韓昕倬，韓大成，周玥鈞，劇鑫婕，李吳碧

(首都醫(yī)科大學附屬北京潞河醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，北京 101199)

Pilon骨折是一種由垂直暴力或合并扭轉(zhuǎn)暴力累及脛距關節(jié)面的脛骨遠端骨折，占脛骨各類骨折總數(shù)的5%～7%[1]，常伴有關節(jié)面爆裂塌陷、干骺端粉碎和壓縮，骨折周圍軟組織損傷嚴重[2]。目前，臨床上對于Pilon骨折以手術治療為主，治療目標是恢復關節(jié)的解剖結構與垂直力線，實現(xiàn)骨折愈合與無痛負重[3]。但Pilon骨折治療對復位和固定要求較高，既要求對位對線良好，又要求關節(jié)平面平整，同時需要維持穩(wěn)定、利于早期功能鍛煉。因此，Pilon骨折的術前規(guī)劃(包括手術適應證的把握、骨折分型的判斷、相關結構的測量、內(nèi)固定物的設計和植入方法、手術入路的選擇等)可降低手術風險、并發(fā)癥發(fā)生率，提高踝關節(jié)功能優(yōu)良率，是手術治療成功的關鍵。三維重建技術是依托軟件實現(xiàn)立體化重建和手術模擬的技術(使用最為廣泛的軟件是Mimics)，已成為骨科手術技術創(chuàng)新的熱點。該技術在Pilon骨折的手術治療領域也有了一定的實踐，主要包括三維重建技術的術前規(guī)劃、三維建模技術在Pilon骨折微創(chuàng)手術方面的應用、三維重建與3D打印技術的結合用于個體化骨折手術等。現(xiàn)就三維重建技術在Pilon骨折分型、植入物測量與設計、手術入路選擇、術前仿真模擬等方面的應用進展予以綜述。

1 三維重建技術在Pilon骨折分型中的應用

骨折分型是骨折治療方案的制訂和預后判斷的重要依據(jù)，采用較為普遍的是“Rüedi-Allg?wer”分型法[4]。楊杰和梁曉軍[5]認為由于Pilon骨折的個體差異較大，術前準備中CT及三維重建檢查必不可少，這對手術方案的設計、切口和固定方式的選擇均有重要意義。影像學資料是判斷Pilon骨折分型的重要依據(jù)，X線和CT是常用的影像學方法。X線可清晰地顯示骨折情況和位置，但是存在重疊且密度分辨率低的問題，無法準確判斷骨折類型和病情嚴重程度[6]。CT清晰度高，能清晰顯示骨折的碎裂情況、碎骨塊的數(shù)量與位置、軟組織結構等。然而，對于復雜的踝關節(jié)重度骨折，常規(guī)CT檢查無法全方位、多角度地顯示骨折情況，影響臨床治療方案制訂的有效性。

目前，國內(nèi)外醫(yī)療界普遍使用多排螺旋CT進行三維重建，其能夠彌補二維影像的技術限制，獲得立體圖像檢查結果。但由于踝關節(jié)骨折比較復雜，多排螺旋CT三維重建技術形成的圖像分辨率存在差異，不可避免地導致誤差[7]。Mimics軟件可提升CT三維重建的精確性，在骨折分型中發(fā)揮重要作用。楊林等[8]利用Mimics 10.01軟件對18例Pilon骨折患者的CT結果進行三維重建，通過建立的數(shù)字模型進行手術規(guī)劃，術后根據(jù)美國骨科協(xié)會足踝外科分會踝與后足評分標準進行評估，結果顯示優(yōu)良率為94.44%。認為CT三維重建技術可以重建骨折內(nèi)部結構，精確顯示骨折塊之間的空間位置，由此精準分型。Li等[9]對84例Pilon骨折患者進行分組對照研究，試驗組術前采用CT三維重建技術進行骨折分型后再行手術治療，對照組則采用傳統(tǒng)手術治療。結果顯示，與對照組相比，試驗組的手術時間縮短、術中出血量明顯減少、踝關節(jié)功能恢復更好，體現(xiàn)了3D-CT技術在提高骨折分型與治療方案可靠性方面的作用。上述分析結果顯示，利用Mimics軟件和CT影像數(shù)據(jù)建立的三維模型可有效彌補X線和CT技術的不足，可以直觀觀察骨折內(nèi)部情況、骨折線走向、各個骨折塊解剖形態(tài)和移位情況，而且能觀察與周圍組織的關系，是輔助醫(yī)師對Pilon骨折進行分型的有效工具。

