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吻合血管腓骨移植的数字化设计与初步临床应用

任高宏 主任医师 南方医科大学南方医院 创伤骨科
2009-06-05 1756人已读
任高宏 主任医师
南方医科大学南方医院

    【摘要】 目的 探讨吻合血管腓骨移植数字化设计修复长段骨和(或)软组织缺损的临床应用价值。 方法 选择四肢长段骨缺损患者9例,术前血管造影后即行螺旋CT供区小腿扫描。将扫描数据输入Pentium E微机,应用Amira3.1软件对腓骨及其营养血管进行三维重建与立体显示。术前根据患者骨缺损的长度、形态及软组织缺损面积,利用三维重建图像进行精确测量和个性化设计,在供区小腿设计腓骨(皮)瓣的点、线、面,并模拟手术关键操作,术中仔细核对腓动脉与重建血管走行,并依术前设计切取腓骨(皮)瓣,移植于骨缺损受区进行妥善固定。参照Enneking系统对患肢功能进行等级记分评价,以达到正常肢体功能的百分数表示,参照国际挽救肢体专题讨论会制定的“同种及带血管移植的放射学评价方法”对移植腓骨的转归进行影像学评价。 结果 三维重建图像直观、形象、生动体现了腓骨、营养血管及腓动脉穿支皮瓣的三维结构及空间毗邻关系,重建结构均能单独或组合显示,还能绕任意角度旋转。通过数字化设计和模拟手术操作,可避免术中因小腿血管损伤或血管变异导致腓(骨)皮瓣切取失败和供区的意外损伤。9例移植的腓骨(皮)瓣全部成活,包括3例软组织缺损患者,未发生血管危象。术后随访6~30个月,平均15.8个月,骨缺损均修复,平均骨性愈合时间4.5个月,肢体功能恢复率90.4%。 结论 吻合血管腓骨移植的数字化设计可为修复长段骨缺损选择手术方案提供科学依据,方便术前模拟手术、术中指导操作,降低手术风险。南方医科大学南方医院创伤骨科任高宏

    【关键词】 计算机辅助设计;三维重建;数字化设计;外科皮瓣;腓骨移植;骨缺损

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    作者单位:510515  广州市南方医科大学南方医院创伤骨科

    联系方式:020-62787200;E-mail:doctor020 @ 163.com

    注:本文发表于      中华骨科杂志,2009, 29 (2): 128-133.

 

    Digital design and preliminary clinic application of vascularized fibular graft.

Ren Gao-hong, Ren Yi-jun, Pei Guo-xian, et al. Nanfang Hospital, Nanfang Medical University, Guangzhou 510515, China.

     【Abstract】  Objective  To explore the clinical value of the digital design of vascularized cutaneous fibular flap to repair the defect of long bone and/or soft tissue. Methods Nine patients with long bone and/or soft tissue defect were slected. Each of the donor site’s leg was continuously scaned by the contrast-enhanced spiral CT angiography. After the scanned data had been inputted into the Pentium-E-computer, image segmentation and three-dimensional surface reconstruction were complished by Amira 3.1 software. Then accurate measured through the 3D reconstruction image and individual digital designed according to the length and morphology of bone and the range of soft tissue defect of patient carried on, Dot, line and area of the cutaneous fibular flap can be determined and simulated surgery can be realized. Noticed to compare the fibula artery with 3D reconstruction artery in the operation. When fibular flap based on the preoperative design was harvested, it can be transplanted and reliably fixed on the bone defect of the recipient site. Limb function was graded with Enneking\"s system, and presented as percentage of normal limb function. The changes of the vascularized fibular graft were evaluated radiographically according to the International Symposium on Limb Salvage. Results 3D reconstructed visualization cutaneous fibular flap could perfectly display the spatial relationship of the fibular, nutrient vessel and the fibular artery perforator flap, Those 3D images could also be display alone or together and rotated in any direction. It can be effective avoided the operation failure and unintentional injury by digital design and surgical simulation before operation caused by the vascular injury or variation in the donor site. The fibular flap had survived well in all the 9 cases, including fulfilled the cover of soft tissue defect in 3 cases. No vascular crisis occurred. All patients undergone vascularized fibular grafted were followed-up for an average of 15.8 months (range, 6 to 30 months), All of the fractures healed up, the time for fracture union was in average 4.5 months. Nine patients had the averge limb function restored in 90.4%. Conclusion Digital design of vascularized fibular graft offers scientific ground for selecting surgical plan, and provides much convenience to surgical simulation before operation and guide manipulation in operation, and greatly decreases operation risk.

