數字化模型輔助微創鋼板接骨術治療脛骨遠端骨折

吳溢峰 李世浩 吳焯鵬 鐘姣紅

(廣東省開平市中心醫院骨外科，開平 529300)

脛骨遠端骨折，多為高能量暴力所致，常見粉碎性骨折、移位明顯，因保守治療效果欠佳而需手術治療。然而脛骨內側軟組織較薄，且多數脛骨遠端骨折同時伴有切口周圍軟組織條件差而不適宜行傳統切開復位內固定手術[1]。目前，微創鋼板接骨術(minimally invasive plate osteosynthesis，MIPO)已成為脛骨遠端骨折常見的手術方式之一[2,3]。該術式一般遠離骨折端復位，不切開骨折處皮膚及皮下組織，若合并骨折塊嵌插或軟組織阻擋等情況，MIPO手術難度增加，反復多次復位可能導致手術時間長、出血量多、局部軟組織損傷加重、骨折延遲愈合。

本研究探討運用Mimics軟件建立脛骨遠端骨折數字化模型以及模擬手術操作，記錄重要的相關數據，以備實際手術操作時參考，旨在盡可能減少手術時間及術中出血，避免不必要的操作，以獲得更好的效果。通過與常規MIPO進行回顧性比較，評價數字化模型輔助MIPO治療脛骨遠端骨折的療效。

1 臨床資料與方法

1.1 一般資料

我院2016年1月～2017年3月收治脛骨遠端骨折48例，根據術前有無數字化模型建模(術前進行脛腓骨全長CT掃描且術者有時間進行數字化模型建模)分成兩組：常規MIPO組(常規組)27例，數字化模型輔助MIPO組(數字組)21例。常規組5例合并腓骨骨折，其中3例保守治療，2例手術；數字組6例合并腓骨骨折，4例保守治療，2例手術。2組一般資料比較無統計學差異(P>0.05)，具有可比性，見表1。

病例納入標準：①新鮮脛骨遠端骨折，不累及關節面；②局部軟組織損傷程度相對較輕，AO分型為IC1或IC2型(閉合性骨折)或IO1型(開放性骨折)；③隨訪時間≥1年。

排除標準：①合并神經血管損傷；②合并影響骨折愈合的其他系統疾病及病理骨折；③未能按時復診及檢查。

表1 2組一般資料比較

骨折AO分型標準[4]：A：簡單骨折，B：楔形骨折，C：復雜骨折

軟組織損傷程度AO分型[4]：IC1：無表皮損傷；IC2：無表皮裂傷，但有挫傷；IO1：骨折端由內向外刺破表皮。I表示覆蓋物，C表示閉合性，O表示開放性

1.2 方法

1.2.1 數字組數字化模型處理平臺與圖像的處理

數字化模型圖像的處理平臺：CPU酷睿i7-3770四核八線程3.4GHz，顯卡Nvida GTX970 4G，物理內存8G，操作系統Windows10 64位專業版，128G固態硬盤*1+3TB機械硬盤*2。

圖像處理軟件：Mimics Research 17.0。

數字化模型圖像的獲?。盒g前均常規行脛骨全長三維CT薄層掃描，使用飛利浦64排螺旋CT，層厚0.9 mm，層距0.45 mm。掃描層數653～1503張。每個病例的圖像數據刻錄成光盤大小1.45～3.75 G。從每個病例的CT光盤里選取骨窗文件夾里的DICOM格式圖像作為重建的源圖像，每張圖片大小768px×768px。

