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股骨干骨折髓内钉固定术应用数字化仿真技术的效果

2020-08-08 141 上传者：管理员

摘要：目的：探讨数字化3D模型虚拟手术对闭合复位顺行带锁髓内钉固定术治疗股骨干骨折的指导意义，评估其对治疗效果的影响。方法：选取本院2013年1月至2016年12月，闭合复位顺行带锁髓内钉固定术治疗的股骨干骨折病例80例，随机分为2组。研究组术前进行CT图像三维数字化重建并模拟手术过程，用以指导实际手术操作；对照组按照常规检查制定手术方案。比较两组手术时间、X线照射时间、术中出血量及术后随访情况。结果：研究组的手术时间、X线照射时间与对照组相比均有统计学差异，术中出血量无统计学差异。患者术后切口均Ⅰ期愈合，无感染等并发症。随访16～38个月，患者完全痊愈后均未发生疼痛，步态正常，均恢复日常生活及髋关节正常活动。X线片复查示骨折愈合良好。结论：股骨干骨折髓内钉固定术前进行3D重建及虚拟手术可指导手术过程，提高手术效率，具有较好的临床应用价值。

关键词：
三维数字化模型
股骨干骨折
虚拟手术
髓内钉
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股骨近端骨折的闭合复位并顺行带锁髓内钉固定术，具有术后即刻固定牢固，术中失血量少，术后功能恢复良好等优点，成为目前治疗股骨骨折的标准手术方式之一[1,2]。带锁髓内钉固定术更符合生物力学固定的原则，在促进术后康复、提高其抗旋转能力方面具有较大优势[3]。随着数字化三维重建技术的发展和髓内固定器械相关生物力学研究的深入[4]，可实现根据特定病患的股骨解剖特征结合器械状况，在术前利用高精度三维重建模型模拟髓内钉的手术过程及固定效果，可实现对手术过程的预演及对治疗效果的预测，从而减少不良后果的发生[5]。基于此，笔者对股骨干骨折患者进行前瞻性研究，评价数字化仿真及手术模拟的引入是否会提高手术效率及治疗效果，从而初步评价数字化仿真技术在手术中的指导作用。

1、资料与方法

1.1一般资料

招募本院2013年1月至2016年12月期间单侧闭合性股骨干骨折患者80例，纳入标准为首次股骨干骨折并排除病理性及陈旧性骨折。患者基本情况如下：男53例，女27例。年龄18～69岁，平均35.1岁；体重57.8～80.6kg，平均70.46kg；体重指数（BMI）平均25.36kg/m2。致伤原因：交通伤35例，跌倒致伤28例，高坠伤15例，重物致伤2例；其中有33例（41.25%）合并其他部位损伤。股骨干骨折位于股骨小转子以下2.5cm至股骨髁上5.5cm范围内。伤后至入院时间为1h～12d，平均4.5d。将患者随机分为研究组和对照组，每组40例。所有病人被告知三维重建与模拟手术在治疗中的意义与风险，本着自愿与知情原则，符合医学伦理学原则以及国内相关法律规定，获得医院伦理委员会批准。

1.2研究方法

1.2.1股骨的三维重建与手术入钉模拟

将CT数据导入Mimics14.0(Materialisecorp,USA）软件，进行股骨模型的灰度阈值及图像分割，构建数字化三维模型并导出STL格式至GeomagicFreeformPlusv2019(3DSystems,Inc.,USA）中，操作力反馈手柄对股骨及髓内钉模型进行模拟手术，实现在虚拟环境下对股骨骨折的解剖复位，模拟髓内钉置入[6]。观察置入过程中股骨近端及远端相对活动幅度及状态，进一步评估骨折断端及股骨干骨髓腔内三维形貌及其与髓内钉的匹配程度，在实现准确解剖复位的前提下尽可能少地磨除髓腔侧骨皮质，见图1。

