数字骨科技术在桡骨远端骨折掌侧钢板的放置定位中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.04.020

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (4): 607-612.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.04.020

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数字骨科技术在桡骨远端骨折掌侧钢板的放置定位中的应用

陈刚，廉凯，崔露，吴农欣，陆新颜，王帮军，陈枫文

湖北文理学院附属医院(襄阳市中心医院)，湖北省襄阳市 441021

修回日期:2013-11-07 出版日期:2014-01-22 发布日期:2014-01-22
通讯作者: 廉凯，博士，主任医师，湖北文理学院附属医院(襄阳市中心医院)，湖北省襄阳市 441021
作者简介:陈刚，男，1977年生，湖北省宜昌市人，2003年暨南大学毕业，硕士，主治医师，主要从事数字骨科的研究。
基金资助:
襄阳市中心医院院级科研课题资助项目(YY20120C19)

Digital orthopedic technology in the positioning of volar plate in distal radius fracture

Chen Gang, Lian Kai, Cui Lu, Wu Nong-xin, Lu Xin-yan, Wang Bang-jun, Chen Feng-wen

Affiliated Hospital of Hubei College of Arts and Sciences (Central Hospital of Xiangyang), Xiangyang 441021, Hubei Province, China

Revised:2013-11-07 Online:2014-01-22 Published:2014-01-22
Contact: Lian Kai, M.D., Chief physician, Affiliated Hospital of Hubei College of Arts and Sciences (Central Hospital of Xiangyang), Xiangyang 441021, Hubei Province, China
About author:Chen Gang, Master, Attending physician, Affiliated Hospital of Hubei College of Arts and Sciences (Central Hospital of Xiangyang), Xiangyang 441021, Hubei Province, China
Supported by:
This study was supported by Science Research Fund of Central Hospital of Xiangyang, No.YY20120C19

摘要/Abstract

摘要：

背景：桡骨远端骨折以掌侧锁定钢板治疗为主，但尚存在操作中难以判断钢板位置同腕关节面边缘的距离，可导致螺钉穿出关节面的并发症。关节镜或操作中透视各有利弊，缺乏简单易行且有效的关于钢板放置定位的方法。

目的：探索桡骨远端骨折掌侧锁定钢板的放置定位及计算机仿真在此治疗前规划的作用。

方法：收集20例成人桡骨CT断层数据，通过MIMICS软件建模，在MIMICS中装配桡骨和掌侧钢板，测量最佳的关节面边缘同钢板远排螺孔中心的距离，求其标准差及均值。将桡骨远端骨折患者33例分为2组，常规规划组治疗前常规X射线及CT阅片，计算机规划组治疗前根据计算机测量的数据辅助规划。

结果与结论：常用斜T型掌侧锁定钢板的安置安全区为：螺钉孔中心距关节面边缘均值男性为11.13 mm，女性为10.97 mm。计算机规划组患者治疗中透视次数及操作时间显著少于常规规划组(P < 0.05)。提示计算机仿真技术可以有效确定桡骨远端掌侧钢板的适当位置，应用于治疗前规划中有助于减少老年骨折患者的透视及操作时间。

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

全文链接：

关键词: 植入物, 数字化骨科, 计算机模拟, 计算机辅助, 桡骨远端骨折, 掌侧锁定钢板, 内固定

Abstract:

BACKGROUND: Volar locking plate is the dominant treatment of distal radial fractures, but it is difficult to judge the distance between the plate position and the carpal articular surface, thus leading to screw penetration of the articular surface. Arthroscopy or operative perspective has their pros and cons, there is no simple and effective method of positioning the plate.

OBJECTIVE: To find the optimal position of Volar LCP in distal radius fractures and explore the role of computer simulation in this treatment.

METHODS: The CT data of the wrists in 20 adult patients were collected to calculate 3D models of the radius by MIMICS software. 3D model of the LCP was calculated by UG in working station. The distance between the plate and the distal radius joint was measured by computer simulation, and the mean value was calculated. A total of 33 Patients with distal radial fractures were divided into two groups: conventional treatment group (regular X-ray and CT) and computer simulation group (preoperative plan based on the computer-measured data).

