计算机三维仿真技术辅助复杂足踝部骨折的治疗

1、计算机三维仿真技术在复杂足踝部骨折手术 中的应用章莹1，夏远军1，万磊1，吴文1，谭新宇1，谢会斌1，刘汉辉 1 ，尹庆水1【摘要 】目的：探讨计算机三维仿真技术辅助个体化的复杂足踝部骨折精确治疗的疗效。方法：132例足踝部骨折患者术前进行 CT图像三维重建，计算机三维模拟手术，快速成型与个体 化标本预手术， 123例足踝部骨折患者直接采用传统手术治疗， 对获得随访的病例进行回顾性研 究，记录两组术中复位固定时间，按照美国足踝外科学会足部功能评分系统评估术后踝关节功 能。结果：随访时间 6-36(18 3)个月，计算机辅助组获得随访105例，优60例，良 35例，可10例，差0例，优良率 90

2、.4%，复位固定时间为 (44.35.4 )， 常规手术组获得随访 91例， 优39例， 良32例，可 14例，差 6例，优良率 78.0%，复位固定时间为( 56.35.7)。与传统手术组相比， 计算机模拟手术组复位固定时间明显降低，有统计学意义(P0.05) ,术后优良率也较传统手术组高，但没有统计学意义。结论：计算机三维技术辅助是个体化手术治疗足踝骨折的有效方法， 能有效减少术中复位固定时间并提高踝部骨折手术的精确度。【 关键词 】三维仿真；足踝部骨折；撬拨复位Computer aid designed operation of complicated fracture of foot

3、ankle by 3d simulation techniqueZHANG Ying1 ,Xia Yuanjun1, WAN Lei1 , Wu Wen1, Xie Huibin1, Liu Hanhui1, TAN Xin-Yu1,YIN Qing-Shui1, (1 、 Department of Orthopedics ， Guangzhou General Hospital of Guangzhou Command, Guangzhou 510515, Guangdong, China)【Abstract 】Objective To precisely treat fracture o

4、f foot ankle by 3d simulation through computer aid designed operation and make comparison with those which were treated by simple operation. Methods The CT images of foot ankel fracture of 132 patients were imputed into computer for 3d reconstruction, then the dysplastic height were measured and bon

5、e grafting amout were predicted . According to the height and amout surveyed by computer, individual operation program were made, then the operation were done under C-arm fluoroscopy . 123 patients were treated through conventional operation not by computer aid. Time of fracture reset were recorded

6、in operation. Ankle 1广州军区广州总医院骨科，广州， 510010【基金项目】 ：广东省自然科学基金团队项目() ；【作者简介】：章莹 (1964-) ，男，主任医师，硕士导师，研究方向：创伤与关节外科 。电话 : , E-mail:zhangying_docfunction were assessed by Hintfoot scores after operation in two groups. Results 105 patients in computer-aided group and 91 patients in no computer-aided group

7、 were followed up from 6 months to 36 months, 17 months averaged. six months after operation, the ankle function were evaluated according Hintfoot scoring system. 39 patients were excellent, 32 were good, 14 were middle and 6 were bad, and the finess rate was 78.0% in no computer-aided group.60 pati

8、ents were excellent, 35 were good, 10 were middle and 0 were bad, and the finess rate was 88.57% in computer-aided group. Compared with no computer-aided group, reset time were lower in computer-aided group and the difference is significant between two groups. The finess rate was higher in computer-

9、aided group than its in no computer-aided group, and the difference is statistically obvious. Conclusion Computer aid designed operation of foot bone fracture by 3d simulation technique can be helpful in designing operation schedule individually. And it is capable of increasing efficiency and accura

10、cy in operation. 【Key words 】 : fracture of foot ankle; 3d simulation; bone graft足踝部骨折包括胫骨远端骨折、跟骨骨折、踝关节骨折、距骨骨折、足跗骨骨折、跖趾骨 骨折，这类骨折较为常见，但其治疗效果却不尽人意，究其原因，受制于足踝解剖结构以及生 物力学机制复杂 1 。临床上术者一般很难依据平面图像获得跟骨骨折的整体精确三维图像并在 此基础上进行有效的恢复生物力学机制的个体化骨折治疗方案设计。踝关节周围骨折因骨折复 位不良，使创伤性关节炎成为足踝部骨折的常见并发症 2-3 。本研究采用 CT 图像、计算机三 维重建和

