数字骨科技术在个体化Pilon骨折治疗中的应用价值与临床意义

樊文勃，郭永良，王争刚，潘建宏

(陕西省核工业二一五医院 创伤骨科，陕西 咸阳 712000)

樊文勃(1984-)，男，主治医师。E-mail：fanwenbo11@163.com

潘建宏，副主任医师。E-mail：18709101188@163.com

论著

10.11724/jdmu.2017.05.10

数字骨科技术在个体化Pilon骨折治疗中的应用价值与临床意义

樊文勃，郭永良，王争刚，潘建宏

(陕西省核工业二一五医院 创伤骨科，陕西 咸阳 712000)

目的评价数字骨科技术在个体化Pilon骨折手术治疗中的应用价值与临床意义。方法选取2012年1月至2016年5月收治的9例Pilon骨折患者，术前通过螺旋CT检查获取Pilon骨折患者的DICOM格式数据，而后利用Mimics17.0软件将其加工成数字模型，并进行Pilon骨折的诊断、分型和相关参数测量，最后依靠快速成型技术制作3D模型，辅助制定术前方案的同时模拟手术，指导手术治疗。观察骨折愈合时间、手术时间、Burwell-Charnley放射学标准评价系统、骨折分型和内固定(大小和位置)的准确率、Baird-Jackson踝关节功能评分及术后优良率等指标。结果9例患者均获随访，随访时间为 (5.1±6.3) (1～15)个月。9例患者均顺利骨性愈合，平均愈合时间为(3.2±0.7)个月；平均手术时间为(1.0±0.3)h；Burwell-Charnley放射学标准8例患者解剖复位，1例患者功能复位；术前通过3D模型进行预弯的钢板与术中患者骨折表面完全贴合，骨折分型和内固定(大小、位置)的准确率均为100%；Baird-Jackson踝关节功能评分平均(84.6±9.0)分，术后优良率为88.9%。结论数字骨科技术在Pilon骨折的正确诊断和个体化治疗中有着重要的潜在临床应用价值。

数字骨科技术；快速成型；Pilon骨折；内固定

Pilon骨折为累及踝穴关节面(压缩、塌陷或移位)的胫骨远端骨折[1]，因涉及到胫距关节面、下肢生物力线及附属关节的联动，是临床较为复杂的创伤性治疗难题。Pilon骨折一旦发生，将会严重影响患者踝关节功能继而影响人的正常行走，故Pilon骨折的合理重建，对于患者患肢功能的恢复意义重大。近年来，随着数字骨科技术(一门将骨科专业与计算机虚拟技术紧密结合的数字化医疗技术[2])的快速发展，借助于该学科相关理论与技术的优势，使得医学影像处理、计算机辅助设计软件及快速成型技术(3D打印)有机结合的方法开始运用到了骨科个体化治疗领域。本借助数字骨科技术，从术前准备、方案制定及术中指导等多方面、多角度进行探讨，旨在为个体化Pilon骨折手术治疗提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2012年1月至2016年5月陕西省核工业二一五医院收治的9例Pilon骨折患者，其中男性6例，女性3例；年龄19～51岁，平均(28.1±19.4)岁；受伤机制：摔伤4例，交通伤2例，重物砸伤3例；按照Ruedi-Allgower分型标准[3]：I型5例，Ⅱ型2例，Ⅲ型2例；侧别：左侧3例，右侧6例；8例闭合性骨折，1例开放性骨折(8 h内)；手术时间为伤后3 h～4 d。因研究需要，患者术前均行64排螺旋CT(西门子，德国)检查，用以获取Pilon骨折的DICOM格式数据已备后续数据处理使用。

1.2 数字模型的制作

使用PACS影像系统将Pilon骨折患者CT检查的DICOM格式数据导出，利用医学影像控制系统处理软件Mimics17.0(Materialise，比利时)依次进行数据导入(将Pilon骨折CT的DICOM格式数据导入到Mimics17.0中)、图像滤波(消除高频分量，降低数据噪点)、阈值分析(赋值CT数据的Hounsfiled值，删减非骨性组织结构)区域增长(生成蒙版)、蒙版编辑(对Pilon骨折骨质进行分割、区分和标记)、生成3D模型及3D模型精细加工(光顺、三角面片缩减)等操作，进而获得所需患者的三维虚拟Pilon骨折数字模型，利用此模型可以模拟Pilon骨折复位操作，并可对骨折断端、蝶形骨片的长度、宽度及旋转分离角度进行测量，最后以STL格式输出到科瑞特3D打印机(creatbot，中国)中，以ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)为原料进行模型打印，制作等大、仿真的Pilon骨折的3D数字模型。

1.3 数字模型的利用

利用患者Pilon骨折的3D模型，对其损伤类型进行Ruedi-Allgower分型的确认，同时对该3D模型进行相关测量，选择最适合的内固定尺寸、类别和数量及其置入的最佳位置和分布，进而辅助Pilon骨折个体化手术方案的制定，最后凭借Pilon骨折的3D模型，进行手术的模拟和钢板的预弯，指导术中治疗。

