非透视下三维可视化技术与二维透视在不稳定型骨盆骨折复位中的应用效果比较

李嘉琦1, 2，陈华2, 3，张伟4，齐红哲1, 5，朱正国1, 2，常祖豪1, 2，祁麟1, 2，周烽4，刘昊扬4，唐佩福2, 3 

1. 中国人民解放军医学院（北京  100853）

2. 中国人民解放军总医院骨科医学部（北京  100048）

3. 国家骨科与运动康复临床医学研究中心（北京  100048）

4. 北京体育大学体育工程学院人工智能体育工程实验室（北京  100084）

5. 中国人民解放军战略支援部队特色医学中心（北京  100101）

基金项目：军队医学科技青年培育计划（拔尖）项目（21QNPY131）；军队后勤科技成果扩试项目（145BHQ0003074X）；科技创新2030-新一代人工智能重大项目（2021ZD0140410）；国家重点研发计划项目（2016YFE0126200）

通信作者：陈华

关键词：骨盆骨折；不稳定型骨折；闭合复位；三维可视化技术

引用本文：李嘉琦，陈华，张伟，齐红哲，朱正国，常祖豪，祁麟，周烽，刘昊扬，唐佩福. 非透视下三维可视化技术与二维透视在不稳定型骨盆骨折复位中的应用效果比较析. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(2): 129-135. doi: 10.7507/1002-1892.202210073 

摘　要

目的

比较采用非透视下三维可视化技术与二维透视下不稳定型骨盆骨折复位质量差异。

方法

回顾分析2021年6月—2022年9月在3家医学中心采用骨盆解锁闭合复位装置治疗的40例不稳定型骨盆骨折患者临床资料，根据术中辅助复位方式不同分为试验组（n=20）和对照组（n=20）。试验组采用非透视下三维可视化技术辅助复位，对照组采用二维透视下复位。两组患者性别、年龄、损伤机制、骨折Tile 分型、创伤严重程度（ISS）评分以及受伤至手术时间等一般资料比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。记录并比较两组患者术后即刻骨盆骨折复位质量（根据Matta复位标准进行评估）、手术时间、术中出血量、骨折复位时间、术中透视次数和系统可用性量表（SUS）评分差异。

结果

两组均顺利完成手术。术后即刻影像学检查示试验组骨折复位质量达优19例（95%），高于对照组13例（65%），差异有统计学意义（χ2=3.906，P=0.048）。两组手术时间和术中出血量比较，差异均无统计学意义（P>0.05）；试验组骨折复位时间、术中透视次数低于对照组，SUS评分高于对照组，差异均有统计学意义（P<0.05）。

结论

与二维透视相比，非透视下三维可视化技术辅助骨盆解锁闭合复位装置治疗不稳定型骨盆骨折，可在不延长手术时间情况下显著提高不稳定型骨盆骨折复位质量，对于减少患者及医疗工作者的医源性放射损伤具有一定价值。

正　文

骨盆骨折约占全身骨折的3%，其中不稳定型骨盆骨折通常由交通事故或高空坠落等高能量暴力导致，首选闭合复位内固定治疗[1-2]。治疗目标是尽可能使骨盆解剖复位并进行恰当内固定，避免严重并发症发生，改善患者功能及预后，复位质量是影响功能结局的重要因素之一[3-5]。然而，由于存在骨盆形状不规则、临床对骨盆移位机制认知尚不充分，以及术中难以在直视下进行复位、在最终固定前维持骨折复位困难等问题，骨盆骨折准确闭合复位仍是一个棘手问题。

基于此问题，本研究团队提出了“解锁复位”理念（Unlocking Closed Reduction Technique），并研发了骨盆解锁闭合复位装置[6-9]。该装置通过2 枚长螺钉（髋臼上横形螺钉及LC-2螺钉）将骨盆固定在骨盆微创闭合复位系统中，再通过旋转推拉与其相连接的复位器，实现骨折复位，初步解决了骨折复位难以维持的难题[10-11]。然而，不稳定型骨盆骨折复位及螺钉植入过程仍需在传统二维透视下反复验证，不仅骨折复位时间长、效率低，而且对患者及医护工作者有较大放射损伤。为此，我们提出了利用三维可视化技术，使用体素数据注册法（图1），将术中实际骨盆与术前CT三维重建骨盆匹配拟合，通过光学导航实现对骨折块的精准追踪及复位，无需传统二维透视也可同时从多个维度实时观察骨折块移位和复位情况，以提高骨盆骨折复位效率，减少术中透视次数。现回顾分析2021 年6月—2022 年9月在3 家医学中心采用骨盆解锁闭合复位装置治疗的不稳定型骨盆骨折患者临床资料，通过与二维透视下骨盆骨折复位质量进行比较，明确  非透视下三维可视化技术的优势。报告如下。

