引用本文： 何少波, 劉繼超, 李伍建, 張根生, 鄭琎喆, 黃斌. 增強現實技術在脛后動脈穿支皮瓣修復下肢軟組織缺損中的應用. 中國修復重建外科雜志, 2023, 37(2): 185-188. doi: 10.7507/1002-1892.202211109 復制
下肢開放性創傷臨床常見，經清創、骨折固定后常遺留較大創面，合并骨、肌腱外露，臨床治療相當棘手。脛后動脈穿支皮瓣是修復下肢創面常用方式之一，具有外形美觀、設計靈活、供區損傷小等優點。但穿支血管存在解剖變異，目前臨床主要依靠術者經驗、手持多普勒超聲、磁共振血管成像、CT血管造影（CT angiography，CTA）[1-2]、數字減影血管造影等[3]。其中，術者依靠經驗尋找穿支血管風險較高，而且需要作較大切口[4]；手持多普勒超聲靈敏度不高，受限于使用者經驗，存在一定誤差；磁共振血管成像、數字減影血管造影、CTA成像后的平面圖形均無法進行體表三維定位。
近年來，增強現實（augmented reality，AR）技術在臨床醫學領域廣泛應用，為精準定位脛后動脈穿支血管位置提供了思路，為個性化設計和切取皮瓣提供了新方向[2，5]。2019年6月—2022年6月，我院采用脛后動脈穿支皮瓣修復10例足踝周圍皮膚軟組織缺損，術中應用AR技術定位穿支血管，輔助皮瓣設計及切取，取得滿意療效。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
患者納入標準：① 年齡20～70歲；② 足踝周圍皮膚軟組織缺損面積在15.0 cm×8.0 cm以內；③ 前期經清創及骨折鋼板內固定或外固定架固定，創面感染已控制，具備脛后動脈穿支皮瓣修復條件；④ 同意參與本次研究。排除標準：① 患有嚴重糖尿病足、周圍血管病變，肢體存在血運障礙；② 內科疾病較嚴重，不能耐受手術者[5]。
本組男7例，女3例；年齡33～69歲，平均53.7歲。致傷原因：交通事故傷5例，重物壓傷4例，機器傷1例。左側6例，右側4例。創面范圍5 cm×3 cm～14 cm×7 cm；合并骨骼、肌腱組織外露。患者傷后均經清創處理，伴有脛骨下段骨折2例，內踝骨折3例，跟骨骨折2例，楔骨、跖骨骨折2例；分別采用克氏針、鋼板螺釘內固定7例，外固定架固定2例。受傷至皮瓣修復手術時間為7～24 d，平均12.8 d。
1.2 手術方法
1.2.1 三維圖像構建
在患側小腿貼4個電極片，分別位于脛骨內髁（A點）、內踝（B點），以及AB連線中點分別向前、后旁開5 cm（C、D點）。如創面位于足內側或踝關節，預計皮瓣遠端至旋轉點距離不超過10 cm，可將脛骨內髁與內踝連線中點作為A點；如內踝有創面不便于安放電極片，可選擇骨性凸起作為B點。使用荷蘭飛利浦公司256層128排CT對患肢進行掃描（層厚0.65 mm），掃描范圍從髕骨至足趾，選擇曲面重組重建方法，獲取Dicom格式的CT數據。然后將其導入Mimics軟件，建立包括骨骼、動脈、皮膚、電極片的三維模型[6-7]。由骨科主治醫師、主任醫師及影像科醫師組成三人小組對CTA進行解讀，明確脛后動脈穿支血管走行、長度、管徑及數量，并使用軟件Multiple Slice Edit功能對穿支血管進行標記[5]；對皮膚、骨骼半透明化處理，調整為側面視圖后截圖保存[8]。AR技術應用后期技術比較成熟，則僅建立脛后動脈穿支、骨骼、電極片三維模型，更方便快速定位穿支血管，得到目標截圖[9-10]。將截取的血管圖像和三維血管圖像進行對比校準[11-12]。
1.2.2 應用AR技術行血管定位和皮瓣設計
將截取的血管圖像導入智能手機，選取雙重曝光模式[13]，將圖像上的電極片金屬部分和實際患肢電極片位置重疊，此時圖像上穿支血管投影在患肢皮膚上，記號筆標記脛后動脈穿支血管位置、數量、管徑（可以使用三腳架防止手機晃動）。10例患者術前經AR定位尋找到脛后動脈穿支。根據創面情況，選擇位置合適、較粗的穿支血管作為手術目標血管，設計皮瓣并劃線標記，皮瓣面積略大于創面1.0～1.5 cm。
1.2.3 皮瓣切取及修復
