助下内固定三维重建：个性化方案修复髋臼骨折[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(48): 7838-7843.

Guo Xiao-ze, Zhang Ying, Xia Yuan-jun, Huang Xian-hua, Yu Jie-feng. Three-dimensional reconstruction by internal fixation under the assistance of digital technology: individual scheme for acetabulum fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(48): 7838-7843.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

髋臼骨折属于严重损伤，临床多缘于高能量损伤。既往多采取保守治疗，现在多倾向于手术治疗。该部位骨折是临床上的难题之一，不仅因为髋臼位置较深、外形不规则及毗邻重要血管神经等解剖学特点，而且由于恢复髋关节关节面的需要，手术治疗上尽可能解剖复位后精确进行重建钢板置入内固定^[1]，这往往需要在术前进行详尽的手术方案设计，以达到重建与运动双重功能的高要求。

髋关节结构复杂，髋臼是位于髋骨中部外面的球形深窝，由髋、坐、耻三骨体部构成，在形态解剖学上分为前柱、后柱、前壁、后壁、内侧壁和穹顶6个部分。髋臼内有半月形的关节面，与股骨头相连接。髋臼骨折比较复杂，可分为简单骨折和复合骨折两大类。前者主要为髋臼后壁或前壁、后柱(坐骨棘、坐骨结节)或前柱(耻骨上支)的骨折或累及两柱横形的骨折；后者包括T形骨折、前后柱骨折、同时有2个以上孤立性骨折等。术前能全面正确地了解骨折情况非常重要，不同的骨折方式采用不同的手术入路。

髋臼骨折常用的基本影像学诊断方法是传统的X射线平片包括骨盆前后位片、闭孔斜位片和髂骨斜位片，不同投照方法显示髋臼的不同部位，能初步了解髋臼骨折和脱位，但有时患者疼痛严重无法照斜位片，前后片上骨折块移位方向也难以判断，而髋臼骨折中髋关节脱位一般为后脱位，影像前后重叠而不能在骨盆前后位片中显示。

CT扫描能避免髋关节结构重叠，髋臼前、后柱及中心的骨折能够非常准确清楚地被检出，可发现平片不能发现的隐匿骨折，可以显示骨结构本身的移位和断裂情况，还可显示出血、血肿的情况，并可观察周围脏器有无损伤^[2]。但有时会漏诊平行于扫描基线的骨折，同时CT轴位图像缺乏立体感，主要靠医生的想象来形成三维的印象，对于确切分类和制定手术方案均显不足^[3]。现阶段，虽可将二维平面的CT数据重建成三维图像，但需要专业技师利用CT机器配套软件操作，同时也不能在三维图像上进行钢板的预先模拟置入。快速成型可应用于髋臼骨折手术方案的制定，快速成型具有直观的特点，然而其过程复杂，制作成本高，仅能一次性使用。

数字化技术为髋臼骨折治疗方案的设计提供了良好的界面，从而实现手术方案的优化^[4]，为髋臼治疗提供指导^[5]。作者利用计算机软件Mimics重建出髋臼骨折的三维模型，在骨折模型上模拟复位手术，并利用Solidwork预弯钢板，模拟置入钢板内固定髋臼骨折，从而形成详尽的术前计划。保证骨折达到解剖复位，精确内置物的尺寸，避免内置物打入关节腔，缩短手术时间，减少术中出血量，最终达到提高髋臼骨折治疗效果的目的。

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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材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods

设计：随机对照试验。

时间及地点：于2009年3月至2011年9月在解放军广州军区广州总医院创伤骨科完成。

对象：纳入50例髋臼骨折患者，其中车祸伤28例，高处坠落伤22例，其中合并失血性休克26例，脑外伤12例，其他部位骨折20例，胸部损伤10例，腹部损伤18例，泌尿系统损伤6例，骶尾神经、坐骨神经损伤7例。髋臼骨折按Judet-Letournel分型^[6]：前柱骨折4例，横形骨折12例，横形伴后壁骨折9例，前柱伴后半横形骨折8例，双柱骨折17例。

50例患者按随机数字表法分为2组，每组25例。试验组男15例，女10例；年龄19-58岁，平均36.7岁。对照组男12例，女13例；年龄22-56岁，平均35.4岁。

