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計算機三維仿真技術在復雜足踝部骨折手術中的應用
【摘要】目的探討計算機三維仿真技術輔助個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行手術治療，其中123例采用傳統手術治療，另132例在術前CT圖像三維重建、計算機三維模擬手術和個體化預手術的基礎上實施精確化手術。對獲得隨訪的196例患者(傳統手術組9l例，計算機輔助組105例)進行回顧性研究，比較兩組術中復位固定時間及隨訪6個月時的踝關節功能(按美國足踝外科學會足部功能Hindfoot評分系統評定)。結果196例患者獲得6～36個月隨訪，平均隨訪時間l2個月。其中計算機輔助組105例，傳統手術組9l例，復位固定時間分別為(44.3 4-5.4)min和(56.3 4-5.7)rain，兩組比較為差異有統計學意義(f=4.510，P=0.000);隨訪6個月時計算機輔助組踝關節功能評分(優6O例，良35例，可l0例，優良率90.4%)優于傳統手術組(優39例，良32例，可14例，差6例，優良率78.O%)I兩組比較為差異無統計學意義()(2=1.418，P=O.165) 結論計算機三維仿真技術輔助個體化手術可以降低術中復位固定時間，提高足踝部骨折手術的精確度，是治療復雜性足踝骨折的有效方法。
【關鍵詞】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、踝關節骨折、距骨骨折、足跗骨骨折和跖趾骨骨折，此類骨折較為常見，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機制的復雜性“1。臨床上術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機制為目的制定個體化骨折治療方案。而一旦術中未能使骨折獲得良好復位，就極易導致創傷性關節炎等手術并發癥的發生 。本研究采用CT圖像、計算機三維重建和三維設計模擬技術，在術前建立足踝部骨折的三維數字模型，以恢復踝關節的脛距關節面、距骨的距下關節關節面為基準，并在測量數據的基礎上進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，從而設計出使關節面骨折解剖復位的理想方案。以此作為術中的參考依據，在C型臂x線機監測下按計算機設計方案實施手術，復位效果滿意。
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行手術治療，其中123例采用傳統手術方法進行治療，另132例在術前進行CT圖像三維重建、計算機三維模擬手術和個體化標本預手術的基礎上實施精確化手術。對獲得隨訪的196例患者進行回顧性研究，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，車禍傷33例，其他原因23例，受傷到治療時間3 h～5 d。常規手術組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，車禍傷21例，其他原因31例，受傷到治療時間3 h～5 d。
兩組性別、年齡、骨折類型、受傷到治療時間等一般資料相似。
1.2手術方法
1.2.1傳統手術方法常規手術切口，直視下復位骨折塊并植骨，植骨量為6～20 g，術中根據不同情況選用解剖鈦鋼板、松質骨螺釘進行內固定。
1.2.2計算機輔助個體化手術方法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的三維模型。患側骨折塊具有相近的Hounsfield值，故對骨折塊的分割采用手動逐層追蹤，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，以利于選擇表面觀察點。
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，模擬手術撬撥過程，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進行移動操作，模擬手術復位過程，使骨折恢復至正常位置，同時打印跟骨骨折復位后圖片，以此作為術中參考依據。
1.2.2.3個體化精確手術：采用計算機模擬足踝部骨折復位后打印圖片，通過計算機測量骨折塊撬撥角度，為個體化手術提供參照(圖1)，使足踝部骨折精確復位成為可能H 】。采用常規手術切口，按術前設計的方案用骨刀將塌陷的骨折塊撬起以恢復關節面平整及高度，按術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，按術前模擬手術選用解剖鈦鋼板、松質骨螺釘進行內固定。撬撥復位在C型臂x線機的下可發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臨床觀察指標術中記錄計算機輔助組和常規手術組的復位固定時間;術后拍攝跟骨側位和軸位像以及踝關節正側位像x線片，觀察術后骨折復位情況;術后6個月按照美國足踝外科學會足部功能評分系統(Hindfoot score)t 對兩組的踝關節功能進行評估：
包括疼痛(40分)、功能(50分)和力線(10分)3個方面，總分100分，90-100分為優，75～89分為良，50~74分為可，<50分為差。
1.4統計學方法所有數據應用SPSS 11.0軟件進行統計學處理。術中觀察指標的分析采用f檢驗，術后踝關節功能比較采用 檢驗，以尸<0.05為差異有統計學意義。
2、結果
255例患者術程順利，其中196例患者獲得6～36個月隨訪，平均隨訪時間12個月。計算機輔助組105例，常規手術組91例，復位固定時間分別為(44_3 4-5.4)min和(56-3 4-5.7)min，兩組比較為差異有統計學意義( 4.510，P=0.000);隨訪6個月計算機輔助組踝關節功能評分(優60例，良35例，可10例，優良率90.4%)優于常規手術組(優39例，良32例，可14例，差6例，優良率78.0%)，但兩組比較為差異無統計學意義(z。=1.418，P=0.】65)。
3、討論
足踝部骨折是骨科常見損傷之一，因骨折常波及關節面，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閉合復位手段取得滿意復位甚至解剖復位，但維持這種復位通常需要以長腿石膏托固定于非功能位至少6周，康復期較長且并發癥多，故對于無手術禁忌證、骨折塊波及關節面的移位足踝部骨折，通常主張行開放復位內固定手術。
由于踝關節面積小、承重大且接近地面，導致作用于踝關節的承重應力緩沖小，其承重力線的改變無法被其他關節代償;此外，踝穴的完整性依賴于腓骨的正常長度、脛骨和腓骨切跡中的精確位置以及下脛腓聯合的完整性 】，故對足踝部累及關節面的骨折要求達到解剖復位，踝穴、距下關節的解剖復位以及早期恢復踝關節活動范圍是足踝部骨折治療的基本原則 】。傳統手術術前無法完整評估骨折的復雜情況，從而使骨折復位不良、術后創傷性關節炎的發生率較高。