沿皮瓣設計線切開皮膚，直達深筋膜，尋找到脛后動脈及目標穿支，保護蒂部穿支血管及周圍筋膜，將深筋膜掀向皮瓣一側，確認皮瓣邊緣血運后，于明道（7例）或皮下隧道（3例）轉移并覆蓋創面[14-15]。術中測量標記的穿支血管和實際穿支血管在皮膚對應位置的距離。本組皮瓣切取范圍6 cm×4 cm～15 cm×8 cm。皮瓣供區2例拉攏縫合；8例縫合張力大，行局部植皮修復。
1.3 術后處理
術后抬高患肢，給予消炎、抗凝、抗血管痙攣等處理，密切觀察皮瓣血運，發現血管危象及時處置。術后前3個月每月隨訪1次，3～12個月每3個月隨訪1次。根據美國矯形足踝協會（AOFAS）評分評價踝關節功能。
2 結果
本組10例患者術前AR技術定位脛后動脈穿支1～4支，平均3.4支；術中穿支血管定位位置與術前AR技術定位基本一致，兩者距離為0～16 mm，平均12.2 mm。按照術前設計順利切取皮瓣并完成創面修復。術后9例皮瓣順利成活，無血管危象發生，創面Ⅰ期愈合；1例皮瓣遠端邊緣壞死，經換藥后愈合。2例供區植皮局部感染，經換藥后愈合；其余植皮順利成活，切口均Ⅰ期愈合。患者均獲隨訪，隨訪時間6～12個月，平均10.3個月。皮瓣質地柔軟，無明顯瘢痕增生及攣縮發生。末次隨訪時，踝關節功能AOFAS評分達優8例、良1例、差1例（因合并創傷性關節炎存在踝關節功能障礙）。見圖1。
圖1
患者，女，68歲，因右內踝、跟骨骨折并骨缺損，經清創、負壓引流以及外固定架固定治療后14 d 右踝軟組織缺損
a. 皮瓣修復術前創面；b. 基于CTA數據重建的三維模型；c、d. 術中將血管截圖投照在患肢，顯示并標記穿支血管位置；e. 根據穿支血管位置設計皮瓣切取范圍；f、g. 脛后動脈穿支皮瓣修復創面術后即刻；h、i. 術后6個月外觀
Figure1. A 68-year-old female patient with soft tissue defect of right ankle at 14 days after debridement, vacuum sealing drainage, and external fixator fixation because of right medial malleolus and calcaneus fractures with bone defecta. Wound before flap repair; b. Three-dimensional model reconstructed based on CTA data; c, d. During operation, the vascular section was projected on the affected limb to show and mark the position of the perforator vessels; e. The flap was designed according to the position of perforator vessels; f, g. Wound at immediate after posterior tibial artery perforator flap repair; h, i. Appearance at 6 months after operation
3 討論
目前，穿支皮瓣已廣泛用于修復全身各處皮膚軟組織缺損修復。穿支皮瓣的選擇需要滿足血供足夠穩定以及蒂部足夠長。但是由于穿支血管存在變異或血管太細、蒂部牽拉或受卡壓等問題，術后皮瓣可能發生血管危象、全部或部分壞死。因此，術前精準定位穿支血管位置、管徑、走行、分層以及明確可分離的蒂部長度等信息，對于術前設計皮瓣、提高皮瓣切取成功率、降低術后皮瓣壞死風險有重要意義[15-16]。
隨著技術進步，AR技術越來越多地應用于臨床[17-18]。針對皮瓣穿支血管多變異的特點，采用AR技術可以將術前CTA掃描重建的下肢血管三維圖像“拓印”在真實患肢上[19]，實現穿支血供位置、數量、管徑、走行、長度、毗鄰關系的可視化和精確化。虛擬與實體兩種信息互為補充，以達到“增強”真實患肢的目的[8，17，20]。AR技術除可應用于術前規劃設計階段外，也可作為“實景地圖”指導術中尋找穿支血管。
