三维重建技术在Pilon骨折术前规划中的应用进展

韩昕倬，韩大成，周玥钧，剧鑫婕，李吴碧

(首都医科大学附属北京潞河医院创伤骨科，北京 101199)

Pilon骨折是一种由垂直暴力或合并扭转暴力累及胫距关节面的胫骨远端骨折，占胫骨各类骨折总数的5%～7%[1]，常伴有关节面爆裂塌陷、干骺端粉碎和压缩，骨折周围软组织损伤严重[2]。目前，临床上对于Pilon骨折以手术治疗为主，治疗目标是恢复关节的解剖结构与垂直力线，实现骨折愈合与无痛负重[3]。但Pilon骨折治疗对复位和固定要求较高，既要求对位对线良好，又要求关节平面平整，同时需要维持稳定、利于早期功能锻炼。因此，Pilon骨折的术前规划(包括手术适应证的把握、骨折分型的判断、相关结构的测量、内固定物的设计和植入方法、手术入路的选择等)可降低手术风险、并发症发生率，提高踝关节功能优良率，是手术治疗成功的关键。三维重建技术是依托软件实现立体化重建和手术模拟的技术(使用最为广泛的软件是Mimics)，已成为骨科手术技术创新的热点。该技术在Pilon骨折的手术治疗领域也有了一定的实践，主要包括三维重建技术的术前规划、三维建模技术在Pilon骨折微创手术方面的应用、三维重建与3D打印技术的结合用于个体化骨折手术等。现就三维重建技术在Pilon骨折分型、植入物测量与设计、手术入路选择、术前仿真模拟等方面的应用进展予以综述。

1 三维重建技术在Pilon骨折分型中的应用

骨折分型是骨折治疗方案的制订和预后判断的重要依据，采用较为普遍的是“Rüedi-Allgöwer”分型法[4]。杨杰和梁晓军[5]认为由于Pilon骨折的个体差异较大，术前准备中CT及三维重建检查必不可少，这对手术方案的设计、切口和固定方式的选择均有重要意义。影像学资料是判断Pilon骨折分型的重要依据，X线和CT是常用的影像学方法。X线可清晰地显示骨折情况和位置，但是存在重叠且密度分辨率低的问题，无法准确判断骨折类型和病情严重程度[6]。CT清晰度高，能清晰显示骨折的碎裂情况、碎骨块的数量与位置、软组织结构等。然而，对于复杂的踝关节重度骨折，常规CT检查无法全方位、多角度地显示骨折情况，影响临床治疗方案制订的有效性。

目前，国内外医疗界普遍使用多排螺旋CT进行三维重建，其能够弥补二维影像的技术限制，获得立体图像检查结果。但由于踝关节骨折比较复杂，多排螺旋CT三维重建技术形成的图像分辨率存在差异，不可避免地导致误差[7]。Mimics软件可提升CT三维重建的精确性，在骨折分型中发挥重要作用。杨林等[8]利用Mimics 10.01软件对18例Pilon骨折患者的CT结果进行三维重建，通过建立的数字模型进行手术规划，术后根据美国骨科协会足踝外科分会踝与后足评分标准进行评估，结果显示优良率为94.44%。认为CT三维重建技术可以重建骨折内部结构，精确显示骨折块之间的空间位置，由此精准分型。Li等[9]对84例Pilon骨折患者进行分组对照研究，试验组术前采用CT三维重建技术进行骨折分型后再行手术治疗，对照组则采用传统手术治疗。结果显示，与对照组相比，试验组的手术时间缩短、术中出血量明显减少、踝关节功能恢复更好，体现了3D-CT技术在提高骨折分型与治疗方案可靠性方面的作用。上述分析结果显示，利用Mimics软件和CT影像数据建立的三维模型可有效弥补X线和CT技术的不足，可以直观观察骨折内部情况、骨折线走向、各个骨折块解剖形态和移位情况，而且能观察与周围组织的关系，是辅助医师对Pilon骨折进行分型的有效工具。

2 三维重建技术在Pilon骨折植入物中的应用

植骨操作与骨折内固定系统的选择需要精确的空间数据，而传统手术利用二维影像很难获得踝骨关节内部的准确数据。Mimics自带的Tools功能可为Pilon骨折的手术规划提供全面、精准的数据信息，突破了传统手术术前规划的瓶颈。