RESULTS AND CONCLUSION: The safe distance between the screw center and the articular facet was 11.13 mm in males and 10.97 in females. The number of radiation and operating time were shortened significantly in computer simulation group (P < 0.05). Experimental findings indicate that, computer simulation is a powerful tool to find the optimal position of volar LCP in the distal radius fractures. The time of the operation and X-ray fluoroscopy are also shortened significantly.

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

全文链接：

Key words: radius fracture, internal fixators, surgery, computer-assisted, computer

中图分类号:

R318

陈刚，廉凯，崔露，吴农欣，陆新颜，王帮军，陈枫文. 数字骨科技术在桡骨远端骨折掌侧钢板的放置定位中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(4): 607-612.

Chen Gang, Lian Kai, Cui Lu, Wu Nong-xin, Lu Xin-yan, Wang Bang-jun, Chen Feng-wen . Digital orthopedic technology in the positioning of volar plate in distal radius fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(4): 607-612.

图/表（结果） 2

2.1 参与者数量分析 纳入患者33例，分为2组，按意向性处理分析，全部进入结果分析。

2.2 两组患者基线资料分析 见表1。

2.3 正常人群的桡骨模型中钢板边缘及远排螺钉中心孔距离桡骨远端边缘的距离 通过建模模拟安置钢板并测量后分析得知，男性组中钢板远排螺孔中心同关节面边缘的垂直距离最大为11.75 mm，最小为10.72 mm，95%可信区间为(11.13± 0.65) mm；桡骨关节面距钢板边缘距离最大为6.35 mm，最小为5.41 mm，95%可信区间为 (5.73±0.65) mm。女性组中钢板远排螺孔中心同关节面边缘的垂直距离最大为11.50 mm，最小为10.73 mm，95%可信区间为(10.97±0.59) mm；桡骨关节面距钢板边缘距离最大为6.10 mm，最小为5.28 mm，95%可信区间为(5.56± 0.59) mm。男性女性组别之间差异无显著性意义（表2）。

2.4 两组患者手术中透视次数及操作时间 常规规划组平均操作时间为74 min，计算机规划组平均操作时间为 60 min，方差齐性，P=0 < 0.05，两组之间差异有显著性意义；常规规划组治疗中透视次数平均为13.33次，计算机规划组为8.77次，方差齐性，P=0 < 0.05，两组之间差异有显著意义。由于本院手术室治疗中透视制度要求透视时医师包括手术及麻醉医师及护士均在隔离房门之外操作。故每次透视耗时为2-5 min不等。如透视次数较多，则手术时间相应延长。据上分析可知两组之间操作时间差异主要可能是因为透视时间的差异（表3）。

2.5 患者治疗后摄片及功能随访结果 所有患者拔除引流管后均行早期功能练习。并在1周内摄片复查骨折对位线及掌侧钢板的位置，并检查腕关节主动被动活动时有无关节疼痛及摩擦异感。结果显示，两组患者治疗后复查X射线骨折对位线均理想。钢板远排螺钉位于软骨下骨，起到支持关节面的作用，并且X射线阅片未见螺钉穿出关节面(图4)。

2.6 并发症 功能检查结果提示两组均未见腕关节摩擦感等异样感觉，未见明显活动障碍。全组未见治疗后感染病例，未见治疗术后再次手术调整内固定物病例，仅有1例患者出现治疗后正中神经牵拉轻度麻痹症状，1例患者出现桡神经浅支部分损伤症状，均保守对症治疗后好转。

常规规划组病例中选用传统术前规划结合术中探查加C臂机X射线透视方法治疗后的骨折对位线及螺钉穿出现象同采用计算机模拟术前规划，根据术前规划模拟手术确定钢板位置及同关节边缘距离的计算机规划组相比并无明显差别。而计算机规划组的治疗操作时间较常规规划组显著减少，这就从理论上降低了感染及其他同治疗操作时间正相关的并发症发生，且计算机规划组治疗中透视次数较常规规划组的减少，不但减少了医护人员的放射暴露，同时也减少了病患的放射暴露。而后者在既往的医疗行为中往往被忽视，而且缺乏具体的保护措施。透视次数的减少是对患者健康的保护，同时也体现了现代个性化医疗中对患者的全面关怀。

