股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定的數(shù)字化方案關(guān)鍵技術(shù)

鄭 鋒, 陳宣煌, 蔡涵華, 張國棟, 林海濱, 高小強(qiáng)

(莆田學(xué)院附屬醫(yī)院 骨科， 福建 莆田 351100)

0 引言

目前, 股骨頸骨折的內(nèi)固定手術(shù)治療方式多種多樣[1], 空心加壓螺絲釘?shù)目招慕Y(jié)構(gòu)能避免骨內(nèi)高壓, 對(duì)骨折干擾少, 其內(nèi)固定技術(shù)具有創(chuàng)傷較小、 操作簡易、 骨折較容易愈合等各種優(yōu)點(diǎn), 近年來已成為非高齡股骨頸骨折的首選治療術(shù)式[2-3]。 經(jīng)過臨床上股骨頸骨折內(nèi)固定物選擇及固定方式的不斷研究, 手術(shù)醫(yī)師普遍認(rèn)為在股骨頸的位置置入空心釘對(duì)維持骨折端穩(wěn)定有很大程度的幫助。 在股骨頸細(xì)窄的長軸中貼近邊緣皮質(zhì)置入三枚螺絲釘本身就存在較大難度, 這就對(duì)螺釘長度、 空間排布及置入方向提出了嚴(yán)格要求。 國內(nèi)外學(xué)者基于數(shù)字醫(yī)學(xué)、 虛擬人體數(shù)字化設(shè)計(jì)手術(shù)方案已在骨科臨床應(yīng)用的不斷推廣, 提出骨科數(shù)字醫(yī)學(xué)的理念[4-5]。 數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于骨科手術(shù)方案設(shè)計(jì)有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗(yàn)手術(shù)的不足。 隨著解剖學(xué)研究的深入、 影像診斷先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展、 骨科固定理論的更新, CT 薄層高速螺旋掃描及數(shù)據(jù)處理形成圖像技術(shù)能重建出清晰準(zhǔn)確的立體三維圖像, 從而可對(duì)內(nèi)固定螺釘?shù)闹睆健?長短和放置位置、 置釘方向進(jìn)行設(shè)計(jì),為個(gè)體化治療骨折的手術(shù)提供參考。 本文通過Mimics軟件三維重建、 設(shè)計(jì)釘?shù)馈?測(cè)量置釘方向及深度, 設(shè)計(jì)并3D 打印導(dǎo)航模塊用于術(shù)中導(dǎo)向,充分優(yōu)化螺釘在股骨頸及股骨頭置入位置, 可以實(shí)現(xiàn)良好的生物力學(xué)性能, 達(dá)到更優(yōu)的手術(shù)效果。

1 材料與方法

1.1 材料

φ6.3mm 空心釘、 內(nèi)六角空心螺絲刀、 φ5.5 mm 自鉆型空心絲錐及相應(yīng)的手術(shù)器械。 22 側(cè)防腐成人尸體下肢標(biāo)本(由莆田學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部解剖教研室提供)。

1.2 方法

1.2.1 股骨頸內(nèi)固定方案數(shù)字化設(shè)計(jì)

將CT 薄層掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 軟件, 在三維重建的模型上, 以Load STL 引入空心釘STL文件, 以Move 及Rotate 方式完成股骨頸虛擬內(nèi)固定。 導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)： 1) 拔模增厚獲取股骨近端2.5 mm 增厚層； 2) 隱性切模： 在股骨近端前面、 外側(cè)面及后面等多個(gè)視角進(jìn)行隱性切割增厚層獲得卡位模塊； 3) 導(dǎo)航模塊構(gòu)建： 以Simulation Rescale Object 將諸釘?shù)乐睆椒糯? 倍,切短用作釘?shù)乐С种?布爾運(yùn)算(卡位模塊+支持柱) - (股骨+釘?shù)? 獲得導(dǎo)航模塊。 制作導(dǎo)航模塊文件并輸入3D 打印機(jī)進(jìn)行打印。 股骨頸內(nèi)固定方案數(shù)字化設(shè)計(jì)過程如圖1 所示。

圖1 股骨頸內(nèi)固定方案數(shù)字化設(shè)計(jì)

1.2.2 3D 打印導(dǎo)航模塊輔助股骨頸內(nèi)固定

手術(shù)入路： 股骨近端外側(cè)入路。 切口為股骨大轉(zhuǎn)子向遠(yuǎn)端延伸4 cm, 切開皮膚、 皮下組織、闊筋膜, 分離部分臀大肌, 顯露股骨大轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子下骨膜。

