髋臼前柱骨折钢板内固定术前个体化数字模拟及临床应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0183

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (15): 2378-2383.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0183

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髋臼前柱骨折钢板内固定术前个体化数字模拟及临床应用

王剑¹，云文科¹，李格当¹，蔡永强²，李筱贺²

¹武警内蒙古总队医院外二科，内蒙古自治区呼和浩特市 010050；²内蒙古医科大学基础医学院人体解剖教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110

出版日期:2018-05-28 发布日期:2018-05-28
通讯作者: 云文科，硕士，主任医师，武警内蒙古总队医院外二科，内蒙古自治区呼和浩特市 010050 李筱贺，博士，教授，内蒙古医科大学基础医学院人体解剖教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110
作者简介:王剑，男，1977年生，内蒙古自治区丰镇市人，汉族，硕士，主治医师，主要从事创伤骨科方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81460330)；内蒙古自然科学基金(2016ms08131)；内蒙古教育厅科技英才(NJYT-15-B05)；内蒙古科技计划项目(2016)；内蒙古财政厅科技引导项目(2017)；内蒙古人社厅归国留学人员基金(201620)

Digital simulation and clinical application of acetabular anterior column fracture fixation with plate

Wang Jian¹, Yun Wen-ke¹, Li Ge-dang¹, Cai Yong-qiang², Li Xiao-he²

¹Second Department of Surgery, Armed Police Corps Hospital of Inner Mongolia, Hohhot 010050, Inner Mongolia Autonomous Region, China; ²Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Online:2018-05-28 Published:2018-05-28
Contact: Yun Wen-ke, Master, Chief physician, Second Department of Surgery, Armed Police Corps Hospital of Inner Mongolia, Hohhot 010050, Inner Mongolia Autonomous Region, China Li Xiao-he, M.D., Professor, Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Wang Jian, Master, Attending physician, Second Department of Surgery, Armed Police Corps Hospital of Inner Mongolia, Hohhot 010050, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81460330; the Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2016ms08131; the Talents of Science and Technology in the Education Ministry of Inner Mongolia Autonomous Region, No. NJYT-15-B05; the Science and Technology Plan Program of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2016; the Science and Technology Guidance Project of Finance Ministry of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2017; the Returned Students Fund of Human Society Ministry of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 201620.

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

骨盆前柱骨折：髋臼损伤临床往往还伴有盆腔脏器的挫裂伤和大血管的损伤，因此髋臼骨折情况危急，临床病情变化多端，再加上骨盆为不规则骨，又是力学的承重骨，使得髋臼骨折的类型多样，个体间的差异很大，手术处理比较棘手。骨盆前柱骨折一般包括耻骨联合、耻骨支等髋臼前方骨折。

数字解剖：即利用三维数字化方法对CT等影像学采集的人体形态学数据进行测量分析，其主要应用于临床骨科等医学领域。

摘要

背景：骨盆解剖结构复杂，固定难度大，置钉失误会导致严重并发症。因此探索出高效、简单、经济的个体化设计手术置钉参数，成为髋臼前柱骨折固定的关键问题。

目的：运用CT扫描数据对髋臼前柱骨折重建钢板内固定进行术前设计，并与常规钢板内固定手术进行疗效对比。

方法：纳入髋臼前柱骨折患者40例，随机分为2组，数字化设计组20例，常规手术组20例。数字化设计组行骨盆CT扫描，获取数据，利用Materialise Mimics Innovation Suite 16.0软件对髋臼前柱骨折钢板内固定术进行数字化模拟；常规手术组进行常规钢板内固定手术。对比2组患者手术时间、失血量及骨折愈合时间，术后16周对比2组解剖复位比例及髋关节功能评分。

结果与结论：①数字化设计组手术时间、失血量、骨折愈合时间、解剖复位比例、髋关节功能评分均优于对照组(P=0.00)；②结果表明，与常规内固定手术相比，髋臼前柱骨折数字化三维术前设计对于减少手术时间、减少失血、提高内固定效果具有较好的作用，可为髋臼前柱骨折的临床诊治提供参考数据。

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: 0000-0001-7428-9212(王剑)

关键词: 髋臼前柱, 骨折, 重建钢板, 内固定, 数字解剖, 临床应用, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The anatomical structure of the pelvis is complex, and it is difficult to be fixed. Misplacement of screws can lead to severe complications. Therefore, exploring an efficient, simple, and economic individualized design of surgical staple parameters has become a key issue in the fixation of the acetabular anterior column fracture.

