基于骨质疏松MR模型CAD辅助优化股骨颈置钉通道研究

黄熙谋 万磊 梁笃

1广州市越秀区第二中医医院（广州510100）；2广州市正骨医院（广州510045）

股骨颈骨折是骨科常见疾病，骨质疏松是引起股骨颈骨折的重要因素。股骨颈骨折AO空心钉内固定术创伤小，固定可靠，愈合率高［1］。然而骨质疏松会增加空心钉内固定术后股骨颈短缩风险及再手术率［2］，进而影响髋关节功能［3］。为提高固定强度，学界对股骨颈置钉通道进行了改良研究［4-5］，但是缺乏针对不同骨质疏松分布模态的个体化优化。同时近年来随着计算机辅助术前规划（CAD）以及3D打印技术在髋外科的应用［6］，股骨颈部骨折个体化精准手术得以开展，疗效得到了提高。但是3D打印存在成本高、需要切开匹配等缺点，反而失去了空心钉治疗采用闭合复位的优势。自2017年始，本课题组开展了增强与混合现实医疗技术研究［7］，对于骨量减少的患者，本研究通过采用股骨颈部骨折CT数据，创新性的应用混合现实技术（mixed reality，MR）进行骨质疏松MR模型三维重建，通过计算机辅助术前规划，优化股骨颈置钉通道，尽量增加股骨颈皮质支撑，为临床精准手术治疗股骨颈部骨折提供新的技术路线。

1 材料与方法

1.1一般资料2018年3月至2019年2月入院股骨颈骨折患者中，符合本研究纳入标准病例共28例，其中男11例，女17例，年龄53～79岁，平均71.3岁。车祸伤3例，高处坠落伤5例，平地摔伤20例。病例来源于广州市正骨医院。28例患者均按完全随机设计进行前瞻性实验研究，采用随机密封抽签法随机单盲分为两组，A组为CAD+MR优化组14例，其中男5例，女9例，Garden分型：Ⅰ型2例，Ⅱ型6例，Ⅲ型3例，Ⅳ型3例。B组为常规手术组14例，其中男6例，女8例，Garden分型：Ⅰ型1例，Ⅱ型8例，Ⅲ型3例，Ⅳ型2例。

1.2纳入与排除标准纳入标准：（1）符合股骨颈骨折的诊断标准；（2）无神经血管损伤；（3）具有手术指征；（4）患者知情同意；（5）骨质疏松。参照中国人骨质疏松症诊断标准专家共识（第三稿·2014版）［8］，双能X线骨密度测量（DXA）T值≤-2.0。排除标准：具有手术禁忌证者。

1.3CAD+MR辅助手术优化方案CAD术前设计、MR混合现实建模、术中平板电脑MR匹配。本课题获得相关基金资助，通过伦理审核。

1.4试验设备CT扫描机：德国SIEMENS公司生产，双源64排螺旋CT，扫描层厚0.625 mm。MyAR交互式MR医学影像系统：广州市万雄科技有限公司开发。Windows HoloLens全息眼镜：美国微软公司生产。Android 8.0平板电脑M2-801w：深圳市华为技术有限公司生产。

1.5 CAD+MR辅助手术优化流程

1.5.1建立三维MR模型CAD+MR优化组组患者手术前均行常规X线片及CT薄层扫描、常规三维重建检查。采用DICOM格式数据在MyAR系统中完成MR混合现实动态重建，获得骨质疏松三维MR模型，并按健侧镜像进行虚拟复位（图1）。

1.5.2CAD设计在重建MR模型三维数据上进行CAD设计，按以下原则确定个性化空心钉置钉通道：（1）空心钉螺纹部分必须超过远端骨折线，以发挥对骨折两端加压作用；（2）平行股骨颈长轴置钉，或低角度平行压力骨小梁方向置钉；（3）空心钉螺纹尖端到达股骨头软骨下5 mm左右；（4）依据皮质支撑理论，3枚螺钉尽量分散，后方螺钉尽量贴近股骨颈后方皮质，下方螺钉尽量贴近下方皮质，以获得坚强支撑，防止步行以及坐位转为立位时股骨头后倾和内翻趋势。在CAD系统中完成空心钉位置设计、空心钉长度测量、空心钉进入角度设计等一系列术前规划（图2）。

