计算机技术在髋臼骨折中的应用进展

个性化，精确化，微创化是21世纪骨科学的发展方向，这非常依赖于计算机信息技术的广泛应用。由于髋臼骨折的复杂性，传统辅助治疗技术的效果受到很大限制，而计算机技术的飞速发展为这类复杂骨折的处理提供了很好的便利性，本文试简述这方面的进展。

1 三维成像技术的广泛应用

髋臼结构复杂，髋臼骨折属于关节内骨折、治疗要求高，需要在术前利用影像学资料对骨折进行充分准确的评估，制定详细的手术计划。X线平片对绝大多数骨折可做出诊断，但图像重叠，有时因为患者病情难以加拍骨盆出、入口位及髋臼髂骨斜位、闭孔斜位片；二维CT能发现普通平片难以发现的骨折线和碎骨块，但不能提供骨折部位的立体结构；三维CT图像能直观显示骨折处的立体结构，可得到骨折处的空间信息。

Fadero PE等[1]认为骨科手术依赖于影像学，在创伤骨科领域，对于类似于髋臼骨折等的复杂骨折，3D影像重建术方便术者制定术前计划，比如选择合适的手术入路、恰当的骨折复位及适当的内固定。O"Toole RV等[2]的研究证实，CT成像对于髋臼骨折的诊断准确性比平片要高，观察者间一致性比平片好。但影像软件操作对外科医生来说掌握不易，3D影像重建术应该有进一步的发展，以使其更加简单和易于掌握，扩大应用范围[1]。

Gabbe BJ等[3]研究了严重骨盆环损伤患者在两个一级创伤中心就诊时的影像学技术的使用情况，在平片和三维CT重建影像学技术基础上使用骨折分型系统对这类严重骨折进行分析，观察者间一致性也得到了评估，结果表明使用Tile/AO 和Young-Burgess分型系统的观察者间一致性都非常低，非常严重的损伤由于骨折的复杂性而难以进行分型。这表明传统骨折分型方法已经不适用于现代创伤骨科的发展，骨折的数字化分型是发展趋势。

2 术中导航技术的应用

医学影像技术的发展不但术前及术后可以获得人体解剖结构的三维信息，也可以使骨科医生在术中即时获得人体解剖结构的三维信息，更好、更快的进行手术。

Gras F等[4]的实验证实，尽管都没有发生错误的置钉于关节内情况，但使用3D影像导航技术的置钉时间较使用2D影像导航技术所用时间明显减少（尽管3D影像技术采集图像的时间比2D影像技术长），置钉精度更高，因此他们特别推荐在狭窄区域置钉时使用3D影像导航技术。Grossterlinden L等[5]的研究证明，3D术中增强导航技术对于髋臼上置钉技术帮助很大，共有3例错误的置钉案例在实验中被这种技术所发现。他们认为经验较少的外科医生进行骨盆手术时，3D术中增强导航技术是一个有益的工具。

阮志勇等[6]认为Arcadis orbic 3D术中三维导航系统在对皮质骨的显示方面可以与CT相媲美，对关节软骨下的软骨下骨显示比较清楚，判断关节面的复位及螺钉是否进入关节腔的临床诊断价值可以与CT相当。其缺点是设备昂贵、术中射线量大、对软组织及松质骨成像效果差，最明显的缺点是成像范围太小，术中使用不方便。

3 数字技术在医学教学中的应用

医学是一门实践科学，需要通过漫长的学习才能逐步掌握治疗技能，对于外科医生尤其如此。虚拟现实技术可使医学生及低年资医生的实践机会成倍增加，大大提高学习效率。对于类似髋臼骨折这样复杂的骨折，虚拟现实技术对有经验的医生也有很大帮助。Garrett J等[7]的研究表明，在骨科住院医生培训中、对于复杂的骨盆立体结构的的理解是个难点，而3D影像技术是一个有效的培训工具，有助于髋臼骨折类型的学习及正确运用骨折分型系统，在的不同培训阶段，学习效果都明显优于平片和二维CT，对初级住院医师的帮助尤其显著。Hansen E等[8]认为骨科住院医师的学习过程中，与单纯使用非信息化的教学板相比，使用可"实践"的三维骨盆模型有助于增进他们准确判断髋臼骨折类型的能力。Pahuta MA等[9]将医学生及住院医生分成对照组、模型组及虚拟现实组，观察他们学习髋臼双柱骨折的情况。结果表明，虚拟现实组的表现明显比对照组和模型组好，而对照组和模型组的学习情况没有显著性差异。他们认为，在帮助外科医生理解复杂骨折的三维空间结构方面，虚拟现实技术在定性和定量上均明显优于传统的术前计划及策略制定方法。

