基于Mimics三维重建个性化锁骨钩钢板塑形技术及疗效分析

盛亚超，王冰，袁鑫鑫，朱裕成，郑红兵，杨春，王杨，王博，陈浩，董真

(徐州医科大学附属宿迁医院骨科，南京鼓楼医院集团宿迁医院骨科，江苏 宿迁 223800)

肩锁关节脱位(acromioclavicular joint dislocation，AJD)是一种临床常见的关节损伤，常由直接暴力导致。肩锁关节不仅参与肩关节的活动，而且在肩胛骨和躯干的连接中起到重要的结构支撑作用。肩锁关节脱位常伴有疼痛、功能障碍等，Rockwood Ⅲ型以上的脱位常需要手术治疗[1]。目前AJD手术方法较多，其中，锁骨钩钢板(clavicular hook plate，CHP)手术方案以其非完全刚性固定—在确切固定基础上保留肩关节微动的优点，在临床治疗中仍作为主流术式之一[2]。然而，术后肩部疼痛是该术式最常见的并发症，有学者[3]报道其发生率高达25.5%，严重影响患者术后早期功能锻炼和关节功能的恢复。

既往研究认为，CHP方案术后疼痛可能原因包括钢板不服帖或塑形不够、钩端放置位置不佳、肩峰撞击、肩峰下骨溶解、肩峰下软组织钩入、手术复位不理想、制动时间过长等，其中钢板不服帖及钩端位置不佳等临床中最为常见[4-5]，且通常被认为是肩峰撞击、肩峰下骨溶解等继发改变的始动因素，因而在既往研究中受到较多关注。MacGillivray等[6]发现人类肩峰形态具有个体差异，常不与锁骨远端平行，这导致所谓的“解剖型”钛板并不能匹配不同患者肩峰的解剖学差异(见图1～2)。基于解剖学的研究，部分学者对传统“解剖型”钛板的钩端及板体塑形改造，如Li等[7]将钩端冠状折弯15°；陈涛等[8]通过肩峰形态的CT观测及其与锁骨钩状钢板的匹配性研究，提出对改良钩钢板的一些建议如降低钩深度、改善远端直棒形态等，这提醒我们目前临床所使用CHP并不能良好匹配每个患者，这也能一定程度解释现有并发症产生的原因。

图1 标本上模拟放置未塑形锁骨钩钢板

尽管既往研究在钩钢板再塑形上进行了不断深入探索，但仍未充分考虑患者肩峰解剖的个体化差异。诸如依据某一特定角度或方向对钢板的预弯改良，术后出现肩部疼痛的病例仍较常见[7，9]，致使此类方法难以推广应用。本研究通过测量患者肩峰区解剖学参数，利用Mimics软件行术前三维重建并测量，量化指导钩钢板进行个性化三维塑形，并通过与传统经验性塑形方案对比分析，证实该个性化塑形能明显减轻患者术后疼痛，显著提高临床疗效。

图2 标本上模拟放置塑形后锁骨钩钢板

1 资料与方法

1.1 研究对象 选取2018年3月至2020年3月徐州医科大学附属宿迁医院骨科连续收治的肩锁关节脱位患者作为研究对象，其中2019年7月后开始利用Mimics软件行术前三维重建，指导钢板进行个性化塑形，作为实验组；此前病例依据传统经验对术中钢板塑形，作为对照组。入选标准：(1)年龄18～65岁；(2)新鲜Rockwood Ⅲ～Ⅴ型肩锁关节脱位。(3)行肩锁关节切开复位CHP内固定术。(4)随访时间≥6个月，有完整影像学资料，包括术前肩部CT(含健侧)及正位X线片，术后3 d、3个月及6个月肩部正位X线片。排除标准：(1)合并颅脑外伤等无法配合按期遵嘱功能锻炼或配合疼痛评分；(2)合并同侧胸锁关节脱位、锁骨骨折、肩胛骨骨折及同侧上肢其他部位骨折；(3)既往有肩部外伤或肩袖损伤等残留肩部功能障碍或部分障碍。本研究标本来源于徐州医科大学人体解剖学教研室，本研究通过徐州医科大学附属宿迁医院医学伦理委员会批准(SBE2019740177)。

