数字骨科技术在复杂关节内骨折手术中的应用

刘 宝，曾宪明，漆海如

复杂关节内骨折并非简单的侧方、前后或成角移位，通常需要通过手术治疗来达到解剖复位。就传统骨折复位内固定手术而言，由于术前对骨折具体情况缺乏了解，手术方案的制定也主要基于二维影像数据，一旦在入路、复位及内固定方式等方面选择不当，就有可能导致切口愈合不良、骨与内固定物外露等并发症，影响患者关节功能[1-3]；加之术中操作高度依赖于术者的临床经验，如若骨折复位和截骨矫形操作欠佳，将严重影响手术效果。我科采用数字骨科技术对2013年12月至2017年1月收治的14例复杂关节内骨折患者实施个性化手术治疗，安全可靠，效果良好，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组患者14例，其中男10例，女4例；年龄17～56岁，平均年龄（36±10）岁。损伤侧别：左侧8例、右侧6例；损伤原因：车祸伤4例、高处坠落伤5例，爆炸伤1例，摔伤4例；新鲜骨折13例、陈旧骨折1例；骨折AO分型：C2型13例、C3型1例；损伤部位：腕关节3例、距下关节3例、髋关节2例、肩关节2例、踝关节2例、肘关节1例、膝关节1例，所有患者均无合并损伤。入院后至手术时间3～7 d，平均4.6 d。

1.2 数字骨科手术方法

1.2.1 术前骨关节三维重建 采用64排双螺旋CT（GE，美国），以层厚0.625 mm、层距0.625 mm对双侧骨关节进行薄层扫描。扫描原始数据以DICOM格式刻录光盘，经MIMICS 16.0软件（Materialise公司，比利时）处理，采用编辑工具调整患处阈值，运用Draw、Erase功能分割和填充骨折块，通过区域增长和布尔运算设置骨折块新面罩，通过数据计算建立骨关节解剖三维模型，以STL格式输出保存。

1.2.2 个性化辅助手术模板设计及3D打印 将骨折三维模型以STL数据格式输入Imageware 12.0软件（EDS公司，美国），观察、分析和测量骨折分布、移位情况。对四肢常用锁定接骨板及螺钉进行激光三维扫描，获取接骨板及螺钉的三维模型，建立接骨板螺钉三维数据库。

在Imageware软件中根据骨折复位和接骨板螺钉固定情况确定螺钉位置及方向，陈旧性骨折模型需先确定截骨面，提取骨关节面、螺钉点云及截骨面点云，利用画线、曲面构建等功能建立复位导航模板和截骨模板曲面模型，将曲面模型与骨折点云建立组并恢复到复位前三维空间，然后拆分组并将曲面模型以iges格式导入UG NX6.0软件（EDS公司，美国），通过缝合功能将曲面模型缝合为体模型，添加辅助骨折复位、截骨和内固定螺钉孔道定位等功能，最后运用布尔运算融合，得到带有螺钉定位功能的复位导航模板和截骨模板三维体模型，并以STL文件输出、保存，运用光敏树脂立体光固化成型或金属粉末烧结技术3D打印实体模型。

1.2.3 仿真模拟手术 仿真模拟骨折解剖复位，根据手术操作的需要，将个性化导航模板用于术中引导骨折复位和截骨手术等；根据骨折具体情况选择合适的内固定接骨板，模拟骨折固定，了解内固定装置适配情况并预先测量螺钉长度等，完成仿真模拟手术复位及固定，确定最佳的手术方案。

1.2.4 数字技术辅助复位截骨内固定手术 根据术前模拟手术方案设计相应切口，暴露骨折端并清除断端软组织。对于新鲜骨折患者，将复位导航模板置于相应骨面并经模板预钻螺钉孔，陈旧性骨折畸形愈合者需要截骨模板引导截骨。将术前模拟手术确定的锁定接骨板置于骨折端并通过预钻螺钉孔依次植入合适长度的锁定螺钉。

1.3 疗效评价

通过X线检查评估骨折对位对线及接骨板、螺钉位置，记录围手术期并发症及骨折愈合情况，观察末次随访时患者关节功能改善情况。

2 结果

按照术前三维设计方案完成手术，术程顺利，患者骨折均获解剖复位。术后肢体外形对称、轴线恢复良好，接骨板位置和螺钉位置、方向、长度与术前完全一致；无一例患者出现皮肤坏死、切口感染、神经血管损伤并发症。随访时间12～18个月，平均随访时间（13±4）个月。患者骨折均获愈合，骨折愈合时间（6±2）个月。末次随访时所有患者关节活动功能恢复良好。典型病例见图1。

