Application of three-dimensional reconstruction in pelvic and acetabular fractures

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.09.018

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Diagnosis of pelvic and acetabular fractures is difficult with a high misdiagnosis rate. It is necessary to diagnose pelvic and acetabular fractures rapidly and accurately. And patients suffer great injury, blood loss, from traditional open pelvis and acetabulum surgery, often complicated by neurovascular injury. Correct positioning and placement of internal fixator can reduce surgical complications.
OBJECTIVE: To explore the new progress of three-dimensional reconstruction of pelvic and acetabular fractures in order to promote its clinical application.
METHODS: A computer-based online search of PubMed database, CNKI database and Vip database between September 1996 and October 2013 was performed to search related articles using the key words of “3D, three dimensional reconstruction, pelvic fracture, acetabular fracture” in English and Chinese, respectively. The duplicate research or Meta analysis articles were eliminated. Finally, 41 articles were enrolled for further analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: Through a three-dimensional reconstruction using a variety of post-processing techniques, such as multi-planar reformation, maximum intensity projection, shaded surface display and volume rendering, we can get high quality images at any angle. Various post-processing techniques interact with each other that can reduce missed diagnosis rate and misdiagnosis of pelvic and acetabular fractures. Moreover, three-dimensional reconstruction techniques can be used to design surgical approach, guide surgeon’s surgical program designed to simulate surgical procedures, reduce the complications caused by the dislocation of internal fixation, and reduce the surgical risk. Three-dimensional reconstruction is also used for postoperative follow-up review of fracture recovery.

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: pelvis, acetabulum, fractures, bone, imaging, three-dimensional

CLC Number:

R318

Huang Wan-jing, Tian Jing. Application of three-dimensional reconstruction in pelvic and acetabular fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(9): 1416-1421.