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引言

材料方法

设计：数字化骨科，分组对比观察。

时间及地点：2009年1月至2012年6月在湖北襄阳市中心医院骨科、放射科、信息中心及中心实验室进行。

材料：

主要设备：德国西门子64排螺旋CT。

主要软件：比利时MIMICS软件，德国西门子UG软件。

对象：选择同期湖北襄阳市中心医院应用斜T型锁定加压接骨板治疗桡骨远端粉碎性骨折患者。

诊断标准：桡骨骨折根据X射线片进行诊断。

纳入标准：①无特殊骨骼肌肉系统疾病。②无骨折外伤史。③年龄在50岁以上。

排除标准：骨形成不良的骨病患者，或先天畸形如马德隆畸形或陈旧桡骨远端骨折病史。

根据纳入标准选择符合条件的患者20例，年龄50-67岁，平均(58.65±10.36)岁，其中50-59岁13例，平均(54.17±2.90)岁；60-67岁7例，平均(65.10±2.52)岁；获得正常老年人群腕关节及桡骨远端CT扫描数据。另选桡骨远端骨折33例进行分组对比观察。研究取得所有患者的知情同意，符合《医疗机构管理条例》的相关要求。

方法：

桡骨远端骨折掌侧锁定钢板放置位置测定：

摄片方法：采用西门子64排128层螺旋CT拍摄双腕包括桡骨远端身体置于床面中间，两手上举平伸，手心向下，两手尽量靠拢以缩小扫描野，头先进。根据定位片，包括整个腕关节。扫描基准线：横断面连续扫描。获得正常老年人群腕关节及桡骨远端CT扫描数据(dicom格式)。

钢板边缘距离桡骨远端关节边缘距离测量：为经过钢板中轴及T型中点的连线在钢板边缘同关节面边缘之间的部分。

螺钉中心距离桡骨远端关节边缘距离测量：为经过钢板中轴及T型中点及螺钉孔中心的连线在螺钉孔中心同关节面边缘之间的部分。

测量方法：将桡骨断层CT扫描数据导入MIMICS软件，消除非感兴趣部位，单独将桡骨远端包括关节面的部分在计算机中三维重建建立3D模型^[13-15]。然后测量市售常用仿AO斜T型锁定加压接骨板(天津正天公司)的各项各向尺寸(精确至0.1 mm)。在UG(SEIMENS公司)软件中根据实际数据建立斜T型锁定加压接骨板的3D模型并导出保存为STL格式。将此钢板的STL模型导入到先前建立的桡骨远端3D模型中。利用MIMICS软件的医学模拟模块和注册装配功能进行手术模拟，即将钢板模型在桡骨远端3D模型上进行装配，直至钢板位置最佳 ^{[16-17]。标准为避免螺钉从关节面穿出下，螺钉正好在软骨下。再通过软件的3D测量功能，测量钢板远排螺孔中心同关节面边缘的垂直距离，记录，并进行统计分析。}

计算机仿真在桡骨远端骨折钢板置入手术前规划中的应用：

分组方法：根据治疗前规划方式的不同将其分为2组。常规规划组桡骨远端骨折15例，采用的治疗前规划方法为阅读常规X射线正侧位片及三维CT片，未进行计算机建模及仿真环境下模拟复位固定。致伤原因：跌伤及少量交通事故伤。骨折AO分型为c2及c3型。

计算机规划组桡骨远端骨折18例，采用的治疗前规划方法除了阅读常规X射线正侧位片及三维CT片外，同时在医师工作站上多角度观察骨折的三维模型，并且在软件模拟环境下复位装配掌侧锁定钢板。致伤原因：以跌伤为主，包括少量交通事故伤。骨折AO分型为c2及c3型。