图 1体素数据注册流程示意图

1、临 床 资 料

1.1    一般资料

纳入标准：① 年龄>14 岁；② 骨盆骨折Tile分型为B型或C型；③ 患者知情并自愿参与研究，并签署相关知情同意书。排除标准：① 合并严重心、脑、血管、肝、肾和造血系统严重疾病及精神病；② 严重骨质疏松或存在先天性骨盆发育不良、骨盆畸形。

2021 年6月—2022 年9月，中国人民解放军总医院、中国人民解放军总医院第四医学中心及中国人民解放军战略支援部队特色医学中心共收治42 例不稳定型骨盆骨折患者，其中40 例患者符合选择标准纳入研究。其中，20 例采用非透视下三维可视化技术辅助骨盆解锁闭合复位装置复位骨折（试验组），20 例采用二维透视下骨盆解锁闭合复位装置复位骨折（对照组）。两组患者性别、年龄、损伤机制、骨折Tile分型、创伤严重程度（ISS）评分以及受伤至手术时间等一般资料比较，差异均无统计  学意义（P>0.05）。见表1。

1.2    术前准备

两组术前准备方法一致。患者入院后如生命体征不稳定，立即予以抗休克等生命支持治疗；其他系统损伤请相关科室会诊协助诊疗，并完善相关检查。术前均行患侧股骨髁上牵引，牵引质量为患者体质量的1/10～1/8。仔细评估患者病情，结合 相关医学影像学检查结果制订手术计划。

1.3    手术方法

1.3.1    试验组

① 安装追踪器：骨盆内固定手术前将患者转运至处置室，双侧髂前上棘部位消毒、铺巾，5 mL 2% 盐酸利多卡因注射液局部浸润麻醉下，于双侧髂前上棘近端约2 cm处分别作长1 cm切口，于髂嵴电钻开口后置入追踪器底座，并将双侧追踪器分别固定于左、右侧底座，旋转追踪器底座，使两追踪器均朝向头端。取下追踪器，电钻沿防旋螺钉通道钻孔，拧入直径2.5 mm底座防旋螺钉，术毕无菌敷料覆盖切口处。

② 术前CT扫描及三维模型构建：将患者转移至CT检查室，将双侧追踪器分别安装至底座内和骨盆一起进行CT扫描（层厚1.2 mm，层间距0.6 mm）。扫描完成后取下追踪器，保留底座。追踪器送往消毒，以备后期术中使用。将CT扫描文件以Dicom格式导入计算机HS3D软件，生成骨盆和追踪器三维模型，并将生成的三维模型导入Holosight智能监视导航系统（北京诺亦腾科技发展有限公司）。

③ 三维导航复位前准备：将患者转运至手术室，全麻下仰卧于可透视手术床。术区消毒铺巾后，将患侧股骨髁上骨牵引克氏针固定于手术床尾牵引架，组装骨盆解锁闭合复位装置，将其牢固固定于手术床，连接夹头和连接杆，确认复位架结构稳定。将无菌追踪器固定在底座上，系统自动识别追踪器并完成患者现实骨盆与虚拟三维骨盆的自动注册匹配。在导航系统“三维导航”功能模块界面，调整骨盆角度，多维度观察骨盆移位情况。

④ 复位用把持钉植入：进入导航系统的“三维导航”功能模块界面，复位用把持钉植入通道为双侧LC-2通道及髋臼上横形通道。LC-2 通道起自髂前下棘止于髂后上棘，髋臼上横形通道为臼顶上方约1 cm由外向内穿过2 层骨皮质。利用髂骨斜位和骶髂关节正位入口位视图规划LC-2通道，利用骨盆正、侧位视图规划髋臼上横形通道。分别在健、患侧使用套筒追踪器对齐植钉通道后植入复位用把持钉（Schanz 钉，长400 mm、直径6 mm）。分别将健、患侧的4枚Schanz钉连接于骨盆复位架。

⑤ 三维导航骨折复位：在导航系统的“三维导航”功能模块引导、监视下，通过LC-2 通道、髋臼上横形通道的复位用把持钉以及股骨髁上骨牵引，在三维六个方向上利用解锁复位理念，首先解除断端绞锁，再根据骨折移位方向逆向复位（图2），必要时通过胸带或助手对躯干上部固定以对抗股骨髁上牵引。完成复位后，利用骨盆解锁闭合复位装置维持骨盆稳定。