Figures/Tables 1

2.1 三维重组的几种后处理方法 2.1.1 多平面重组(Multi-Planar Reformation，MPR) 多平面重组从原始的轴位图像上获得冠状、矢状及斜面的图像，可以从冠状位、矢状位、横断位、曲面和任意平面逐层观察病变，能灵活地局部显示不同形态的骨及其周围软组织，尤其可以明确轴位显示不清晰或不显示的水平骨折线和微小骨折，弥补了CT只提供横断面的缺憾。结合曲面重组可以优化显示不规则骨(如下颌骨，颞骨，骨盆)的解剖结构。如曲面重组图像无放大失真及周围软组织重叠等情况[1]，可从总体显示埋伏牙的位置及是否伴有颌骨病变的情况。在应用多平面重组功能时，必须把原始轴位扫描图像尽量减薄，才能保证重建图像具有良好的清晰度。多平面重组的不足之处在于难以显示骨折线的全貌及多方位走向，多平面重组图像是二维的，缺乏空间立体感，难以表达复杂的空间结构。Solar等[2]通过检测136例下颌的下颌管数据，多平面重组技术可100%获取高质量的三维重建图像，多平面重组提高了CT检测下颌管的灵敏度，以及与表面遮盖显示相比缩短了后处理时间。 2.1.2 最大密度投影(Maximum Intensity Projection， MIP) 针对三维体元数据，沿着x方向或者y、z方向进行投影，每条投射线经过的所有体元值取最大的一个结果的象素值[3]。最大密度投影图像可以清晰地显示骨折线，经透视处理，不仅能显示骨表面的骨折，还能显示内部的骨折及骨碎片移位程度和旋转方向等。此外，最大密度投影可真实反映密度变化，对比度高，由于密度相近的组织以相同的视觉效果显示，因此骨与周围软组织有更为鲜明的对比，在显示解剖结构复杂的(如颌面骨、椎体)或相邻组织间密度差别小的骨折(肋软骨骨折，婴幼儿骨折)时最大密度投影优于多平面重组；但显示软组织损伤情况不如多平面重组，二者可互为补充[4]。也有研究表明，三维重建对显示骨骼结构灵敏度高，尽管三维重建技术可显示软组织，但图像质量较低，三维重建在诊断面部创伤后软组织损伤意义不大[5]，随着设备的改进，计算机重建能力的提升，三维重建用于软组织重建的领域可得到较大提升[6]。 2.1.3 表面遮盖显示(Shaded Surface Display，SSD)能生成极其真实直观的三维重建法，符合视觉习惯，以较强真实感效果展示完整的立体形态，当空间解剖结构复杂时表面遮盖显示具有很大优势，可逼真再现大体解剖外形，解剖关系清晰。经在工作站上一系列编码、裁剪、消隐、加阴影等算法，以较真实形式显示在二维屏幕上。表面遮盖显示的最大优势在于具有很强的空间立体感，能获得较全面、整体的骨盆三维立体图，能立体地显示骨折线的空间走形，对明显骨折、脱位等能逼真显示，通过任意方向的旋转，从不同角度和方位观察，全面清晰显示骨折性质、无重叠及伪影，表面遮盖显示图像与解剖图较相似，缩小了医生之间的阅图差异，使其明确骨折形态、性质、走形及毗邻关系损伤等情况，增加了手术的安全性。但表面遮盖显示图像由于重建容积资料丢失较多，无法观察内部的骨骼形态和密度，对肿瘤内部细节和周围软组织的侵犯程度显示不佳，缺乏透明效果等[7]。Duan等[8]对41例寰枢椎半脱位患者的三维重建结果进行回顾，运用多平面重组、表面遮盖显示、最大密度投影、容积再现等几种三维重建方法，结果显示CT三维重建方法明确诊断寰枢椎半脱位，且表面遮盖显示三维成像效果最佳。 2.1.4 容积再现(Volume Rendering，VR) 相当于给CT值指定不同的颜色和透明度，利用透明技术，用部位的色彩或灰阶显示三维空间结构，容积再现有6个标准位置:上、下、左、右、头、足，具有很强的立体感，可获得真实立体的骨盆三维图像，能立体地显示骨折线的空间走向、骨折的错位情况、游离的碎片的数量、位置及形态，容积再现图像可获得更具体、更逼真的骨盆立体图像，并通过旋转从不同角度和方位来显示骨折的全貌，图像与解剖图相似，Meuffels等[9]使用标准X射线检查，CT扫描和容积再现三维重建方法观察和检测前交叉韧带和骨隧道，结果显示50%-82%的标准X射线能显示骨隧道，而标准CT扫描和容积再现三维重建则能100%显示骨隧道，其中容积再现三维重建方法能完美地重建骨隧道。容积再现可用于指导临床医生制订适合的手术方案，如手术路径的选择、开放复位和内固定的位置、方式等，增加了手术的准确性、安全性和合理性。