纳入标准：①髋臼闭合骨折，骨折后14 d内行手术。②血流动力学稳定，常规检查提示能耐受手术。③受伤前生活自理，髋关节功能正常。

排除标准：不能配合治疗者(如精神病患者)。

材料：所有患者均使用的重建钢板及螺钉均购于史塞克(Stryker)公司。重建钢板及螺钉的材质均为钛合金，经临床实验证明具有良好的生物相容性。

方法：

早期处理：所有患者在入院时均运用损伤控制的理念进行早期的急救复苏^[7]。于急诊科即行心电监护，监测血压，26例休克患者行补液扩容、输血、抗休克等急诊处理；用骨盆兜带捆绑初步稳定骨盆骨折处止血，必要时急诊行手术探查止血。合并伤如脑外伤、腹部闭合损伤、泌尿系统损伤、胸部损伤等行相应的会诊及治疗。待生命体征平稳后转入本科行进一步诊疗。纳入的50例患者手术时机均未超过受伤后14 d，最迟的1例在受伤后的第14天实施手术。

影像学检查：所有患者常规行骨盆正位片检查及骨盆CT平扫。CT平扫采用16层螺旋CT(Biograph 16 HR 型，西门子公司)进行扫描，扫描层厚3-5 mm。得到的二维原始图像以DICOM格式输出。

对照组内固定方式：根据髋臼X射线检查、CT检查图像确定骨折类型，根据骨折类型确定手术入路，术中根据骨折线走行情况选择重建钢板，临时预弯，放置在合适位置，确保钢板和骨面贴服，如果不贴服，调整预弯的位置、角度及旋转度直至贴服为止，克氏针临时固定，X射线透视见位置满意后，再依次使用螺钉固定钢板，再次X射线透视确定螺钉位置满意后完成手术。

试验组内固定方式：将试验组25例髋臼骨折的DICOM数据依次导入Mimics 10.01。设定阈值(Thresholding)：本试验按照Mimics设定的Bone(CT)Scale进行设定；蒙照编辑(Edit Masks)：对每一层面Mask进行Erase、Draw等编辑；空洞填补(Cavity Fill)；重建骨折三维模型(Calculate 3D)。对骨折三维模型进行详细观察，了解损伤情况及各骨折块的移位情况，进一步确定骨折分型。在Mimics软件中对骨折模型进行虚拟复位，制定复位顺序。

选择手术入路，前柱骨折，采用仰卧位，取髂腹股沟入路；横形、横形伴后壁，采用俯卧位，取Kocher- Langenbeck入路，前柱伴后半横形及双柱骨折，采用漂浮体位，取前后联合入路。探讨固定方法，作者根据骨折模型，在Solidworks 2012软件中绘制出合适长度的锁定重建模拟钢板，导入Mimics 10.01中，根据髋臼骨折类型对钢板进行模拟预弯，记录预弯的位置、角度、旋转度及钢板放置的位置。根据模拟钢板及骨折的情况选择合适的重建钢板，并根据记录的数据对钢板进行预弯。术中，试验组8例采用髂腹股沟入路；3例采用延长髂股沟切口联合入路；9例采用Kocher-Langenbeck入路；5例采用前后联合入路。

手术入路的选择基本上和术前选择相同。1例由于大腿后外侧软组织擦挫伤而改变手术入路。切开暴露骨折端，清除骨折断端的淤血块，根据术前模拟的复位顺序对骨折块进行复位，克氏针临时固定，X射线透视见骨折复位满意后，使用术前已经预弯的钢板放置在术前模拟放置的位置，确定钢板和骨面贴服后，依次使用螺钉对钢板进行固定，X射线透视见螺钉长度合适后完成手术。

内固定后处理：两组患者内固定后行下肢间歇性气泵压迫治疗，2次/d，30 min/次。常规口服利伐沙班10 mg 2周，1次/d，1片/次，预防下肢深静脉血栓形成。内固定后3个月内严禁负重，3个月后在双拐保护下部分负重逐步过渡到弃拐完全负重。

主要观察指标：①一般资料：性别、年龄及骨折分型。②术中指标：手术持续时间、术中出血量。③术后指标：住院时间、骨折愈合时间及功能康复指标(以改良Merled'Aubigne-Postel评分系统为标准^[8])。

统计学分析：本文作者采用SPSS 10.0统计学软件比较两组病例的一般资料、术中指标及术后指标，进行方差分析，P < 0.05为差异有显著性意义。统计学处理由作者完成。