圖像的導入、三維數字化建模及手術模擬：運行Mimics Research 17.0，新建“new project”，選擇目標文件夾，待軟件成功識別讀取本組所有病例的DICOM格式骨窗圖像，自動顯示軸位、生成冠狀位、矢狀位二維圖像?？梢栽谌我庖粋€二維窗口，點擊“region growing”(閾值增長)，選取所需的閾值范圍內的組織，生成蒙版，此時的蒙版通常包含多個閾值范圍相同的組織(本研究對象為骨折的脛骨)。在蒙版上進行編輯“Edit mask”，分割圖像，將每一塊骨折塊獨立制作成單一的蒙版。點擊“Calculate 3D from mask”即可生成對應的三維數字化模型，保存為“.mcs”格式，每個病例建立三維數字化模型大小110～450 M。生成的每個三維數字化模型即本組每個骨折個體具體的骨折情況。對每個模型進行相應的手術模擬操作，在simulation模塊下，通過“reposition”(復位)操作，脛骨骨折近端固定，移動遠端骨折塊及骨碎片，通過import選項，將合適的鋼板、螺釘的模型導入，同樣通過“reposition”操作，將其安放到合適的位置。在measurements模塊下測量并記錄骨折端復位所需移動的位移及角度，記錄植入物的型號、數量以及與脛骨、大隱靜脈的相對位置，以供實際手術操作中參考[5]。

1.2.2 手術方法 2組手術由同組醫師完成，采用相同的器械。

常規組：連續硬外麻醉，仰臥位，常規消毒鋪巾。取脛骨遠端內踝后方約3 cm縱行切口，切開深筋膜至骨膜，但不切開骨膜，閉合復位骨折端并經X線透視確定正側位對位、對線滿意后，根據術前X線所見，挑選合適的鎖定加壓鋼板(locking compression plate，LCP)，于骨膜與深筋膜之間建立的軟組織隧道緩慢插入，避免損傷大隱靜脈及隱神經，分別在LCP兩端切小口，各擰入合適長度、數量的螺釘，縫合傷口，留置膠片引流。

數字組：體位、麻醉均與常規組相同，操作時參考術前數字化模型里測得的數據，對骨折端進行有序、恰當的復位，避免無效、多余的復位動作，在保證有效復位的同時將對軟組織的干擾最小化。在脛骨內側骨折處兩側做小切口，并根據數字化模型的數據選取相應規格的LCP鋼板、螺釘經皮下完成MIPO操作(根據MIPO的固定原則，粉碎性骨折LCP長度應為骨折段長度的2～3倍，螺釘密度<0.4～0.5)?？p合傷口，留置膠片引流。必要時使用X線透視以確保手術操作的準確性。

1.2.3 術后處理 術后一般不需要外固定，術后3 d開始不負重進行膝關節、踝關節功能鍛煉，術后6周扶雙拐下地允許患肢部分負重。定期復查X線片，根據骨折愈合情況決定棄拐行走的時間。

1.2.4 觀察指標及評價標準 從病歷中提取2組手術時間、術中出血量、切口長度，骨折臨床愈合時間(骨折處無壓痛，不扶拐可站立3 min，行走30步，X線片見骨折線模糊)，于術后3、6、12個月根據Johner-Wruhs評價標準[6](表2)進行療效評價。

表2 Johner-Wruhs療效標準

*骨不愈合的定義為術后超過8個月骨折仍未愈合者

2 結果

數字組21例均根據脛腓骨三維CT骨窗平掃圖像在Mimics17.0中建立脛骨(或脛腓骨)骨折三維數字化模型，可以從任意角度顯示單一或多個骨折塊，以清晰顯示骨折局部的情況及毗鄰組織。在simulation模塊下，對遠端骨折塊進行復位，并模擬MIPO手術置釘，最終得到滿意的虛擬骨折復位內固定數字化模型。在數字化模型上測量相關的數據，記錄復位后的遠端骨折塊相對近端骨折端所旋轉或移動過的角度、距離，鋼板、螺釘的型號、數量、與脛骨骨性標志(如內踝尖)的相對位置，以指導手術操作。2組切口長度雖無統計學差異(P>0.05)，但與常規組對比，數字組手術時間更短，術中出血量更少，骨折臨床愈合更早(P<0.05)，術后早期(3個月)療效優良率也明顯高于常規組(P<0.05)(表3)，2組術后12個月療效評價均為優。2組術后均未出現感染、下肢靜脈栓塞、神經血管損傷、骨不愈合等并發癥。典型病例見圖1。