根据纳入与排除标准，最终共42例病例纳入本研究，其中男23例，女19例，均为急性新鲜损伤(<14 d)，其中Rockwood分型，Ⅲ型16例，Ⅳ11例，Ⅴ型15例。使用Mimics软件重建数据量化塑形钢板组(实验组)24例，男13例，女11例；年龄为25～63岁，平均(44.9±11.1)岁；左侧10例，右侧14例；受伤至手术时间为(1.88±0.95)d；经验性塑形钢板组(对照组)18例，男10例，女8例；年龄为23～62岁，平均(44.1±12.0)岁；左侧8例，右侧10例；受伤至手术时间为(1.89±0.90)d。两组在性别、年龄、受伤侧别、受伤至手术时间方面比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

1.2 术前准备 术前依据肩部正位X线片(必要时需双侧肩部负重应力位X线片对比)，按照Rockwood分型方法对病例进行分型。将实验组双侧肩部CT数据(.dcm格式)导入Mimics Medical 21.0软件，选择“阈值”为Bone，将健侧锁骨、肩胛骨“分区增长”设为不同颜色，并分解三维重建。在三维重建图像上由2位医生分别测量α、β、γ角度及A～A'长度，取2人测量平均值。术前参照A～A'长度挑选合适高度的钩钢板并按测量角度对钢板钩端进行量化塑形。对照组为2019年7月以前的病例，当时仅由手术医师根据X线片术中对钢板经验性塑形。本研究病例使用的内固定均为国产解剖锁定型锁骨钩板。

1.3 影像学测量 (1)锁骨钩理想插钩点：肩锁关节的关节后缘处设定为理想插钩A点，其中肩锁关节后缘上表面为A点，下表面为A'点，A'点是A点在肩锁关节下方对应点，在锁骨钩上指的是锁骨钩下方拐角处(见图3)；(2)设定肩峰理想钩槽为A'B：即肩峰外缘下表面中点(B点)与A'点的连线(见图4)；(3)C点代表锁骨远端起始部中点，此处向远端移行为锁骨远端，D点代表锁骨中段长轴中点，即AC可代表锁骨(钩板)远端长轴，CD可代表锁骨(钩板)近端长轴(见图5)。(4)测量理想CHP钩端水平方向塑形角度α：正常锁骨钩钢板水平面(锁骨远端面)上锁骨钩板远端长轴(AC)与锁骨钩端(A'B)的夹角，Mimics三维重建角度上A与A'点重合(见图6～7)。(5)测量理想CHP钩端冠状方向塑形角度β：冠状面上锁骨钩板远端长轴(AC)与锁骨钩端(A'B)的夹角，Mimics三维重建角度观察AC为水平位，故A'B与水平线夹角即β角(见图8～9)。(6)测量理想CHP钩端扭转角度：①测定肩峰外缘前缘点、肩峰外缘后缘点、肩峰外缘三等分点等(见图10)；②在B点与A'点重合时，肩峰外缘三等分点连线即代表锁骨钩端面在其长轴垂面上的投影线，锁骨钩板面在钩端长轴垂面上的投影线与AA'连线垂直(见图11)；③在钩板上测量钩板扭转角(见图12)；④在标本上测量肩峰扭转角(见图13)。③、④所示γ角，与②所示并非完全相同，因实际扭转时，钩端并非严格沿A'点扭转，同时也非严格沿A点扭转，此误差在此忽略不计。各点线和3个角度测量定义及代表意义见表1。

表1 各点线和3个角度测量方法及代表意义

图3 设定锁骨钩理想插钩点 图4 设定肩峰理想钩槽 图5 设定锁骨板远近端长轴

图6 利用锁骨钩钢板测量α角 图7 Mimics三维重建图上各点及α角测量示意 图8 利用锁骨钩钢板测量β角 图9 Mimics三维重建图上各点及β角测量示意

图10 肩峰外缘前缘点、后缘点、三等分点示意 图11 肩峰外缘三等分点连线与AA'连线垂直 图12 钩板上钩板扭转角示意图 图13 标本上肩峰扭转角示意图

1.4 手术过程 患者行臂丛或全身插管静脉麻醉，取沙滩椅位，患侧肩部中央垫高，头转向健侧，常规消毒铺巾。沿锁骨远端后缘向外侧取横弧形切口约8 cm，近端平行于锁骨，远端交叉穿过肩锁关节，逐层切开暴露锁骨远端、肩锁关节及肩峰内侧，清除血肿，彻底清理肩锁关节破碎软骨或关节盘，复位肩锁关节后克氏针临时固定。对照组根据经验塑形钩钢板，实验组选择术前个性化预弯好的钩钢板。自肩锁关节后缘处正确插入肩峰下，依次钻孔测深，拧入合适螺钉固定。探查喙锁韧带，根据损伤类型，必要时修补喙锁韧带。