2.1三维重建技术在Pilon骨折手术内固定物设计中的应用 加入内固定物是不稳定骨折与非手术治疗失败骨折患者的首选治疗方法[10]。Pilon骨折是典型的不稳定骨折(累及关节面)，不仅需要解剖复位，还需要坚强的内固定[11]。由于患者损伤机制不同，骨折形态各有差异，通过三维重建技术重建Pilon骨折模型进行影像学评估，对于正确选择固定物，模拟术中固定步骤起重要作用。覃重航等[12]研究Mimics三维建模辅助治疗Pilon骨折(Ⅲ型)患者的效果，对骨折进行三维重建后，利用Tools进行骨折处容积测量，计算相关骨折复位、固定等所需信息；此外，还使用Mimics软件分析钉道的相关参数，进行螺钉植入模拟。樊文勃等[13]利用三维建模技术进行个体化Pilon骨折治疗的研究。个体化骨折治疗的关键是获得骨折断端、蝶形骨片的形状及旋转角度等数据，这些数据可通过Mimics软件的Tools获得。该研究还利用了3D打印技术，手术前医师利用3D模型设计内固定物的尺寸、种类和形态，并模拟安装位置及置入路径。在手术中，该3D打印模型还被用于辅助安装固定物。陈剑等[14]对70例Pilon骨折患者进行了Mippo技术手术治疗效果的研究，利用数字模型进行骨折复位、选择内固定物、调整钢板位置等模拟手术流程的操作；根据模拟和患者实际情况，制订手术方案完成手术实施。姜双双等[15]在三维重建的骨折模型上，利用导入的各型号器械进行模拟复位骨折块，选用合适的内固定物进行模拟手术，并根据模拟手术结果和实际情况进行术前规划，然后进行钢板内固定手术。

上述研究案例均证明了三维重建技术应用于手术内固定物设计的有效率高于传统手术方法。Pilon骨折复杂的骨骼形态数据的获得，使骨折复位所需的内固定物设计、选择和预置变得更为精准，减少了由内固定物位置不佳甚至失效导致的手术失败事件的发生；利用Mimics软件对Pilon骨折的数字模型相关数据的测量，可以获得传统方法无法轻易获取的骨折形态相关参数，医师可更全面地了解骨折特点，更好地进行手术规划。传统骨折手术治疗方法对骨折情况了解不够全面，医师大多需要多年临床经验的积累才能完成手术。因此，三维重建技术有助于缩短医师技术的成长时间。

2.2三维重建技术在Pilon骨折植骨设计中的应用 植骨是Pilon骨折手术中重要的工作环节，既能填充骨折复位后的骨缺损，又可为内固定提供支撑点或咬合点，同时促进骨痂形成，建立内部稳定性。吴富章等[16]在对粉碎性Pilon骨折的研究中采用大块髂骨及人工骨植入、结合解剖形钢板及外固定器的手术方法，研究的22个病例均采用传统手术疗法，结果根据Mazur标准优良率达77.3%。大块植骨在粉碎性骨折复位手术中的作用不可或缺，孙鸿涛等[17]利用CT三维重建在术前判断发生关节面骨缺损的情况，成功地对19例(22侧)胫骨Pilon骨折进行了骨移植(采用自体髂骨)，重建胫骨远端关节面缺损，并采用手术内固定的方式稳定复位。结果16例(18侧)患者术后随访9～38个月(平均22个月)，关节面解剖复位率达77.8%(14/18)，骨折愈合率达94.4%(17/18)，但Mazur标准优良率仅为66.7%(12/18)。上述两项研究均采取了植骨手术，分别采用内外固定的方式，尽管后者采用了CT三维重建技术，但是并没有在症状与功能评价方面取得较大突破。其原因是部分Pilon骨折在模拟骨折复位后常出现干骺端的骨块缺损，且通过X线和CT检查很难准确计算填充物。黄俭等[18]对61例Pilon骨折患者进行分组对照研究，对照组结合检查结果开展内固定治疗,三维组在对照组基础上利用MimicsⅤ10.0软件进行三维实体重建后开展内固定治疗，结果显示，三维组在节约手术时间、12个月后的疗效方面均优于对照组。王小平等[19]研究了三维重建与虚拟术前规划的手术效果，纳入16例Pilon骨折患者，术前利用Mimics软件设计植骨块并测量其体积，作为术中取骨的参考，结果显示美国骨科协会足踝外科分会踝与后足评分标准评分平均为92.3分；在术后18个月的末次随访中，优良率达93.8%(15/16)。综上所述，随着Mimics等软件三维建模技术的提升，可以进行术前模拟、预先设计植骨块，可在三维模型中将骨折复位的模型和健侧的模型进行对比，不仅可以形成与缺损面契合的较大植入物形状，也可以制作较小尺寸植入物，更好地完成关节的解剖复位，以提高治疗优良率。

3 三维重建技术在Pilon骨折手术入路选择中的应用

严重的软组织损伤是导致踝关节骨折手术并发症发生率较高的主要原因，因此要求术前选择最佳的手术入路。张宪高等[20]在Pilon骨折手术入路的综合研究中，归纳出15种单一入路和联合入路的适应证、优点和局限性，说明手术入路选择的复杂性，提出包括三维重建技术对Pilin骨折手术入路的选择具有重要临床指导价值。目前最佳的Pilon骨折手术入路仍存在争议，必须根据骨折的实际情况进行判断。Mimics软件功能强大，功能模块中设有专门的模拟功能(Stimulation模块)，可供医师在复杂的Pilon骨折手术前进行反复的模拟操作，提高最佳手术入路选择的准确性。

