鄭 鋒, 陳宣煌, 蔡涵華, 張國棟, 林海濱, 高小強

(莆田學(xué)院附屬醫(yī)院 骨科， 福建 莆田 351100)

0 引言

目前, 股骨頸骨折的內(nèi)固定手術(shù)治療方式多種多樣[1], 空心加壓螺絲釘?shù)目招慕Y(jié)構(gòu)能避免骨內(nèi)高壓, 對骨折干擾少, 其內(nèi)固定技術(shù)具有創(chuàng)傷較小、 操作簡易、 骨折較容易愈合等各種優(yōu)點, 近年來已成為非高齡股骨頸骨折的首選治療術(shù)式[2-3]。 經(jīng)過臨床上股骨頸骨折內(nèi)固定物選擇及固定方式的不斷研究, 手術(shù)醫(yī)師普遍認為在股骨頸的位置置入空心釘對維持骨折端穩(wěn)定有很大程度的幫助。 在股骨頸細窄的長軸中貼近邊緣皮質(zhì)置入三枚螺絲釘本身就存在較大難度, 這就對螺釘長度、 空間排布及置入方向提出了嚴格要求。 國內(nèi)外學(xué)者基于數(shù)字醫(yī)學(xué)、 虛擬人體數(shù)字化設(shè)計手術(shù)方案已在骨科臨床應(yīng)用的不斷推廣, 提出骨科數(shù)字醫(yī)學(xué)的理念[4-5]。 數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于骨科手術(shù)方案設(shè)計有效地彌補了傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗手術(shù)的不足。 隨著解剖學(xué)研究的深入、 影像診斷先進技術(shù)的發(fā)展、 骨科固定理論的更新, CT 薄層高速螺旋掃描及數(shù)據(jù)處理形成圖像技術(shù)能重建出清晰準(zhǔn)確的立體三維圖像, 從而可對內(nèi)固定螺釘?shù)闹睆健?長短和放置位置、 置釘方向進行設(shè)計,為個體化治療骨折的手術(shù)提供參考。 本文通過Mimics軟件三維重建、 設(shè)計釘?shù)馈?測量置釘方向及深度, 設(shè)計并3D 打印導(dǎo)航模塊用于術(shù)中導(dǎo)向,充分優(yōu)化螺釘在股骨頸及股骨頭置入位置, 可以實現(xiàn)良好的生物力學(xué)性能, 達到更優(yōu)的手術(shù)效果。

1 材料與方法

1.1 材料

φ6.3mm 空心釘、 內(nèi)六角空心螺絲刀、 φ5.5 mm 自鉆型空心絲錐及相應(yīng)的手術(shù)器械。 22 側(cè)防腐成人尸體下肢標(biāo)本(由莆田學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部解剖教研室提供)。

1.2 方法

1.2.1 股骨頸內(nèi)固定方案數(shù)字化設(shè)計

將CT 薄層掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 軟件, 在三維重建的模型上, 以Load STL 引入空心釘STL文件, 以Move 及Rotate 方式完成股骨頸虛擬內(nèi)固定。 導(dǎo)航模塊設(shè)計： 1) 拔模增厚獲取股骨近端2.5 mm 增厚層； 2) 隱性切模： 在股骨近端前面、 外側(cè)面及后面等多個視角進行隱性切割增厚層獲得卡位模塊； 3) 導(dǎo)航模塊構(gòu)建： 以Simulation Rescale Object 將諸釘?shù)乐睆椒糯? 倍,切短用作釘?shù)乐С种?布爾運算(卡位模塊+支持柱) - (股骨+釘?shù)? 獲得導(dǎo)航模塊。 制作導(dǎo)航模塊文件并輸入3D 打印機進行打印。 股骨頸內(nèi)固定方案數(shù)字化設(shè)計過程如圖1 所示。

圖1 股骨頸內(nèi)固定方案數(shù)字化設(shè)計

1.2.2 3D 打印導(dǎo)航模塊輔助股骨頸內(nèi)固定

手術(shù)入路： 股骨近端外側(cè)入路。 切口為股骨大轉(zhuǎn)子向遠端延伸4 cm, 切開皮膚、 皮下組織、闊筋膜, 分離部分臀大肌, 顯露股骨大轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子下骨膜。

