光辅助X射线体表定位在骨科植入物内固定中的骨折定位作用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.44.016

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

光辅助X射线体表定位：近年来该方法在骨折植入物内固定中得到应用，与传统定位、导航方法相比优势较多，对植入物内固定定位、导航时装置结构相对比较简单，技术上对于专业的医学设备要求相对较低，能适应不同种类复杂的骨折类型。同时，该方法能够动态化进行体表定位，为不同骨折的内固定提供更加准确的定位和导航，避免对骨折部位反复透视，减少机体产生放射性损伤，缩短患者骨折愈合时间。

参照物法导航定位：参照物法比较简单，它是在体表放置金属、颜料等能够显影的物体，辅助X射线以及CT等技术进行体表定位。该固定方法能够获取病灶的准确位置。但是，对于软组织内能够游走的异物而言，该定位导航方法难以准确确定其具体位置，临床上缺乏动态的体表定位技术。

摘要

背景：传统骨科内固定时主要采用C臂机完成体表定位，但是C臂机对人体产生的损伤较大，固定时间较长，增加患者痛苦。

目的：探讨光辅助X射线体表定位在骨科植入物内固定中定位、导航中的应用及效果。

方法：26只新西兰大白兔随机分为C臂机组和光辅助X射线体表定位组，每组13只。2组大白兔均模拟软组织异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入、脊柱椎弓根螺钉进针点定位3种内固定方法，C臂机组采用C臂机进行定位导航，光辅助X射线体表定位组采用X射线进行定位导航，比较2组定位方法对大白兔内固定置入的定位、导航效果。

结果与结论：①与C臂机组相比，光辅助X射线体表定位组在软组织异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入以及脊柱椎弓根螺钉进针点定位中定位导航所需要的时间显著缩短(P < 0.05)，位移及角度偏差显著减小(P < 0.05)；②结果表明，采用X射线对骨科内固定物进行定位操作方法相对简单，实用性较高，能获得较高的性价比，能提高内固定物置入准确性，缩短固定时间。

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

ORCID: 0000-0002-2795-8126(郭红斌)

关键词: 骨科植入物, 骨植入物, 内固定, X射线, C臂机, 软组织异物定位, 骨折髓内钉远端锁钉, 脊柱椎弓根螺钉

Abstract:

BACKGROUND: The traditional orthopedic fixation by C-arm positioning surface is completed, but the large C-arm injury on the human body and the long fixed time increase the suffering of patients.

OBJECTIVE: To investigate the X-ray fixed in position within the orthopedic implants, navigation and effect.

METHODS: Twenty-six New Zealand white rabbits were randomly divided into C-arm machine group and X-ray group, with 13 in each group. Rabbits in both groups were used to simulate soft tissue foreign body localization, intramedullary nail implantation at distal fracture end and spinal pedicle screw entry point position. In the C-arm machine group, positioning navigation was conducted with C-arm machine. In the X-ray group, X-ray positioning navigation was used. The positioning and navigation effects were compared between the two groups.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the C-arm machine group, the time required for navigation in the X-ray group targeting soft tissue foreign body localization, fracture distal locking intramedullary nail implantation and pedicle screw spinal needle point location was significantly shorter (P < 0.05); navigation displacement and deviation produced were significantly less (P < 0.05). (2) These findings suggested that the X-ray positioning for orthopedic fixation method is relatively simple, with high availability, and can obtain a high performance-price ratio. Meanwhile, the X-ray localization can improve accuracy and shorten the fixed time.

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

Key words: Fractures, Bone, Internal Fixators, Bone Nails, X-Rays, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

郭红斌，郭迎新，余伟，丁春萍，蔡中立. 光辅助X射线体表定位在骨科植入物内固定中的骨折定位作用[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(44): 6649-6654.

Guo Hong-bin, Guo Ying-xin, Yu Wei, Ding Chun-ping, Cai Zhong-li. X-ray implanted in fixing the fracture localization and navigation in orthopedics[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(44): 6649-6654.

