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計算機三維仿真技術(shù)在復雜足踝部骨折手術(shù)中的應用
【摘要】目的探討計算機三維仿真技術(shù)輔助個(gè)體化復雜足踝部骨折精確治療的療效。方法對2007年l1月~2009年8月收治的255例復雜足踝部骨折患者進(jìn)行手術(shù)治療，其中123例采用傳統手術(shù)治療，另132例在術(shù)前CT圖像三維重建、計算機三維模擬手術(shù)和個(gè)體化預手術(shù)的基礎上實(shí)施精確化手術(shù)。對獲得隨訪(fǎng)的196例患者(傳統手術(shù)組9l例，計算機輔助組105例)進(jìn)行回顧性研究，比較兩組術(shù)中復位固定時(shí)間及隨訪(fǎng)6個(gè)月時(shí)的踝關(guān)節功能(按美國足踝外科學(xué)會(huì )足部功能Hindfoot評分系統評定)。結果196例患者獲得6～36個(gè)月隨訪(fǎng)，平均隨訪(fǎng)時(shí)間l2個(gè)月。其中計算機輔助組105例，傳統手術(shù)組9l例，復位固定時(shí)間分別為(44.3 4-5.4)min和(56.3 4-5.7)rain，兩組比較為差異有統計學(xué)意義(f=4.510，P=0.000);隨訪(fǎng)6個(gè)月時(shí)計算機輔助組踝關(guān)節功能評分(優(yōu)6O例，良35例，可l0例，優(yōu)良率90.4%)優(yōu)于傳統手術(shù)組(優(yōu)39例，良32例，可14例，差6例，優(yōu)良率78.O%)I兩組比較為差異無(wú)統計學(xué)意義()(2=1.418，P=O.165) 結論計算機三維仿真技術(shù)輔助個(gè)體化手術(shù)可以降低術(shù)中復位固定時(shí)間，提高足踝部骨折手術(shù)的精確度，是治療復雜性足踝骨折的有效方法。
【關(guān)鍵詞】骨折;足損傷;踝損傷;治療，計算機輔助
足踝部骨折包括脛骨遠端骨折、跟骨骨折、踝關(guān)節骨折、距骨骨折、足跗骨骨折和跖趾骨骨折，此類(lèi)骨折較為常見(jiàn)，但治療效果卻不盡人意。究其原因，主要是受制于足踝解剖結構及其生物力學(xué)機制的復雜性“1。臨床上術(shù)者往往很難依據平面圖像獲得足踝部骨折的整體精確三維圖像，并在此基礎上以有效恢復生物力學(xué)機制為目的制定個(gè)體化骨折治療方案。而一旦術(shù)中未能使骨折獲得良好復位，就極易導致創(chuàng )傷性關(guān)節炎等手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生 。本研究采用CT圖像、計算機三維重建和三維設計模擬技術(shù)，在術(shù)前建立足踝部骨折的三維數字模型，以恢復踝關(guān)節的脛距關(guān)節面、距骨的距下關(guān)節關(guān)節面為基準，并在測量數據的基礎上進(jìn)行撬撥復位計算機三維虛擬，測算撬撥復位旋轉角度以及需要撬撥復位的程度，從而設計出使關(guān)節面骨折解剖復位的理想方案。以此作為術(shù)中的參考依據，在C型臂x線(xiàn)機監測下按計算機設計方案實(shí)施手術(shù)，復位效果滿(mǎn)意。
1、資料與方法
1.1一般資料與分組對我院2007年11月~2009年8月收治的255例復雜足踝部骨折患者進(jìn)行手術(shù)治療，其中123例采用傳統手術(shù)方法進(jìn)行治療，另132例在術(shù)前進(jìn)行CT圖像三維重建、計算機三維模擬手術(shù)和個(gè)體化標本預手術(shù)的基礎上實(shí)施精確化手術(shù)。對獲得隨訪(fǎng)的196例患者進(jìn)行回顧性研究，其中計算機輔助組105例，男61例，女44例，年齡14~69歲，平均32.5歲;致傷原因：高處墜落傷49例，車(chē)禍傷33例，其他原因23例，受傷到治療時(shí)間3 h～5 d。常規手術(shù)組91例，男51例，女40例，年齡16~64歲，平均29.3歲。致傷原因：高處墜落傷39例，車(chē)禍傷21例，其他原因31例，受傷到治療時(shí)間3 h～5 d。
兩組性別、年齡、骨折類(lèi)型、受傷到治療時(shí)間等一般資料相似。
1.2手術(shù)方法