1.4 手术操作

首先通过巾钳或weber钳对主要骨块进行复位，然后根据术中实际需要决定对胫骨前唇和胫骨后唇的复位顺序，对于关节面有严重压缩者，可考虑植骨(异体骨组织或自体髂骨)夯实，最后利用术前方案选择和已预弯的内固定如“L”型钢板、“T”型钢板、内外侧双钢板及螺钉等对Pilon骨折进行固定。骨折复位和置入内固定时，需在C型臂的确认下和Pilon骨折3D实物模型(术前已经高温蒸汽严格消毒)的参考下进行，同时术中注意防止大隐静脉、隐神经等血管和神经副损伤的发生。术后一般建议通过支具或短腿石膏对患者患肢进行短期制动。

1.5 评价及随访

将术前方案与实际手术过程的相关情况(预弯钢板与骨面贴合程度、内固定位置和大小、骨折分型准确率等情况)进行比较，观察手术时间。以电话或门诊的方式对患者进行术后随访。采用Burwell-Charnley放射学标准[4]评价术后骨折复位情况；同时根据Baird-Jackson评分标准[5](优秀：96分以上；良好：91～95分；可：81～90分；差：80分以下)对患者预后踝关节功能进行评价。

2 结 果

术前通过实体模型进行预弯的钢板与术中患者踝关节完全贴合，骨折分型、内固定(大小和位置)的准确率均为100%，9例患者平均手术时间为(1.0±0.3)h。本研究随访 (5.1±6.3)(1～15)个月。9例患者均顺利骨性愈合，未出现延迟愈合、骨不连及内固定因位置不佳甚至失效进而翻修的情况发生。Burwell-Charnley放射学标准8例患者解剖复位，1例患者功能复位；Baird-Jackson踝关节功能评分平均(84.6±9.0)分，其中优3例，良5例，可1例，术后优良率为88.9%。典型病例见图1。

利用PACS影像系统获取患者左侧Pilon骨折的DICOM格式数据，并将其导入Mimics17.0系统进行图像滤波、阈值分析、区域增长、蒙版编辑等操作完成Pilon骨折数字模型(A)的建立，用于进行确认分型、模拟复位(B)的操作，最后利用快速成型技术进行模型打印(C)，进行模拟手术和内固定的预制；根据数字骨科技术制定的个体化手术方案执行手术，术后胫腓骨(包踝)前后位(D-E)X线显示：骨折解剖复位，内固定位置良好图1 患者，女，42岁，交通伤。入院时踝关节64排双源CT平扫检查提示：左侧Pilon骨折Fig 1 Patient, Female, 42 years old, traffic injury. On admission, the ankle 64 row of dual-source computed tomography (CT) scan revealed left Pilon fracture

3 讨 论

Pilon骨折常因高能量的轴向加压暴力(如高处坠落伤、运动伤等)所致，可造成胫距关节、腓距关节甚至整个踝穴结构的塌陷、压缩以及附属软组织周围血供不同程度的破坏。Pilon骨折作为严重的关节内骨折，保守治疗通常效果不佳，手术治疗是目前公认的首选治疗方法。但如何根据患者自身Pilon骨折的特点，及时纠正和复位已破坏的踝穴结构，恢复轴向结构的稳定性，使关节内应力得到再次均衡是治疗Pilon骨折的要点，同时也是治疗该类型骨折的难点。由于Pilon骨折对于人体负重和正常行走功能方面严重的负面影响，治疗不当极易出现例如创伤性关节炎、关节僵硬等术后并发症的发生。为了取得满意的手术效果，李宝丰等[6]认为，合理、正确的手术方案是提高患者手术安全性、成功率和预后优良率的关键之一，临床意义重大。

目前，放射学影像资料(X线片、螺旋CT、三维重建等)被作为骨科医师制定Pilon骨折手术方案最主要依据，但因其图像的呈现特点都过于抽象，不能以等大、仿真、实物的形式，全面、直观地呈现患者Pilon骨折的形态和特点，容易导致术中发现的Pilon骨折实际情况与术前预测出现偏差，影响手术治疗的安全性和有效性；而且该方法对于手术方案的制定作用相对有限，不能根据不同患者的Pilon骨折特点因人而异的进行相关参数的精细测量、手术模拟和内固定预制(钢板预弯、螺钉大小及分布)，从而不能制定出最为适合Pilon骨折患者的个体化手术方案。单纯依靠抽象的二维影像学资料和术者的临床经验对手术方案的简单预设，容易造成主观和客观的偏差，影响到Pilon骨折患者的手术治疗效果。王欣文等[7]学者指出，充分的术前模拟，具有熟练术中操作、缩短手术耗时以及降低术中发生意外风险的优点。近年来，数字骨科学技术因具有图像叠加、参数设计、数据加工和手术模拟等优势，在骨科领域得到迅速发展和应用。本研究，笔者借助于数字骨科技术，根据Pilon骨折治疗的需要，利用患者二维检查影像(CT、MRI等)进行图像叠加(三维重建)，同时运用CAD(计算机辅助设计)软件Mimics通过相关逻辑运算生成的Pilon骨折数字模型进行相关数据测量(如皮质厚度、髓腔宽度、骨块大小等)，全面了解骨折的形态同时还可进行骨折复位的模拟操作，最后利用快速成型设备打印出与患者骨折部位1∶1等大、仿真的Pilon骨折真实模型，根据此模型可模拟内固定的预制和置入，制定并且验证Pilon骨折患者的个体化手术治疗方案。