11、三维设计模拟技术，在术前建立足踝部骨折的三维数字模型，以恢复踝关节的胫距关 节面、距骨的距下关节关节面为基准。在测量数据的基础上进行撬拨复位计算机三维虚拟，测 算撬拨复位旋转角度，以及需要撬拨复位的程度，从而设计出使关节面骨折解剖复位的理想方 案。以此设计为术中参考，在C臂机监测下按计算机设计方案手术，获得满意的复位效果。1 资料和方法1.1一般资料与分组 我院 2007年11月至 2009年8月计算机辅助组获得随访的足踝部骨折 105例， 其中男 61例，女44例，年龄1469岁，平均32.5岁。高处坠落伤 49例，车祸致伤 33例，其他致伤 23例。受伤到治疗时间3h5d。传统手术组获得随

12、访的足踝部骨折 91例，其中男51例，女40例， 年龄1664岁，平均29.3岁。高处坠落伤 39例，车祸致伤 21例，其他致伤 31例。受伤到治疗时间3h5d。1.2 CT数据的处理和跟骨骨折三维重建选择患者足踝骨折处 CT平扫DICOM3.0格式数据，扫描层距参数为1mm。在MIMICS11.11中调用图像数据序列，设定 Threshold lin e=1500 (Hou nsfield scale)，启动Region Growing对跟骨建立 Mask像素集合。执行 Calculate 3d form mask，建立以健 侧骨折处三维模型。因为患侧骨折块具有相近的 Hounsfield

13、值，对于骨折块的分割，采用手动逐 层追踪，建立各骨折块的Mask像素集合，由Mask运算出跟骨各骨折块的 3D Object。经Unite布尔运算获得患侧骨折三维模型。调用FEA模块的Smooth功能抛光三维模型表面，减少三维图像信号噪音，以利于选择表面观察点。1.3撬拨复位计算机三维设计对跟骨结节骨折块3D Object采取ROTATE操作，缓慢旋转跟骨骨折块，模拟手术撬拨过程，使Bohler角逐渐恢复至健侧角度。测量跟骨结节撬拨旋转角度，对胫骨远端和三踝骨折的骨折块3D Object采取移动操作，模拟手术复位过程，使骨折恢复正常的位置，并打印出跟骨骨折复位后图片，留作手术中参考。1.4 临

14、床评估 按照美国足踝外科学会 足部功能评分系统评估（hindfoot score），涉及疼痛（40 分），功能（50分）和力线（10分）等三个方面，总分100分，优90100分，良7589分，中50 74分，差50分。1.5影像学评估 常规术后拍摄X线片，包括跟骨侧位和轴位像、踝关节正位、侧位像。1.6统计学方法：随访所得的结果用SPSS11.0软件进行处理。术中观察指标的分析采用t检验，优良率采用X检验，P0.05为差异有显著性意义。2.结果2.1计算机术前方案指导下撬拨复位足踝部骨折手术计算机模拟足踝部骨折复位后打印图片以及计算机测量骨折块撬拨角度为个体化手术提供 了参照（图1-2 ）,使

15、足踝部骨折精确复位成为可能4-5。手术切口采用传统手术切口，直视下用骨刀将塌陷的骨折块撬起恢复关节面平整及高度，用人工骨或自体髂骨条填塞撬起后遗留的空隙，植骨量为620g，根据不同情况用解剖钛钢板、松质骨螺钉进行内固定。撬拨复位在C臂机的透视下可发现复位固定的足踝部骨折与计算机足踝骨折复位后打印图片一致。（图3）。2.2随访随访时间6-36（18 3）个月，计算机辅助组获得随访105例，优60例，良35例，可10例，差0例，优良率90.4%，复位固定时间为（44.3土 5.4 ）,常规手术组获得随访 91例，优39例，良32 例，可14例，差6例，优良率78.0%，复位固定时间为（56.3 5