 

     自1975年Taylor等[1]首次报告应用吻合血管的腓骨移植治疗外伤性胫骨大段骨缺损以来,吻合血管腓骨(皮)瓣移植由于腓骨的长管状骨属性和足够的可供移植长度,血供丰富、血管蒂解剖恒定、供区功能损伤小,可携带腓动脉穿支皮瓣进行复合组织移植等优点,已广泛应用于临床修复长段骨缺损并取得显著疗效[2,3]。但腓骨营养血管蒂位置深在,游离移植创伤较大,部分患者存在先天血管畸形及解剖变异,或因创伤导致小腿血管损伤,使手术难度和风险增大[4,5]。如何降低手术风险,提高手术安全性和精确性,减少术者对既往经验的依赖,成为该术式进一步推广应用的“瓶颈”。本研究根据患者术前螺旋CT二维图像,利用工具软件三维重建患者数字化腓骨(皮)瓣及血管,并以此进行术前设计和模拟操作,指导术中腓骨瓣的切取。

资料与方法

    一、一般资料

    2006年5月至2007年12月需行腓骨游离移植修复的长段骨缺损患者9例,男5例,女4例;年龄1.5~48岁,平均28.5岁。骨缺损原因与程度:肱骨缺损3例(肱骨陈旧性骨缺损2例,肱骨动脉瘤骨囊肿术后复发1例),桡、尺骨陈旧性骨缺损各1例,股骨骨缺损2例(其中1例合并慢性骨髓炎),胫骨骨缺损2例。缺损长度6~18cm,平均9.6cm,其中3例合并局部软组织缺损。

二、三维重建与数字化设计方法

    (一)游离腓骨(皮)瓣二维图像数据的获取与三维重建

    术前经肘正中静脉注射非离子型造影剂碘普罗胺注射液300(通用名优维显300注射液,拜耳医药广州分公司),以64层螺旋CT(美国GE公司)行连续腓骨扫描,范围由髌骨上缘至踝关节。将扫描数据以“.DICOM”格式导出并输入个人Pentium E计算机。应用重建软件Amira 3.1对CT扫描的原始数据分别进行骨骼与血管分割:对骨骼采用自动阈值分割,然后进行图像除噪和光滑处理;对微小血管则联合采用手动分割和(或)自动分割。调整匹配颜色后进行表面观察和等值面重建腓骨、小腿血管及腓动脉穿支。通过重建图像多方位立体观察血管、腓骨的解剖结构及其空间毗邻关系,同时观察小腿血管的走行及腓动脉穿支位置。

    (二)游离腓骨(皮)瓣的数字化设计

    根据患肢骨缺损长度,应用Amira自带测量工具测量拟切取的供区腓骨长度、血管蒂及腓动脉穿支位置,然后设计和显示腓骨及腓骨皮瓣的切取位置。将切取腓骨瓣数据以“.stl”格式输入Amira软件,将游离腓骨部分实体化,其他组织透明化,根据人体颜色匹配着色后多方位旋转观察血管、骨骼之间的相互关系及是否出现血管变异,必要时制作Movie。术前将重建图像仔细演示,根据重建图像在患者小腿供区设计腓骨(皮)瓣的点、线、面。