图1股骨近端上面观及模拟从梨状窝置入髓内钉

1.2.2手术方法

为避免操作技术所致较大偏倚，本研究以两位具有约8年髓内钉置入术经验的副主任医师作为操作者，随机分组确定患者是否参与数字化重建及随机确定其手术操作者。采用连续硬膜外麻醉或全身麻醉，取仰卧位并将术侧臀部垫高，利用骨科专用牵引床进行下肢牵引，在C臂X射线引导下闭合复位，确定牵引力大小以及复位手法[5]。目前股骨干骨折髓内固定手术主要有经梨状窝入路和经大转子入路两种方式，为简化研究同时突出处理效果，本研究选择文献报道效果较好的梨状窝手术入路：以大转子尖沿髂嵴方向或髂嵴稍后作5～8cm切口，切开臀肌暴露梨状肌外侧，在大转子略向内侧，股骨颈略向后的梨状窝位置作为通道入口，预先插入克氏针作为导针，后以手钻扩通道建立手术通道。行股骨手动有限扩髓，扩髓直径以0.5mm递增，直至髓腔可容纳并牢固夹持髓内钉（图2）。

图2梨状窝入路的髓内钉C臂X线检查

1.2.3术后康复训练

患者麻醉苏醒后即刻嘱其进行足踝关节主动活动锻炼，在疼痛可忍耐限度内进行股四头肌等长收缩训练，以促进肌肉力量及周围血运恢复，利于骨折愈合[7]。术后3d内所有患者开始进行髋膝关节主动屈伸活动。负重活动量取决于骨折固定的稳定状态以及骨折端康复及切口愈合情况，同时兼顾髓内钉强度、合并其他损伤的康复情况、患者体重及患者对疼痛的忍耐程度等。

图3典型病例术前、术毕及术后随访24周影像学资料

1.2.4术后随访

对所有患者进行门诊随访，随访内容包括查体及影像学检查。随访期截至骨折愈合并拆除内固定。本研究中患者随访时间16～38周，平均25.3周，无失访病例。

1.3统计学方法

所有数据利用SPSS19.0软件包（IBMInc,Chicago,IL）进行统计分析。两样本数据用t检验，P<0.05为检验水准。

2、结果

2.1三维重建及手术模拟

对研究组进行股骨三维重建，选择适当型号髓内钉模拟置钉手术及置钉效果评价，最终扩髓直径为8.5～11mm，股骨和髓内钉的三维重建模型装配后测量，扩髓厚度最大约为2mm，经软件测量工具可计算出扩髓过程中所刮除骨质体积为494.80～982.48mm3，平均（784.35±347.27)mm3。

2.2手术基本情况

研究组病例根据模拟手术中的反馈对手术方案进行优化。对照组病例按照常规方法进行手术治疗。对两位术者在两组手术操作中的相关数据进行统计分析显示，三维重建并模拟手术组中，手术时间、手术出血量和X线照射时间均无统计学差异（P≥0.205）；对照组中，手术时间和手术出血量无统计学差异（P=0.356,P=0.293),X线照射时间存在统计学差异，P=0.048。

对研究组和对照组的手术时间、手术出血量以及C臂X线照射时间进行统计分析，两组的手术时间、C臂X线照射时间具有统计学差异，P分别为0.012和0.001，两组手术中的出血量无统计学差异（P=0.079），见表1。

表1患者手术时间、X线时间与手术出血量

2.3骨折愈合时间及治疗效果

患者术后切口均Ⅰ期愈合，无感染等并发症。X线片复查示骨折愈合良好，均未发生疼痛，步态正常，均恢复日常生活及髋关节正常活动。无股骨近端畸形及股骨头缺血性坏死发生，无其他并发症发生。图3显示研究组中一典型病例的术前、术毕及术后24周随访诊疗情况，可见骨折端骨痂形成良好，无骨不连及感染等异常情况。

