引用本文： 曹延祥, 趙燕鵬, 胡磊, 李志銳, 鄒雲鵬, 婁盛涵, 張亞芳, 郝明, 張浩, 唐佩福. 基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統的臨床應用研究. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(3): 257-261. doi: 10.7507/1002-1892.201611066 復制
閉合復位空心螺釘內固定術具有創傷小、操作簡便、骨折愈合率高等優點，已成為臨床治療股骨頸骨折常用方法[1-4]。為達到牢固固定，多數學者推薦將 3 枚空心螺釘呈倒三角、相互平行并且空間分布最大化方式植入[4-6]。但由于主要依靠術者經驗在透視下徒手植入，存在植釘不夠精確、對醫生技術要求高以及術中需多次透視、輻射量大等不足[1,7-9]。
為了解決上述問題，中國人民解放軍總醫院唐佩福團隊聯合北京航空航天大學機器人研究所自主研發了基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統，并經中國人民解放軍總醫院倫理委員會批準，于 2014 年開始用于臨床治療股骨頸骨折。現回顧分析 2014 年 1 月—2015 年 10 月使用該系統輔助完成閉合復位空心螺釘內固定術的 20 例股骨頸骨折患者資料，與同期采用徒手植釘完成手術的患者進行比較，分析基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統的臨床應用價值及優勢，為其臨床廣泛應用奠定基礎。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：閉合性股骨頸骨折。排除標準：① 年齡>65 歲；② 伴嚴重創傷或多發傷，不宜行閉合復位空心螺釘內固定術；③ 合并嚴重內科疾病，經評估不能耐受手術者。
2014 年 1 月—2015 年 10 月，共 56 例患者符合選擇標準納入研究。其中，20 例術中采用基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統（試驗組），36 例術中采用徒手植釘（對照組）。
1.2 一般資料
試驗組：男 10 例，女 10 例；年齡 17～64 歲，平均 44.7 歲。左側 12 例，右側 8 例。致傷原因：交通事故傷 12 例，跌傷 6 例，高處墜落傷 2 例。受傷至手術時間 8～77 h，平均 27.55 h。股骨頸骨折根據 Garden 分型標準[10]：未移位型 6 例，Ⅰ型 1 例、Ⅱ型 5 例；移位型 14 例，Ⅲ型 10 例、Ⅳ型 4 例。
對照組：男 19 例，女 17 例；年齡 22～64 歲，平均 47.9 歲。左側 18 例，右側 18 例。致傷原因：交通事故傷 20 例，跌傷 10 例，高處墜落傷 6 例。受傷至手術時間 9～85 h，平均 29.75 h。股骨頸骨折根據 Garden 分型標準[10]：未移位型 11 例，Ⅰ型 2 例、Ⅱ型 9 例；移位型 25 例，Ⅲ型 19 例、Ⅳ型 6 例。
兩組患者性別、年齡、致傷原因、骨折側別、骨折類型、受傷至手術時間等一般資料比較，差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。
1.3 手術方法
試驗組：采用持續硬膜外麻醉下，患者仰臥于骨科牽引床，患肢足部與牽引床腳踏板固定，健側肢體屈膝、屈髖為 C 臂 X 線機預留空間[11]。透視下進行骨折復位，在正位及側位均觀察到股骨頭和股骨頸之間呈光滑 S 形曲線時，判定為復位滿意[12]。確定UR 定位機器人（Universal Robots 公司，丹麥）的位置，將機器人末端定位工具置于患側髖部附近（圖 1a）；操縱 C 臂 X 線機，拍攝包含機器人末端定位工具尖端的標準股骨近端正、側位圖像，圖像包含完整股骨頭、股骨頸以及定位工具尖端；將正、側位圖像導入工作站中進行第 1 枚螺釘（倒三角最下面 1 枚）路徑規劃（圖 1b、c）：藍色直線表示規劃的空心螺釘路徑，紅色直線為機器人空間運動方向，黑色直線為機器人末端套筒定位導針影像；給予機器人運動指令，機器人末端套筒根據規劃路徑運動至目標位置；醫生即可沿套筒方向逐層切開皮膚、皮下及筋膜，準確鉆入第 1 枚導針；同方法規劃第 2、3 枚螺釘路徑，植入導針至股骨頭軟骨下骨 5 mm。再次透視明確 3 枚導針位置無誤后，測量深度，植入空心螺釘（圖 1d、e）。
圖1
手術操作示意圖 a. 確定 UR 定位機器人的位置； b. 正位路徑規劃； c. 側位路徑規劃； d. 植入導針； e. 植入空心螺釘
Figure1.