OBJECTIVE: To design parameters on the anterior column of acetabulum fracture reconstruction plate internal fixation for preoperative design using CT scan data, and to compare with conventional steel plate fixation.

METHODS: Forty patients with acetabular anterior column fracture were randomly assigned to two groups: digital design group (n=20) and conventional surgery group (n=20). The digital design group received pelvic CT scanning for data acquisition. Materialise Mimics Innovation Suite 16.0 software was used for digital simulation of anterior acetabular fracture plate fixation. The conventional surgery group received conventional steel plate fixation. Operation time, blood loss and healing time were compared between the two groups. Anatomic reduction ratio and hip function score were compared between the two groups at postoperative 16 weeks.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Operation time, blood loss, healing time, anatomic reduction ratio and hip function score were better in the digital design group than in the conventional surgery group (P=0.00). (2) Results suggest that compared with the conventional surgery group, acetabular anterior column fractures of digital three-dimensional operation design has a good effect on reducing operation time and blood loss and elevating fixation effect, and can provide reference data for clinical diagnosis and treatment of acetabular anterior column fracture.

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: Acetabulum, Fractures, Bone, Internal Fixators, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王剑，云文科，李格当，蔡永强，李筱贺. 髋臼前柱骨折钢板内固定术前个体化数字模拟及临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(15): 2378-2383.

Wang Jian, Yun Wen-ke, Li Ge-dang, Cai Yong-qiang, Li Xiao-he. Digital simulation and clinical application of acetabular anterior column fracture fixation with plate [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(15): 2378-2383.

图/表（结果） 5

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 随机对照试验。

1.2 时间及地点 于2013年12月至2015年2月在内蒙古医科大学第二附属医院和内蒙古武警医院完成。

1.3 材料 文中所使用的重建钢板内固定系统由威高骨科材料有限公司提供，其材质为钛合金，具有较好的耐腐蚀性及较高的强度，该内固定系统具有较好的组织相容性，在人体不会被腐蚀且不会产生毒副反应，比如致癌性、致畸等，较高的固定强度。

1.4 对象

1.4.1 入选病例选择2013年12月至2015年2月内蒙古医科大学第二附属医院骨盆科和内蒙古武警医院骨科收治的髋臼前柱骨折患者40例，按随机数字表法分为2组，其中数字化设计组20例，男12例，女8例；年龄30-61岁，平均(40.5±5.1)岁；常规手术组20例，男12例，女8例；年龄31-60岁，平均(39.1±4.9)岁。2组患者性别、年龄的差异无显著性意义。研究得到医院伦理委员会批准。采用单盲法，术前患者不知道采用何种手术方式。2组患者手术均由同一组医务人员完成。

纳入标准：全部病例均由2位骨科专业副主任以上年资医师及2位影像科副主任以上年资医师分别进行筛选，符合骨盆髋臼前柱骨折的诊断标准；患者对手术方案知情同意并签署知情同意书。

排除标准：有骨盆先天发育不良等非骨盆骨折的患者。

1.4.2 影像学资料数字化设计组选择20例骨盆髋臼前柱骨折患者的CT扫描资料进行术前骨折三维数字化手术参数设计，并进行手术操作。应用64排螺旋CT机(GE公司，Light Speed VCT)按照以下CT扫描参数进行扫描：层厚0.625 mm；扫描时间0.4 s，球管电压120 kV，电流200- 300 mA，矩阵512×512，成像视野15 cm×15 cm，象素大小0.625×0.625。