3、讨论

本文对股骨干骨折的闭合复位顺行带锁髓内钉固定手术，分别进行常规手术与经三维重建及数字化仿真虚拟手术后进行优化手术的研究，对比两组之间的手术时长，X线照射时长及术中出血量，参考术后随访结果，认为经数字化仿真虚拟手术后的优化手术相比常规手术，可在一定程度上提高手术效率，明显缩短手术时长及X线照射时长，并且不会引起并发症的增加，对促进手术技术进步具有积极意义。

数字化仿真及三维重建技术对手术过程的指导已越来越多地应用于临床，目前多用于对器官内，尤其是肝内复杂病变的手术规划上，可使操作者利用三维形态模型进行精准的术前规划和模拟，具有很好的应用前景[8,9]。在骨科领域多应用于脊柱的复杂骨折或肿瘤手术前的规划[10,11]，而在股骨干的骨折治疗中，较少有关于三维重建及虚拟手术指导手术过程的报道。

本研究即对此进行研究并评价其对手术的指导作用。结果显示，相较于常规手术中利用X线平片或/和CT平扫及CT机的直接重建进行骨折部位观察以及基于此的手术设计及规划[12]，本研究中利用CT数据进行第三方软件平台的三维重建和虚拟手术可提供更为精准的股骨干骨折局部的拓扑形态，更准确地获知髓内钉与股骨干髓内腔皮质形状的曲率匹配程度，并利用股骨干及内置入物的三维立体形态进行虚拟手术，在模拟手术过程中实时直观地感受各操作步骤的力反馈及各部件的相对位置变化，实现对局部及整体结构认识的强化和明确，从而可使术者更好把握手术过程中关键操作节点和关键部位的处理，有效减少手术时间和X线照射时长，提高手术效率。

自由造型系统Freeform广泛应用于工业设计及制造业，可通过编辑三维模型功能实现非常灵活的设计和复杂的空间结构[13]。本研究利用该造型系统中的自由剪切、限制性移动和力反馈的功能特点，对股骨近端骨折进行解剖复位并闭合复位顺行带锁髓内钉置入手术模拟，获得较理想的模拟效果[14]。并在模拟的基础上进行手术，提高了手术效率。还可以根据需要对股骨干骨折髓内钉固定术病例进行有限元应力分析，进一步评估其固定效果[15,16,17]。进行虚拟手术可减免由于未明确器械与骨折端之间三维关系所导致的并发症，诸如髋内翻畸形、医源性骨折、髋股部疼痛、髋关节外展功能障碍等[3,5,7]。

但该技术在应用过程中有一些缺陷需改进。首先用于模拟手术的模型只有股骨和髓内钉两个部件，仅对股骨进行了空间位置的阻尼约束，在模拟过程中可观察到随着髓内钉的置入，股骨骨折线两侧断端的空间位置变化，但此空间位置的阻尼约束并不能与在体状况完全相同，因而模拟的状态与真实状态存在差异；另外，由于并未对周围重要神经、血管等结构进行重建，因此本研究并未评估手术对血管、神经的影响。再次，参与本研究的医生在完成虚拟手术和真实手术后均反应模拟的力反馈比真实手术中普遍较小、部分关键步骤的力反馈不一致等情况，分析其原因，可能是真实手术中存在软组织以及接触面的摩擦力在软件中反馈不确所致。下一步工作将对本次研究的缺陷予以改进，提高术前虚拟手术的仿真程度，进一步提高手术效率。

本研究结果显示，股骨干骨折髓内钉固定术于术前进行三维重建虚拟设计与模拟手术，在缩短手术时间和减少术中X线照射时长方面有显著效果。手术前的模拟手术分析显示了较好的参考作用，值得临床推广应用。但由于技术与设备的限制，基层医院开展比较困难，特别是复杂的股骨干粉碎性骨折的复位与固定模拟手术需要有一定的技术积累。

参考文献：

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基金:南宁市科学研究与技术开发计划项目(20133176);广东省医学科研基金(A2019334).