張瑩瑩，田京

(1.南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510282；2.南方醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院珠江醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510282)

數(shù)字骨科學(xué)在脛骨平臺(tái)骨折的應(yīng)用

張瑩瑩1，田京2

(1.南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510282；2.南方醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院珠江醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510282)

脛骨平臺(tái)骨折屬關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，多由間接暴力或直接暴力引起，占所有骨折的1.3%[1]，占老年人群骨折的8%[2]，是膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷中常見的骨折之一。脛骨平臺(tái)骨折常伴有嚴(yán)重的膝關(guān)節(jié)韌帶，半月板等軟組織損傷等[3]，臨床表現(xiàn)復(fù)雜多變，其復(fù)雜的類型變化給治療帶來很大的難度。有研究表明術(shù)后10年需要全膝關(guān)節(jié)置換的患者大約有7.3%[4]，因此正確的術(shù)前診斷及明確的骨折分型，對(duì)于手術(shù)計(jì)劃的制訂和治療有著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的脛骨平臺(tái)骨折診斷多是借助X線片、CT掃描等完成的。但由于骨折組織是三維立體的，X線和CT掃描常由于二維局限性不能對(duì)骨折結(jié)構(gòu)做出全面判斷。

裴國(guó)獻(xiàn)等[5]在2007年提出數(shù)字骨科學(xué)，其定義為計(jì)算機(jī)技術(shù)和臨床骨科緊密聯(lián)系的一種新型數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)。目前應(yīng)用于骨科的數(shù)字技術(shù)主要包括醫(yī)學(xué)影像處理與三維建模技術(shù)、三維虛擬仿真與可視化技術(shù)、臨床計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer assisted design，CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(computer assisted manufacturing，CAM)技術(shù)、有限元技術(shù)、手術(shù)導(dǎo)航與機(jī)器人輔助技術(shù)、人體骨肌系統(tǒng)力學(xué)仿真技術(shù)等[6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字骨科將數(shù)字化新技術(shù)與骨科應(yīng)用緊密結(jié)合，具有顯著的臨床實(shí)用性而有別于其他醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)[7]。

數(shù)字骨科學(xué)近十年的迅速發(fā)展，為脛骨平臺(tái)骨折帶來新的診治手段?，F(xiàn)就脛骨平臺(tái)骨折中數(shù)字骨科學(xué)的應(yīng)用展開綜述。

1 傳統(tǒng)診斷

X線片和CT掃描是臨床上診斷脛骨平臺(tái)骨折使用最多的技術(shù)。X線片使用快捷、簡(jiǎn)單，因此是門診上最常見的初篩手段。對(duì)于大部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部位骨折，X線片可以明確顯示前后位的不同。但是X線發(fā)生偽影的概率較高，且影像相互重疊不能很準(zhǔn)確地顯示關(guān)節(jié)面的情況，難以對(duì)骨折的特征進(jìn)行全面地診斷分析，對(duì)有些移位不明顯的劈裂骨折和局限于平臺(tái)邊緣的小塊塌陷骨折容易漏診。此外單憑X線不能準(zhǔn)確判斷脛骨平臺(tái)骨折平臺(tái)塌陷的部位、程度以及關(guān)節(jié)劈裂移位的程度。與X線片相比，CT掃描在評(píng)價(jià)粉碎骨折以及壓縮骨折上優(yōu)勢(shì)較高。但是常規(guī)X線片及普通橫斷面CT掃描通常不能顯示微小的骨折和骨折部位，類型，骨折塊的移位，關(guān)節(jié)面的塌陷等情況。而且CT掃描和X線片都只能反應(yīng)骨折組織的二維結(jié)構(gòu)，不能完全反映骨折組織的結(jié)構(gòu)。因此多與其他技術(shù)結(jié)合使用。研究表明結(jié)合CT和核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)結(jié)合可提高分型的準(zhǔn)確率[8]，MRI可檢查骨折部分的軟組織損傷，可增加醫(yī)師之間對(duì)于骨折分型的一致率[9]。Xu等[10]對(duì)71 例復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折患者同時(shí)運(yùn)用X線，多排螺旋CT(Multi Slice Spiral CT，MDCT)和MRI診斷，結(jié)果證明MDCT和MRI診斷隱匿性損傷比X線具有更高的敏感性。

2 數(shù)字骨科技術(shù)