    三、游离腓骨(皮)瓣的临床应用

    (一)手术方法

    根据术前重建图像设计切取腓骨(皮)瓣。在腓骨中上段沿腓骨长轴切开,如需同时切取皮瓣,可根据重建图像显示的穿支血管位置及受区皮肤与软组织缺损的大小设计皮瓣。在切开皮下组织至深筋膜时,找到穿支血管并加以保护,注意切取带腓动脉的穿支皮瓣及腓骨的完整性。然后沿腓骨长、短肌和比目鱼肌之间到达腓骨,根据术前设计截取超过骨缺损长度1~4cm的腓骨,保护腓骨骨膜并保留0.5cm左右肌袖。将腓动、静脉解剖分离后,与重建血管走行仔细核对无误后切断结扎,以温盐水纱布包裹备用。将受区骨缺损部位的瘢痕组织清除干净,咬除两残端硬化骨质,打通髓腔。将移植腓骨(皮)瓣两端桥接嵌入受区骨缺损区并以交叉螺钉或克氏针固定稳妥后,吻合腓动、静脉。本组2例血管长度不够者依术前设计取小隐静脉移植桥接修复。全部病例切取腓骨瓣长度6~18cm,平均9.6cm。手术严格按照重建图像设计切取血管蒂,对近端未被设计为腓骨瓣供血的分支予以结扎,并在骨膜下剥离,避免损伤血管蒂。

    (二)临床疗效评价方法

    参照Enneking系统[6]对患肢功能进行评价。上、下肢功能从六个方面、每项分为0~5分共六个等级,累计积分除以满分30分,即为肢体功能达到正常功能的百分数。参照国际挽救肢体专题讨论会制定的“同种及带血管移植的放射学评价方法”[7]对移植腓骨的转归进行影像学评价,包括愈合等级、骨折、移位及腓骨直径的变化等。

 

    一、三维重建结果

    6例三维重建腓骨及3例腓骨皮瓣均能清晰准确、立体直观地显示腓骨及营养血管的正常及变异情况的位置、形态和大小,并能多角度观察腓骨和小腿血管的空间毗邻关系。重建结构均能单独或搭配显示,还能多方位、任意角度旋转(图1)。应用软件自带测量工具,可准确测量出腓动脉及穿支血管的位置(表1),用于指导手术设计和操作。如遇可疑之处,可避开重叠血管和(或)骨骼的影响,任意添加血管和周围软组织伪彩,充分暴露腓动脉及其分支与皮瓣穿支,必要时将腓骨瓣以外骨骼移除或透明化,准确显示其供血动脉(图2)。另外可根据骨及软组织缺损情况(图3),自由切割腓骨,预设腓骨(皮)瓣的形状,模拟手术操作(图4)。

    二、临床结果

    术中探查9例腓骨及腓动脉主干血供均与三维构建相符,3例重建皮瓣显示穿支在术中定位准确,术中未探及的血管穿支直径均小于0.3mm。9例移植腓骨(皮)瓣全部成活,未发生血管危象。伤口一期愈合,包括1例股骨骨髓炎患者。术后随访6~30个月,平均15.8个月。骨缺损均修复。

    肢体功能参照Enneking系统评分,本组9例术前评分12~15分6例,8~11分3例,平均13.1分,肢体功能相当于正常健侧平均的41.2%;术后评分26~30分优7例,21~25分良2例,平均27.1分,肢体功能恢复率平均90.4%,其中股骨缺损功能恢复较差,胫骨缺损次之。

    影像学评价:术后3~8个月开始骨性愈合,平均愈合时间4.5个月。骨性愈合后移植腓骨受应力作用逐渐代偿性增粗,术后10~30个月,增粗至与受区骨骼相似,无再骨折和骨质吸收,仅1例轻度成角。所有患者均无供区踝关节外翻畸形及腓总神经支配区感觉异常,踝关节活动正常(图5~7)。