Schematic diagram of surgery procedure a. Reasonable placement of robot; b. Frontal path planning; c. Lateral path planning; d. Guide pin insertion; e. Cannulated screw insertion
對照組：麻醉方式、患者體位以及骨折復位方法與試驗組一致。骨折復位滿意后，于 C 臂 X 線機透視下調整進針位置及角度，平行于股骨頸長軸線方向貼近股骨距徒手植入第 1 枚導針；透視第 1 枚導針位置滿意后，應用平行導向器于第 1 枚導針前上方貼近于股骨頸前方皮質植入第 2 枚導針，然后應用平行導向器貼近股骨頸后方皮質植入第 3 枚導針。再次透視明確 3 枚導針尖端達股骨頭軟骨下骨 5 mm 后，沿導針方向植入空心螺釘。
1.4 術后處理
術后 24 h 內常規使用抗生素預防感染。術后 3 個月內嚴格臥床，穿防旋鞋；3 個月后患者可扶雙拐下地；X 線片復查骨折愈合情況并確定開始部分負重、完全負重時間。
1.5 療效評價指標
記錄兩組手術時間、術中出血量、術中透視次數、術中鉆入導針次數。X 線片復查觀察骨折愈合情況，并記錄骨折愈合率、骨折愈合時間。末次隨訪時，采用 Harris 評分標準評價髖關節功能恢復情況。
1.6 統計學方法
采用 SPSS23.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t 檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
兩組術后切口均Ⅰ期愈合，無神經、血管損傷等手術相關并發癥發生。試驗組手術時間為（90.10±18.61）min，較對照組（79.36±15.74）min 顯著延長，比較差異有統計學意義（t=2.290，P=0.026）。試驗組術中出血量、術中透視次數、術中鉆入導針次數分別為（19.25±9.50）mL、（11.60±3.15）次、（3.55±0.89）次，均較對照組的（49.58±10.60）mL、（49.64±11.72）次、（14.03±3.61）次顯著降低，比較差異有統計學意義（t=–10.650，P=0.000；t=18.320，P=0.000；t=–16.625，P=0.000）。
所有患者術后均獲隨訪，隨訪時間 12～18 個月，平均 14.7 個月。X 線片復查示，兩組骨折均愈合，無骨折延遲愈合及骨不連發生，骨折愈合率達 100%；試驗組骨折愈合時間為（6.10±2.25）個月，對照組為（5.97±2.17）個月，比較差異無統計學意義（t=0.208，P=0.836）；隨訪期間無股骨頭缺血性壞死等并發癥發生。見圖 2、3。末次隨訪時，試驗組髖關節 Harris 評分為（87.05±3.12）分，對照組為（86.78±2.83）分，比較差異無統計學意義（t=0.333，P=0.741）。
圖2
試驗組患者，男，35歲，右側股骨頸骨折（Garden Ⅳ型）X線片 a. 術前； b. 術后1 d； c. 術后6個月
Figure2.
X-ray films of a 35-year-old male patient with right femoral neck fracture (Garden type IV) in trial group a. Before operation; b. At 1 day after operation; c. At 6 months after operation
圖3
對照組患者，女，47歲，左側股骨頸骨折（Garden Ⅲ型）X線片 a. 術前； b. 術后1 d； c. 術后6個月
Figure3.