2 三維重建技術在Pilon骨折植入物中的應用

植骨操作與骨折內(nèi)固定系統(tǒng)的選擇需要精確的空間數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)手術利用二維影像很難獲得踝骨關節(jié)內(nèi)部的準確數(shù)據(jù)。Mimics自帶的Tools功能可為Pilon骨折的手術規(guī)劃提供全面、精準的數(shù)據(jù)信息，突破了傳統(tǒng)手術術前規(guī)劃的瓶頸。

2.1三維重建技術在Pilon骨折手術內(nèi)固定物設計中的應用 加入內(nèi)固定物是不穩(wěn)定骨折與非手術治療失敗骨折患者的首選治療方法[10]。Pilon骨折是典型的不穩(wěn)定骨折(累及關節(jié)面)，不僅需要解剖復位，還需要堅強的內(nèi)固定[11]。由于患者損傷機制不同，骨折形態(tài)各有差異，通過三維重建技術重建Pilon骨折模型進行影像學評估，對于正確選擇固定物，模擬術中固定步驟起重要作用。覃重航等[12]研究Mimics三維建模輔助治療Pilon骨折(Ⅲ型)患者的效果，對骨折進行三維重建后，利用Tools進行骨折處容積測量，計算相關骨折復位、固定等所需信息；此外，還使用Mimics軟件分析釘?shù)赖南嚓P參數(shù)，進行螺釘植入模擬。樊文勃等[13]利用三維建模技術進行個體化Pilon骨折治療的研究。個體化骨折治療的關鍵是獲得骨折斷端、蝶形骨片的形狀及旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可通過Mimics軟件的Tools獲得。該研究還利用了3D打印技術，手術前醫(yī)師利用3D模型設計內(nèi)固定物的尺寸、種類和形態(tài)，并模擬安裝位置及置入路徑。在手術中，該3D打印模型還被用于輔助安裝固定物。陳劍等[14]對70例Pilon骨折患者進行了Mippo技術手術治療效果的研究，利用數(shù)字模型進行骨折復位、選擇內(nèi)固定物、調(diào)整鋼板位置等模擬手術流程的操作；根據(jù)模擬和患者實際情況，制訂手術方案完成手術實施。姜雙雙等[15]在三維重建的骨折模型上，利用導入的各型號器械進行模擬復位骨折塊，選用合適的內(nèi)固定物進行模擬手術，并根據(jù)模擬手術結果和實際情況進行術前規(guī)劃，然后進行鋼板內(nèi)固定手術。

上述研究案例均證明了三維重建技術應用于手術內(nèi)固定物設計的有效率高于傳統(tǒng)手術方法。Pilon骨折復雜的骨骼形態(tài)數(shù)據(jù)的獲得，使骨折復位所需的內(nèi)固定物設計、選擇和預置變得更為精準，減少了由內(nèi)固定物位置不佳甚至失效導致的手術失敗事件的發(fā)生；利用Mimics軟件對Pilon骨折的數(shù)字模型相關數(shù)據(jù)的測量，可以獲得傳統(tǒng)方法無法輕易獲取的骨折形態(tài)相關參數(shù)，醫(yī)師可更全面地了解骨折特點，更好地進行手術規(guī)劃。傳統(tǒng)骨折手術治療方法對骨折情況了解不夠全面，醫(yī)師大多需要多年臨床經(jīng)驗的積累才能完成手術。因此，三維重建技術有助于縮短醫(yī)師技術的成長時間。