图/表（结果） 1

参考文献

[1] Mueller CK,Thorwarth M, Schmidt M,et al. Comparative analysis of osseointegration of titanium implants with acid-etched surfaces and di erent biomolecular coatings. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. 2011;112(6): 726-736.
[2] Sverzut AT, Crippa GE, Morra M, et al. E ects of type I collagen coating on titanium osseointegration: histomorphometric,cellular and molecular analyses. Biomed Mater. 2012;7(3): 035007.
[3] Schneiders W,Reinstorf A,Biewener A,et al. In vivo e ects of modi cation of hydroxyapatite/collagen composites with and without chondroitin sulphate on bone remodeling in the sheep tibia. J Orthop Res. 2009;27(1): 15-21.
[4] 王浩,张里程,石涛,等. 胶原-羟基磷灰石-硫酸软骨素-骨形态发生蛋白骨修复材料的性质评估[J].北京大学学报:医学版,2011,43(5):730-734.
[5] Park JW, Kurashima K, Tustusmi Y, et al. Bone healing of commercial oral implants with RGD immobilization through electrodeposited poly (ethylene glycol) in rabbit cancellous bone. Acta Biomater. 2011;7(8): 3222-3229.
[6] Kang SW,Kim JS,Park KS,et al. Surface modi cation with brin/hy aluronic acid hydrogel on solid-free form-based sca olds followed by BMP-2 loading to enhance bone regeneration. Bone. 2011; 48(2): 298-306.
[7] Bitschnau A,Alt V, Bhner F,et al. Comparison of new bone formation, implant integration, and biocompatibility between RGD hydroxyapatite and pure hydroxyapatite coating for cementless joint prostheses-an experimental study in rabbits. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2009;88(1): 66-74.
[8] 尚鹏,王建平,王成焘.完整步态下人工髋关节微动的非线性有限元分析[J].上海交通大学学报,2008,42(4): 607-611.
[9] Makela KT,Eskelinen A,Pulkkinen P,et al. Total hip arthroplasty for primary osteoarthritis in patients fifty-five years of age or older. An analysis of the finnish arthroplasty registry. J Bone Joint Surg Am. 2008; 90(10): 2160-2170．
[10] 季文婷,陶凯,胡孔足,等. 4种非骨水泥股骨柄假体的初期稳定性分析[J]. 上海交通大学学报,2009,43(11): 1803-1807.
[11] Race A,Hefferman CD,Sharkey PF. The addition of a hydroxyapatite coating changes the immediate postoperative stability of a plasma-sprayed femoral stem. J Arthroplasty. 2011;26(2): 289-295.
[12] Folgado J,Fernandes PR,Jacobs CR,et al. Influence of femoral stem geometry,material and extent of porous coating on bone ingrowth and atrophy in cementless total hip arthroplasty: an iterative finite element model. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2009; 12(2): 135-145.
[13] 邱勇,王斌,朱锋,等.退弯性腰椎侧凸的冠状面失衡分型及对截骨矩形术式选择的意义[J].中华骨科杂志, 2009, 29(5): 418-423.
[14] 苏明海,赵红军,王进,等.经椎弓根内固定椎间融合治疗复发性腰椎间盘突出症[J].中国现代医学杂志,2009,19(15): 2356-2358.
[15] 解勇,刘雅,蔡明,等.后路椎管减压椎弓根螺钉内固定椎间融合治疗腰椎滑脱68例的疗效分析[J].中国社区医师(医学专业),2012,14(24):114-115.
[16] 宁凯,车立新,王志刚,等.后路椎弓根螺钉内固定联合椎间植骨融合治疗Ⅱ、Ⅲ度腰椎滑脱的临床研究[J].中国医药导报,2012,9(20):47-49.
[17] 袁永集.钛金属后路椎弓根钉棒内固定系统联合椎间植骨治疗腰椎滑脱分析[J].当代医学,2012,18(4):93-94.
[18] 许海波,方志祥,李坚.三种入路椎间融合术治疗下腰椎退行性滑脱比较[J].中国现代医生,2012,50(4):44-45.
[19] Zhou C,Chen Y. Additive manufacturing based on optimized mask video projection for improved accuracy and resolution. J Manufact Proc.2012;14(2):107-118.