1.4.3 计算机 Lenovo笔记本电脑(CPU：Intel I7，T2370，内存：8 G，Windows7系统)。

1.4.4 三维图像分析软件 Materialise Mimics Innovation Suite 16.0软件(Materialise公司，比利时)。

1.5 方法

1.5.1 数字化设计组数据输出与导入将CT扫描后所得原始DICOM格式数据导入Materialise Mimics Innovation Suite 16.0软件中，利用软件自带的域值设定(Thresholding)设定Bone(CT)，通过计算机自动识别骨组织边界建立骨质Mask，但由于CT采集数据的干扰，或由于骨松质而导致的影像学信号降低，使最初的自动骨质边界识别不清，初步重建图像边界毛糙，非研究目标骨对目标骨的干扰等，不利于本次研究，因此，在计算机骨质自动识别边界的基础上对照Mimics界面的冠状断面、矢状断面及最初的三维立体图形，对每层水平断面图像边界利用添加与擦除工具进行手工修饰，修饰后的水平断层图像满足既删除非目标骨质，又满足符合正常解剖学结构，最后对将修饰完的Mask计算3D(Calculate 3D)模型，并利用光滑处理工具对3D模型表面不规则的三角面片进行优化处理，观察骨折情况(图1-3)。

1.5.2 骨盆髋臼前柱骨折内固定个体化手术参数的设计首先对髋臼骨折块进行分割重建，同时观察毗邻骨折情况，进行虚拟复位，满意后导入CAD钢板模型，模拟内固定情况，按照手术要求设计前柱固定螺钉，将骨盆模型透明化处理，测量螺钉的位置、长度，制定个性化的手术参数进行手术操作(图4，5)。

1.5.3 数字化设计组手术方法患者硬膜外麻醉或全麻，取仰卧位，切口采用髂股入路(Smith-Peterson)或髂腹股沟入路均可。显露骨折处，顶棒推顶复位或点式复位钳钳夹复位骨折(图6)。沿骨盆界线放置1枚6-10孔3.5 mm重建钢板。用实验检测好的螺钉固定，螺钉的角度、长度由术前试验模拟掌握，固定后活动髋关节或X射线透视确定螺钉未进入关节腔，给予缝合切口。术后平卧位和健侧卧位交替2周，患肢进行等长肌肉收缩训练，4周后扶拐不负重行走，然后逐渐负重扶拐行走6-8周，术后3个月可弃拐行走^[7-9]。

1.5.4 常规手术组手术方法即不进行术前髋臼前柱三维重建及模拟手术置钉，直接进行常规手术。

1.6 主要观察指标 术后比较2组骨折愈合时间、手术时间、失血量；术后16周，根据X射线片计算解剖复位比例^[10]，并采用Merle D’Aubigne评分评估髋关节功能^[11]。

骨盆解剖复位的要求为达到骨盆解剖对位，最大位移低于1 mm。

Merle D’Aubigne评分的评估标准：分别从疼痛、运动幅度、步行三方面评价，总分是三部分得分相加，优秀18分，良好15-17分，可13-14分，差<13分。

1.7 统计学分析 采用SPSS 13.0软件进行整理和统计学分析，计量数据用x(_)±s表示，组间比较采用配对t 检验；组间计数资料比较采用卡方检验，确立检验水准为α=0.05，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

髋臼骨折主要是由于骨盆大能量的冲击伤所致，常见的原因有车祸、高处跌落伤或重物砸伤等，有些是直接冲击到髋臼，而有些是由于作用于膝关节，通过股骨干、股骨头力学传递到髋臼，髋臼损伤临床往往还伴发盆腔脏器的挫裂伤和大血管的损伤，因此髋臼骨折情况危急，临床病情变化多端，再加上骨盆为不规则骨，又是力学的承重骨，使得髋臼骨折的类型多样，个体间的差异很大，手术处理比较棘手^[12-15]。

由于骨盆是躯干与下肢力学传导的核心，因此其损伤固定是否牢固关系到患者后期的运动能力，一般临床认为骨盆髋臼骨折≥3 mm其要进行切开手术固定，只有尽早牢固的固定达到功能复位，才能使患者尽快恢复下肢运动功能，减少手术并发症的发生^[16-18]。