⑥ 骨折固定前注册：将双平面定位器置于C臂X线机的接收端，摄骨盆入口位、出口位和侧位片，利用导航系统记录双平面定位器在X线图像下的空间位置。将图像导入导航系统，导航系统自动识别定位点以完成注册。

图 2  利用非透视下三维可视化技术多维度实时观察骨盆骨折解锁复位过程（箭头方向表示解锁复位方向）

⑦ 通道螺钉的植钉导航：以骨盆后环骶髂关节植钉为例，基于导航系统的“X线”导航模块，在骨盆入口位和出口位视图监视下规划骶髂螺钉通道。基于三维动作捕捉技术对螺纹针的植入进行实时追踪，利用手持套筒追踪器将视图内的套筒模型对齐植钉通道。确认套筒追踪器与靶心重合后，使用电钻将螺纹针打入。拧入骶髂螺钉，完成骶髂关节固定。C臂X线机行骨盆正位、入口位、出口位及侧位透视，确认骨盆复位及内固定满意后，手术结束。

1.3.2    对照组

① 手术前准备：将患者转运至手术室，全麻下仰卧于可透视手术床。术区消毒铺巾后，将患侧股骨髁上骨牵引克氏针固定于手术床尾牵引架，组装骨盆解锁闭合复位装置，将其牢固固定于手术床，连接夹头和连接杆，确认复位架结构稳定。在C臂X线机透视下于骨盆正位、入口位、出口位、侧位，骶髂关节正位入口位、出口位，髂骨斜位、闭孔斜位等多视图角度观察骨盆移位情况。

② 复位用把持钉植入：复位用把持钉植入通道为双侧LC-2通道及髋臼上横形通道，与试验组一致。透视下利用髂骨斜位和骶髂关节正位入口位视图，将Schanz钉（长400 mm，直径6 mm）植入LC-2通道，利用骨盆正、侧位视图将Schanz 钉植入髋臼上横形通道。分别将健、患侧的4枚Schanz钉连接在骨盆复位架上。

③ 透视下骨折复位：在C臂X线机透视下完成骨折复位，复位理念及方法与试验组一致。

④ 透视下通道螺钉植钉：以骨盆后环骶髂关节植钉为例，在C臂X线机透视下，利用骨盆入口位、出口位及侧位视图反复调整螺纹针的方向及角度，确认无误后使用电钻将螺纹针打入，再进行入口位、出口位及侧位透视确认，拧入骶髂螺钉，完成骶髂关节固定。骨盆正位、入口位、出口位及侧位透视确认骨盆复位及内固定满意后，手术结束。

1.4    疗效评价指标

主要评价指标：术后即刻骨盆骨折复位质量，基于骨盆正位、出口位和入口位X线片采用Matta标准进行评价，分为优（骨折移位≤4 mm）、良及以下（>4 mm）。次要评价指标：手术时间（从切皮开始至皮肤缝合完毕结束）、术中出血量、骨折复位时间（包括骨盆解锁闭合复位装置组装、复位用把持钉植入及骨折复位过程）、术中透视次数（术中复位固定及植入各枚螺钉相应透视次数总和）、系统可用性量表（SUS）评分。

1.5    统计学方法

采用SPSS26.0统计软件进行分析。计量资料采用Kolmogorov-Smirnov法进行正态性检验，符合正态分布时，数据以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本t检验；不符合正态分布时，数据以M（Q1，Q3）表示，组间比较采用Mann-Whitney U检验。计数资料以频数及率表示，组间比较采  用χ2检验。检验水准取双侧α=0.05。

2、结　果

两组均顺利完成手术。术后即刻影像学检查示试验组骨折复位质量达优19 例（95%）、良及以下1例（5%），对照组分别为13例（65%）、7 例（35%），组间比较差异有统计学意义（χ2=3.906， P=0.048）。见图3。两组手术时间和术中出血量比较，差异均无统计学意义（P>0.05）；试验组骨折复位时间、术中透视次数低于对照组，SUS评分高于对照组，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表2。