[20] Parthasarathy J, Starly B, Raman S,et al.Mechanical evaluation of porous titanium (Ti6Al4V) structures with electron beam melting (EBM).J Mech Behav Biomed Mater.2010;3(3):249-259.
[21] Murr LE,Gaytan SM,Medina F,et al.Next-generation biomedical implants using additive manufacturing of complex,cellular and functional mesh arrays.Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2010;368(1917): 1999-2032.
[22] Harrysson O,Cansizoglu OD,Marcellin-Little DJ,et al.Direct metal fabrication of titanium implants with tailored mteriaIs and mechanical properties using electron beam melting technology. Mat Sci Engin.2008; 28(3):366-373.
[23] 杨鑫,奚正平,刘咏,等.电子束选区熔化技术对钛合金组织和力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2009,38(7): 1272-1275.
[24] 李国臣,王林,桑宏勋,等.可控微结构EBM钛合金支架与成骨细胞的体外三维复合培养[J].中国矫形外科杂志, 2009,17(24):1883-1887.
[25] 李祥,王成焘,王林,等.可控多孔结构生物活性钛的制备及其体外细胞培养[J].稀有金属材料与工程,2010,39(10): 1697-1701.
[26] Wang G,Karki SB,Xu S,et al. Quantitative MRI and X-ray analysis of disc degeneration and paraspinal muscle changes in degenerative spondylolisthesis. J Back Musculoskelet Rehabil. 2015;28(2):277-285.
[27] Tarantino U,Fanucci E,Iundusi R,et al. Lumbar spine MRI in upright position for diagnosing acute and chronic low back pain: statistical analysis of morphological changes. J Orthopaed Traumatol. 2013;14:15-22.
[28] Nava-Bringas TI, Hernández-López M, Ramírez-Mora I,et al. Effects of a stabilization exercise program in functionality and pain in patients with degenerative spondylolisthesis. J Back Musculoskelet Rehabil. 2014; 27(1):41-46.
[29] MacDonald DA, Dawson AP, Hodges PW. Behavior of the lumbar multifidus during lower extremity movements in people with recurrent low back pain during symptom remission. J Orthop Sports Phys Ther. 2011;41(3):155-164.
[30] Huang KY,Lin RM,Lee YL, et al. Factors affecting disability and physical function in degenerative lumbar spondylolisthesis of L4-5: evaluation with axially loaded MRI. Eur Spine J. 2009;18(12):1851-1857.
[31] 邓必权,胡华,滕宇,等.椎弓根螺钉复位内固定后单纯植骨融合与椎间融合器融合治疗腰椎滑脱症的疗效比较[J].中国老年学杂志,2015,35(7):1823-1825.
[32] 颜国城,严照明,陈开明.开窗中枚椎间融合器结合提拉复位系统治疗腰椎滑脱症[J].中国骨与关节损伤杂志,2011, 26(3): 238-239.
[33] 任天平.脊柱保健操联合椎间孔电针刺激治疗腰椎间盘突出症的疗效观察[J].中华物理医学与康复杂志,2013, 35(6): 473-474.
[34] 徐杰,刘春华,黄惠梅,等.后路单枚Cage植骨融合联合椎弓根钉棒系统治疗腰椎滑脱症[J].中国修复重建外科杂志, 2012,26(7):891-892.
[35] Liu YY,Sun D,Zhang ZH,et al. Progress in osteoporosis vertebral pedicle screw fixation. Orthop J China. 2011; 19(23): 1982-1986.
[36] 朱虎虎,孙炜. 维甲酸诱导雌性大白兔骨质疏松模型建立的效果观察[J]. 当代医学,2013,19(14): 24-26.
[37] 彭李华,陈世荣,唐晋．骨质疏松股骨三维有限元模型的建立[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(9): 1545-1548.
[38] 崔轶,雷伟,吴子祥．绵羊椎体骨质疏松性生物力学模型的快速建立[J].中国骨质疏松杂志,2011,16(1): 203-208.
[39] Uludag S, Ataker Y, Seyahi A, et al. Early rehabilitation after stable osteosynthesis of intra-articular fractures of the metacarpal base of the thumb. J Hand Surg Eur. 2015;40(4): 370-373.