随着计算机信息技术的高速发展，三维立体重建与3D打印技术在各个行业广泛应用，该项技术首先在汽车飞机制造行业应用，近年来生物医学信息技术的飞速发展，该项技术也逐渐的应用于医学研究与临床治疗^[19-23]。三维立体重建与计算机手术模拟就是将患者的二维影像学资料(CT、MR)，利用计算机的图像叠加原理进行叠加，即形成三维立体图像，由于骨质影像学显影明显，计算机软件容易识别，因此人体结构三维立体重建最先应用到骨科研究，因此诞生了数字骨科，最初的CT三维重建只能在CT机所附带的工作站中进行，由于工作站需要专业的影像科医生操作，且操作程序复杂，其三维数据兼容性差，所以对于临床骨科医生应用其进行手术设计非常有限。随着现代软件技术的发展，市面上许多软件能将CT资料中的二维断面数据直接在个人PC上进行重建分析测量，且对计算机的硬件要求不高^[20-24]，操作界面友好，容易被骨科医生学习，其中最为常见的软件为比利时Materialise公司设计的Mimics系列软件，现已由1.0版本升级到16.0版本，该软件通用性强，一般现阶段市面上使用的影像学设备都能与其对接，且图像自动识别分析能力强，省去了人工边界分割的繁琐劳动，其输出格式较多包括STL、IGES等十余种格式，其导出文件基本涵盖了现阶段常用的逆向工程软件和3D-printer^[25]。

三维与二维相比较，更能全面真实的反映患者的患病部位和立体结构，医生可以利用三维立体模型进行360°任意旋转，并通过软件的任意切割与CAD设计功能进行手术设计，全部设计过程完全按照手术操作要求^[26]，因此本文采用Materialise Mimics Innovation Suite 16.0软件进行手术设计，其全部设计的手术参数直接应用于真实的患者，明显缩短了手术时间(由常规167 min下降到80 min)，分析其主要原因有，常规手术均要浪费较多的时间选择钢板和螺钉，许多手术适合患者的钢板螺钉型号不全，或者钢板要在手术过程中预弯和修剪，预弯的过程是边手术操作边预弯，且需要反复比对操作才能完成，因此浪费了较多时间，手术时间延长就需要麻醉时间延长，一方面对于患者心肺功能需要较高的要求，另外一方面也增加了麻醉药物对患者中枢和神经系统的损害作用，增加了出血量，而本文所用Materialise Mimics Innovation Suite 16.0软件，在手术前即可进行在三维立体模型上进行手术设计，测量预弯钢板的长度和曲度，测量置钉长度和角度及选择最佳置钉点，这样避免了手术操作过程中的预弯和反复X射线照相，加快手术操作，降低医患双方的射线暴露剂量。由于髋臼前柱骨折手术操作复杂，为了达到最好的手术固定，往往需要增加螺钉拧入骨质的长度，但螺钉置入过长，又会导致螺钉拧入髋关节导致损伤股骨头和髋臼关节面，影响下肢运动功能；如果螺钉置入骨盆腔内，会损伤盆腔内脏器及大血管神经，因此常规手术操作都要通过不断术中X射线摄像来确认螺钉的走形位置^[27-30]，而本文所采用的数字化术前手术模拟，可以非常精确的计算螺钉置钉点、角度与长度，明显降低了手术风险，因此数字化设计组患者未出现任何手术并发症，明显提高了手术治疗效果，减少了患者住院时间和经济花费。

近年来，国内外较多学者均对髋臼不同类型的骨折进行广泛深入的研究，虽然都有相关报道，但对于患者利用三维重建技术进行手术设计尚未见报道^[31-37]，本文通过临床评价指标比较发现，利用患者术前骨盆骨折三维重建模拟进行个体化的手术模拟，是一种高效、经济、应用性强的技术，可以在临床广泛使用。

结论：不同骨折范围，不同固定钢板位置，其置钉角度和螺钉长度都是动态变化的，因此只能按照以上的区间范围选定，而不能固定到一定数值，从而准确有效的设计置钉角度和长度应该针对每个患者设计个体化的置钉参数。髋臼前柱骨折数字化三维手术设计对于减少手术时间、提高内固定手术效果具有较好的作用。运用数字化软件对成人髋臼前柱骨折的CT数据进行三维重建，可为髋臼前柱骨折的术前设计及临床诊治提供参考数据。

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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