我們認為基于CTA圖像的AR技術應用具有以下優勢：① CTA檢查時選擇曲面重組重建方法，對膝關節以下血管具有明顯優勢。與多平面重建相比，能更好地將行徑扭曲的血管“伸展拉直”，獲得的曲面投影能展示在同一平面上。② 患肢由于創傷、創面感染等原因，處于炎癥狀態，相同部位的血管管徑較健側粗，血流速度較健側大，因此血管三維成像顯示的血管數量、管徑等信息有利于尋找到目標血管。③ AR技術定位脛后動脈穿支血管準確，基于此設計的皮瓣厚度適中，手術成功率高。④ 術中AR技術應用不會干擾手術操作，不會污染手術區域，手持設備方便任意體位下的投射。
不足之處：① CTA檢查需要碘劑造影，有過敏、腎臟毒性和電離輻射風險；② CTA檢測精度有限，難以顯示管徑<0.5 mm的細小穿支；③ AR技術圖像質量取決于CTA檢查，而檢查時患者配合度、造影劑劑量、注射速度、延遲掃描等均會對此產生影響；④ 操作過程中是將人體三維血管網絡形成三維圖像，通過投影在體表，雙重曝光形成二維圖像，從而將血管走行“定位”在體表，虛擬模型和患肢的匹配難以確保精確；⑤ CTA檢查和虛擬圖像投照患肢時需保持相同體位（懸空或置于臺面上），如小腿后方肌群擠壓可能造成電極片位置偏移，增大定位誤差。
綜上述，AR技術應用于脛后動脈穿支皮瓣術前規劃，可提升穿支血管定位以及數量、管徑、走行等信息的準確性，降低皮瓣壞死風險。下一步可結合頭戴設備Microsoft Hololens 2進行混合現實，將三維虛擬模型實時投影至人體，實現放大、縮小及旋轉等操作。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
倫理聲明 研究方案經西安交通大學附屬3201醫院醫學倫理委員會批準［（2022）045號］
作者貢獻聲明 何少波：研究設計、文章撰寫及修改、AR技術實施；劉繼超、張根生：實施手術、對文章的知識性內容作批評性審閱；李伍建：臨床隨訪、數據收集整理及統計；鄭琎喆、黃斌：CTA數據解讀及整理
下肢開放性創傷臨床常見，經清創、骨折固定后常遺留較大創面，合并骨、肌腱外露，臨床治療相當棘手。脛后動脈穿支皮瓣是修復下肢創面常用方式之一，具有外形美觀、設計靈活、供區損傷小等優點。但穿支血管存在解剖變異，目前臨床主要依靠術者經驗、手持多普勒超聲、磁共振血管成像、CT血管造影（CT angiography，CTA）[1-2]、數字減影血管造影等[3]。其中，術者依靠經驗尋找穿支血管風險較高，而且需要作較大切口[4]；手持多普勒超聲靈敏度不高，受限于使用者經驗，存在一定誤差；磁共振血管成像、數字減影血管造影、CTA成像后的平面圖形均無法進行體表三維定位。
近年來，增強現實（augmented reality，AR）技術在臨床醫學領域廣泛應用，為精準定位脛后動脈穿支血管位置提供了思路，為個性化設計和切取皮瓣提供了新方向[2，5]。2019年6月—2022年6月，我院采用脛后動脈穿支皮瓣修復10例足踝周圍皮膚軟組織缺損，術中應用AR技術定位穿支血管，輔助皮瓣設計及切取，取得滿意療效。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
患者納入標準：① 年齡20～70歲；② 足踝周圍皮膚軟組織缺損面積在15.0 cm×8.0 cm以內；③ 前期經清創及骨折鋼板內固定或外固定架固定，創面感染已控制，具備脛后動脈穿支皮瓣修復條件；④ 同意參與本次研究。排除標準：① 患有嚴重糖尿病足、周圍血管病變，肢體存在血運障礙；② 內科疾病較嚴重，不能耐受手術者[5]。
本組男7例，女3例；年齡33～69歲，平均53.7歲。致傷原因：交通事故傷5例，重物壓傷4例，機器傷1例。左側6例，右側4例。創面范圍5 cm×3 cm～14 cm×7 cm；合并骨骼、肌腱組織外露。患者傷后均經清創處理，伴有脛骨下段骨折2例，內踝骨折3例，跟骨骨折2例，楔骨、跖骨骨折2例；分別采用克氏針、鋼板螺釘內固定7例，外固定架固定2例。受傷至皮瓣修復手術時間為7～24 d，平均12.8 d。