1.5 术后处理 术后2周内上肢颈腕带悬吊制动，术后3 d复查X线片查看复位及内固定情况，肩部被动屈伸、旋转、收展被动活动测试，术后2周开始行适当的肩部被动活动锻炼，3～4周开始行主动功能锻炼。

1.6 评估指标 手术前、后对两组患者使用Constan-Murley肩关节功能评分和数字评分法(numeric rating scale，NRS)分别评估肩功能和疼痛程度。分别在术后3 d、1个月、3个月、6个月共收集4次数据，随访数据的收集通过面对面问答或电话，所有患者术后至少随访6个月，术后8～12个月取除内固定物。

2 结 果

实验组和对照组术后即刻X线片均显示关节脱位复位良好，内固定在位；实验组钩端表现与肩峰有更大接触面(见图14～15)。所有患者手术切口愈合良好，无感染、钢板断裂或周围骨折。所有患者至少随访6个月，根据恢复情况，术后8～12个月取除内固定物，取除内固定后患者情况未纳入本次研究范围。

图14 对照组复位良好，钩端与肩峰呈点接触

两组的术前NRS疼痛评分比较差异无统计学意义(P>0.05)；实验组术后3 d NRS疼痛评分较术前明显下降(P<0.05)，对照组术后NRS疼痛评分虽较术前降低，但差异无统计学意义(P>0.05)；术后1、3、6个月，两组NRS疼痛评分均呈明显下降趋势(P<0.001)。两组比较而言，术后各时期实验组NRS疼痛评分均较对照组更低(P<0.05)，尤以术后1个月及3个月差异最为明显(P=0.001、P<0.001，见表2，见图16)。

图16 两组术前、术后NRS疼痛评分对比图 图17 两组术前、术后肩关节功能评分对比图

表2 实验组和对照组NRS疼痛评分对比分)

两组术前肩关节功能评分比较差异无统计学意义，实验组术后3 d Constant-Murley功能评分较术前明显好转(P<0.01)，对照组术后3 d功能恢复不明显(P>0.05)。术后1、3、6个月时，两组肩关节功能评分均逐渐提高，但与对照组相比，实验组的术后功能恢复更为显著(P<0.001、P<0.001、P<0.05，见表3，见图17)。

图15 实验组复位良好，钩端与肩峰呈面接触

表3 实验组和对照组肩关节功能评分对比分)

3 讨 论

3.1 肩锁关节脱位的治疗方案 肩锁关节是由锁骨远端和肩峰构成的滑膜关节，在功能上属于微动关节，有上下、前后、旋转3种基本运动形式。AJD是骨科常见损伤之一，占约肩部损伤的9%[10]，常由直接暴力导致，伴随肩部功能不同程度受损。Rockwood根据锁骨远端移位的方向和程度将肩锁关节脱位分为Ⅰ～Ⅵ型，国内对Rockwood Ⅰ、Ⅱ型常采取保守治疗，Ⅲ～Ⅵ以手术治疗为主[1]。截止目前，AJD手术治疗方式仍无统一“金标准”。随着医疗技术发展，克氏针张力带固定、关节融合等刚性固定方式因其牺牲了肩锁关节的微动功能而逐渐被舍弃；而喙锁韧带重建、关节镜下韧带重建等弹性固定方式越来越得到青睐，但因其学习曲线较长，喙突、锁骨的较大钻孔也会增加骨折及血管神经损伤风险等因素，相关术式仍未得到广泛应用。自1983年Schmittinger提出应用CHP方案固定治疗AJD或锁骨远端骨折，随后CHP因其操作简单、固定确切、能保留肩锁关节微动等优点，得到较广泛的临床应用[11-12]。然而，CHP术式较高的肩部疼痛、骨溶解等并发症发生率也一直困扰着患者和医生。朱义用等[3]报道CHP固定术后肩痛发生率达25.5%；Sun等[9]对72例CHP术式治疗AJD术后患者分析，发现骨溶解发生率高达54.17%。鉴于CHP方案治疗AJD仍是目前最主流治疗方案之一[1，13-14]，如何减少CHP术后疼痛和肩峰下骨溶解等并发症仍是临床医生不可回避的问题。