容积再现图像由于部分容积效应的影响，对细小且无移位的骨折分辨率不如多平面重组，诊断时要与多平面重组图像相比观察，互补不足[10]。 2.1.5 CT仿真内窥镜(CT virtual endoscope，CTVE)将CT获得的原始容积数据与计算机三维图像技术相结合，借助导航技术或飞跃技术以及伪彩技术来逼真地模拟腔道内镜检查的一种方法。CT仿真内窥镜作为一种舒适、痛苦少、非侵入性的方法，适用于患者由于体质因素或病情严重而不能耐受内镜检查者，能从多个角度观察腔道中的正常结构、狭窄和梗阻等，也能观察到内镜检查无法观察到的部位，但CT仿真内窥镜由于针对病变特异性较低，不能进行活检和病变切除等局限，作为一种内镜检查的一种补充手段应用于临床。CT仿真内窥镜现已在鼻部、咽喉部、气管、胃肠道、椎管、垂体瘤切除等得到初步应用[11-12]。三维重建通过多种后处理技术获得高质量、任意角度的图像，多平面重组和最大密度投影重建能较好显示骨折部位及毗邻结构，更多使用于外观显像，表面遮盖显示和容积再现可采用侵入式或内部显像[13]，立体地显示骨折，形象而逼真，各种后处理技术优势互补[14-15]，是诊断隐匿性骨折的最佳手段，可以完整地显示骨折，降低漏诊和误诊率，能准确诊断常规X射线平片不能确诊的骨折，并对手术方案的选择以及预后的判断有重要意义。 2.2 三维重建用于诊断骨盆和髋臼骨折 2.2.1 常规DR(digital radiography)片常规X射线摄片检查，价格便宜，仍作为骨折的首选检查方法，但具有一定的局限性。由于骨盆和髋臼的解剖关系复杂，骨块重叠，存在股骨头、股骨颈及肠管气体等干扰，往往需要投照多个体位，如髂关节前后位、骨盆双斜位以及骨盆出口、入口位等。传统的X射线检查难以准确诊断骨折具体情况，如骨折类型、关节面塌陷及骨碎片移位情况、骨折线走向、骨折片有无分离及关节腔内的骨折情况[16]，且骨折患者常处于强迫地位，难以配合变更体位，常变更体位易造成患者的二次损伤。有研究报告表明，单纯依靠骨盆前后位X射线摄片，诊断骨盆骨折的漏诊率为34%，尤其是后壁骨折[17]。 2.2.2 常规CT横断面扫描图像 1971年，英国EMI公司工程师Hounsfield研制成功第一台头部CT扫描机[18]。CT技术的发展克服了普通X射线摄片的不足，CT的扫描层面薄，图像的密度分辨率及空间分辨率得到显著提高，常规CT横断面图像可发现结构重叠而在X射线上难以发现的隐匿性骨折，如骶骨裂缝骨折、椎板骨折、髋臼顶弓部骨折、坐骨棘和坐骨结节撕脱骨折等，以及关节腔内的骨折片，股骨头脱位的方向和程度及髋臼的非切线位骨折，降低漏诊率，能较好地显示骨盆骨折的部分、数目、骨折片的位置、是否有并发症等[19]。但常规CT横断面检查得到的图像只是二维信息，虽可逐层观察骨折，但无法从多角度观察骨折情况，观察多发性、粉碎性或水平骨折不够直观，无法从多角度设计手术入路，而以上缺点正需要CT三维重建加以弥补[20]。 2.2.3 三维重建三维重建图像克服了常规DR片和常规CT横断面扫描图上的不足，消除了扫描体位和成像方位的限制，在工作站上运用多种后处理技术如多平面重组、最大密度投影、表面遮盖显示、容积再现等，还可利用图像再处理功能切割某一骨性结构，可更好地显示骨折与骨碎片，能多角度立体观察骨折情况，选择暴露骨折的最佳观察视角，实现了图像的各向同性[21-22]，定位精确，漏诊率低。 2.3 三维重建用于指导外科治疗使用三维重建技术立体多方位显示骨折部位，有利于外科医生对骨盆骨折分类的判断，有助于外科医生精确判断病变，采用相应的方案进行治疗[23-24](图1[25])。重建手术模型，进行外科治疗前，预先确定内固定螺丝钉和钢板的位置，并对钢板进行预成形，模拟手术流程，指导术者准确复位及进行合理的内固定，治疗中使用多平面的三维图像重建可保证内固定器的准确定位[26]，缩短治疗时间，减轻治疗损伤。 2.3.1 髋臼骨折髋关节是人体最主要的负重关节，髋臼骨折多由于高能量损伤导致，髋臼部位深入而解剖结构特殊，暴露困难，骨折类型复杂，客观上为治疗造成了很大困难。根据骨折分类、患者的具体情况，选择恰当的内固定材料和手术入路，包括进针点和进针方向，减少内脏器官和神经血管损伤等并发症[27]。Spagnolo等[28]对19名髋臼后壁骨折患者的骨折部位进行三维重建，制定术前规划，选择了微创入路，治疗后3个月，CT扫描显示患者的骨折愈合情况良好。