2.1 CT三維重建 CT三維重建是指依據(jù)MDCT掃描所得影像在計(jì)算機(jī)軟件的處理后建立的組織三維立體圖像。依據(jù)MDCT三維重建技術(shù)，可以立體看到骨折表面的結(jié)構(gòu)[11]。而多排MDCT和容積重組技術(shù)能多角度充分顯示脛骨平臺(tái)骨折的詳細(xì)情況和細(xì)微結(jié)構(gòu)[3]，能全面、準(zhǔn)確反應(yīng)脛骨平臺(tái)骨折的類型、骨塊移位的方向和平臺(tái)塌陷的程度，為復(fù)雜的脛骨平臺(tái)骨折的準(zhǔn)確診斷和精確治療提供了很好的依據(jù)。

同時(shí)，隨著CT三維重建技術(shù)的成熟，給脛骨平臺(tái)骨折的分型也帶來了影響。

基于三維成像技術(shù)建立了三柱分型[12]將脛骨平臺(tái)骨折分為零柱骨折、內(nèi)側(cè)柱骨折、外側(cè)柱骨折、后側(cè)柱骨折、雙柱骨折、三柱骨折。這補(bǔ)充了原有的Shatzker分型[13]，尤其是在復(fù)雜的脛骨平臺(tái)后側(cè)粉碎性骨折方面，對(duì)于后柱病例的手術(shù)入路和鋼板的選擇方面能提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。Doornberg等[14]人運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)討論了2D和3D技術(shù)對(duì)脛骨平臺(tái)骨折分類的影響，證明3D成像可增加醫(yī)師之間對(duì)于骨折類型判斷的統(tǒng)一度。Yang等[15]人用CT給525 例后側(cè)脛骨平臺(tái)骨折的患者進(jìn)行三柱分型，實(shí)驗(yàn)證明依靠CT進(jìn)行的三柱分型可以更好的診斷不常見的后側(cè)脛骨平臺(tái)骨折，使放射科醫(yī)生和骨科醫(yī)生能較全面地了解骨折程度范圍以及分型，為臨床制定治療方案提供了科學(xué)全面的依據(jù)。

2.2 計(jì)算機(jī)模擬手術(shù) 計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)是將CT以及MRI掃描數(shù)據(jù)輸進(jìn)Mimics等模擬軟件進(jìn)行骨折的三維重建，在電腦上進(jìn)行模擬手術(shù)以及練習(xí)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，提前發(fā)現(xiàn)術(shù)中可能出現(xiàn)的問題，有助于脛骨平臺(tái)骨折修復(fù)的全面的術(shù)前評(píng)估和規(guī)劃。且模擬手術(shù)可以使骨科醫(yī)生與參與手術(shù)的每一個(gè)醫(yī)生共享手術(shù)方案并參與討論，對(duì)手術(shù)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為患者制定最合適的手術(shù)方案。陳羽等[16]對(duì)300名患者進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)，將CT掃描斷層數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)出，輸入Mimics 13.0軟件進(jìn)行三維重建，并對(duì)其進(jìn)行三柱分型。術(shù)者依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折進(jìn)行虛擬手術(shù)，其中包括復(fù)位移位的骨塊，估算植骨量，設(shè)計(jì)植骨模型，并進(jìn)行虛擬植骨；設(shè)計(jì)手術(shù)方案，包括修復(fù)入路、體位及鋼板植入數(shù)量等。依據(jù)模擬手術(shù)的數(shù)據(jù)為患者制訂了最合適的手術(shù)方案。模擬手術(shù)中，記錄骨折塊的移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)有助于手術(shù)修復(fù)過程中的精準(zhǔn)復(fù)位。對(duì)于塌陷性骨折，小切口聯(lián)合植骨治療可預(yù)防修復(fù)帶來的骨量丟失[17]，模擬開窗橇撥復(fù)位塌陷的骨塊、設(shè)計(jì)植骨模型，完成術(shù)前評(píng)估和規(guī)劃，使醫(yī)師對(duì)開窗部位和修復(fù)過程有了的精準(zhǔn)把握。章瑩等[18]應(yīng)用計(jì)算機(jī)-快速成型技術(shù)治療脛骨平臺(tái)骨折73 例患者，術(shù)前采取CT三維重建和計(jì)算機(jī)模擬，快速成型與個(gè)體化標(biāo)本預(yù)手術(shù)處理。由于模擬手術(shù)能夠?yàn)榕R床操作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和豐富的信息，結(jié)果與常規(guī)手術(shù)組相比出血量少，手術(shù)時(shí)間短，有助于術(shù)前個(gè)體化手術(shù)方案的設(shè)計(jì)，提高了脛骨平臺(tái)骨折手術(shù)的效率和精確度，減少并發(fā)癥，降低了風(fēng)險(xiǎn)。Suero等[19]人利用VoXim軟件對(duì)五種脛骨平臺(tái)骨折進(jìn)行了三維重建并且給每個(gè)骨塊標(biāo)識(shí)不同的顏色，從而清晰而又立體的看到不同骨折各個(gè)層面的面貌。但是作者也提出術(shù)前進(jìn)行三維成像所需的時(shí)間較長(zhǎng)等問題。實(shí)驗(yàn)中五個(gè)患者按照AO分型被分為A，B，C三型，重建所需的時(shí)間平均為174.8 min，96.5 min和227 min。重建花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，給臨床應(yīng)用帶來困難。但是有研究表明利用Mimics軟件可以輕松的將CT資料導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，其人性化的工具可以讓非專業(yè)人員在30 min內(nèi)建立出三維模型并輕松的實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)。因此有學(xué)者認(rèn)為可以將三維重建及虛擬手術(shù)技術(shù)作為復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折術(shù)前規(guī)劃的常規(guī)項(xiàng)[16]。