计算机信息技术在医学生及住院医师培训上的应用，将明显减轻医学生学习负担、加快年轻医生的成长速度，使医生更深刻清晰的理解损伤的本质。

4 计算机模拟手术技术的应用

计算机辅助设计、制造及分析技术使骨科医师可以在计算机中模拟、预测和评估手术效果。外科医生在真正动手术之前，通过计算机信息技术的帮助，在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，能寻找最佳手术方案并提高熟练度。

Mendel T等[10]在CT扫描基础上，利用Amira 4.2三维可视化软件的虚拟技术，测量了骶髂螺钉植入的安全区。他们认为安全区的可视化和最恰当钉道的计算，有助于训练外科医生的空间思维能力、完善术前计划。Puchwein P等[11]利用MIMICS软件模拟经皮植入前柱螺钉（耻骨上支）、后柱螺钉（坐骨）及髋臼上区域螺钉固定手术，测量了钉道长度、植入区最狭窄区域大小、钉道至髋关节的距离。结果表明由于置钉区域非常狭窄，经皮行螺钉固定技术非常具有挑战性，术前计划中利用计算机影像技术确定置钉角度，有助于安全置钉，且可减少手术时间和减少放射损伤。

因此，计算机模拟手术明显较传统的术前规划方式（透明图纸在X线片上绘图等方式）优越，术前准备更为充分、细致。但其推广有赖于软件的进一步优化，有利于临床医生的掌握和使用。

5 虚拟现实技术在骨科的应用

虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等，在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD（头盔显示器）、感觉手套，可以模拟实际情况进行操作。

石晶晟等[12]的研究表明虚拟现实技术可成功融合多种医学影像资源，骨骼和皮肤的提取显像效果最好，血管重建也能获得较好的效果，软组织如肌肉纤维等效果较差。骨科患者的个性化解剖结构均能通过虚拟现实技术成功重建，能利用Dextroscope系统简单模拟相关手术入路，但模拟过程较为简易及粗糙，与实际手术过程仍有较大的差距，目前还难以与真实手术过程相比拟，制约其发展的因素是多方面的，仍需要进一步的探索。

计算机技术在医学上的应用越来越广泛，其核心问题是三维建模，三维建模的关键是图像分割，医学研究者的解剖学知识使其能判断图像分割的准确性，工科研究人员则无法对计算机自动分割结果进行修正。因此，临床医师掌握一定的医用图像软件操作技能，能亲自进行图像的分割和分析是必要的。

参考文献：

[1]Fadero PE， Shah M. Three dimensional （3D） modelling and surgical planning in trauma and orthopaedics[J].Journal of the Royal Colleges of Surgeons of Edinburgh and Ireland （Surgeon）， 2014，9. pii： S1479-666X（14）00044-4.

[2]O"Toole RV， Cox G， Shanmuganathan K， Castillo RC， et al. Evaluation of computed tomography for determining the diagnosis of acetabular fractures[J]. J Orthop Trauma，2010 ，24（5）：284-290.

[3]Gabbe BJ， Esser M， Bucknill A， et al. The imaging and classification of severe pelvic ring fractures： Experiences from two level 1 trauma centres[J].Bone Joint J，2013，95-B（10）： 1396-401.

[4]Gras F， Marintschev I， Klos K， et al.Screw placement for acetabular fractures： which navigation modality （2-dimensional vs. 3-dimensional） should be used？ An experimental study.[J].J Orthop Trauma，2012，26（8）：466-473.

[5]Grossterlinden L， Nuechtern J， Begemann PG， et al. Computer-assisted surgery and intraoperative three-dimensional imaging for screw placement in different pelvic regions[J].J Trauma，2011，71（4）：926-932.

[6]阮志勇，罗从风，张博，等. 下肢关节内骨折术中三维成像的图像评价[J]. 中华创伤骨科杂志，2010， 12（7）： 695-696.

[7]Garrett J， Halvorson J， Carroll E， et al. Value of 3-D CT in classifying acetabular fractures during orthopedic residency training[J].Orthopedics，2012，35（5）：e615-620.

[8]Hansen E， Marmor M， Matityahu A. Impact of a three-dimensional "hands-on" anatomic teaching module on acetabular fracture pattern recognition by orthopaedic residents[J].J Bone Joint Surg Am，2012，94（23）：e1771-1777.

[9]Pahuta MA， Schemitsch EH， Backstein D， et al. Virtual fracture carving improves understanding of a complex fracture： a randomized controlled study[J].J Bone Joint Surg Am， 2012，94（24）：e182.

[10]Mendel T， Radetzki F， Wohlrab D， et al. CT-based 3-D visualisation of secure bone corridors and optimal trajectories for sacroiliac screws[J].Injury，2013，44（7）：957-963.

[11]Puchwein P， Enninghorst N， Sisak K， et al. Percutaneous fixation of acetabular fractures： computer-assisted determination of safe zones， angles and lengths for screw insertion[J].Arch Orthop Trauma Surg，2012，132（6）：805-811.

[12]石晶晟. 虚拟现实技术应用于骨科的初步探索[D].复旦大学，2009.

编辑/哈涛