1.2 手術方法
1.2.1 三維圖像構建
在患側小腿貼4個電極片，分別位于脛骨內髁（A點）、內踝（B點），以及AB連線中點分別向前、后旁開5 cm（C、D點）。如創面位于足內側或踝關節，預計皮瓣遠端至旋轉點距離不超過10 cm，可將脛骨內髁與內踝連線中點作為A點；如內踝有創面不便于安放電極片，可選擇骨性凸起作為B點。使用荷蘭飛利浦公司256層128排CT對患肢進行掃描（層厚0.65 mm），掃描范圍從髕骨至足趾，選擇曲面重組重建方法，獲取Dicom格式的CT數據。然后將其導入Mimics軟件，建立包括骨骼、動脈、皮膚、電極片的三維模型[6-7]。由骨科主治醫師、主任醫師及影像科醫師組成三人小組對CTA進行解讀，明確脛后動脈穿支血管走行、長度、管徑及數量，并使用軟件Multiple Slice Edit功能對穿支血管進行標記[5]；對皮膚、骨骼半透明化處理，調整為側面視圖后截圖保存[8]。AR技術應用后期技術比較成熟，則僅建立脛后動脈穿支、骨骼、電極片三維模型，更方便快速定位穿支血管，得到目標截圖[9-10]。將截取的血管圖像和三維血管圖像進行對比校準[11-12]。
1.2.2 應用AR技術行血管定位和皮瓣設計
將截取的血管圖像導入智能手機，選取雙重曝光模式[13]，將圖像上的電極片金屬部分和實際患肢電極片位置重疊，此時圖像上穿支血管投影在患肢皮膚上，記號筆標記脛后動脈穿支血管位置、數量、管徑（可以使用三腳架防止手機晃動）。10例患者術前經AR定位尋找到脛后動脈穿支。根據創面情況，選擇位置合適、較粗的穿支血管作為手術目標血管，設計皮瓣并劃線標記，皮瓣面積略大于創面1.0～1.5 cm。
1.2.3 皮瓣切取及修復
沿皮瓣設計線切開皮膚，直達深筋膜，尋找到脛后動脈及目標穿支，保護蒂部穿支血管及周圍筋膜，將深筋膜掀向皮瓣一側，確認皮瓣邊緣血運后，于明道（7例）或皮下隧道（3例）轉移并覆蓋創面[14-15]。術中測量標記的穿支血管和實際穿支血管在皮膚對應位置的距離。本組皮瓣切取范圍6 cm×4 cm～15 cm×8 cm。皮瓣供區2例拉攏縫合；8例縫合張力大，行局部植皮修復。
1.3 術后處理
術后抬高患肢，給予消炎、抗凝、抗血管痙攣等處理，密切觀察皮瓣血運，發現血管危象及時處置。術后前3個月每月隨訪1次，3～12個月每3個月隨訪1次。根據美國矯形足踝協會（AOFAS）評分評價踝關節功能。
2 結果
本組10例患者術前AR技術定位脛后動脈穿支1～4支，平均3.4支；術中穿支血管定位位置與術前AR技術定位基本一致，兩者距離為0～16 mm，平均12.2 mm。按照術前設計順利切取皮瓣并完成創面修復。術后9例皮瓣順利成活，無血管危象發生，創面Ⅰ期愈合；1例皮瓣遠端邊緣壞死，經換藥后愈合。2例供區植皮局部感染，經換藥后愈合；其余植皮順利成活，切口均Ⅰ期愈合。患者均獲隨訪，隨訪時間6～12個月，平均10.3個月。皮瓣質地柔軟，無明顯瘢痕增生及攣縮發生。末次隨訪時，踝關節功能AOFAS評分達優8例、良1例、差1例（因合并創傷性關節炎存在踝關節功能障礙）。見圖1。
圖1
患者，女，68歲，因右內踝、跟骨骨折并骨缺損，經清創、負壓引流以及外固定架固定治療后14 d 右踝軟組織缺損
a. 皮瓣修復術前創面；b. 基于CTA數據重建的三維模型；c、d. 術中將血管截圖投照在患肢，顯示并標記穿支血管位置；e. 根據穿支血管位置設計皮瓣切取范圍；f、g. 脛后動脈穿支皮瓣修復創面術后即刻；h、i. 術后6個月外觀