3 讨论

3.1 数字骨科技术在复杂关节内骨折治疗中的应用价值

严重关节内骨折的治疗难点在于恢复骨关节解剖位置和坚强固定，尽管术前依据X线片或三维CT扫描可对骨折程度进行评估，并据此规划手术入路，选择复位和固定方法，但仍难以确保术中准确定位复位标志，骨折畸形愈合、功能障碍等并发症发生率较高[4-5]。因此，精确的术前规划及实施对于提高手术疗效至关重要[6]。

骨科应用较多的数字技术主要有数字化三维重建、术前可视化三维规划、个体化手术设计、虚拟现实技术、增强现实、混合增强现实、3D打印技术等，为精准骨科手术的实现提供了必要的技术基础[7-9]。目前数字骨科技术在复杂关节内骨折的应用多局限于构建三维重建模型及3D打印制作骨关节模型，为手术方案的制定提供参考，避免术中误判，提高手术成功率[10-11]。但在如何实现术中解剖复位、减少手术时间、恢复关节功能及降低并发症方面，相关研究较少。本研究通过计算机模拟手术，将正向设计与逆向设计相结合，同时构建复位导航模板和截骨模板，实现复杂关节内骨折的快速复位、精确截骨和精准螺钉定位，解决传统手术难以获得解剖复位、固定不牢靠等问题，避免发生关节强直、畸形等并发症。本组患者骨折均获解剖复位，术后肢体外形对称、轴线恢复良好，接骨板位置和螺钉位置、方向、长度与模拟手术完全一致，随访期间骨折愈合良好，患者关节功能明显恢复，充分体现了数字骨科技术在复杂关节内骨折手术中的应用价值。

3.2 数字骨科辅助复杂关节内骨折手术的优势

①通过三维模型清晰展示骨折位置和空间关系，动态观察骨折情况，了解骨折分型，为手术规划的制定提供客观依据[12]；②运用可视化动态仿真技术，模拟骨折复位顺序和固定方法，有助于选择合适的接骨板，明确螺钉分布、长度、固定位置等[13]；③运用基于三维重建技术、逆向工程与快速成型技术的数字骨科技术，精准分析手术部位的解剖形态，通过计算机辅助设计和制作手术导板，精确实施手术，提高手术安全性[14]；④重复性好，可对治疗方案进行反复推演，从而确定最合理的手术方案[15]；⑤三维模型展示和手术设计还有助于术前医患沟通、术者与助手之间配合演练等，在一定程度上缩短手术时间，减小手术创伤，也有利于临床教学和学术交流。

3.3 手术技巧

①术前骨折类型分析、模拟骨折复位尤为重要，需要反复调整，从各个方位确认解剖复位，并通过正常肢体镜像进行验证，这是手术成功的关键；②导航模板的设计需结合手术入路、骨折端暴露部位及解剖标志，尽可能缩小手术切口，并简化导航模板放置难度；③模板打印前应反复验证及核实数据的准确性；④术中尽量减少骨膜剥离，但需保证导航模板与骨折标志紧密贴合，以降低误差，确保手术的精确实施。

图1 数字骨科技术辅助左肘关节内骨折翻修术手术前后图片（女，17岁）1A术前X线片示左肱骨远端、尺骨鹰嘴骨折克氏针固定，对位对线欠佳1B CT扫描及三维重建肘关节三维模型 1C，1D术前模拟选择合适接骨板固定 1E术前计算机辅助设计骨折复位导航模板和截骨模板 1F模拟手术三维效果 1G术中切开显露后安放导航模板引导骨折复位、临时固定1H 接骨板螺钉固定 1I术后3 d X线片示骨折对位对线良好，内固定钢板螺钉位置好

随着数字骨科技术的快速发展，计算机辅助复杂关节内骨折手术的优势日益凸显，但目前创伤骨科医师对数字骨科技术掌握不够、学习曲线较长、3D打印费用较高等问题间接阻碍了该技术的发展。但随着计算机辅助制造技术的进步，以及计算机软件的日益成熟，相信数字骨科技术将不断推动复杂关节内骨折手术向个性化、微创化、精准化和远程化方向发展。