2.2三維重建技術在Pilon骨折植骨設計中的應用 植骨是Pilon骨折手術中重要的工作環(huán)節(jié)，既能填充骨折復位后的骨缺損，又可為內(nèi)固定提供支撐點或咬合點，同時促進骨痂形成，建立內(nèi)部穩(wěn)定性。吳富章等[16]在對粉碎性Pilon骨折的研究中采用大塊髂骨及人工骨植入、結合解剖形鋼板及外固定器的手術方法，研究的22個病例均采用傳統(tǒng)手術療法，結果根據(jù)Mazur標準優(yōu)良率達77.3%。大塊植骨在粉碎性骨折復位手術中的作用不可或缺，孫鴻濤等[17]利用CT三維重建在術前判斷發(fā)生關節(jié)面骨缺損的情況，成功地對19例(22側(cè))脛骨Pilon骨折進行了骨移植(采用自體髂骨)，重建脛骨遠端關節(jié)面缺損，并采用手術內(nèi)固定的方式穩(wěn)定復位。結果16例(18側(cè))患者術后隨訪9～38個月(平均22個月)，關節(jié)面解剖復位率達77.8%(14/18)，骨折愈合率達94.4%(17/18)，但Mazur標準優(yōu)良率僅為66.7%(12/18)。上述兩項研究均采取了植骨手術，分別采用內(nèi)外固定的方式，盡管后者采用了CT三維重建技術，但是并沒有在癥狀與功能評價方面取得較大突破。其原因是部分Pilon骨折在模擬骨折復位后常出現(xiàn)干骺端的骨塊缺損，且通過X線和CT檢查很難準確計算填充物。黃儉等[18]對61例Pilon骨折患者進行分組對照研究，對照組結合檢查結果開展內(nèi)固定治療,三維組在對照組基礎上利用MimicsⅤ10.0軟件進行三維實體重建后開展內(nèi)固定治療，結果顯示，三維組在節(jié)約手術時間、12個月后的療效方面均優(yōu)于對照組。王小平等[19]研究了三維重建與虛擬術前規(guī)劃的手術效果，納入16例Pilon骨折患者，術前利用Mimics軟件設計植骨塊并測量其體積，作為術中取骨的參考，結果顯示美國骨科協(xié)會足踝外科分會踝與后足評分標準評分平均為92.3分；在術后18個月的末次隨訪中，優(yōu)良率達93.8%(15/16)。綜上所述，隨著Mimics等軟件三維建模技術的提升，可以進行術前模擬、預先設計植骨塊，可在三維模型中將骨折復位的模型和健側(cè)的模型進行對比，不僅可以形成與缺損面契合的較大植入物形狀，也可以制作較小尺寸植入物，更好地完成關節(jié)的解剖復位，以提高治療優(yōu)良率。

3 三維重建技術在Pilon骨折手術入路選擇中的應用

嚴重的軟組織損傷是導致踝關節(jié)骨折手術并發(fā)癥發(fā)生率較高的主要原因，因此要求術前選擇最佳的手術入路。張憲高等[20]在Pilon骨折手術入路的綜合研究中，歸納出15種單一入路和聯(lián)合入路的適應證、優(yōu)點和局限性，說明手術入路選擇的復雜性，提出包括三維重建技術對Pilin骨折手術入路的選擇具有重要臨床指導價值。目前最佳的Pilon骨折手術入路仍存在爭議，必須根據(jù)骨折的實際情況進行判斷。Mimics軟件功能強大，功能模塊中設有專門的模擬功能(Stimulation模塊)，可供醫(yī)師在復雜的Pilon骨折手術前進行反復的模擬操作，提高最佳手術入路選擇的準確性。

黃宏宇等[21]認為手術入路取決于骨折形態(tài)及植入物的位置，前內(nèi)側(cè)與后外側(cè)雙入路是常用的手術入路，并且強調(diào)在兩切口之間至少應距離7 cm。在其對30例Pilon骨折患者進行的分組對照研究中，利用Mimics 10.01軟件三維重建解剖復位及功能復位的成功率高于常規(guī)未利用三維建模組。孫少彬[22]對42例閉合Pilon骨折患者進行研究，利用Mimics 21.0軟件將CT原始數(shù)據(jù)導入Mimics軟件中進行三維重建，獲得患肢蒙版模型。利用分割后的骨折塊蒙版的測量觀察和模擬復位，確定手術入路，結果利用Mimics建模的患者在手術時間、術中出血量、解剖復位率和優(yōu)良率方面效果均優(yōu)于利用X線和CT+三維檢查的患者，但是在術后踝關節(jié)切口感染發(fā)生率、骨折愈合時間方面未表現(xiàn)出優(yōu)勢。而且該研究并沒有詳細探討手術入路，但提出骨折骨塊間軟組織在術中對視野的影響較大，在Mimics模型下設計的手術入路可能在實際操作過程中出現(xiàn)問題。

綜上，Mimics軟件的三維重建技術在術前為醫(yī)師提供接近真實的數(shù)字模擬功能(Stimulation模塊)，幫助醫(yī)師進行手術入路的選擇，可以減少不必要的術中動作和軟組織剝離，在精準復位關節(jié)面骨塊的同時，兼顧軟組織保護，從而減少手術并發(fā)癥的發(fā)生。但這種模擬功能與實際手術中的環(huán)境仍有差異，需要在術前充分考慮視野受阻時的手術預案。