表3 2組手術情況比較

3 討論

3.1 脛骨MIPO術前數字化模型建立的重要性

三維CT重建對醫學的重要意義在于使抽象變得形象直觀，彌補了二維CT斷面圖像不能顯示器官整體的缺點。對于我們來說，三維CT圖像對骨科臨床工作帶來的作用，遠不止于此。我們可以進一步利用三維CT的薄層掃描的源圖像，建立虛擬化的數字模型，用于術前的手術模擬，包括骨折的模擬復位和內固定物的植入等。隨著微創理念的提出、脛骨骨折MIPO技術的要求，已不再是常規地進行骨折端的切開復位，而是非直視下間接復位及操作[7]，對于脛骨骨折MIPO這種術前、術中均未能直接肉眼觀察到骨折端的手術方式，術前數字化模型的建立尤為重要，它能使骨科醫師直觀地在數字化模型上看到了骨折本身，并可以通過計算機反復多次模擬操作，找到理想的手術方案。MIPO術前計劃得越周全，術中操作的時間就越短、出血越少，越能盡量地避免切開復位的可能[8]。

3.2 Mimics建立數字化模型的優點

數字化模型(三維)的建立有順向建模和逆向建模，順向建模要求有較高的工科基礎，然而，對于不規則物體的建模，仍有相當大的難度，同時這種順向建模很難做到精確的個體化[9]。順向建模多用于器械、工具的生產，常先有數字化模型后有實物。而對于具體的脛骨骨折患者而言，患者每一處的骨折都已客觀存在，順向建模難以復制。而Mimics三維數字化模型的建模是基于CT薄層掃描的源圖像，每一層圖像都是患者的個體化信息，都是來源于真實的數據，這種根據個體CT斷層圖像逆向建模建立的數字化模型就是每個患者骨折的實際情況，而在此模型上的模擬手術操作和內固定物的選擇對患者的實際手術操作才具有可靠的參考意義[5]。此外，Mimics軟件有豐富的功能，其包含多個模塊，如手術模擬、CAD、3D打印、網格劃分功能及有限元輸出接口等?？奢敵龆喾N格式的模型格式，與ABAQUS、ANSYS等有限元軟件形成無縫連接，以便在有限元軟件里完成實體模型或病人身上無法做到的生物力學測試。本研究充分利用臨床病例的CT三維重建光盤DICOM格式的骨窗圖像，建立了數字組21例脛骨(脛腓骨)骨折的數字化模型，通過蒙版分割(對骨折塊)及導入(對鋼板、螺釘)，在MIPO術前進行了手術模擬，并對每一病例模擬手術骨折復位內固定的相關數據進行了記錄。

圖1 患者男，48歲，車禍致右脛腓骨開放性粉碎性骨折。術前脛腓骨X線片(A、B)：右脛腓骨粉碎性骨折，骨折AO分型C型，軟組織損傷AO分型IO1型。建立右脛腓骨數字化模型(C)并虛擬MIPO手術(D、E)，測量大隱靜脈與脛骨后緣交點至內踝尖的距離為45.78 mm，在此位置以下縱切口可有效避免損傷大隱靜脈。數字化模型測得的骨折段長度61.15 mm，手術選取LCP鋼板長度為180 mm，螺釘密度為8/18=0.44(<0.5)，螺釘的長度參考數字化模型所測得的數據植入。腓骨粉碎性骨折呈4段，移位明顯，根據數字化模型測量的數據，在小腿外側做小切口，成功復位后予合適長度的直徑3.0 mm克氏針從遠端向近端行髓內固定。術后3天X線片(F、G)示右脛腓骨骨折復位滿意，各骨折端對位、對線良好，內固定物位置、型號、尺寸合適