3.2 CHP方案术后疼痛原因分析及解决思路 既往研究认为，CHP固定术后肩部疼痛的最主要因素为钢板不服帖及钩端位置不佳[4-5，15]，导致钩钢板的钩端与肩峰下表面非“面”性接触，进而可能引起肩峰撞击、肩峰下骨磨损、骨溶解等继发损害。临床医生在手术过程中常根据经验对钩钢板进行适当塑形改造，这减少了一些明显的CHP不服帖的现象，但无法直视肩峰下进行检验，一些“点”、“线”接触仍被肩峰所遮盖。Li等[7]将传统“解剖型”钛板的钩端冠状折弯15°，并对比“15°钩钢板”和“0°钩钢板”疗效，认为前者在减少术后疼痛方面具有明显优势。Hung等[16]对不同角度的锁骨钩钢板做了生物力学分析，在他建立的肩峰与锁骨平行的模型上，锁骨钩角(hookacromion angle，HA)，即肩峰下平面与锁骨横钩的夹角角度越大，与肩峰接触面积越小，应力越大。姜晨轶等[17]同样认为HA可作为肩峰分型以及评价锁骨钩与肩峰接触面积的指标，HA越大代表钩尖与肩峰接触面积越小，局部应力越大，可能导致疼痛更明显。测量HA来作为评判锁骨钩是否服帖的指标是一个不错的突破，但其研究局限于平面，事实上肩锁关节是一个三维结构，HA指标仅能在透视形成的平面上部分反映CHP钩端应力情况，并不能完全反应肩峰与CHP钩端的三维匹配。此外，不同患者肩峰形态变异较大也较常见，这提醒我们，基于三维结构的个性化治疗方案才是解决问题的最佳途径。

随着医学三维影像技术与计算机技术的发展和渗透，断层扫描后三维重建成像为三维测量、有限元分析和3D打印等提供了基础，其中Mimics软件中三维重建后可方便地测量模型表面两点距离、三点间连线角度等，并可便捷调整模型任意角度视野，这使得我们可以轻松测量任意观测角度的目标距离、角度等。从而使我们测量的数据可以量化指导术中对钢板进行塑形，以达到CHP的钩端与肩峰下表面形成最大“面接触”。

3.3 个性化塑形方案 本研究主要纳入AA'的高度，α、β、γ 3个角4个参数，前者对应锁骨远端高度，后者不仅涵盖肩峰形态，更包含对肩锁关节上下、前后、扭转三个主要活动维度的考虑。依据AA'高度，术前筛选合适高度的锁骨钩钢板；依据α、β、γ角对钩端进行校准塑形。鉴于CHP板体的服帖与否可在术中直视检验，调整较为方便，本研究并未纳入CHP板体塑形。

1986年Bigliani依据侧面形态将肩峰分为平滑形(Ⅰ型)、弧形(Ⅱ型)及钩形(Ⅲ型)三型[18]，但并未对后两型行明确量化区分；2005年Mayerhoefer等结合肩峰磁共振矢状面上前1/3和后2/3夹角，以及前2/3和后1/3的夹角，进一步区分肩峰的Ⅱ型和Ⅲ型[19]。基于单平面的肩峰解剖学研究，提升了我们对肩峰形态的认识，但我们在三维调整中发现，同一个肩峰从不同的角度观察会呈现不同的形态，甚至同一肩峰可调出平滑形、弧形及钩形三种形态(见图18)。

图18 同一肩峰不同角度观察呈现不同的形态

我们将肩峰调整至观测角度“最薄”状态，均可见其呈弧形。因绝大部分肩峰的弧顶在肩峰的中部1/3，即便是Ⅲ型肩峰，其钩顶部位也接近肩峰前1/3分界点。我们认为，钩端应处在与肩峰下表面接触面最大的同时，具备最有效的压钩应力，这就限制锁骨钩不宜太过横向折弯，即α角不应过大。在Ⅲ型肩峰中，如一味追求锁骨钩钩端置于肩峰弧顶处，虽在理论上可能会减少占位效应，但可能会导致α角过大，内固定容易疲劳甚至断裂。为此，我们统一取肩峰中1/3部分(前后1/3分界点连线)代表锁骨钩的应力面，肩峰外缘中点为B点，即本研究理想钩端尖处，如此确定α角和γ角。而β角则与既往研究提到的HA角意义相同，理论上经过对钩端进行β角塑形，可以达到使HA降至0°(正面观)，根据既往研究观点，HA为0°可大大分散肩峰接触面应力，减低术后肩痛及肩峰骨溶解发生率[18]。当然，同时应注意钩端不可过度折弯使HA形成负角、钩尖下垂，否则可能产生严重的肩峰下撞击、甚至肩袖损伤。