導(dǎo)航模塊卡位： 以骨膜剝離器清除大轉(zhuǎn)子與股骨近端連接處外側(cè)面的骨膜, 實(shí)施導(dǎo)航模塊卡位。 導(dǎo)航模塊正確的卡位手感為導(dǎo)航模塊無法向上、 向后及向內(nèi)側(cè)推動(dòng)。 必須在術(shù)野良好顯露,導(dǎo)航模塊無軟組織阻擋時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航模塊卡位； 必要時(shí)可在導(dǎo)航模塊的近端、 遠(yuǎn)端置入克氏針將模塊臨時(shí)固定。

以電鉆置入φ2.5 mm 克氏針, 拔出導(dǎo)航模塊, 以φ5.5 mm 空心絲錐攻絲, 以內(nèi)六角空心螺絲刀旋入φ6.3 mm 空心釘, 如圖2 所示。

圖2 3D 打印導(dǎo)航模塊輔助股骨頸內(nèi)固定

1.2.3 術(shù)后三維配準(zhǔn)及術(shù)前術(shù)后的進(jìn)出釘點(diǎn)比較

術(shù)后各標(biāo)本均進(jìn)行CT 薄層掃描, 以Mimics軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建等處理。 在Mimics 軟件中以Merge 先合并左側(cè)股骨近端與左側(cè)3 根螺釘, 同法合并右側(cè)股骨近端與右側(cè)3 根螺釘, 三維配準(zhǔn)。 將合并后的左右模型STL 格式文件輸出至術(shù)前Mimics 設(shè)計(jì)的釘?shù)繫ask 文件中, 以Move &Rotate 分別移動(dòng)至術(shù)前左右股骨近端的大致位置,分別3 次操作命令Global Registration Registration完成術(shù)后與術(shù)前股骨近端的三維配對(duì)校準(zhǔn)。

手術(shù)前后的進(jìn)、 出釘點(diǎn)各自三維空間坐標(biāo)值提取： 以MedCAD Create Point 構(gòu)建術(shù)前、 術(shù)后的進(jìn)、 出釘點(diǎn), 以Export TXT 方法輸出所有釘點(diǎn)三維坐標(biāo)值, 按偏移值每1 mm 遞增的精度要求對(duì)進(jìn)出釘點(diǎn)進(jìn)行卡方檢驗(yàn)及相關(guān)分析。 采用SPSS 21.0 軟件統(tǒng)計(jì)處理數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)結(jié)果以(x±s) 表示, 以α = 0.05 為檢驗(yàn)水準(zhǔn), P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, P＞0.05 為差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 如圖3 所示。

2 結(jié)果

圖3 三維配準(zhǔn)及進(jìn)出釘點(diǎn)比較

左右兩側(cè)股骨頸共置入螺釘66 枚, 0 枚穿出股骨頸骨皮質(zhì)外, 置釘準(zhǔn)確率100%。 術(shù)前與術(shù)后進(jìn)釘點(diǎn)的偏移值為0.43 ～4.99 mm, 均值為2.27±0.82 mm； 而術(shù)前與術(shù)后出釘點(diǎn)的偏移值為0.98～6.92 mm, 均值為3.78±1.16 mm。

按偏移值每1 mm 遞增的精度要求統(tǒng)計(jì), 卡方檢驗(yàn)結(jié)果如表1, 進(jìn)釘點(diǎn)精度可達(dá)到3.4 mm,出釘點(diǎn)精度為5.6 mm。

表1 卡方檢驗(yàn)結(jié)果

3 討論

許多研究顯示, 對(duì)于股骨頸骨折特別是有發(fā)生骨折端移位的, 采用骨折內(nèi)固定方法較置換髖關(guān)節(jié)方法的早期死亡風(fēng)險(xiǎn)降低, 另外內(nèi)固定術(shù)還具有手術(shù)時(shí)間較短、 創(chuàng)傷較小、 術(shù)中失血少、 發(fā)生深部組織感染的幾率少、 保留了患者本身的股骨頭解剖結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[6]。 三枚空心釘三維立體固定的方法在空間各個(gè)方向上都保持骨折端的緊密接觸, 很好地防止了骨折斷端在冠狀、 矢狀面上的相對(duì)旋轉(zhuǎn), 所以, 這種固定具備了生物力學(xué)上很好的穩(wěn)定性。 這種內(nèi)固定方法遵循了通常要求的“三點(diǎn)固定” 原理, 即螺釘?shù)尼敿舛艘潭ㄓ诠晒穷^的軟骨下骨約0.5 ～1.0 cm 處, 釘?shù)奈膊恳^固于股骨外側(cè)密質(zhì)骨, 將底面的螺釘(下方釘) 放置于股骨頸上下直徑的中下三分之一處, 盡量不低于股骨小轉(zhuǎn)子下緣水平進(jìn)釘, 避免造成應(yīng)力骨折。 上方兩釘要緊靠股骨頸前側(cè)和后側(cè)皮質(zhì), 螺釘?shù)臈U部避免沿股骨頸中央通過,這樣獲得股骨距、 股骨頭和側(cè)方的股骨頸皮質(zhì)三個(gè)方向的穩(wěn)定固定[7]。 綜合考慮股骨頭血供和生物力學(xué)的穩(wěn)定性, 三枚螺釘平行偏差不超過10°, 呈等腰倒三角形的倒“品” 字分布是較為理想的固定方式[8]。