2.3 人體骨骼快速成形技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù) 快速成形技術(shù)(rapid prototyping，RP)于20世紀(jì)80年代開始發(fā)展[20]，是由CAD模型驅(qū)動(dòng)制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體技術(shù)的總稱。人體骨骼快速成型技術(shù)是將骨折CT掃描數(shù)據(jù)經(jīng)軟件轉(zhuǎn)換格式后，輸入RP機(jī)即可生成三維實(shí)體模型。在脛骨平臺(tái)骨折方面，主要用于制造骨折模型，個(gè)性化植骨以及鋼板的設(shè)計(jì)制造。在復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折的治療中起到了重要的作用。通過RP技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物理模型可以用來協(xié)助診斷，手術(shù)規(guī)劃，假體設(shè)計(jì)以及和患者溝通[21]。Bagaria等[22]就RP在髖臼、股骨內(nèi)側(cè)髁，跟骨的復(fù)雜骨折案例報(bào)道，將CT和MRI掃描得到的信息輸進(jìn)RP系統(tǒng)，在CAM技術(shù)指導(dǎo)下合成相應(yīng)假體，可使術(shù)者明確骨折線的長(zhǎng)度方向以及碎裂的小骨塊等骨折狀況，對(duì)骨折特點(diǎn)有更加形象直觀的認(rèn)識(shí)，可以減少手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血和麻醉藥用量，從而進(jìn)一步明確手術(shù)方案，而對(duì)側(cè)骨折的模型可作為理想恢復(fù)的參照物[23]。有研究表明根據(jù)力學(xué)和核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速成型的組織對(duì)于小關(guān)節(jié)表面的重建和修復(fù)具有重要意義[24]。

CAM是指根據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的CAD結(jié)果生成CAM數(shù)據(jù)加工指令，廣泛運(yùn)用于骨科器械的研發(fā)和設(shè)計(jì)，尤其是在個(gè)性化假肢、個(gè)性化模板及內(nèi)固定器材的制造，手術(shù)鋼板的設(shè)計(jì)等方面。黃凱等[25]對(duì)27 例復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折患者采取數(shù)字化個(gè)體定制鋼板內(nèi)固定治療。由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的鋼板與普通鋼板相比更加個(gè)性化，其與骨的貼合程度更緊密，有利于骨折的恢復(fù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)鋼板的時(shí)候醫(yī)師也可以根據(jù)不同部位骨折程度的不同，設(shè)計(jì)不同厚度的鋼板和應(yīng)用不同數(shù)目螺釘，同時(shí)在選擇加壓孔時(shí)也可避開骨折線，增加了鋼板使用的靈活性。Hu等[26]在32具尸體上證實(shí)了RP技術(shù)可提高放置螺釘?shù)陌踩浴?/p>