1.2.1傳統手術(shù)方法常規手術(shù)切口，直視下復位骨折塊并植骨，植骨量為6～20 g，術(shù)中根據不同情況選用解剖鈦鋼板、松質(zhì)骨螺釘進(jìn)行內固定。
1.2.2計算機輔助個(gè)體化手術(shù)方法1.2.2.1 CT數據的處理和足踝部骨折三維重建：選擇患者足踝骨折處CT平掃DICOM 3.0格式數據，掃描層距1 mln。在Mimics 11.1中調用圖像數據序列，設定Threshold line= 1 500(Hounsfieldscale)，啟動(dòng)Region Growing對跟骨建立Mask像素集合。執行Calculate 3 d form mask，建立以健側為鏡像的患側跟骨正常狀態(tài)的三維模型�；紓裙钦蹓K具有相近的Hounsfield值，故對骨折塊的分割采用手動(dòng)逐層追蹤，建立各骨折塊的Mask像素集合，再由Mask運算出跟骨各骨折塊的3Dobject，經(jīng)Unite布爾運算獲得患側骨折三維模型。調用FEA模塊的Smooth功能拋光三維模型表面，減少三維圖像信號噪音，以利于選擇表面觀(guān)察點(diǎn)。
1.2.2.2撬撥復位計算機三維設計：對跟骨結節骨折塊3D Obiect采取Rotate操作，緩慢旋轉跟骨骨折塊，模擬手術(shù)撬撥過(guò)程，使Bohler角逐漸恢復至健側水平。測量跟骨結節撬撥旋轉角度，對脛骨遠端和三踝骨折的骨折塊3D Object進(jìn)行移動(dòng)操作，模擬手術(shù)復位過(guò)程，使骨折恢復至正常位置，同時(shí)打印跟骨骨折復位后圖片，以此作為術(shù)中參考依據。
1.2.2.3個(gè)體化精確手術(shù)：采用計算機模擬足踝部骨折復位后打印圖片，通過(guò)計算機測量骨折塊撬撥角度，為個(gè)體化手術(shù)提供參照(圖1)，使足踝部骨折精確復位成為可能H 】。采用常規手術(shù)切口，按術(shù)前設計的方案用骨刀將塌陷的骨折塊撬起以恢復關(guān)節面平整及高度，按術(shù)前估計的植骨量采用人工骨或自體髂骨條植骨，植骨量為6～20 g，按術(shù)前模擬手術(shù)選用解剖鈦鋼板、松質(zhì)骨螺釘進(jìn)行內固定。撬撥復位在C型臂x線(xiàn)機的下可發(fā)現復位固定的足踝部骨折與計算機足踝骨折復位后打印圖片一致(圖2)。
l-3臨床觀(guān)察指標術(shù)中記錄計算機輔助組和常規手術(shù)組的復位固定時(shí)間;術(shù)后拍攝跟骨側位和軸位像以及踝關(guān)節正側位像x線(xiàn)片，觀(guān)察術(shù)后骨折復位情況;術(shù)后6個(gè)月按照美國足踝外科學(xué)會(huì )足部功能評分系統(Hindfoot score)t 對兩組的踝關(guān)節功能進(jìn)行評估：
包括疼痛(40分)、功能(50分)和力線(xiàn)(10分)3個(gè)方面，總分100分，90-100分為優(yōu)，75～89分為良，50~74分為可，<50分為差。
1.4統計學(xué)方法所有數據應用SPSS 11.0軟件進(jìn)行統計學(xué)處理。術(shù)中觀(guān)察指標的分析采用f檢驗，術(shù)后踝關(guān)節功能比較采用 檢驗，以尸<0.05為差異有統計學(xué)意義。
2、結果
255例患者術(shù)程順利，其中196例患者獲得6～36個(gè)月隨訪(fǎng)，平均隨訪(fǎng)時(shí)間12個(gè)月。計算機輔助組105例，常規手術(shù)組91例，復位固定時(shí)間分別為(44_3 4-5.4)min和(56-3 4-5.7)min，兩組比較為差異有統計學(xué)意義( 4.510，P=0.000);隨訪(fǎng)6個(gè)月計算機輔助組踝關(guān)節功能評分(優(yōu)60例，良35例，可10例，優(yōu)良率90.4%)優(yōu)于常規手術(shù)組(優(yōu)39例，良32例，可14例，差6例，優(yōu)良率78.0%)，但兩組比較為差異無(wú)統計學(xué)意義(z。=1.418，P=0.】65)。
3、討論
足踝部骨折是骨科常見(jiàn)損傷之一，因骨折常波及關(guān)節面，所以即使是輕微移位亦有其重要的臨床意義 。移位的足踝部骨折盡管可以通過(guò)閉合復位手段取得滿(mǎn)意復位甚至解剖復位，但維持這種復位通常需要以長(cháng)腿石膏托固定于非功能位至少6周，康復期較長(cháng)且并發(fā)癥多，故對于無(wú)手術(shù)禁忌證、骨折塊波及關(guān)節面的移位足踝部骨折，通常主張行開(kāi)放復位內固定手術(shù)。