图 3 试验组患者，女，67岁，Tile C型骨盆骨折

a、b. 术前及术后即刻骨盆正位X线片；c、d. 术前及术后即刻骨盆CT三维重建

3、讨　论

本研究发现，与传统二维透视相比，非透视下三维可视化技术辅助骨盆解锁闭合复位装置能够在不延长手术时间的情况下，提高不稳定型骨盆骨折的复位质量，同时减少术中复位时间和透视次数。非透视下三维可视化技术的主要优势在于：① 通过新型体素数据注册法联合光学捕捉技术在术中实时追踪骨盆骨折块，无需传统二维透视即可在显示屏上从多个维度（骨盆正位、入口位、出口位、侧位，骶髂关节正位入口位、出口位，髂骨斜位、闭孔斜位），直接观察骨折块位置，显著减少了术中透视次数。② 能够对骨折块移位及复位情况进行持续可视化追踪，从而帮助术者充分理解骨盆骨折移位机制，指导术者利用骨盆骨折解锁闭合复位装置对骨折块进行逆向解锁复位，不仅减少了骨折复位时间，还提高了骨折复位质量。

不稳定型骨盆骨折复位质量可能是影响患者临床结局的重要因素之一[5]，术后持续疼痛、下肢不等长或残疾等并发症可能与术中复位不良有关[12]。多项研究表明，在传统二维透视下治疗不稳定型骨盆骨折，平均骨盆残余位移可达5 mm以上（Matta评级为良）[13]。由于受到骨盆周围组织影响，二维影像对于骨盆后环显示效果不佳[14]，且术者需要在复位过程中反复透视验证使骨折块达到预期位置[15]。近年，多种三维计算机辅助导航技术被国内外同行用于指导不稳定型骨盆骨折的闭合复位。Hüfner等[16]将骨盆模型与CT扫描得到的虚拟骨盆相配准，首次使用导航系统（Surgigate®）实时观察及追踪骨盆骨折块并模拟指导闭合复位过程，然而在进行体外精度验证后，并无继续应用于临床的报道。我们考虑可能原因如下：① 作为点配对注册基准的Ti-pin（一种铝合金球）必须于术前放置在骨折线附近，在实际临床环境下无法操作；② 忽略了骨盆周围软组织对实施导航注册的影响等因素，导航的实际精度可能无法达到临床标准。Han 等[17]将骨盆骨折块与骨盆的统计姿势模型相配准，利用术前三维CT及术中二维透视相匹配进行复位指导，达到了良好复位效果，但复位时间及透视次数相较于传统非导航手术并未得到明显改善。针对以上问题，我们提出了一种新型体素数据注册法，实现了虚拟骨盆与真实骨盆在实际临床环境下的高精度配准，并使术中持续追踪骨盆骨折块过程摆脱了对二维影像的依赖。

目前，计算机辅助导航系统所采用的注册方法主要有两类：基于关键特征点匹配的注册方法和基于局部点云匹配的注册方法[18-20]。前者主要用于脑外科手术，通过获取固定在患者身上的外置标志点（如外架）或直接选取患者自身的生理特征点（如鼻尖、眼角、乳突等）在导航系统中的空间位置进行注册[21-22]；后者常用于关节置换手术，通过获取患者局部表面（如髋臼）的空间点云数据，再通过优化拟合算法进行注册[23-25]。然而，以上注册方法的精度均难以满足不稳定型骨盆骨折的复位需求，原因如下：① 骨盆被大量肌肉和内脏包围，骨性关键特征点的空间数据不易测量；② 骨盆是人体最大的不规则骨，局部特征点云覆盖区域较小，造成局部配准误差偏大；③ 骨盆骨折往往伴随各种周围软组织损伤，不宜采用过大、过深的开放切口，术者无法做过多的注册测量工作，也无法保证测量点的精准度。

因此，我们尝试了一种基于体素数据进行注册的方案，通过同时包含光学导航特征点和X线影像特征结构的追踪器，实现了无需人工术中介入的快速注册。临床过程中，术者将该追踪器固定在骨盆上，通过CT扫描或者三维C臂/G臂等设备，结合三维数据建模及智能优化算法，生成了包含骨盆及追踪器的高精度体素模型数据。以此为基础，一方面系统通过双目视觉光学导航系统，对追踪器上光学特征点进行高精度实时定位，另一方面系统对体素模型进行基于特征点、特征线、特征体的全局最优匹配，实现全自动注册。该方法最大化应用了各种空间特征信息，显著提升了注册效率，无需临床过程中人工介入，有效避免了人工干扰误差，与传统主流注册方法相比，注册精度和效率提升，为术中骨盆骨折块的高精度实时跟踪和三维可视化复位导航奠定了基础。