3.3 數字化模型輔助MIPO技術在脛骨骨折中的應用

MIPO技術是骨折生物學內固定術(BO理論)的重要發展，其技術要點體現在：①盡量保護骨折端血運，遠離骨折處作小切口，從切口處經皮下、骨膜外鈍性潛行分離、經皮下隧道插入鋼板，未涉及剝離骨膜及切開骨折處軟組織。②間接復位，通過牽引閉合復位，主要恢復脛骨軸線及長度，強調功能復位，不強求解剖復位。③使用長鋼板、低密度螺釘固定，長鋼板使得接骨板承受的應力減小，避免應力集中；螺釘數量少，骨干處單皮質螺釘固定，可減少骨骼的破壞，減少應力遮擋。

MIPO技術結合鎖定鋼板內固定治療脛骨骨折幾乎適用于脛骨全長，在治療脛骨遠端骨折的方面尤具優勢[10,11]。脛骨遠端髓腔逐漸增大且移行為松質骨，此處的髓內固定往往需要超遠端髓內釘，必要時尚需阻擋釘輔助，即使如此，骨折線仍然比較靠近遠端關節面，超遠端髓內釘仍有其局限性，而MIPO的鎖定鋼板系統，其作用相當于內置的固定架，其鎖定螺釘與鋼板鎖定后形成一整體，鎖定螺釘的成角穩定性具有良好的把持力，對于骨質疏松者尚能起到有效的固定作用，較之于普通的加壓接骨板通過鋼板對骨膜的加壓固定，鎖定鋼板與骨面之間的有限接觸能進一步減少對骨膜血運的破壞。再者，MIPO技術置入的鎖定鋼板，較之外固定支架，起到有效固定的同時，避免長期外支架固定護理不方便、容易松動、釘道感染等缺點[12]。然而，部分學者認為MIPO與切開復位內固定(open reduction and internal fixation，ORIF)治療脛骨關節外簡單骨折的效果無顯著性差異，MIPO僅在治療復雜粉碎性骨折時才比ORIF更有優勢[13]，更有部分學者認為MIPO骨折畸形愈合率會更高[14]。我們認為，MIPO治療脛骨遠端骨折，其療效是確切的，但對于手術者來說，需要一定時間的學習曲線[15]。若術者未能理解并掌握MIPO的基本要領，只是單純的追求小切口，并不能帶來很好的臨床效果，甚至還會出現比ORIF更多的并發癥。

數字化模型的建立對于MIPO盡管不是必不可少的環節，但數字化模型虛擬手術能使術者MIPO術前對骨折個體有更深刻的理解，對手術方案的設計更合理，以便手術操作中減少不必要的步驟和創傷。本研究2組均行MIPO手術，術后均有較好的臨床效果。更值得一提的是，數字組21例術前經過電腦模擬骨折復位的旋轉方向、牽引長度、成角角度等參數，并確定了鎖定鋼板的合適型號、螺釘的長短、數量。術中簡化了反復測量的步驟，減少了反復透視的時間，使得術中出血更少，對軟組織的干擾和損傷更小。術后復查X線片均顯示脛骨骨折復位、鋼板、螺釘位置、長度等均比較滿意。通過與常規組進行比較，結果表明，數字化模型輔助MIPO手術組的手術時間更短，術中出血量更少，術后骨折臨床愈合更快，早期的療效更好。而遠期療效差異不大可認為是由于術后足夠長的時間，長期的功能鍛煉及合適的干預措施的結果，并不足以否認2組間療效的不同，更不能因此而否認數字化模型虛擬手術給臨床工作帶來的幫助。數字化模型輔助MIPO手術的臨床運用，有助于術前更充分地準備，使我們能更順利地完成手術的同時，盡可能地規避風險、少走彎路，減少手術并發癥，使療效最大化、創傷最小化，值得推廣。