图1 股骨颈骨折MR模型虚拟复位 图2 CAD辅助空心钉钉道设计Fig.1 Virtual reduction of MR model of femoral neck fractureFig.2 CAD of cannulated screws

1.5.3术前匹配主刀医生在术前使用Android8.0 M2-801w，在MyAR系统中对MR混合现实三维数据与患者3D打印个体化标本进行识别、匹配后，确定空心钉位置设计、空心钉长度测量、空心钉进入角度等设计是否合理、安全，并进行修正完善（图3）。

图3 术前CAD模型匹配与校准Fig.3 Preoperative CAD model matching and calibration

1.6手术方式为排除干扰因素，本实验28例患者均由同一医师主刀完成，硬腰联合麻醉后上牵引床，C型臂X线机透视下进行骨折闭合复位，确认复位满意后，取常规外侧入路。

CAD+MR优化组患者以术中C臂机透视定位为主参照系统，MR混合现实三维数据为辅助内固定参照系统，术者佩戴HoloLens全息眼镜，根据CAD+MR术前规划提供的混合现实空心钉路径数据，手持电钻将克氏针经过置钉通道置入股骨颈，确定空心钉置入的最佳位置和空心钉置入的最佳角度。确定空心钉置入的安全区或绝对和相对危险区，按MR混合现实内固定方案进行操作，以避免空心钉穿入髋关节，置入预先测量好直径与长度的空心钉。

1.7实验指标术中采用手术时间指标进行评定。因术中出血量均较小，不进行对比。术后6个月复查采用髋关节功能Harris评分。

1.8统计学方法采用SPSS 25.0软件分析数据，手术时间以及术中出血量属于符合正态分布的计量资料，以均数±标准差表示并采用两独立样本均数t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。Harris评分采用秩和检验，检验水准取α=0.05。

2 结果

2.1CAD+MR优化组与常规手术组手术时间与术中出血量比较28例患者均由同一医师主刀完成，为精确判断CAD+MR优化对手术时间的影响，将手术时间分为闭合复位时间和内固定时间，由台下助手记录各段手术时间。CAD-MR优化组与常规手术组的闭合复位时间无明显差异（P＞0.05）,但内固定时间，CAD-MR优化组更短，差异具有统计学差异（P＜0.05）。见表1。

表1 CAD-MR优化组与常规手术组手术时间Tab.1 CAD-MR optimization group and routine operation group operation time x± s，min

2.2CAD+MR优化组与常规手术组手术疗效比较CAD+MR优化组14例患者与常规手术组14例患者手术后骨折均解剖复位，内固定位置良好。也获得，术后半年时髋关节功能Harris评分CAD+MR优化组平均（92.16±15.27）分，常规手术组平均（83.77±13.27）分，差异有统计学意义（t=-4.216，P＜0.05）。

3 讨论

3.1股骨颈骨折空心钉内固定术研究的“痛”点目前学界一般认为空心钉内固定是治疗股骨颈骨折的有效方式，空心钉的优点有：骨折端可获得良好的加压，3枚空心钉立体固定具有很高的强度及抗旋转和抗剪力能力；有较大的压力峰值负荷、较少的移位和较多的能量吸收等［9-10］。对于老年尤其是骨质疏松患者来说，空心钉内固定一般用于有关节置换禁忌症的病人以及传统方法固定失败的患者，但因为骨的质量差内固定物及植入物在骨内把持力相对较差易出现松动、脱出等情况而最终导致治疗的失败，空心钉内固定其失效率达20%～42%［11］。为增加固定强度，FILIPOV等［12］于2010年报道了一种新的股骨颈骨折空心钉固定方法：双平面双支撑空心钉固定（biplane double-supported screw fixation），因前后位相构型形似“F”而又称为“F”技术，该方法中三枚空心钉分布于与股骨头颈冠状面相交叉的两个平而，平行于股骨颈长轴的上、中位空心钉首先旋入、拧紧，实现术中对骨折断端的加压，而下位空心钉以大的倾斜角度自股骨干外侧皮质打入，增强空心钉把持力的同时，使得负荷可以成功的从股骨头传递到股骨干。可见，如何有效优化三根空心钉的构型和分布是实现坚强固定的关键点［13］。