黄宏宇等[21]认为手术入路取决于骨折形态及植入物的位置，前内侧与后外侧双入路是常用的手术入路，并且强调在两切口之间至少应距离7 cm。在其对30例Pilon骨折患者进行的分组对照研究中，利用Mimics 10.01软件三维重建解剖复位及功能复位的成功率高于常规未利用三维建模组。孙少彬[22]对42例闭合Pilon骨折患者进行研究，利用Mimics 21.0软件将CT原始数据导入Mimics软件中进行三维重建，获得患肢蒙版模型。利用分割后的骨折块蒙版的测量观察和模拟复位，确定手术入路，结果利用Mimics建模的患者在手术时间、术中出血量、解剖复位率和优良率方面效果均优于利用X线和CT+三维检查的患者，但是在术后踝关节切口感染发生率、骨折愈合时间方面未表现出优势。而且该研究并没有详细探讨手术入路，但提出骨折骨块间软组织在术中对视野的影响较大，在Mimics模型下设计的手术入路可能在实际操作过程中出现问题。

综上，Mimics软件的三维重建技术在术前为医师提供接近真实的数字模拟功能(Stimulation模块)，帮助医师进行手术入路的选择，可以减少不必要的术中动作和软组织剥离，在精准复位关节面骨块的同时，兼顾软组织保护，从而减少手术并发症的发生。但这种模拟功能与实际手术中的环境仍有差异，需要在术前充分考虑视野受阻时的手术预案。

4 三维重建技术在Pilon骨折手术模拟中的应用

三维重建技术的模拟技术(如Stimulation模块)对术前规划工作有很大帮助。张涛[23]利用Mimics 19.0软件对18例Pilon骨折患者进行对照试验研究，根据Mimics组9例患者的原始CT数据三维重建患肢骨折数字化模型，并对其进行术前模拟复位，指导术中复位应用及内固定的置放；对照组9例患者采用常规诊疗程序。结果表明，Mimics组的平均手术时间短于对照组，认为利用Mimics对患肢进行三维重建后的数字模型进行模拟复位可以缩短手术时间。强敏菲等[24]利用基于CT三维重建技术的计算机辅助术前计划(computer-assisted preoperative planning,CAPP)对27例Pilon骨折患者进行手术模拟和虚拟手术规划，通过CAPP技术模拟复位术前判断单独使用胫骨远端内侧钢板联合拉力螺钉的可行性，结果表明术前规划的内固定方式可行、手术时间缩短、术后踝关节功能恢复优于术前。说明基于三维重建技术的CAPP技术能够在计算机上进行手术模拟以进行术前设计，且疗效满意。

三维重建技术可通过3D打印技术，共同应用于手术模拟中进行术前规划，提高手术质量。王颖等[25]通过文献计量的方法研究发现，Mimics软件从2005年进入中国市场到现在仍处于发展时期，一方面是因为软件供应商不断优化软件功能，不断加强本土化的语言环境；另一方面是因为3D打印技术的发展带动了Mimics的发展，3D打印技术可以打印1∶1的三维立体模型，可使复杂的各种骨折的诊疗方法更加直观、精确，并可执行个性化治疗。3D打印技术在骨科的应用是建立在患者的三维模型基础上，利用计算机建模软件(Mimics)导入患者影像学数据建立三维模型[26]，最后输入打印设备，打印出实体模型，供术前模拟等工作使用。岑怡彪等[27]对80例Pilon骨折患者进行分组对照研究，对照组(40例)给予常规X线、CT三维重建结合手术医师的临床经验行内固定术治疗，观察组(40例)则行以Mimics为基础的三维重建联合3D打印技术完成术前手术模拟，规划患者的内固定术治疗方式。结果显示，观察组患者手术时间短于对照组，踝关节功能恢复优良率高于对照组(90.00%比77.50%)，说明Pilon骨折患者术前采用三维重建联合3D打印技术应用效果更优。李靖等[28]探讨了二维扫描图像转换成可打印的模型的技术处理方法、不同3D打印设备精度与打印速度、3D打印技术在术前规划工作中的益处，认为3D打印技术可以推动医学向精细化、个性化、远程化、微创化的数字医学方向发展。但3D打印技术存在设备材料昂贵、流程复杂、耗时较长等缺点[29]，导致其临床应用受限。向丹和李玉玫[30]认为，三维重建模拟手术操作可以直观展示患者的骨折部位、移位类型和程度，并准确评估病情，可以使用不同的手术方案进行术前模拟，确保手术顺利完成，以保证患者获得较好的预后。总之，三维重建技术联合3D打印技术、Mimics软件(Stimulation模块)的模拟功能、CAPP技术均存在一定的缺点，仍有较大的技术发展空间。

5 小 结

三维重建技术已成为国际医疗界关注的前沿热点，正在改变传统医学的工作方法，未来将在精确定位手术、微创手术等方面带来更多的技术变革。然而，目前三维重建技术在Pilon骨折术前规划领域的研究中仍存在样本量过少的问题，而操作过程中追求绝对牢固固定而过度增加内固定钢板与螺钉的植入，延长止血带使用时间、增加使用次数可导致手术并发症发生率升高。因此，未来需要多中心、大样本的研究，更为全面的医疗效果对比来支持三维重建技术在Pilon骨折术前规划领域的应用。