目前臨床專用置釘定位器并不實(shí)用, 大部分的定位器為等腰正三角平行固定, 不符合生物力學(xué)要求, 有時(shí)需將定位器倒過來使用, 違背原始的創(chuàng)意, 失去精確性。 用國外公司提供的定位器進(jìn)導(dǎo)針, 往往第三根無位置進(jìn)針, 可能和中國人股骨頸較細(xì)有關(guān)。 臨床手術(shù)醫(yī)師為追求理想的內(nèi)固定位置, 反復(fù)調(diào)整導(dǎo)針位置, 在螺釘置入過程中多次鉆孔, 造成力學(xué)強(qiáng)度下降、 骨量丟失, 既增加了創(chuàng)傷又無法縮短手術(shù)時(shí)間[9]。 這樣, 對(duì)股骨頸骨折患者股骨頭髓內(nèi)血供的過多破壞, 加劇了本來外傷導(dǎo)致的血供損害, 股骨頭缺血壞死的發(fā)生率進(jìn)一步增加, 并且臨床上很難做到三枚空心釘平行旋入股骨頸, 所以在實(shí)際操作中很難達(dá)到理想的固定力學(xué)效果。 操作不當(dāng), 股骨頸前傾角及頸干角丟失, 術(shù)后空心釘容易切出, 必然影響內(nèi)固定強(qiáng)度及治療效果。 因此, 為達(dá)到最佳螺釘位置和減少鉆孔次數(shù), 醫(yī)師除了提高手術(shù)技能外, 還可利用當(dāng)前發(fā)展十分迅速的計(jì)算機(jī)輔助骨科技術(shù), 根據(jù)不同的患者制定周密的手術(shù)計(jì)劃, 進(jìn)行詳細(xì)的術(shù)前評(píng)估, 以確定進(jìn)釘?shù)姆较?、選擇螺釘?shù)拈L度、 分布螺釘?shù)目臻g位置等, 實(shí)現(xiàn)制定更加精確的手術(shù)模擬和術(shù)前規(guī)劃[10-11]。 鄭朋飛等開展了3D 打印個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)航模板在兒童股骨頸骨折內(nèi)固定手術(shù)中應(yīng)用的臨床研究[12],但國內(nèi)外關(guān)于股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定的虛擬手術(shù)及解剖標(biāo)本基礎(chǔ)研究較少。

本研究結(jié)果顯示, 進(jìn)針點(diǎn)偏移精度最大誤差低于5 mm、 出針點(diǎn)偏移精度最大誤差低于7 mm,進(jìn)出針點(diǎn)最低誤差均低于1 mm。 綜合統(tǒng)計(jì)進(jìn)釘點(diǎn)精度可達(dá)到3.4 mm, 出釘點(diǎn)精度為5.6 mm,說明術(shù)前數(shù)字化設(shè)計(jì)和術(shù)后實(shí)施效果是高度一致的, 甚至實(shí)現(xiàn)一次性理想置釘, 達(dá)到了螺釘牢靠固定, 避免多次穿刺導(dǎo)致的螺釘易松動(dòng)的不良后果； 而且, 應(yīng)用本文的研究技術(shù)可以最大程度地再現(xiàn)“三點(diǎn)固定” 原理, 特別適合于切開釘板內(nèi)固定手術(shù)的微創(chuàng)操作。 本文涵括CT 薄層掃描, Mimics 軟件三維模型重建、 三維編輯、 三維測(cè)量, 3D 打印, 導(dǎo)航內(nèi)固定置入及內(nèi)固定效果數(shù)字化評(píng)判等一系列步驟, 制定優(yōu)化的股骨頸骨折數(shù)字化內(nèi)固定植入設(shè)計(jì), 完成個(gè)性化內(nèi)固定植入手術(shù)方案, 指導(dǎo)臨床股骨頸骨折實(shí)際手術(shù)。這些步驟均從臨床骨科醫(yī)師的實(shí)際需求出發(fā), 不需要掌握繁瑣的工科理論知識(shí)和非常復(fù)雜的操作技巧即可實(shí)現(xiàn)操作微創(chuàng)、 放射傷害少、 內(nèi)固定精準(zhǔn)、 固定性能優(yōu)良的手術(shù)效果。