数字骨科技术在成人肘内翻畸形精确分析和三维矫形的初步应用：附3例报告

沈健坚，刘姮莹，丁焕文，涂 强，王 虹

肘内翻畸形是肱骨髁上骨折常见后遗症之一，临床上通常采用截骨矫形治疗[1-2]。近年来随着计算机科学和医学影像学的快速发展，数字骨科技术为肘内翻畸形的三维截骨矫形带来新的思路和方法。2011年7月至2012年8月，南部战区总医院采用数字骨科技术对3例成人肘内翻畸形患者进行术前精确分析，模拟截骨过程和内固定过程，制作手术辅助模板，并在模板引导下完成肘内翻畸形三维矫形手术，临床效果满意，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本组患者均为男性，术前一般资料见表1。患者术前均签署知情同意书。

1.2 术前准备

拍摄肘关节正侧位X线片，测量患侧内翻角和健侧肘关节提携角（图1，以下各图均以病例2为例），计算冠状面截骨角度（肘内翻角+健侧提携角）。

1.3 双上肢三维解剖模型建立

患者取平卧位，采用64排双源螺旋CT（SIEMENS公司，德国）对其双上肢（肱骨头至手指）进行容积连续扫描，对获取的上肢骨关节二维图像数据进行重划分（层厚、层距均为0.75 mm），以DICOM格式输出并刻录DVD数据盘，然后将数据导入Mimics 10.1软件（Materialise公司，比利时），通过域值分割、区域增加、面罩编辑、三维重建等操作，建立双上肢三维解剖模型（图2），以STL格式保存。

1.4 计算机辅助三维畸形参数测量和模拟截骨矫形

将双上肢三维解剖模型导入Imageware 12.3逆向工程软件（EDS公司，美国），基于镜像工具生成健侧上肢三维镜像模型，通过手动点云注册工具，以肱骨大结节、肱骨头、肱骨干和肱骨髁上等作为参考点，将患侧上肢与三维镜像模型进行重叠（图3），然后在三维模型上测量肱骨远端过伸和旋转范围、肱骨后倾角等参数（图4，5）。

表1 肘关节内翻畸形患者术前一般资料

图1 患侧内翻角和健侧提携角

图2 双上肢骨骼三维重建模型

将鹰嘴窝上方约1 cm处平行于关节面的平面定义为远端截骨平面，根据测量的冠状面截骨角度，明确近端截骨平面；同时根据肱骨远端过伸、旋转范围等参数，旋转和平移肱骨远端模型（图6），使其与三维镜像模型远端完全重叠，完成对三维截骨矫形的模拟过程（图7）。

1.5 计算机辅助设计和制作三维截骨模板

基于上述测量的截骨角度、过伸和旋转范围等参数，提取患侧肱骨远端骨骼模型的表面点云数据，采用UG NX 6计算机辅助设计软件（SIEMENS公司，德国）设计三维截骨模板。三维截骨模板包含截骨引导模板、矫形辅助模板、近端和远端螺钉引导模板（图8），其中远端螺钉引导模板用于术中旋转和平移等操作的准确实施。将设计好的模板以STL格式导出至快速成型机中，利用立体光固化成型技术制作出模板实物（图9）。

1.6 手术方法

图3 患侧与健侧镜像体三维模型 图4肱骨远端旋转角 图5肱骨远端后倾角 图6三维截骨操作 6A截骨远端外翻42°6B截骨远端内移18 mm 6C 截骨远端旋后38°

图7 模拟截骨矫形后三维模型 图8三维截骨模板 8A截骨引导模板 8B矫形辅助模板 8C螺钉引导模板

患者取仰卧位，采用臂丛神经阻滞麻醉。术区消毒铺巾，上无菌止血带，取肘后外侧纵切口（长约10 cm）。依次切开皮肤和深筋膜，显露肱骨远端后方及内外髁，将消毒备用的三维截骨模板放入肱骨远端，在螺钉引导模板的螺钉引导孔中钻入数枚2.0 mm克氏针，然后在截骨引导模板引导下进行截骨。在矫形辅助模板引导下，利用钻入的远端克氏针，通过旋转、平移等操作来纠正肱骨远端的过伸和旋转畸形，使克氏针成一直线，此时即完成三维截骨矫形过程。将1枚合适长度的锁定钢板置于肱骨远端外侧，依次钻孔、测深，拧入数枚合适长度的锁定螺钉，取同种异体骨条，咬碎后紧密植入截骨断端间隙中，冲洗伤口，放置引流管，逐层缝合伤口。