16、.7 ）。与常规手术组比较，计算 机辅助手术组术中复位固定时间短，差异有显著意义（P0.01 ）如表1.术后功能评分，计算机辅助手术组优良率较传统手术组高，但差异无显著性差异如表2，这可能与例数尚较少有关。表1计算机辅助手术组与传统手术组术中指标术中复位固定时间（min ）计算机辅助组56.3 5.7传统手术组44.3 5.4t值4.5103P值0. 000表2计算机辅助手术组与传统手术组术后6月优良率优良病例数（优良率）计算机辅助组105 (90.4%)传统手术组91(78.0%)值1.418P值0.1653.讨论3.1足踝骨折手术治疗的现状足踝骨折是骨科医生遇到的常见损伤之一。因足踝部骨折

17、常波及关节面，轻微的移位也有 重要的临床意义6-7，虽然移位的足踝部骨折通过闭合复位也可以取得满意复位甚至解剖复 位，但维持这种复位通常需要以长腿石膏托固定于非功能位至少6周，由于康复期较长且并发症多，因此，对于骨折块波及关节面的移位足踝部骨折，如果没有手术禁忌症，主张开放复位内 固定。踝关节面积小、承重大，并接近地面，作用于踝关节的承重应力缓冲小，其承重力线改 变无法被其他关节代偿。踝穴的完整性依赖于腓骨的正常长度及胫骨、腓骨切迹中的精确位置 以及下胫腓联合的完整性8。因此对足踝部累计关节面的骨折要求解剖复位，踝穴的解剖复位，距下关节的解剖复位，早期恢复踝关节活动范围是足踝部骨折的基本原则9

18、。3.2计算机辅助设计足踝手术的优势采用CT图像、计算机三维重建和三维手术设计模拟技术，在术前建立足踝部骨折的三维数字模型，可使骨折的治疗个体化，对骨折的粉碎程度和关节面塌陷程度有明确的了解10。本组病例术前采用CT图像、计算机三维重建和三维手术设计模拟技术，在术前建立足踝骨折的三 维数字模型，并对关节面塌陷的数值进行三维测量，可以从三个方面提高胫距关节面、距关节 面恢复的精确度。其一，进行撬拨复位计算机三维虚拟仿真，使需要撬拨复位的程度与关节面 的恢复相关联。术前模拟撬拨复位可以使术中的撬拨更加心中有数。其二，在三维数字影像技 术的支持下，对健、患侧足踝部进行个体化三维设计和监测，可解决个体

19、差异带来的影响。其 三，计算机辅助设计可预测需要植骨的体积，为术后确定植骨的量提供帮助。随着CT三维重建技术的进步，利用CT三维重建图像可更好地理解足踝部骨折创伤解剖，并能仿真分析治疗效果，为关节面的恢复提供了新的手段。术前进行个体化手术方案设计，手术时间明显缩短，术中出 血量明显减少，与常规手术组相比，有统计学差异。本组患者达到解剖复位，术后功能评分优 良率达88.57%，充分显示了计算机辅助设计后胫骨平台骨折达到解剖复位内固定的优势。3.3三维数字技术在足踝骨折的应用前景数字化测量、计算机模拟、三维仿真等先进技术为临床骨科的研究和治疗技术面提供了新 的思路：首先，传统解剖需要尸体标本采集才

20、能测量的数据现在通过计算机技术可以在正常健 康人群中进行无创测量11-12;其次，随着数字化骨科的发展，数字化引导下快速成型制作三维导航模板的技术日益成熟，模板导航可使原来需要手术医生具备丰富经验的手术变得简单 13-14。足踝部结构复杂，骨折后的状况更为复杂，个体差异非常明显，用功能强大的计算机 和软件自动从CT/MRI数据中提取特征参数及重要几何细节，直接产生足踝部复位前后的骨骼模 型，使术前模拟手术过程、术前预弯钢板、预制螺钉方向模板、预先选择螺钉种类及长度、大 大缩短手术时间等成为可能。因此三维数字技术在足踝部等复杂骨折的手术治疗中将发挥更为 积极的作用。【参考文献 】1 Marx R

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