由于踝關(guān)節面積小、承重大且接近地面，導致作用于踝關(guān)節的承重應力緩沖小，其承重力線(xiàn)的改變無(wú)法被其他關(guān)節代償;此外，踝穴的完整性依賴(lài)于腓骨的正常長(cháng)度、脛骨和腓骨切跡中的精確位置以及下脛腓聯(lián)合的完整性 】，故對足踝部累及關(guān)節面的骨折要求達到解剖復位，踝穴、距下關(guān)節的解剖復位以及早期恢復踝關(guān)節活動(dòng)范圍是足踝部骨折治療的基本原則 】。傳統手術(shù)術(shù)前無(wú)法完整評估骨折的復雜情況，從而使骨折復位不良、術(shù)后創(chuàng )傷性關(guān)節炎的發(fā)生率較高。
數字化測量、計算機模擬、三維仿真等技術(shù)的發(fā)展和應用為創(chuàng )傷骨科的臨床研究和診療方式提供了新的思路：首先，以往通過(guò)x線(xiàn)片測量獲得的數據現在可以通過(guò)數字化技術(shù)進(jìn)行三維測量，結果更準確真實(shí)[10,11】;其次，隨著(zhù)數字化骨科學(xué)的發(fā)展，數字化引導下快速成型制作三維導航模板技術(shù)日益成熟，可以使需要術(shù)者具備豐富經(jīng)驗的手術(shù)變得簡(jiǎn)單易行，準確性和安全性得到很大程度的提高[12,13]。足踝部結構復雜，骨折后的狀況更為復雜，個(gè)體差異明顯，治療頗為棘手。采用計算機三維仿真技術(shù)治療復雜足踝部骨折，在術(shù)前建立足踝部骨折的三維數字模型，可以使術(shù)者對骨折的粉碎程度和關(guān)節面塌陷程度有清醒的認識和明確的了解u 1，并能仿真分析治療效果，為關(guān)節面的恢復提供新的手段;術(shù)前進(jìn)行手術(shù)方案的設計和優(yōu)化，可以明顯縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量，減少手術(shù)創(chuàng )傷。
本組病例采用CT圖像、計算機三維重建和三維手術(shù)設計模擬技術(shù)治療復雜足踝部骨折，結果表明，術(shù)前建立足踝骨折的三維數字模型并對關(guān)節面塌陷的數值進(jìn)行三維測量，可以從3個(gè)方面提高脛距關(guān)節面和距關(guān)節面恢復的精確度：其一，進(jìn)行撬撥復位計算機三維虛擬仿真，使需要撬撥復位的程度與關(guān)節面的恢復相關(guān)聯(lián)，并在術(shù)前進(jìn)行模擬撬撥復位，從而使術(shù)者做到心中有數，在實(shí)際撬撥操作時(shí)更加熟練準確，從而提高手術(shù)的精準度和安全性;其二，在三維數字影像技術(shù)的支持下，對病人健側、患側足踝部進(jìn)行個(gè)體化三維設計和監測，可解決個(gè)體差異帶來(lái)的影響;其三，計算機輔助設計可預測需要植骨的體積，為術(shù)后確定植骨量提供數據基礎。在本組進(jìn)行的回顧性研究中，計算機輔助組的術(shù)中復位固定時(shí)間短于傳統手術(shù)組，兩組比較為差異有統計學(xué)意義(尸<0.05);隨訪(fǎng)期間計算機輔助組的踝關(guān)節功能評分優(yōu)于傳統手術(shù)組，兩組比較為差異無(wú)統計學(xué)意義(尸>0.05)，推測可能與例數較少有關(guān)。以上結果印證了在復雜足踝部骨折手術(shù)中應用計算機三維仿真技術(shù)，能有效減少術(shù)中復位固定時(shí)間，改善踝關(guān)節功能，提高臨床療效。
盡管計算機三維仿真技術(shù)治療復雜足踝部骨折具有明顯的優(yōu)勢，但仍然存在以下不足之處：
(1)目前的數字化軟件操作繁瑣，需要由熟練掌握相關(guān)計算機軟件和創(chuàng )傷骨科專(zhuān)業(yè)知識的人員完成，不利于技術(shù)的普及和推廣;(2)分割骨折塊耗時(shí)，骨折塊的分割亦無(wú)法做到與實(shí)際骨折完全一致;(3)手術(shù)模擬與實(shí)際操作仍有差距，實(shí)際手術(shù)往往無(wú)法達到模擬復位的程度。因此發(fā)展更加簡(jiǎn)單實(shí)用的數字化模擬軟件和更加精確的模擬工具仍然是數字化骨科發(fā)展的方向 。
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