γ角的塑形是容易被忽视的重要参数，如果γ角匹配不良，即使α及β角塑形满意，也可能导致锁骨钩边缘的棱峰接触肩峰下表面，即呈现锁骨钩与肩峰下表面的“线接触”，随着肩锁关节的微动，肩峰下表面依然会形成较重的骨磨损。尽管临床工作中γ角经验性扭转很难把握，但借助Mimics软件，γ角的确立极其简便，仅需在软件中调整A'点与B点重合，然后测量AA'与肩峰外缘三等分点连线的夹角，减去90°即为γ角值。此外，我们设想，今后对CHP的改进中，可以将钩端侧边尽量弧化，如将钩端截面设计为椭圆，这样即便塑形达不到理想程度，也可以避免CHP钩端侧缘较锋利的棱边去接触肩峰下表面。

3.4 实验结果的相关讨论 本研究两组病例术前疼痛评分及肩部功能评分差异无统计学意义，实验组术后肩部疼痛较对照组改善更显著，进一步提示CHP固定术后疼痛原因大部分来源于内固定不服帖，实验组钩钢板经个性化校准改良后，内固定不良导致的疼痛大大减低。在术后恢复期内尤其是术后早期(1～3个月)，实验组患者肩部疼痛得到大大改善，为患者康复锻炼提供了更好条件。众所周知，关节周围损伤早期康复锻炼极为重要，因为3周后纤维结缔组织逐渐转化为瘢痕[20]，如早期缺乏充分的锻炼，可能导致肩关节永久性黏连僵硬，且随时间推移，锻炼难度逐渐增大，因此早期疼痛程度的有效降低对肩部功能的恢复意义重大。本研究结果表明，实验组肩功能恢复迅速，部分实验组患者，在术后3 d进行功能恢复指导及关节功能检测时，已可被动抬肩至手过头顶并短暂自主维持，在随后的1个月内肩关节功能也得到快速恢复，这与我们既往对肩锁关节术后患者疼痛程度的认识不太一致，其改善程度甚至令人惊讶。

术后3个月后，两组肩关节功能差距有缩小的趋势，结合随访中我们观察到绝大部分对照组病例出现不同程度肩峰下骨溶解，我们分析这可能是随着肩关节活动锻炼，对照组患者肩峰下“点”、“线”接触，通过不同程度的骨磨损以被动适应，进而使CHP在后期逐渐倾向于比之前更服帖，尽管疼痛程度达到部分减轻，但这样的代价是巨大的。当然在随访中，实验组同样观察到少部分病例出现骨溶解现象。我们分析可能的原因在于，肩锁关节的微动方向并非与我们设想的理想钩端位置完全同轴；且CHP是非完全刚性固定，肩锁关节同时存在前后、上下、旋转三个维度的微动，钩端改良后钩端与肩峰接触面增大使得应力分散，但分散不同于消失，相关应力随着肩部活动仍持续不断作用于肩峰接触面，因而并不能完全避免肩峰下骨磨损。

本研究不足之处在于，随访时间偏短，缺少患者取出内固定后的肩部疼痛及功能评分情况；缺乏患者取出内固定后肩部CT数据，以量化对比两组肩峰下骨磨损程度，这将是我们进一步研究的方向。同时，针对钩钢板固定后不同肩部活动状态下，钢板钩与肩峰的动态匹配情况以及基于解剖学的钩端钝化改良等也将是我们进一步深入探索的方向。

综上所述，本研究中我们介绍了如何使用Mimics软件对肩锁关节周围结构进行三维重建，并在重建的模型上测量AA'长度，α、β、γ角四个解剖学参数的方法，以此量化指导锁骨钩钢板术前塑形，并最终在临床应用中证实其对改善术后疼痛和促进肩关节功能恢复具有良好的效果。此法经济、易学、临床效果优越，值得临床推广应用。