实施及执行人员：阅片由同一组3位高年资副主任医师以上职称医师分别进行，超过2名以上医生诊断相同则纳入研究。两组患者治疗均由同一组3位高年资副主任医师以上职称的医师实施，其实施同类手术经验超过50例。

治疗前规划：常规规划组患者的术前规划为传统型，即根据腕关节正侧位X射线及三维CT图像分型。然后根据患者一般情况如何，有无基础疾病，骨质疏松状况，患肢局部皮肤条件及对预后的期望分别制定手术方案。

计算机规划组患者的术前规划除传统方法外主要区别在于借助了计算机模拟。将患者的CT断层扫描数据导入MIMICS软件，三维建模(图1)。

在模型上评估骨折复位后掌侧锁定钢板的安置位置，记录螺钉孔中心距关节面边缘距离(图2，3)。并评价干骺段骨质缺失程度及关节面粉碎程度，决定是否植骨及加用克氏针或结合外固定。

治疗操作：臂丛或全身麻醉成功后，患者仰卧位，患肢外展，止血带备用。采用前臂掌侧Henrry入路^[18-19]，经桡侧腕屈肌腱与肱桡肌肌腱之间进入，推开旋前方肌，暴露骨折。牵引结合适当的撬拨间接恢复桡骨高度及适当的掌倾角及尺偏角，克氏针临时固定后临时安置掌侧锁定钢板。

常规规划组安置钢板后多角度透视判断钢板远端螺钉有无穿出关节面。根据术中所见干骺段骨质缺损情况决定植骨与否及是否加用克氏针或更换外固定。

计算机规划组根据计算机术前规划中测定之距离安置钢板然后正侧位及斜位透视。根据治疗前规划之方案结合术中所见决定植骨与否及是否加用克氏针或更换外固定。计算机规划组安置钢板时根据测量结果将钢板安置在安全区，即钢板远排螺孔距关节面距离大于12 mm，然后再行透视。确认无误后方一一钻孔测深安置锁定螺钉。

记录两组患者各自的手术时间，透视次数，手术方案更改次数。

治疗后处理：治疗后患肢可调支具制动，治疗后第1天在支具保护下开始行患肢手指康复功能锻炼，一二周后每日定时拆除支具适当腕部功能练习。逐渐增加运动量和幅度。治疗后使用鲑鱼降钙素结合钙剂和维生素D行规范抗骨质疏松治疗。鲑鱼降钙素在第1周肌注50 U/次，1次/d；第2周肌注50 U/次，每2 d给药1次^[6-7]。

治疗后复查及随访：治疗后1周内复查X射线观察骨折对位线情况及螺钉有无穿出关节面。拔除引流管后早期功能练习，每月复查随访并检查腕关节被动活动有无明显障碍及异响及摩擦感。

主要观察指标：记录各组患者的治疗操作时间及治疗中透视次数，记录治疗后复查X射线骨折对位线的情况及有无螺钉穿出关节面情况，记录术后随访患者的腕关节有无明显限制及摩擦感或异响。

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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讨论

对于伴随骨质疏松的桡骨远端骨折，掌侧锁定钢板可以较长时间的维持术后骨折的复位情况，并可以适当的早期功能练习，减少骨折病的发生，减少内固定的失效^[19-20]。锁定钢板具有角度稳定的特征。一旦复位到位，锁钉锁定成功，就可以维持桡骨远端掌倾角及尺偏角的稳定，而这两项指标恰恰是桡骨远端骨折预后的重要影响因素。而且锁定钢板的远端锁定设计时就考虑了分散排布，加强了抗拔出的能力^[21-22]。

传统加压钢板的稳定依赖于钢板同骨折块之间的摩擦力及骨皮质之间解剖关系的恢复。而在骨折疏松患者中，桡骨远端骨折往往伴随着干骺段松质骨的压缩和塌陷。继而伴随着桡骨高度的丢失。此高度也是决定桡骨远端骨折预后的重要复位标准。治疗中往往发现恢复桡骨的高度后，面临着干骺段骨质的缺失，骨皮质缺乏连续性。在这种情况下，普通加压钢板由于缺乏角度稳定性，无法维持桡骨高度的恢复，即使勉强维持，也是不稳定的，无法耐受术后的康复练习造成的剪切应力而早早失效。同普通加压钢板一样，锁定钢板治疗桡骨骨折后复位的维持很大程度上也取决与骨骼的质量。如果骨质疏松特别严重。即使是锁定螺钉也会失去对干骺段骨块的把持，造成螺钉对骨块的切割，随之而来就是骨折复位的丢失及内固定的失效。