微创外科入路与传统的Kocher-Langenbeck入路相比，减少了臀大肌的撕裂和臀上神经的损伤，改善了患者的远期预后。三维重建技术为微创手术入路提供的技术支持。宋军等[29]通过三维重建模型，分析了一例C2-3型复杂性髋臼骨折的病例，在Geomagic软件中对骨折进行术前模拟复位，制定详尽和准确的内固定方案，先进行髂翼的内固定，再在髋臼部位各块碎片交接处植入钢钉，特别是髋臼部，在左右两个外侧壁分别植入钢钉，力求保持髋臼关节面平整度的同时，又不影响髋臼后柱和前后壁的复位和固定。运用Geomagic studio 软件的隐藏和透视功能，确认各内固定钢钉未相碰以及误入关节腔。术后复查髋臼部位基本实现解剖复位，前后壁骨折片固定稳定，关节腔光滑、完整，无螺钉误入现象。三维重建技术可以给外科医生提供髋臼骨折部位的精确信息，是指导术前规划和术中精确内固定定位的一种有效方法[30-31]。 2.3.2 骶髂关节骶髂关节骨折、脱位在骨盆骨折中较为常见。骶髂关节属于骨盆后环的结构，骨折可导致骨盆后环稳定性受到破坏，因而骶髂关节骨折的处理在骨盆骨折的处理中显得尤为重要。目前骶髂关节的固定有3种方法：骶髂关节前路钢板、骶髂关节后路螺钉和骶骨棒固定。研究表明骶髂螺钉固定具有创伤小、内置物少、固定可靠等特点，能使骨盆获得最大的稳定性，所以成为骶髂关节骨折治疗的首选方案。由于该术式螺钉错位易导致神经血管并发症，传统手术需在X射线C型臂下进行[32]，影响其推广，而三位重建技术通过构建定位导航模板，为定位提供有利的帮助。Chen等[33]分别比较了三维重建技术与传统透视技术的螺钉位置、辐射暴露和手术时间进行研究，将患者分为两组，16例不稳定性骨折的患者在三维重建下进行骶髂螺钉植入，而另外10例患者在传统透视条件下植入骶髂螺钉，发现与传统的透视方法相比，经三维重建个性化模型组可以增加骶髂螺钉置入的精确度。因骶骨个体差异大，L4、L5神经、马尾神经及髂内外动脉距离骶髂关节均较近[34]，骶髂螺钉的错位会导致周围血管神经和脏器的损伤。应用CT三维重建技术可以模拟骶髂螺钉内固定术，测量进针点与髂后上、下棘距离，巧妙地运用CT三维重建技术的旋转功能，将三维空间两点间的空间距离，转化到二维空间，采用数字刻度尺进行测量，弥补了在三维空间测量两点距离误差较大的缺点，可以准确测量理想螺钉的形态并进行评估，指导术中置入螺钉的进针点、角度和形态，降低损失神经和血管的风险[35-36]。 2.4 三维重建用于术后复查术后三维重建可观察手术是否成功，有无周围软组织的损伤，以便可以及时进行二次手术纠正内固定器的错位，有利于术后复查和随访[37]，以及通过观察术前术后结构变化，评价手术效果。An等[38]比较30例病例经颌骨髁突重塑术后，踝突上踝轴线的变化，利用三维表面重建技术，用Pearson相关系数分析踝表面和踝轴线的关系，发现术后踝表面变化明显，内旋踝突与踝表面变化密切相关。同时三维重建克服了二维CT所产生的大量金属放射性伪影，还克服了MRI不可用于带金属内固定器患者等缺点，CT三维重建图像易于保存，以便于术后复查和随访时进行对照，有利于判断预后，给临床工作带来方便，为临床教学提供了有价值的信息。 2.5 三维重建的辐射水平评价基于三维重建的计算机辅助导航系统近年来发展迅速，因微创、精确、安全等特点逐步应用于微创外科。Zwingmann等[39]对计算机辅助导航系统的辐射暴露、手术时间、螺钉错位等进行了研究，对24例骨折患者在计算机辅助导航系统下置入了26枚螺钉、另外32例患者在传统透视技术下置入了35枚螺钉，发现两组的手术时间无明显差异，但相对于传统透视组，计算机辅助导航系统能降低辐射剂量，以及术后显示该组的螺钉定位更准确。Kraus等[40]报道了20例进行脊柱融合术和经皮骶尾部螺丝固定术的患者，发现在传统脊柱外科手术中使用二维透视的有效辐射剂量是使用三维导航系统的12倍，对于骶髂关节，有效辐射剂量则近5倍。与传统透视下手术相比，计算机辅助导航系统能三维重建技术重建出患者的三维模型和建立虚拟坐标空间，可指导术者进行术前计划和模拟进程，从而可以减少外科医生和患者在大剂量射线中暴露的时间，明显降低进行骨盆和脊柱手术的患者的辐射水平[41]。 "

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