數字化測量、計算機模擬、三維仿真等技術的發展和應用為創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x線片測量獲得的數據現在可以通過數字化技術進行三維測量，結果更準確真實[10,11】;其次，隨著數字化骨科學的發展，數字化引導下快速成型制作三維導航模板技術日益成熟，可以使需要術者具備豐富經驗的手術變得簡單易行，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，個體差異明顯，治療頗為棘手。采用計算機三維仿真技術治療復雜足踝部骨折，在術前建立足踝部骨折的三維數字模型，可以使術者對骨折的粉碎程度和關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，為關節面的恢復提供新的手段;術前進行手術方案的設計和優化，可以明顯縮短手術時間，減少術中出血量，減少手術創傷。
本組病例采用CT圖像、計算機三維重建和三維手術設計模擬技術治療復雜足踝部骨折，結果表明，術前建立足踝骨折的三維數字模型并對關節面塌陷的數值進行三維測量，可以從3個方面提高脛距關節面和距關節面恢復的精確度：其一，進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節面的恢復相關聯，并在術前進行模擬撬撥復位，從而使術者做到心中有數，在實際撬撥操作時更加熟練準確，從而提高手術的精準度和安全性;其二，在三維數字影像技術的支持下，對病人健側、患側足踝部進行個體化三維設計和監測，可解決個體差異帶來的影響;其三，計算機輔助設計可預測需要植骨的體積，為術后確定植骨量提供數據基礎。在本組進行的回顧性研究中，計算機輔助組的術中復位固定時間短于傳統手術組，兩組比較為差異有統計學意義(尸<0.05);隨訪期間計算機輔助組的踝關節功能評分優于傳統手術組，兩組比較為差異無統計學意義(尸>0.05)，推測可能與例數較少有關。以上結果印證了在復雜足踝部骨折手術中應用計算機三維仿真技術，能有效減少術中復位固定時間，改善踝關節功能，提高臨床療效。
盡管計算機三維仿真技術治療復雜足踝部骨折具有明顯的優勢，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計算機軟件和創傷骨科專業知識的人員完成，不利于技術的普及和推廣;(2)分割骨折塊耗時，骨折塊的分割亦無法做到與實際骨折完全一致;(3)手術模擬與實際操作仍有差距，實際手術往往無法達到模擬復位的程度。因此發展更加簡單實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展的方向 。
參考文獻
1 M arx RC，M izel M S.W hat’S new in foot and ankle surgery[J].J Bone Joint Surg Am，2010，92(2)：5 12—523.
2 Tabakovi6 D，Manojlovi6 R，Kadija M，et a1.Possible factorsfor ankle fractures Vojnosanit Pregl[J].2010，67(3)：225—228.
3 Chodos MD，Campbell JT.Intra—articular calcaneal fracturewith tarsal coalition treated with open reduction， internalfixation，and isolated subtalar arthrodesis：a case report【J】。Foot Ankle lnt，2007，28(9)：1017—1020.
4 章瑩，夏遠軍，萬磊，等。計算機三維仿真技術在復雜跟骨骨折手術中的應用[J].中國修復重建外科雜志，2009，23(12)：1447.1450.
5 章瑩，萬磊，尹慶水，等。計算機快速成型輔助個體化三踝骨折的手術治療[J].中華創傷骨科雜志，2009，l1(6)：509.511.
6 Mason LW,Dodds A.A prospective study comparing atte—mpted weight bearing in fiberglass below—knee casts andprefabricated pneumatic braces[J].Foot Ankle Spec，2010，3(2)：64—66.
7 Tintle SM ， Keeling JJ， Shawen SB.Combat foot and ank leuauma[J】。J Surg Orthop Adv,2010，l9(1)：70—76.
8 Smerek JP,Kadakia A，Belkof SM ，et a1.Percutaneous screwconfiguration versus perimeter plating of calcaneus fractures：acadaver study[J]l Foot Ankle Int，2008，29(9)：931-935.
9 Loutzenhiser L，Lawrence SJ，Donegan RP.Treatment of selectopen calcaneus fractures with reduction and internal fixation：an intermediate-term review [J]_Foot Ankle Int，2008，29(8)： 825—830.
1O 尹慶水，萬磊。數字骨科一信息化世紀的新骨科[J].中國骨科臨床與基礎研究雜志，2009，l(1)：77—78.
1 1 Rupprecht M，Pogoda Barvencik E et a1.The calcaneus asthe site of manifestation for osteoporosis-associated fractures：
age-· and sex-·specific changes in calcaneal m orphologycorrelate with the incidence and severity of intra-articularcalcaneal fractures[J].Unfallchimrg，2007，1 10(3)：197—204.
12 Schepers L van Lieshout EM，Ginai AZ，et a1.Calcanealfracture classification：a comparative study [J] J Foot AnkleSurg，2009，48(2)：156—62.
1 3 Loutzenhiser L，Lawrence SJ，Donegan RP.Treatment of selectopen calcaneus fractures with reduction and internal fixation：an intermediate·term review [J] Foot Ankle lnt，2008，29(8)：825—830.
14 Hu YL， Ye FG， Ji A et a1. Three—dim ensional computedtomography imaging increases the reliability of classificationsystems for tibial plateau fractures[J].Injury,2009，40(12)：282一285.
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