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讨论

3.1 髋臼骨折的治疗概况髋臼骨折属于关节内骨折，治疗的关键是对关节面骨折块进行解剖复位。若不能恢复髋臼关节面的解剖结构，纠正髋臼与股骨头的对应关系，将导致髋关节面应力分布不均，加速髋关节软骨面的退变，进一步发展将导致下肢应力改变，从而改变膝关节及踝关节的应力关系，影响步行。其处理要求髋臼骨折解剖复位及坚强内固定，解剖复位可降低创伤性关节炎及股骨头坏死的发生率，坚强内固定可允许患者早期功能锻炼，减少下肢深静脉血栓形成等并发症的发生。由于髋臼解剖复杂，以前多采用保守治疗，随着影像学的发展，外科手术技巧及内固定材料和技术的日益更新，切开复位内固定成为髋臼骨折治疗的金标准^[9]。

但由于髋臼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。传统手术完全依赖术者个人经验，精确性有时不足，创伤较大，术中医护人员常常需要反复透视，手术时间长，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他高科技已显得格格不入。

从本研究中也可看出，对照组手术持续时间明显长于试验组，手术时间的延长，必定增加术中的出血量。

3.2 数字化技术的现状及优点数字化技术已经开始对创伤骨科临床实践产生影响^[10-11]，Schatzker等^[12]认为没有一种广泛的原理可以帮助医师治疗每一例具体的髋臼骨折患者，个体化的方案有利于优化手术效果。三维重建有助于手术医师了解髋臼骨折病情^[13-15]，由放射科CT室所提供的二及三维图像所能涵括的信息颇为有限，手术医师仍多是依靠经验及想象进行手术方案的设计，所设计的手术方案因医师的临床技能水平而异。软件Mimics根据CT数据虚拟的三维重建在效果上接近于现实造模^[16]，而且模型可以反复利用，从而节约了大量的标本资源。目前，有报道快速成型可应用于髋臼骨折手术方案的制订^[17]。快速成型具有直观的特点，但其过程复杂，制作成本高，仅能一次性使用。本课题造模简单，接近零成本，可反复使用。利用Mimics建模，使髋臼骨折更完整、立体、直观地展现出来^[18-19]。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，内固定方法及内固定材料等。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^[20-21]。利用Mimics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，这样就为医师提供了准确的术前指导。

通过术前模拟，可前瞻性的确定理想内固定效果^[22-23]，本研究在Mimics软件的基础上，联合Solidwork软件，在软件中模拟出钢板，在模型上模拟完成钢板放置等操作，在术前就可确定钢板放置的位置及钢板的长度。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，利用数字化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^[24]，更减少了股骨头坏死的概率。数字化技术也使得髋臼骨折手术时间更短，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^[25-26]。

3.3 数字化技术的不足及展望数字化技术用能很好的显示髋臼骨折部位的结构，给手术医师提供了大量的解剖信息，还有利于手术医师根据患者的具体骨折类型设计出个体化钢板^[27-29]。数字化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。减少术中透视次数，保护患者及医护工作者。内固定前模拟手术使得术中目的性更强，手术参与者配合更加默契。另一方面，手术医师术前可利用模型向患者及其家属讲解病情及手术风险性，使患者及其家属能直观了解，取得患者及其家属的理解和配合^[30]，在如今医疗大环境恶劣的情况下，良好的沟通更能取得理想的治疗效果。

本研究试验组利用数字化技术辅助内固定修复髋臼骨折25例，无论是手术时间、术中出血量、住院时间及内固定后骨折愈合时间均显著小于对照组患者(P < 0.05)，内固定后关节功能评分优良率显著高于传统对照组(P < 0.05)，治疗效果令人满意。

然而，数字化技术所建立的髋臼骨折模型毕竟是脱离肌肉、韧带及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。术前手术模拟很顺利，但在真实手术中很困难，有时为了得到解剖复位，剥离软组织范围过大^[31]。在以后的工作中，是否可以考虑利用髋臼MRI数据进行重建，这样重建出来就有肌肉、神经及血管，将在以后工作中进行探讨。

后期作者将利用数字化技术模拟手术进行内固定，并对髋臼骨折内固定模型进行有限元分析，探寻更加符合生物力学的内固定方式。IT技术越来越影响生活的方方面面，数字化技术在骨科和外科领域的应用也越来越广，相信在不久的将来，数字化技术将参与到外科手术的每一个环节^[32]。

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