引言

骨折发病率较高，类型较多也比较多，如开放性骨折、闭合性骨折等，发病后主要以疼痛、活动不便等为主，影响机体健康。目前，临床上对于骨折更加倾向于手术治疗，该方法能帮助患者快速恢复骨折移位情况，减轻患者疼痛，促进患者早期恢复^[1-4]。但是，患者手术时对于需要内固定物患者在固定时、导航效果不佳，导致患者治疗难以达到预期的治疗效果。传统定位方法主要以C臂机下体表定位解剖标志为主，该方法虽然能够完成内固定物的定位、导航，但是其受到的影响因素较多，定位导航效果也比较差，难以达到预期的治疗效果^[5-6]。同时，患者治疗时长期或多次使用容易导致患者损伤难以愈合，延长了植入物内固定时间^[7-8]。近年来，随着国内医疗技术的飞速发展，医学影像技术、计算机技术等在骨科内植入物固定中得到应用，且效果理想，这些方法显著提高了定位精度，促进骨折早期恢复^[9-10]。但是，这些方法尚存在操作相对复杂、价格昂贵，定位、导航误差大，容易漂移等不足，限制了在基层医院中的应用和推广。

近年来，光辅助X射线体表定位在骨折植入物内固定中得到应用，该方法和传统定位、导航方法相比优势较多，采用光辅助X射线体表定位对植入物内固定定位、导航时装置结构相对比较简单，技术上对于专业的医学设备要求相对较低，能适应不同种类复杂的骨折类型，该方法对于医师的专业技能要求相对较低，操作更加迅速、有效^[11-12]。同时，光辅助X射线体表定位的应用能够动态化进行体表定位，为不同骨折的内固定提供更加准确的定位和导航，避免了对骨折部位反复透视，可以减少机体产生放射性损伤，缩短患者骨折愈合时间^[13-14]。

实验探讨光辅助X射线体表定位在骨科植入物内固定中定位、导航中的应用及效果。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

材料方法

1.1 设计 随机对照动物实验。

1.2 时间及地点 于2015年1至9月在南阳医学高等专科学校第一附属医院骨科完成。

1.3 材料

1.3.1 实验动物选取新西兰大白兔26兔，体质量1.69-3.01 kg，平均(1.92±0.19) kg，雌雄随机，均由南阳医学高等专科学校第一附属医院动物实验中心提供，严格遵守相关标准进行饲养，入选大白兔均等条件喂养，符合《关于善待实验动物的指导性意见》相关规则^[15-16]，合格证号：SCXK(新)2003-0001。采用随机数字表法将新西兰大白兔分为2组，C臂机组和光辅助X射线体表定位组各13只。

1.3.2 自制光辅助X射线体表定位装置包括雷达状排列的金属网、红色激光的发射装置，经过专业人员调试后爆炸金属网能够与激光透射的雷达坐标完全一致。

1.3.3 股骨髓内钉该股骨髓内钉为5孔，适用于股骨干骨折、股骨颈合并股骨干骨折中，能与骨髓腔相互匹配，更容易获得复位，能根据骨折情况分为选择6.3 mm双钉及5.0 mm单钉，能同时满足股骨多种骨折状况，远端长圆形钉孔能提供动力加压。

1.4 方法

1.4.1 实验方法每只动物均进行以下3个实验：①软组织异物定位：将新西兰大白兔放置在专业动物试验台上(中科院上海细胞所)，采用浓度为3.6%水合氯醛(新疆制药厂)进行全身麻醉，待麻醉生效后进行消毒、铺巾。待麻醉成功后大白兔保持仰卧姿势并进行固定。剔除腹部毛，并且在腹部正中手术区域进行消毒，采用长为1.0 cm的克氏针模拟植入物，做一个长为1.0 cm的纵行切口，并逐层切开皮肤、皮下组织以及腹膜后将植入物放入每只新西兰大白兔腹腔内，逐层缝合^[17-18]；②骨折髓内钉远端锁钉置入：待大白兔麻醉生效后将2枚股骨髓内钉(直径为 10 mm，长32 cm)从股骨大转子梨状窝开口向远端髓腔内置入，并且配合不同瞄准支架，利用骨科微型电钻夹持克氏针，模拟远端锁钉置入^[19-20]；③脊柱椎弓根螺钉进针点定位：待大白兔麻醉成功后对其腰椎部位去毛，将大白兔腰椎消毒后每只大白兔取5个腰椎，利用直径为1.5 mm的克氏针代替椎弓根螺钉，并利用骨科微型电钻夹持克氏针，模拟脊柱椎弓根螺钉进针点定位^[21-23]。

1.4.2 骨科植入物内固定体表定位、导航过程 C臂机组采用C臂机进行定位导航，光辅助X射线体表定位组采用自制的光辅助X射线体表定位装置对固定物进行定位、导航。

光辅助X射线体表定位组大白兔术前先对定位导航部位进行透视，根据透视获得的影像资料确定固定物的坐标具体值，利用激光发射装置发出一束激光，并且在动物模型的体表折射出激光的坐标。最终根据获得的坐标值确定固定物或异物在体表的位置^[24-25]，见图1。首先在C臂机的球管垂直X射线投射方向放置呈雷达坐标排列的金属网，对动物模型或模型所需要定位部位进行透视，根据透视影像记录目标的坐标值。然后利用激光发射装置投射红色激光，并且在动物或模型体表投射激光坐标，最后根据记录的坐标值在体表处进行标记，了解内固定物的位置和大小。以同样的方式采用传统C臂机进行软组织内异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入及脊柱手术椎弓根螺钉进针点定位。2组新西兰大白兔实验均由同一批医师完成。