    表1 9例长段骨缺损患者三维构建腓骨骨(皮)瓣图像测量结果

讨 论

    一、吻合血管腓骨(皮)瓣移植数字化设计的意义

    数字化人体研究将人体结构信息数字化与可视化,使人们不仅能够通过计算机三维动态、交互观察人体整个或局部解剖结构的大小、形状、空间位置和毗邻关系,进行定量分析测量和动态模拟,掌握某个器官或组织结构在人体三维空间的准确定位和测量数据,而且可通过三维模型对人体结构的皮肤、肌肉、血管、神经和骨骼单独或任意组合显示,使得医生能够精确直观观察和处理病灶及其毗邻的组织器官,进行治疗方案选择、外科手术设计,模拟手术操作或指导医师手术,使术前设计、术中操作、术后效果评价更加科学,提高了手术的安全性和精确性,降低了手术风险,减少了并发症,并可实现手术仿真设计、模拟训练甚至远程手术操作[8]

    尽管游离腓骨(皮)瓣移植成为目前6cm以上的长段骨缺损不可替代的修复方式,但由于腓骨血管解剖困难,对术者的临床经验要求较高。目前多采用师带徒一对一的训练模式,学习效率低,学习曲线较长,制约了该术式的推广。此外,小腿的血供无论动脉、静脉还是皮肤穿支均存在变异[8~10]术前如果未能发现小腿血管存在变异、病变或损伤时,术中可能极为被动,术者甚至需要更改手术方式或放弃手术。Kessler等[5]对52例拟行腓骨移植的患者小腿进行血管造影,其中21例患者腓动脉正常,31例存在解剖变异或血管硬化病变。他认为腓骨移植前患者下肢血管造影有助于减少或避免供骨区术后缺血等并发症。Jin等[9]对拟行游离腓骨皮瓣移植的118例病人进行多层螺旋CT(MDCT)血管造影,其中82例正常,30例存在血管变异,6例存在周围血管闭塞性疾病。他认为CT血管造影是术前选择腓骨皮瓣移植的合适小腿供区的可靠影像学检查方法。Young等[10]报道表明在拟行游离腓骨瓣移植的患者中,因腓动脉变异而改变原手术计划的比例高达25%。

    本研究结果表明,9例长段骨缺损患者的重建腓骨(皮)瓣不但能精确、直观地显示移植腓骨及其营养血管的三维结构和空间毗邻关系,还可在三维空间将腓骨、小腿血管、腓动脉穿支皮瓣单独或组合任意显示、测量、旋转、切割、重组、缩放。个性化的三维重建图像为术前设计和术中操作提供了极大便利:一方面,术前根据患者骨缺损的长度、形态及软组织缺损面积,利用三维重建图像进行精确测量和个性化设计,在供区小腿设计和标记腓骨瓣的点、线、面、腓血管蒂的位置与长度、腓骨两端残留长度、穿支皮瓣的位置与面积等,并可模拟手术关键操作。另一方面,术中只需按照术前测量和标记的腓骨瓣及穿支皮瓣的位置切取,并注意核对腓动脉与重建血管走行即可,不仅方便了术中操作,缩短了手术时间,提高了手术精确度,而且可避免误损伤或因血管变异造成的手术风险,未出现供区神经与血管损伤等并发症。

    二、腓骨(皮)瓣移植数字化设计的优势与不足

    目前大型医用影像设备自带的三维重建软件均需依托庞大的图像工作站进行,脱离其工作站后重建图像就只能以二维形式输出,不能直接用于计算机辅助手术设计[11];同时这些影像设备实施了硬、软件的双重加密处理,且其二维图像输出的标准不统一,难以进行个性化处理 [12],限制了其临床作用的发挥。

    近年来,随着血管造影方法及医学图像三维重建技术的不断发展,将通过CT、MR和人体连续组织切片获取的二维图像经过识别、配准、分割后,利用工具软件等在图形工作站或个人电脑上进行的骨皮瓣数字化设计,改变了传统的设计与操作模式[12~15]。目前64排螺旋CT和3T-MR均能提供人体薄层断面的清晰图像,可视人体数据库为真彩色图像,能清晰显示皮瓣穿支等微细血管。医学图像三维重建软件Minics、Amira等均具有功能强大的高级数据可视化系统。利用三维重建工具软件可使临床医生方便地根据患者受区骨及软组织缺损的部位、程度,对供区腓骨(皮)瓣的二维图像进行三维重建和数字化设计,制定最佳手术方案,模拟关键手术操作,缩短学习曲线,提高学习效率,避免术中因血管异常造成手术方案改变或增加手术风险。