值得一提的是，体外定位追踪器于术前在CT检查室于局麻下植入患者体内，基于CT影像的虚拟骨盆与双侧定位追踪器模型的图像分割在患者转运及术前准备期间即可完成，非透视下三维可视化技术在术中对虚拟骨盆和现实骨盆一键匹配过程仅需 1 min，并不额外增加手术时间。相较于多数计算机辅助导航系统，Holosight智能监视导航系统因一体化、操作体验佳、流程简便等优点，受到使用者们的广泛好评。

然而，本研究也存在一些局限性。目前，由于体外定位追踪器无法植入骶骨，且每枚体外定位追踪器仅用于实时追踪与其相连的骨折块，对于累及骶骨或骨折块过多的严重粉碎性骨盆骨折，利用三维可视化技术进行复位指导的优势并不显著，需在今后的研究中进一步改善。我们还发现虽然三维可视化技术减少了不稳定型骨盆骨折复位时间，但由于通道螺钉的植钉规划需要在不同视图中手动进行，且通道螺钉植钉过程中套筒追踪器容易发生遮挡，需反复调整位置，从而增加了通道螺钉的规划与植钉时间，寻找准确、省时的通道螺钉规划与植钉方法也是目前亟待解决的问题之一。此外，本研究为本课题组利用非透视下三维可视化技术治疗不稳定型骨盆骨折的初步成果展示，由于纳入研究的病例样本量较小，且参与本研究的术者均为经过严格训练并能熟练掌握非透视下三维可视化技术的高年资医生，此技术推广至基层医院后对于不稳定型骨盆骨折的实际复位效果可能与本研究结果存在差异。最后，本研究仅将术后即刻复位质量作为最终观察终点，利用非透视下三维可视化技术治疗不稳定型骨盆骨折是否对患者的远期骨盆骨折复位质量和生活质量有影响，需在今后研究中进一步探究。

综上述，非透视下三维可视化技术为不稳定型骨盆骨折提供了一种复位精准、直观高效的手术方式，且对于减少患者及医疗工作者的医源性放射损伤具有一定价值。

通信作者

陈华，博士，主任医师，教授，博士生导师。美国Indiana university-Purdue university at indianapolis大学创伤中心临床fellow（国家公派留学1年）。从事创伤骨科专业，在关节畸形矫正、陈旧骨折及骨不连、骨折微创手术、血管肌腱功能重建、跟腱断裂的微创治疗、微创截骨治疗关节骨质增生，以及车祸复合伤/多发伤救治方面有丰富经验。现任中华医学会骨科分会创伤学组委员、北京医学会骨科分会创伤学组委员、中国医师协会骨科青年委员会青年委员、中国康复医学会修复重建外科专业委员会青年委员、军队显微外科专业委员会青年委员。主持科技部国家重点研发项目、国家自然科学基金面上项目和青年基金、首都特色专项基金、解放军总医院苗圃基金及转化基金等课题。近5年来以第一完成人获北京医学会科技进步奖（2017年度）、总医院科技进步一等奖1项（2017年度）、二等奖1项（2010年度），军队医疗成果三等奖1项（2012年）。国际发明专利授权3项，国家发明专利授权7项、实用新型专利授权4项，主编专著3部、副主译专著3部，副主编专著1部。以第1作者及通讯作者身份先后发表学术论文35篇，其中SCI收录17篇，Medline收录论文8篇。完成科技成果转化2项；获得产品注册证8项。

第一作者

李嘉琦，中国人民解放军医学院在读硕士研究生，师从陈华教授，主要从事创伤骨科专业骨盆骨折微创治疗的临床与基础研究。

参考文献：略

中国修复重建外科杂志简介

《中国修复重建外科杂志》是由中华人民共和国国家卫生健康委员会主管，中国康复医学会、四川大学主办的国家级医学专业学术期刊。于1987年创刊，月刊，每月15日出版。期刊以“修复缺损、重建功能、改善外形，促进结构、功能、形态的完美结合”为办刊宗旨；学科领域覆盖骨科、手外科、显微外科、整形外科、口腔颌面外科、泌尿外科、神经外科、康复医学、再生医学等。期刊自1997年持续被国际权威医学数据库MEDLINE收录，2021年被美国国立医学图书馆PubMed Central (PMC)全文数据库收录，也是国内三大核心期刊数据库（中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库、中国科技核心期刊）来源期刊，是目前能够综合反映我国修复重建外科领域最高发展水平的学术期刊。期刊于2011年、2014年、2017年和2020年连续入选第2届、第3届、第4届以及第5届中国精品科技期刊。