本组9例患者均顺利骨性愈合，其中8例患者解剖复位，1例患者功能复位，而且术前通过实体模型进行预弯的钢板与术中患者踝关节完全贴合，内固定(大小和位置)的准确率均为100%，说明借助于数字骨科技术治疗Pilon骨折解剖复位的概率较高，并且由于准确的内固定选择和预制，减少了术中不必要的耗时。但本研究病例数较少，利用数字骨科技术辅助治疗Pilon骨折可增加解剖复位的概率、减少手术用时，仍需大样本、多中心的前瞻性研究给予证实。

[1] 王喆, 李盛龙, 汤欣. 基于四柱理论指导治疗Pilon内侧柱骨折的疗效及预后评价[J]. 实用骨科杂志, 2016, 22(11):976-979.

[2] 霍莉峰, 倪衡建. 数字骨科应用与展望:更精确、个性、直观的未来前景[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(9):1457-1462.

[3] Rüedi T， Allgöwar M. Fractures of the Lower End of the tibia into the ankle joint[J]. Orthopedic Trauma Directions,2008,7(5):25-29.

[4] Burwell HN, Charnley AD. The treatment of displaced fractures at the ankle by rigid internal fixation and early joint movement[J]. J Bone Joint Surg Br, 1965, 47(4):634-660.

[5] Rose JD, Flanigan KP, Mlodzienski A. Tibiofibular diastasis without ankle fracture: a review and report of two cases[J]. J Foot Ankle Surg, 2002, 41(1):44-51.

[6] 李宝丰,章莹,邰国良, 等. 3D数字骨科技术在髋臼骨折治疗中的应用[J].南方医科大学学报,2016, 36(7):1014-1017.

[7] 王欣文, 张堃, 朱养均, 等. 3D 打印技术在复杂胫骨平台骨折治疗中的临床应用[J]. 实用骨科杂志, 2015(10):887-890.

AppliedvalueandclinicalsignificanceofthedigitalorthopedicstechnologyinthetreatmentofindividualizedPilonfractures

FAN Wenbo, GUO Yongliang, WANG Zhenggang, PAN Jianhong

(DepartmentofTraumaticOrthopedic,the215HospitalofNuclearIndustry,Xianyang712000,China)

ObjectiveTo evaluate the applied value and clinical significance of digital orthopedics technology in the treatment of individualized Pilon fractures.MethodsNine patients with Pilon fractures as research objects were chosen from January 2012 to May 2016. The patients with Pilon fractures were examined by CT scan for acquiring DICOM format data, which was then made for the digital model of Pilon fractures with Mimics17.0. Proceeding the diagnosis, classification and related parameters measurement of Pilon fractures, the 3D model were printed by rapid printing technology, for making operative plan and simulating operation, and then guiding the surgical treatment. Clinical indicators, such as fracture healing time, operation time, Burwell-Charnley X-ray standard evaluation system, the accuracy rate of catagmatic classification and internal fixation (size and position), Baird-Jackson ankle function score and the excellent and good rate of postoperative, were evaluated for applied value and clinical significance of the digital orthopedics technology in terms of Pilon fracture individual treatment.ResultsThe 9 cases were followed up with a mean period of (5.1±6.3) (1～15) months. Nine cases had already healed after operation; the average healing time was (3.2±0.7)months, the operative time was (1.0±0.3)h. According to Burwell-Charnley X-ray standard：anatomical replacement was 8, functional replacement was 1. The bending plates which were shaped on 3D model were suitable for the bone surface of Pilon fractures, the accuracy rate of catagmatic classification and internal fixation (size and position) was 100%. According to Baird-Jackson ankle function score, the score was (84.6±9.0), the excellent and good rate was 88.9%.ConclusionDigital orthopedics technology has important potential application value for correct diagnosis and individualized treatment of Pilon fractures.

digital orthopedics technology; rapid prototyping; Pilon fractures; internal fixation

683.42

A

1671-7295(2017)05-0461-04

樊文勃，郭永良，王争刚，等.数字骨科技术在个体化Pilon骨折治疗中的应用价值与临床意义[J].大连医科大学学报，2017,39(5)：461-464.

2017-05-12；

2017-09-09)

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