X-ray films of a 47-year-old female patient with left femoral neck fracture (Garden type III) in control group a. Before operation; b. At 1 day after operation; c. At 6 months after operation
3 討論
股骨頸骨折是骨科常見病，約占全身骨折的 3.6%[11]，占髖部骨折的 50%[13]，而且隨著全球老齡化及交通運輸業的發展，其發病率逐漸增加[14-15]。傳統股骨頸骨折閉合復位空心螺釘內固定術中，醫生需要在 C 臂 X 線機透視下反復鉆入導針、調整角度，不僅造成局部骨質破壞，降低了內固定強度，而且醫生和患者術中均要接受大量 X 線輻射。除此之外，C 臂 X 線機透視只能提供二維信息，醫生很難保證將螺釘以相互平行及最大化分布植入。近年來隨著醫學影像技術、計算機技術、機器人技術的快速發展，計算機輔助手術系統應運而生[16-20]。以上技術是通過對醫學信息采集設備（超聲、X 線、CT、MRI 等）采集的患者資料進行分析處理，幫助醫生完成手術規劃，指導醫生快速、精準、安全的完成定位和內植物植入[21-24]。在計算機輔助股骨頸空心螺釘手術方面，國內外學者進行了大量研究，研發出了各種導航系統，如德國 Müller 教授的計算機輔助三維導航系統[3]、以色列 Libergall 教授的計算機導航系統[25]、北京天智航醫療器械有限公司的雙平面骨科機器人系統[1,2,9,26-28] 等。以上各系統均能提高手術精確度與操作穩定性，減少術中醫生和患者的輻射，并且在植釘平行性及分散度方面也有了顯著提高，但存在設備昂貴、使用復雜的問題，限制了系統的臨床廣泛應用。
基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統，無需視覺導航設備，無需配準環節，使用簡便。本研究結果顯示，與傳統植釘手術相比，采用該系統輔助手術在術中出血量、術中透視次數、術中鉆入導針次數方面具有明顯優勢；術后患者骨折愈合以及髖關節功能恢復情況與傳統手術一致。但該系統輔助手術所需時間較傳統手術明顯延長，差異有統計學意義，分析原因可能包括以下幾點：① 采集圖像時間長，有時需要攝多張 X 線片，才能獲得合格的包含機器人末端定位工具尖端的標準股骨近端正、側位圖像。我們認為可以通過合理布局機器人末端、患者及 C 臂 X 線機的位置來縮短采集圖像時間，盡量使機器人末端定位工具、C 臂 X 線機接收端貼近患者髖部皮膚。② 圖像傳輸時間長，目前 C 臂 X 線機采集的圖像只能通過 U 盤拷貝至系統工作站中進行路徑規劃，后期需要開發圖像傳輸模塊以縮短圖像傳輸時間。③ 目前該系統不支持同時規劃 3 枚螺釘路徑，只能先規劃 1 枚螺釘路徑，待機器人末端運動至指定位置植入導針后，才能規劃下一枚螺釘路徑。有待后期完善軟件系統，達到能同時規劃 3 枚螺釘路徑，進一步縮短手術時間。
綜上述，與傳統徒手植釘手術相比，采用基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統完成股骨頸骨折閉合復位內固定術，在減少醫生和患者術中輻射、減小手術創傷等方面具有一定優勢。
閉合復位空心螺釘內固定術具有創傷小、操作簡便、骨折愈合率高等優點，已成為臨床治療股骨頸骨折常用方法[1-4]。為達到牢固固定，多數學者推薦將 3 枚空心螺釘呈倒三角、相互平行并且空間分布最大化方式植入[4-6]。但由于主要依靠術者經驗在透視下徒手植入，存在植釘不夠精確、對醫生技術要求高以及術中需多次透視、輻射量大等不足[1,7-9]。
為了解決上述問題，中國人民解放軍總醫院唐佩福團隊聯合北京航空航天大學機器人研究所自主研發了基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統，并經中國人民解放軍總醫院倫理委員會批準，于 2014 年開始用于臨床治療股骨頸骨折。現回顧分析 2014 年 1 月—2015 年 10 月使用該系統輔助完成閉合復位空心螺釘內固定術的 20 例股骨頸骨折患者資料，與同期采用徒手植釘完成手術的患者進行比較，分析基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統的臨床應用價值及優勢，為其臨床廣泛應用奠定基礎。報告如下。
1 臨床資料
1.1 患者選擇標準
納入標準：閉合性股骨頸骨折。排除標準：① 年齡>65 歲；② 伴嚴重創傷或多發傷，不宜行閉合復位空心螺釘內固定術；③ 合并嚴重內科疾病，經評估不能耐受手術者。
2014 年 1 月—2015 年 10 月，共 56 例患者符合選擇標準納入研究。其中，20 例術中采用基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統（試驗組），36 例術中采用徒手植釘（對照組）。
1.2 一般資料
試驗組：男 10 例，女 10 例；年齡 17～64 歲，平均 44.7 歲。左側 12 例，右側 8 例。致傷原因：交通事故傷 12 例，跌傷 6 例，高處墜落傷 2 例。受傷至手術時間 8～77 h，平均 27.55 h。股骨頸骨折根據 Garden 分型標準[10]：未移位型 6 例，Ⅰ型 1 例、Ⅱ型 5 例；移位型 14 例，Ⅲ型 10 例、Ⅳ型 4 例。