2.4 有限元技術(shù) 有限元技術(shù)是指利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，把復(fù)雜、不規(guī)則的力學(xué)分析對(duì)象離散化，形成有限個(gè)、按照一定方式相互連接在一起的幾何單元體，進(jìn)行分解計(jì)算的一種生物力學(xué)分析方法。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，有限元成為處理復(fù)雜問題的有效手段，在骨科方面主要用來分析骨的結(jié)構(gòu)，骨折的發(fā)生機(jī)制以及骨折的固定系統(tǒng)力學(xué)。有限元分析的主要步驟是：建立幾何模型，定義材料特性，網(wǎng)格化，設(shè)置負(fù)荷和約束條件，求解和查看結(jié)果。傳統(tǒng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)需要大量的人力物力，并且只反映標(biāo)本外部力學(xué)的變化。而基于三維圖像重建后的有限元分析可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)的變化，不僅可以建立逼真的模型而且可以在不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行仿真分析，因而廣泛應(yīng)用于檢測(cè)骨折內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)理以及手術(shù)治療規(guī)劃，器械的改進(jìn)和術(shù)后評(píng)價(jià)方面等[27]。有限元技術(shù)相比傳統(tǒng)的療效分析，評(píng)價(jià)有了量化標(biāo)準(zhǔn)，相比之更加的科學(xué)，客觀性更強(qiáng)。Harrysson等[28]用有限元技術(shù)評(píng)價(jià)和比較傳統(tǒng)植入物和基于患者個(gè)性化設(shè)計(jì)的植入物，一個(gè)植入物表面是傳統(tǒng)的五平面，基于CAD設(shè)計(jì)的植入物表面是光滑的。研究人員從生物力學(xué)的角度分析兩者的不同，驗(yàn)證后者關(guān)節(jié)表面壓力分布更加平均。Malakasi等[2]用電腦合成六種不同骨折以及內(nèi)外固定材料的幾何圖像后，借助有限元技術(shù)比較研究?jī)?nèi)固定和組合式外固定在治療脛骨平臺(tái)骨折的硬度。但是有限元技術(shù)模型是建立在正常骨的基礎(chǔ)上，各種條件的設(shè)定都是處于理想化的狀態(tài)下，因此結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。并且有限元技術(shù)所用的軟件價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜難以短時(shí)間內(nèi)掌握，而且國(guó)內(nèi)缺乏載荷和邊界條件的標(biāo)準(zhǔn)，這些都是有限元技術(shù)在臨床骨科應(yīng)用的障礙。

3 小 結(jié)

數(shù)字骨科學(xué)的各種技術(shù)在脛骨平臺(tái)骨折應(yīng)用方面有很大的潛力。首先，在診斷方面，X線片在急診和骨折初篩方面仍然發(fā)揮著不可或缺的作用，但是其往往不能顯示后側(cè)脛骨平臺(tái)骨折[29]。單軸CT可以彌補(bǔ)X線片的缺點(diǎn)，可以有效的顯示后側(cè)脛骨平臺(tái)骨折，但是缺乏對(duì)骨折立體直觀的描述。MRI主要在診斷軟組織損傷方面發(fā)揮著作用，但是對(duì)于醫(yī)師要求較高。MDCT彌補(bǔ)了二維圖像的不足。因此在臨床診斷時(shí)，根據(jù)骨折類型和程度的不同選擇不同的檢測(cè)技術(shù)是診斷脛骨平臺(tái)骨折的關(guān)鍵。其次，在計(jì)算機(jī)軟件的幫助下，我們可以進(jìn)行術(shù)前模擬手術(shù)從而提早發(fā)現(xiàn)手術(shù)過程中可能出現(xiàn)的問題，有助于制定更好的手術(shù)方案。這一點(diǎn)也可以用于手術(shù)教學(xué)中，可將手術(shù)思維可視化，便于教學(xué)交流。而在相關(guān)軟件的開發(fā)上，在3D成像技術(shù)，模擬手術(shù)，RP以及有限元分析等方面仍需要投入更大的精力來完善，而廉價(jià)，便于操作，快捷則是這類軟件發(fā)展的方向。在RP和CAM的幫助下，個(gè)性化的植入體和鋼板將成為未來骨科的發(fā)展趨勢(shì)。并且通過有限元技術(shù)的應(yīng)用，我們可以從生物力學(xué)的角度去分析評(píng)價(jià)器材的性能并修正，也可以從力學(xué)方面分析術(shù)后恢復(fù)的程度，但是這方面相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)仍是空白，需要學(xué)者進(jìn)一步的研究。

數(shù)字骨科學(xué)各技術(shù)具體臨床應(yīng)用仍處在發(fā)展初期，并且受到了昂貴的費(fèi)用以及耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)等問題的限制，但是我們?nèi)匀豢梢钥隙〝?shù)字骨科學(xué)技術(shù)在脛骨平臺(tái)骨折以及其他骨科疾病方面不可估量的價(jià)值。

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1008-5572(2014)11-1005-04

R683.42

：A

高慶峰(1985- )，男，醫(yī)師，上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院骨科，200233。

2014-06-04

作者簡(jiǎn)介：張瑩瑩(1993- )，女，本科在讀，南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，510282。