    但由于CT、MR和人体切片二维图像分辨率的精度限制影响了三维图像的重建质量,重建三维解剖结构和设计三维手术场景对个人PC机的软硬件及系统结构等提出了更高的要求,现有的三维重建软件价格昂贵等,限制了其推广应用。

    三、数字化腓骨(皮)瓣移植的临床应用

    64层螺旋CT需行血管造影扫描后才能进行重建,重建的腓骨、皮瓣及血管显示良好,但仍需部分人工分割血管;而由16层螺旋CT扫描重建仅能显示血管主干,不能显示微细血管尤其是穿支的情况。因此我们主张三维重建采用64层螺旋CT扫描。本组9例均采用64层螺旋CT扫描。术前根据患者骨缺损的长度、形态及软组织缺损的大小,利用三维重建图像进行精确测量和个性化设计,在健侧小腿准确设计腓骨(皮)瓣的点、线、面并模拟手术关键操作;同时仔细分析患者图像资料,术中有的放矢,避免了腓动脉阻断观察患肢血运等操作步骤,明显减少腓骨(皮)瓣切取的手术时间;对于重建皮瓣不能显示穿支的位置,术中谨慎操作,避免损伤皮瓣穿支,以降低手术风险。此外,通过术前准确的测量血管蒂的长度,与受区血管准确匹配。术中虽未出现不适合于移植的血管变异或异常的情况存在,但仍需注意仔细核对腓动脉与重建血管走行,并依术前设计切取腓骨(皮)瓣,移植于骨缺损的受区并进行妥善固定。对2例血管蒂过短的病例,于术前设计好同时取供区的小隐静脉移植桥接修复,另有2例受区仅有一条主干血管,为防止端侧吻合后发生血管栓塞,本组采用腓动脉桥接于受区主要动脉的方法保留肢体的主要供血动脉,术后均未出现血管危象,我们认为这得益于术前的准确数字化设计,避免了因血管过短导致的痉挛。另3例合并骨与软组织复合缺损者,术前三维重建可清晰地显示腓骨周围的弓状动脉与皮瓣穿支血管位置,为术中腓骨穿支皮瓣的切取提供了极大便利。携带复合腓骨骨皮瓣不仅骨骼匹配良好,而且皮瓣大小合适,复合组织缺损获得了一期修复。从本组结果可以看出,腓骨(皮)瓣移植的数字化设计可以准确反映腓骨(皮)瓣的正常三维动态解剖,改变以往凭主观经验制定手术方案的形式,提高了术前设计的科学性和术中操作的安全性,为显微外科领域骨皮瓣移植提供了全新的设计模式与技术手段。

    综上所述,本研究对腓骨(皮)瓣的数字化设计为修复长段骨缺损选择手术方案提供了科学依据,并可术前模拟手术、术中指导操作,缩短了手术时间,降低了手术风险,是一种新的较为实用的技术方法。但作为初步探索,目前对二维图像的配准与分割仍较繁锁,重建的图像仍不能清晰显示供区的神经等结构。随着计算机技术、虚拟现实技术以及影像技术的发展,人体数字化研究将会在骨科临床得到更加广泛的应用。

参 考 文 献

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    3. 刘亚平,程国良,潘达德,等. 带血管腓骨移植的远期疗效报告. 中华骨科杂志, 2001, 21: 22-26.

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    5. Kessler P, Wiltfang J, Schultze-Mosgau S, et al. The role of angiography in the lower extremity using free vascularized fibular transplants for mandibular reconstruction. J Craniomaxillofac Surg, 2001, 29: 332-336.

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    8.  Kessler P, Wiltfang J, Schultze-Mosgau S, et al. The role of angiography in the lower extremity using free vascularized fibular transplants for mandibular reconstruction. J Craniomaxillofac Surg, 2001, 29: 332-336.

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