對照組：男 19 例，女 17 例；年齡 22～64 歲，平均 47.9 歲。左側 18 例，右側 18 例。致傷原因：交通事故傷 20 例，跌傷 10 例，高處墜落傷 6 例。受傷至手術時間 9～85 h，平均 29.75 h。股骨頸骨折根據 Garden 分型標準[10]：未移位型 11 例，Ⅰ型 2 例、Ⅱ型 9 例；移位型 25 例，Ⅲ型 19 例、Ⅳ型 6 例。
兩組患者性別、年齡、致傷原因、骨折側別、骨折類型、受傷至手術時間等一般資料比較，差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。
1.3 手術方法
試驗組：采用持續硬膜外麻醉下，患者仰臥于骨科牽引床，患肢足部與牽引床腳踏板固定，健側肢體屈膝、屈髖為 C 臂 X 線機預留空間[11]。透視下進行骨折復位，在正位及側位均觀察到股骨頭和股骨頸之間呈光滑 S 形曲線時，判定為復位滿意[12]。確定UR 定位機器人（Universal Robots 公司，丹麥）的位置，將機器人末端定位工具置于患側髖部附近（圖 1a）；操縱 C 臂 X 線機，拍攝包含機器人末端定位工具尖端的標準股骨近端正、側位圖像，圖像包含完整股骨頭、股骨頸以及定位工具尖端；將正、側位圖像導入工作站中進行第 1 枚螺釘（倒三角最下面 1 枚）路徑規劃（圖 1b、c）：藍色直線表示規劃的空心螺釘路徑，紅色直線為機器人空間運動方向，黑色直線為機器人末端套筒定位導針影像；給予機器人運動指令，機器人末端套筒根據規劃路徑運動至目標位置；醫生即可沿套筒方向逐層切開皮膚、皮下及筋膜，準確鉆入第 1 枚導針；同方法規劃第 2、3 枚螺釘路徑，植入導針至股骨頭軟骨下骨 5 mm。再次透視明確 3 枚導針位置無誤后，測量深度，植入空心螺釘（圖 1d、e）。
圖1
手術操作示意圖 a. 確定 UR 定位機器人的位置； b. 正位路徑規劃； c. 側位路徑規劃； d. 植入導針； e. 植入空心螺釘
Figure1.
Schematic diagram of surgery procedure a. Reasonable placement of robot; b. Frontal path planning; c. Lateral path planning; d. Guide pin insertion; e. Cannulated screw insertion
對照組：麻醉方式、患者體位以及骨折復位方法與試驗組一致。骨折復位滿意后，于 C 臂 X 線機透視下調整進針位置及角度，平行于股骨頸長軸線方向貼近股骨距徒手植入第 1 枚導針；透視第 1 枚導針位置滿意后，應用平行導向器于第 1 枚導針前上方貼近于股骨頸前方皮質植入第 2 枚導針，然后應用平行導向器貼近股骨頸后方皮質植入第 3 枚導針。再次透視明確 3 枚導針尖端達股骨頭軟骨下骨 5 mm 后，沿導針方向植入空心螺釘。
1.4 術后處理
術后 24 h 內常規使用抗生素預防感染。術后 3 個月內嚴格臥床，穿防旋鞋；3 個月后患者可扶雙拐下地；X 線片復查骨折愈合情況并確定開始部分負重、完全負重時間。
1.5 療效評價指標
記錄兩組手術時間、術中出血量、術中透視次數、術中鉆入導針次數。X 線片復查觀察骨折愈合情況，并記錄骨折愈合率、骨折愈合時間。末次隨訪時，采用 Harris 評分標準評價髖關節功能恢復情況。
1.6 統計學方法
采用 SPSS23.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t 檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
兩組術后切口均Ⅰ期愈合，無神經、血管損傷等手術相關并發癥發生。試驗組手術時間為（90.10±18.61）min，較對照組（79.36±15.74）min 顯著延長，比較差異有統計學意義（t=2.290，P=0.026）。試驗組術中出血量、術中透視次數、術中鉆入導針次數分別為（19.25±9.50）mL、（11.60±3.15）次、（3.55±0.89）次，均較對照組的（49.58±10.60）mL、（49.64±11.72）次、（14.03±3.61）次顯著降低，比較差異有統計學意義（t=–10.650，P=0.000；t=18.320，P=0.000；t=–16.625，P=0.000）。
所有患者術后均獲隨訪，隨訪時間 12～18 個月，平均 14.7 個月。X 線片復查示，兩組骨折均愈合，無骨折延遲愈合及骨不連發生，骨折愈合率達 100%；試驗組骨折愈合時間為（6.10±2.25）個月，對照組為（5.97±2.17）個月，比較差異無統計學意義（t=0.208，P=0.836）；隨訪期間無股骨頭缺血性壞死等并發癥發生。見圖 2、3。末次隨訪時，試驗組髖關節 Harris 評分為（87.05±3.12）分，對照組為（86.78±2.83）分，比較差異無統計學意義（t=0.333，P=0.741）。
圖2
試驗組患者，男，35歲，右側股骨頸骨折（Garden Ⅳ型）X線片 a. 術前； b. 術后1 d； c. 術后6個月
Figure2.