3.2CAD+MR混合现实的发展与辅助个体化手术优势混合现实技术（mixed reality，MR）应用于临床手术中，能为术者提供“透视眼”效果。医师在术中将骨骼MR模型调出来，利用导航技术嵌入式匹配将模型定位在患者身上。术者可以通过MR眼镜来准确定位病灶，从而辅助精准手术实施。COELHO等［14］在SPINE（2018）杂志的一篇研究结果中表明：16位经验丰富的脊柱外科医生采用混合现实技术，评估三维模型在平面解剖、病理诊断、以及影像学相关方面的作用，混合现实模型提供了一个高效的观察工具，能加强脊柱外科医生对三维解剖的理解能力，并能在安全的环境中改善和缩短外科医生的学习曲线。

目前学界已经认识到，骨科医生临床仍在遵循几十年前的工作流程，使用数十张二维透视图像钻穿复杂的三维结构，如骨盆［15］。尤其对于一些新开展的经皮微创手术，三维解剖结构关系复杂，即使最富有的经验手术医生也需小心处理，在对比CT或X片的同时安排透视引导和手术，花费大量时间并且不安全。在患者手术时体位变化时，术者还需要在脑海中重构病灶的三维图像，依赖术者专业经验，其中仍会存在一定的视觉漏洞造成的手术风险。而新型MR成像技术，可以让术者直观地看到患者的病灶三维形态，很好地解决了上述问题，明显减少了手术时间及X射线透视的使用次数，这对患者及术者的健康都是有利的。CAD+MR手术技术的开展，使一些从前高难度的手术变得易于开展，如脊柱经皮螺钉技术，以前可能需要在X线或者导航的引导下定位，现在可以利用CAD+MR展开手术［7］。

3.3CAD+MR辅助股骨颈骨折空心钉内固定术的经验与不足对于骨质疏松性股骨颈骨折患者来说，因其骨小梁传导机制破坏，患者存在自身个体化的生物力学应力传导缺陷［16］。因此针对不同骨质疏松分布模态，进行空心钉构型个体化优化，能为临床精准手术治疗股骨颈部骨折提供一条新的技术方案。在本实验中，采用混合现实技术进行股骨颈部骨折手术优化，CAD+MR优化组手术闭合复位时间与常规手术组差异无统计学意义。但是内固定时间低于常规手术组；术后半年髋关节功能Harris评分CAD+MR优化组优于，常规手术组，差异有统计学意义。对于骨质疏松患者来说，颈部骨折空心钉内固定术采用CAD+MR辅助手术优化可以明显缩短内固定所需的手术时间，从而降低高龄患者的手术风险与并发症。另一方面，优化的股骨颈置钉通道，增加了股骨颈皮质支撑，提高了疗效。

本课题尚需要进一步扩大样本量进行评估。CAD+MR技术的应用依赖于术前设计，术中骨折端相对位置若复位不满意，则无法顺利按术前设计进行手术。所以对于骨折复位要求比较高，这是目前临床应用的瓶颈。从另一方面说，复位好对于术后功能恢复更为有利。所以，对于有经验的医生来说，要评估闭合复位的难度，并衡量这部分时间花费的利弊。未来，随着软硬件设备的开发以及研究的进展，MR技术与其他计算机辅助手术技术（比如机器人技术、导航技术等）结合进行术中即时三维追踪将成为可能，这也是课题组下一步研究的方向。