通过计算机仿真技术可以进行完备的治疗前规划，便与在治疗前发现问题，提早预防，避免术中的失误。通过仿真技术测量得到的数据可以有助于实际临床操作中安置钢板的间接指标。此项指标方便简洁：只要螺钉中心距离关节面边缘在12 mm外，螺钉基本上是安全的。根据这项原则，在三维模型中凡是骨折线或中心主要骨块的边缘距离关节面边缘在12 mm以内的，则不能保证螺钉在安全的不穿过关节面的情况下固定骨折块。需要改用外固定支架等其他手术固定方式。不过，此原则在下列情况下只能作为有限的参考：本数据非大样本，故不能覆盖整个人群。如果分别将研究人群按照性别及年龄段分组，数据可能更贴近实际；模型设定钢板的远端角度设定为17°且假设螺钉垂直于钢板表面。并且模型建立在骨折复位良好的前提下。如果骨折复位不良，或改用其他形式的螺钉(如普通螺钉)，则本应处于安全区域的螺钉仍然可能穿出关节面。

通过治疗前规划还可以方便的复位骨折，在三维立体层面上评估干骺段骨质的缺损程度，观察钢板对骨折的把持关系。如果治疗前规划发现干骺段骨质缺损严重，则治疗中需要增加植骨的步骤。如治疗前规划发现骨折远端关节面粉碎严重，锁定钢板的远排螺钉无法固定到每个骨块时，则治疗中需要增加其他的固定方式如部分克氏针或结合外固定等。

目前随着影像科技的进步，骨科医师面临着处理海量数据的烦恼。海量的数据既可以给予临床医师关于病情的各个方面的详细情报，又可能导致医师顾此失彼，遗漏其中的细节。图像处理软件及仿真技术的进展使得骨科医师可以从海量的CT及MRI数据中发掘出以往X射线所不能提供的细节^[23]。3D模型的建立只是初步的应用，同图像处理软件的高级功能结合起来后可以方便的进行医学模拟，尤其是骨科手术。可以在模型上方便的调节内固定物的位置及方向。亦可以根据模型的实际外观来设计更服帖更合适的内固定物。进一步的利用还可以将合成的STL模型网格化后导入到ANSYS等工程有限元分析软件中做生物力学相关的分析^[24-25]。

本组病例数据显示，结合计算机仿真技术进行术前规划可以相对减少术中透视次数及手术时间，而并不增加螺钉穿出关节面或内固定失效的风险。尽管手术时间缩短有限，对于青壮年患者可能看不出太大影响，但对于往往合并多种基础疾病的老年患者而言，手术时间的每一分钟的缩短，对减少麻醉及手术对机体功能的干涉都是有意义的。

文章的局限性在于正常人群的数据纳入样本太少，可能无法反映大样本人群中的变异。这样会导致在小样本人群桡骨标本模型中得到的数据不能完全反映真实情况。在此基础上需要改进的是扩大标本的数量，尽量包括不同性别，年龄组，使得建模模拟手术得到的数据更能代表普遍情况，覆盖范围更广泛。此外，建模测量得到的数据基于两点：①骨折需解剖复位，特别是桡骨远端的掌倾角要解剖复位。如果实际操作中骨折无法解剖复位，此时12 mm安全区的数据无法在此例患者的手术中适用。②钢板类型需固定。本文采用的是国内仿制AO的掌侧T型锁定钢板，掌倾角度及T型横臂夹角一定。如换用其他类型钢板或术中将钢板塑性，这此时12 mm安全区的数据无法在此例患者的治疗中适用。

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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