X-ray films of a 35-year-old male patient with right femoral neck fracture (Garden type IV) in trial group a. Before operation; b. At 1 day after operation; c. At 6 months after operation
圖3
對照組患者，女，47歲，左側股骨頸骨折（Garden Ⅲ型）X線片 a. 術前； b. 術后1 d； c. 術后6個月
Figure3.
X-ray films of a 47-year-old female patient with left femoral neck fracture (Garden type III) in control group a. Before operation; b. At 1 day after operation; c. At 6 months after operation
3 討論
股骨頸骨折是骨科常見病，約占全身骨折的 3.6%[11]，占髖部骨折的 50%[13]，而且隨著全球老齡化及交通運輸業的發展，其發病率逐漸增加[14-15]。傳統股骨頸骨折閉合復位空心螺釘內固定術中，醫生需要在 C 臂 X 線機透視下反復鉆入導針、調整角度，不僅造成局部骨質破壞，降低了內固定強度，而且醫生和患者術中均要接受大量 X 線輻射。除此之外，C 臂 X 線機透視只能提供二維信息，醫生很難保證將螺釘以相互平行及最大化分布植入。近年來隨著醫學影像技術、計算機技術、機器人技術的快速發展，計算機輔助手術系統應運而生[16-20]。以上技術是通過對醫學信息采集設備（超聲、X 線、CT、MRI 等）采集的患者資料進行分析處理，幫助醫生完成手術規劃，指導醫生快速、精準、安全的完成定位和內植物植入[21-24]。在計算機輔助股骨頸空心螺釘手術方面，國內外學者進行了大量研究，研發出了各種導航系統，如德國 Müller 教授的計算機輔助三維導航系統[3]、以色列 Libergall 教授的計算機導航系統[25]、北京天智航醫療器械有限公司的雙平面骨科機器人系統[1,2,9,26-28] 等。以上各系統均能提高手術精確度與操作穩定性，減少術中醫生和患者的輻射，并且在植釘平行性及分散度方面也有了顯著提高，但存在設備昂貴、使用復雜的問題，限制了系統的臨床廣泛應用。
基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統，無需視覺導航設備，無需配準環節，使用簡便。本研究結果顯示，與傳統植釘手術相比，采用該系統輔助手術在術中出血量、術中透視次數、術中鉆入導針次數方面具有明顯優勢；術后患者骨折愈合以及髖關節功能恢復情況與傳統手術一致。但該系統輔助手術所需時間較傳統手術明顯延長，差異有統計學意義，分析原因可能包括以下幾點：① 采集圖像時間長，有時需要攝多張 X 線片，才能獲得合格的包含機器人末端定位工具尖端的標準股骨近端正、側位圖像。我們認為可以通過合理布局機器人末端、患者及 C 臂 X 線機的位置來縮短采集圖像時間，盡量使機器人末端定位工具、C 臂 X 線機接收端貼近患者髖部皮膚。② 圖像傳輸時間長，目前 C 臂 X 線機采集的圖像只能通過 U 盤拷貝至系統工作站中進行路徑規劃，后期需要開發圖像傳輸模塊以縮短圖像傳輸時間。③ 目前該系統不支持同時規劃 3 枚螺釘路徑，只能先規劃 1 枚螺釘路徑，待機器人末端運動至指定位置植入導針后，才能規劃下一枚螺釘路徑。有待后期完善軟件系統，達到能同時規劃 3 枚螺釘路徑，進一步縮短手術時間。
綜上述，與傳統徒手植釘手術相比，采用基于誤差糾正算法的計算機輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定系統完成股骨頸骨折閉合復位內固定術，在減少醫生和患者術中輻射、減小手術創傷等方面具有一定優勢。