1.7 术后处理

术后复查肘关节正侧位X线片（图10），肘关节支具辅助固定于肘关节伸直位，术后1周调整肘关节屈曲角度为15°，每周增加15°的屈曲活动范围，并行前臂旋转等功能锻炼。

2 结果

术中三维截骨模板与肱骨远端匹配良好，沿截骨模板截骨面进行截骨和内固定精准简便，达到术前模拟矫形效果。3例患者术后随访分别为13、18和24个月，随访期间患者未发生伤口感染、神经损伤、内固定物失败、肘内翻复发和骨不愈合并发症。如表2所示，3例患者术后均获骨性愈合；末次随访时按照Mayo肘关节功能评分标准[3]，均评定为优。

图9 三维截骨模板实物图 1，2矫形辅助模板 3螺钉引导模板

图10 术后1周肘关节正侧位X线片

表2 肘关节内翻畸形患者疗效指标

3 讨论

目前成人肘内翻畸形截骨的手术方式包括侧方闭合楔形、圆顶旋转截骨、阶梯截骨术和三维截骨等[4-7]。其中外侧闭合楔形截骨术是临床常用的手术方法[8]，但术后易残留旋转和过伸畸形、外髁过突等问题[9]。此外，肘内翻畸形患者常伴有肱骨远端内翻、过伸、旋转三维畸形[10]，传统外侧闭合楔形截骨术无法解决此类过伸和旋转问题[11]。近年来医学图像处理、3D打印等数字医学技术取得突飞猛进的发展，为肘内翻畸形的术前精确分析、截骨矫形模拟、术中截骨精准引导提供较好的个性化治疗方式[7,12-13]。

3.1 截骨参数精确测量和分析

既往临床上多通过双上肢正侧位片测量患侧内翻角和健侧肘关节提携角，以此确定截骨矫形的角度。然而，单纯从冠状面测量矫形角度，缺乏对肱骨远端矢状面和水平面的测量分析，无法矫正肱骨远端的后伸和内旋畸形。

借助数字骨科技术，可以通过计算机薄层扫描获取畸形骨骼数据，采用医学图像处理软件建立上肢三维骨骼模型。与传统的X线、CT检查相比，该方法能够对解剖参数进行多平面、多角度的三维测量和精确分析，本研究3例肘内翻患者除内翻畸形外，患侧肱骨远端均存在不同程度的后伸和内旋畸形，建立上肢三维解剖模型后为截骨矫形手术提供了精确的畸形参数。

3.2 截骨模板精确引导三维截骨矫形

张元智等[14]建立计算机辅助三维模型，测量分析并设计截骨导航模板，用于治疗9例青少年肘内翻畸形，实现了精确截骨。洪友钦等[15]基于数字化三维重建技术设计截骨导航模板，采用快速成型技术制作肱骨远端骨骼模型及手术截骨模板，引导术中矫形，取得良好效果，手术优良率达85.7%。国外学者Omori等[7]报道17例肱骨髁上骨折术后肘内翻畸形患者，研究结果同样提示，采用计算机辅助定制的手术导板进行三维截骨矫形，手术误差小、精确性高、矫形效果好。

本研究在建立双上肢三维解剖模型的基础上，对肱骨远端的畸形解剖参数进行三维平面测量分析和模拟矫形过程，最后设计制作三维截骨模板，引导术中矫形，术后均达到模拟手术矫形结果，肘关节功能恢复良好。

本研究仍有以下不足：①病例数较少，未来将纳入更多病例。②截骨方式较为复杂，需依靠手术导航模板的精确引导才能完成三维截骨，手术时间较长，不利于技术的进一步推广；下一步将基于传统闭合楔形截骨方式，设计出简单易行的三维截骨手术辅助模板。③在截骨断端设计上，未能充分达到截骨断端的大面积接触，术后随访发现骨愈合时间较长，增加了骨不愈合和内固定失败的风险；今后将改进截骨面的设计，力求在三维矫形的基础上实现截骨断端的最大接触，以利于骨愈合。