Figure1. A 68-year-old female patient with soft tissue defect of right ankle at 14 days after debridement, vacuum sealing drainage, and external fixator fixation because of right medial malleolus and calcaneus fractures with bone defecta. Wound before flap repair; b. Three-dimensional model reconstructed based on CTA data; c, d. During operation, the vascular section was projected on the affected limb to show and mark the position of the perforator vessels; e. The flap was designed according to the position of perforator vessels; f, g. Wound at immediate after posterior tibial artery perforator flap repair; h, i. Appearance at 6 months after operation
3 討論
目前，穿支皮瓣已廣泛用于修復全身各處皮膚軟組織缺損修復。穿支皮瓣的選擇需要滿足血供足夠穩定以及蒂部足夠長。但是由于穿支血管存在變異或血管太細、蒂部牽拉或受卡壓等問題，術后皮瓣可能發生血管危象、全部或部分壞死。因此，術前精準定位穿支血管位置、管徑、走行、分層以及明確可分離的蒂部長度等信息，對于術前設計皮瓣、提高皮瓣切取成功率、降低術后皮瓣壞死風險有重要意義[15-16]。
隨著技術進步，AR技術越來越多地應用于臨床[17-18]。針對皮瓣穿支血管多變異的特點，采用AR技術可以將術前CTA掃描重建的下肢血管三維圖像“拓印”在真實患肢上[19]，實現穿支血供位置、數量、管徑、走行、長度、毗鄰關系的可視化和精確化。虛擬與實體兩種信息互為補充，以達到“增強”真實患肢的目的[8，17，20]。AR技術除可應用于術前規劃設計階段外，也可作為“實景地圖”指導術中尋找穿支血管。
我們認為基于CTA圖像的AR技術應用具有以下優勢：① CTA檢查時選擇曲面重組重建方法，對膝關節以下血管具有明顯優勢。與多平面重建相比，能更好地將行徑扭曲的血管“伸展拉直”，獲得的曲面投影能展示在同一平面上。② 患肢由于創傷、創面感染等原因，處于炎癥狀態，相同部位的血管管徑較健側粗，血流速度較健側大，因此血管三維成像顯示的血管數量、管徑等信息有利于尋找到目標血管。③ AR技術定位脛后動脈穿支血管準確，基于此設計的皮瓣厚度適中，手術成功率高。④ 術中AR技術應用不會干擾手術操作，不會污染手術區域，手持設備方便任意體位下的投射。
不足之處：① CTA檢查需要碘劑造影，有過敏、腎臟毒性和電離輻射風險；② CTA檢測精度有限，難以顯示管徑<0.5 mm的細小穿支；③ AR技術圖像質量取決于CTA檢查，而檢查時患者配合度、造影劑劑量、注射速度、延遲掃描等均會對此產生影響；④ 操作過程中是將人體三維血管網絡形成三維圖像，通過投影在體表，雙重曝光形成二維圖像，從而將血管走行“定位”在體表，虛擬模型和患肢的匹配難以確保精確；⑤ CTA檢查和虛擬圖像投照患肢時需保持相同體位（懸空或置于臺面上），如小腿后方肌群擠壓可能造成電極片位置偏移，增大定位誤差。
綜上述，AR技術應用于脛后動脈穿支皮瓣術前規劃，可提升穿支血管定位以及數量、管徑、走行等信息的準確性，降低皮瓣壞死風險。下一步可結合頭戴設備Microsoft Hololens 2進行混合現實，將三維虛擬模型實時投影至人體，實現放大、縮小及旋轉等操作。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
倫理聲明 研究方案經西安交通大學附屬3201醫院醫學倫理委員會批準［（2022）045號］
作者貢獻聲明 何少波：研究設計、文章撰寫及修改、AR技術實施；劉繼超、張根生：實施手術、對文章的知識性內容作批評性審閱；李伍建：臨床隨訪、數據收集整理及統計；鄭琎喆、黃斌：CTA數據解讀及整理