4 三維重建技術在Pilon骨折手術模擬中的應用

三維重建技術的模擬技術(如Stimulation模塊)對術前規(guī)劃工作有很大幫助。張濤[23]利用Mimics 19.0軟件對18例Pilon骨折患者進行對照試驗研究，根據(jù)Mimics組9例患者的原始CT數(shù)據(jù)三維重建患肢骨折數(shù)字化模型，并對其進行術前模擬復位，指導術中復位應用及內(nèi)固定的置放；對照組9例患者采用常規(guī)診療程序。結果表明，Mimics組的平均手術時間短于對照組，認為利用Mimics對患肢進行三維重建后的數(shù)字模型進行模擬復位可以縮短手術時間。強敏菲等[24]利用基于CT三維重建技術的計算機輔助術前計劃(computer-assisted preoperative planning,CAPP)對27例Pilon骨折患者進行手術模擬和虛擬手術規(guī)劃，通過CAPP技術模擬復位術前判斷單獨使用脛骨遠端內(nèi)側(cè)鋼板聯(lián)合拉力螺釘?shù)目尚行?，結果表明術前規(guī)劃的內(nèi)固定方式可行、手術時間縮短、術后踝關節(jié)功能恢復優(yōu)于術前。說明基于三維重建技術的CAPP技術能夠在計算機上進行手術模擬以進行術前設計，且療效滿意。

三維重建技術可通過3D打印技術，共同應用于手術模擬中進行術前規(guī)劃，提高手術質(zhì)量。王穎等[25]通過文獻計量的方法研究發(fā)現(xiàn)，Mimics軟件從2005年進入中國市場到現(xiàn)在仍處于發(fā)展時期，一方面是因為軟件供應商不斷優(yōu)化軟件功能，不斷加強本土化的語言環(huán)境；另一方面是因為3D打印技術的發(fā)展帶動了Mimics的發(fā)展，3D打印技術可以打印1∶1的三維立體模型，可使復雜的各種骨折的診療方法更加直觀、精確，并可執(zhí)行個性化治療。3D打印技術在骨科的應用是建立在患者的三維模型基礎上，利用計算機建模軟件(Mimics)導入患者影像學數(shù)據(jù)建立三維模型[26]，最后輸入打印設備，打印出實體模型，供術前模擬等工作使用。岑怡彪等[27]對80例Pilon骨折患者進行分組對照研究，對照組(40例)給予常規(guī)X線、CT三維重建結合手術醫(yī)師的臨床經(jīng)驗行內(nèi)固定術治療，觀察組(40例)則行以Mimics為基礎的三維重建聯(lián)合3D打印技術完成術前手術模擬，規(guī)劃患者的內(nèi)固定術治療方式。結果顯示，觀察組患者手術時間短于對照組，踝關節(jié)功能恢復優(yōu)良率高于對照組(90.00%比77.50%)，說明Pilon骨折患者術前采用三維重建聯(lián)合3D打印技術應用效果更優(yōu)。李靖等[28]探討了二維掃描圖像轉(zhuǎn)換成可打印的模型的技術處理方法、不同3D打印設備精度與打印速度、3D打印技術在術前規(guī)劃工作中的益處，認為3D打印技術可以推動醫(yī)學向精細化、個性化、遠程化、微創(chuàng)化的數(shù)字醫(yī)學方向發(fā)展。但3D打印技術存在設備材料昂貴、流程復雜、耗時較長等缺點[29]，導致其臨床應用受限。向丹和李玉玫[30]認為，三維重建模擬手術操作可以直觀展示患者的骨折部位、移位類型和程度，并準確評估病情，可以使用不同的手術方案進行術前模擬，確保手術順利完成，以保證患者獲得較好的預后?？傊S重建技術聯(lián)合3D打印技術、Mimics軟件(Stimulation模塊)的模擬功能、CAPP技術均存在一定的缺點，仍有較大的技術發(fā)展空間。

5 小 結

三維重建技術已成為國際醫(yī)療界關注的前沿熱點，正在改變傳統(tǒng)醫(yī)學的工作方法，未來將在精確定位手術、微創(chuàng)手術等方面帶來更多的技術變革。然而，目前三維重建技術在Pilon骨折術前規(guī)劃領域的研究中仍存在樣本量過少的問題，而操作過程中追求絕對牢固固定而過度增加內(nèi)固定鋼板與螺釘?shù)闹踩耄娱L止血帶使用時間、增加使用次數(shù)可導致手術并發(fā)癥發(fā)生率升高。因此，未來需要多中心、大樣本的研究，更為全面的醫(yī)療效果對比來支持三維重建技術在Pilon骨折術前規(guī)劃領域的應用。