導(dǎo)航模塊卡位： 以骨膜剝離器清除大轉(zhuǎn)子與股骨近端連接處外側(cè)面的骨膜, 實施導(dǎo)航模塊卡位。 導(dǎo)航模塊正確的卡位手感為導(dǎo)航模塊無法向上、 向后及向內(nèi)側(cè)推動。 必須在術(shù)野良好顯露,導(dǎo)航模塊無軟組織阻擋時進行導(dǎo)航模塊卡位； 必要時可在導(dǎo)航模塊的近端、 遠端置入克氏針將模塊臨時固定。

以電鉆置入φ2.5 mm 克氏針, 拔出導(dǎo)航模塊, 以φ5.5 mm 空心絲錐攻絲, 以內(nèi)六角空心螺絲刀旋入φ6.3 mm 空心釘, 如圖2 所示。

圖2 3D 打印導(dǎo)航模塊輔助股骨頸內(nèi)固定

1.2.3 術(shù)后三維配準(zhǔn)及術(shù)前術(shù)后的進出釘點比較

術(shù)后各標(biāo)本均進行CT 薄層掃描, 以Mimics軟件對數(shù)據(jù)進行三維重建等處理。 在Mimics 軟件中以Merge 先合并左側(cè)股骨近端與左側(cè)3 根螺釘, 同法合并右側(cè)股骨近端與右側(cè)3 根螺釘, 三維配準(zhǔn)。 將合并后的左右模型STL 格式文件輸出至術(shù)前Mimics 設(shè)計的釘?shù)繫ask 文件中, 以Move &Rotate 分別移動至術(shù)前左右股骨近端的大致位置,分別3 次操作命令Global Registration Registration完成術(shù)后與術(shù)前股骨近端的三維配對校準(zhǔn)。

手術(shù)前后的進、 出釘點各自三維空間坐標(biāo)值提?。?以MedCAD Create Point 構(gòu)建術(shù)前、 術(shù)后的進、 出釘點, 以Export TXT 方法輸出所有釘點三維坐標(biāo)值, 按偏移值每1 mm 遞增的精度要求對進出釘點進行卡方檢驗及相關(guān)分析。 采用SPSS 21.0 軟件統(tǒng)計處理數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)結(jié)果以(x±s) 表示, 以α = 0.05 為檢驗水準(zhǔn), P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義, P＞0.05 為差異無統(tǒng)計學(xué)意義。 如圖3 所示。

2 結(jié)果

圖3 三維配準(zhǔn)及進出釘點比較

左右兩側(cè)股骨頸共置入螺釘66 枚, 0 枚穿出股骨頸骨皮質(zhì)外, 置釘準(zhǔn)確率100%。 術(shù)前與術(shù)后進釘點的偏移值為0.43 ～4.99 mm, 均值為2.27±0.82 mm； 而術(shù)前與術(shù)后出釘點的偏移值為0.98～6.92 mm, 均值為3.78±1.16 mm。

按偏移值每1 mm 遞增的精度要求統(tǒng)計, 卡方檢驗結(jié)果如表1, 進釘點精度可達到3.4 mm,出釘點精度為5.6 mm。

表1 卡方檢驗結(jié)果

3 討論

許多研究顯示, 對于股骨頸骨折特別是有發(fā)生骨折端移位的, 采用骨折內(nèi)固定方法較置換髖關(guān)節(jié)方法的早期死亡風(fēng)險降低, 另外內(nèi)固定術(shù)還具有手術(shù)時間較短、 創(chuàng)傷較小、 術(shù)中失血少、 發(fā)生深部組織感染的幾率少、 保留了患者本身的股骨頭解剖結(jié)構(gòu)等優(yōu)點[6]。 三枚空心釘三維立體固定的方法在空間各個方向上都保持骨折端的緊密接觸, 很好地防止了骨折斷端在冠狀、 矢狀面上的相對旋轉(zhuǎn), 所以, 這種固定具備了生物力學(xué)上很好的穩(wěn)定性。 這種內(nèi)固定方法遵循了通常要求的“三點固定” 原理, 即螺釘?shù)尼敿舛艘潭ㄓ诠晒穷^的軟骨下骨約0.5 ～1.0 cm 處, 釘?shù)奈膊恳^固于股骨外側(cè)密質(zhì)骨, 將底面的螺釘(下方釘) 放置于股骨頸上下直徑的中下三分之一處, 盡量不低于股骨小轉(zhuǎn)子下緣水平進釘, 避免造成應(yīng)力骨折。 上方兩釘要緊靠股骨頸前側(cè)和后側(cè)皮質(zhì), 螺釘?shù)臈U部避免沿股骨頸中央通過,這樣獲得股骨距、 股骨頭和側(cè)方的股骨頸皮質(zhì)三個方向的穩(wěn)定固定[7]。 綜合考慮股骨頭血供和生物力學(xué)的穩(wěn)定性, 三枚螺釘平行偏差不超過10°, 呈等腰倒三角形的倒“品” 字分布是較為理想的固定方式[8]。