1.5 主要观察指标 ①观察2种定位方法的定位导航时间；②观察2种定位方法的定位导航位移偏差比。根据2种不同定位导航方法获得的长度坐标进行分析，获得不同坐标值之间的误差；③观察2种定位方法的定位导航角度偏差。根据2种不同定位导航方法获得的角坐标进行分析，获得不同坐标值之间的误差。

1.6 统计学分析 采用SPSS 18.0软件处理数据，计量资料行t 检验，采用x(_)±s表示，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

目前临床上对于骨折主要以手术治疗为主，且患者手术时需要植入物完成内固定治疗，但是患者治疗时内固定物固定方法尚存在较大的争议。传统的导航定位方法相对较多，更多的以体表定位、导航为主，后经发展又延伸出其他定位方法^[26]：①参照物法：参照物法比较简单，它是在体表放置金属、颜料等能够显影的物体，辅助X射线以及CT等技术进行体表定位。该固定方法能够获取病灶的准确位置。但是，对于软组织内能够游走的异物而言，该定位导航方法难以准确的确定其具体位置，临床上缺乏动态的体表定位技术^[27]；②导航仪法：该方法更多的适用于脊柱外科固定中。但是该定位导航方法价格相对昂贵，并且适用范围也比较窄，难以满足不同骨折患者需要；③超声波或多普勒装置：该固定装置能够准确确定固定前的位置，并且在导航中也有所运用。但是该方法使用时更容易发生偏移，内固定时需要不同科室进行会诊^[28]。

近年来，X射线在骨科植入物内固定中骨折定位及导航中得到运用，且效果理想。本文中光辅助X射线体表定位组在软组织异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入以及脊柱椎弓根螺钉进针点定位中定位、导航所需要的时间，显著短于C臂机组(P < 0.05)。X射线和其他定位、导航方法相比优势较多，本文中使用雷达状排列的激光束进行位置的确定，并且将其运用于软组织异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入以及脊柱椎弓根螺钉进针点定位中，将定位导航结果与C臂X射线相互比较，能为骨折患者选择合适的诊断方法提供依据和参考^[29-30]。此次实验中光辅助X射线体表定位组在软组织异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入以及脊柱椎弓根螺钉进针点定位中定位、导航所产生的位移偏差，显著少于C臂机组 (P < 0.05)。X射线在植入物内固定中使用时装置相对比较简单，成本也相对较低，能够适用于不同类型骨折的复杂环境中，并且X射线在定位导航时精度相对较高，能够为患者提供动态化的体表定位，从而能够为骨折患者内固定提供便利^[31-32]。本实验中光辅助X射线体表定位组在软组织异物定位、骨折髓内钉远端锁钉置入以及脊柱椎弓根螺钉进针点定位中定位、导航所产生的角度偏差，显著少于C臂机组(P < 0.05)。相关学者进行了一次实验，实验中采用飞利浦、西门子公司推出的十字交叉激光定位系统运用于X射线机，但是其内固定方法尚处于初级阶段，并没有推广应用。

临床上骨科植入物内固定患者中采用X射线内固定定位导航时尚存在一些不足。对于新西兰大兔浅部和深部异物定位时，由于深部定位难度系数较大，在定位导航时受到的影响因素更多，并且随着体表定位技术难度的加大其准确度也会出现相应的降低^[33-34]。但是，本实验中采用的是自制装置，由于精度相对较低，从而也会降低X射线体表定位的准确度。因此，在今后的研究中尚需要制作更为紧密的、科学的实验装置，以满足不同骨折移植物内固定的要求^[35-36]。文中在采用自制装置时也存在许多困难，一方面自制的装置体积相对较大，精度也相对较低，定位导航方法在临床实际使用过程中精度影响因素较多，该装置在制作过程中使用的为红色激光进行照射，与人体血液容易产生混淆，导致其获取相关坐标参数相对比较困难^[37-38]。本实验中仅研究了临床上比较常见的3种骨科内固定方法，在分析过程中人为误差也比较大。另一方面激光定位技术本身定位导航时存在缺陷等，均需要进一步研究和分析^[39]。

综上所述，采用X射线对骨科内固定物进行定位操作方法相对简单，实用性较高，能获得较高的性价比。同时，采用X射线定位时对骨科医师专业技能要求较低，能提高内固定物准确性，缩短固定时间。

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