目前臨床專用置釘定位器并不實用, 大部分的定位器為等腰正三角平行固定, 不符合生物力學(xué)要求, 有時需將定位器倒過來使用, 違背原始的創(chuàng)意, 失去精確性。 用國外公司提供的定位器進導(dǎo)針, 往往第三根無位置進針, 可能和中國人股骨頸較細有關(guān)。 臨床手術(shù)醫(yī)師為追求理想的內(nèi)固定位置, 反復(fù)調(diào)整導(dǎo)針位置, 在螺釘置入過程中多次鉆孔, 造成力學(xué)強度下降、 骨量丟失, 既增加了創(chuàng)傷又無法縮短手術(shù)時間[9]。 這樣, 對股骨頸骨折患者股骨頭髓內(nèi)血供的過多破壞, 加劇了本來外傷導(dǎo)致的血供損害, 股骨頭缺血壞死的發(fā)生率進一步增加, 并且臨床上很難做到三枚空心釘平行旋入股骨頸, 所以在實際操作中很難達到理想的固定力學(xué)效果。 操作不當(dāng), 股骨頸前傾角及頸干角丟失, 術(shù)后空心釘容易切出, 必然影響內(nèi)固定強度及治療效果。 因此, 為達到最佳螺釘位置和減少鉆孔次數(shù), 醫(yī)師除了提高手術(shù)技能外, 還可利用當(dāng)前發(fā)展十分迅速的計算機輔助骨科技術(shù), 根據(jù)不同的患者制定周密的手術(shù)計劃, 進行詳細的術(shù)前評估, 以確定進釘?shù)姆较?、選擇螺釘?shù)拈L度、 分布螺釘?shù)目臻g位置等, 實現(xiàn)制定更加精確的手術(shù)模擬和術(shù)前規(guī)劃[10-11]。 鄭朋飛等開展了3D 打印個體化手術(shù)導(dǎo)航模板在兒童股骨頸骨折內(nèi)固定手術(shù)中應(yīng)用的臨床研究[12],但國內(nèi)外關(guān)于股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定的虛擬手術(shù)及解剖標(biāo)本基礎(chǔ)研究較少。

本研究結(jié)果顯示, 進針點偏移精度最大誤差低于5 mm、 出針點偏移精度最大誤差低于7 mm,進出針點最低誤差均低于1 mm。 綜合統(tǒng)計進釘點精度可達到3.4 mm, 出釘點精度為5.6 mm,說明術(shù)前數(shù)字化設(shè)計和術(shù)后實施效果是高度一致的, 甚至實現(xiàn)一次性理想置釘, 達到了螺釘牢靠固定, 避免多次穿刺導(dǎo)致的螺釘易松動的不良后果； 而且, 應(yīng)用本文的研究技術(shù)可以最大程度地再現(xiàn)“三點固定” 原理, 特別適合于切開釘板內(nèi)固定手術(shù)的微創(chuàng)操作。 本文涵括CT 薄層掃描, Mimics 軟件三維模型重建、 三維編輯、 三維測量, 3D 打印, 導(dǎo)航內(nèi)固定置入及內(nèi)固定效果數(shù)字化評判等一系列步驟, 制定優(yōu)化的股骨頸骨折數(shù)字化內(nèi)固定植入設(shè)計, 完成個性化內(nèi)固定植入手術(shù)方案, 指導(dǎo)臨床股骨頸骨折實際手術(shù)。這些步驟均從臨床骨科醫(yī)師的實際需求出發(fā), 不需要掌握繁瑣的工科理論知識和非常復(fù)雜的操作技巧即可實現(xiàn)操作微創(chuàng)、 放射傷害少、 內(nèi)固定精準(zhǔn)、 固定性能優(yōu)良的手術(shù)效果。