数字医学技术辅助足趾移植再造拇手指的研究

摘要

研究背景　　随着社会经济、工农业的迅速发展，高能量手部外伤导致复杂拇手指缺损的病例数日益增多。足趾移植拇手指再造的方法已被广泛应用，但手术的质量和效果还存在很大差别。该项技术虽然得到了很多创新，但还有很多问题和未知需要探索和解决。由于显微外科是一门侧重于应用方法学手段解决功能和形态学问题的专业学科，目前停留在传统的手工测量、目测估计和拓制模型式手术设计方法上，制定手术方案缺乏标准化、规范化，手术方案受医生个人经验、习惯等主观思维因素影响较大，而且手术供区血管存在变异，术前未能准确了解，手术具有较大的随意性与盲目性，风险性较高。目前我国拇手指再造技术登峰造极世界领先，但仍然无法真正解决：（1）术前目测设计不够精确，缺乏科学性、规范性，具有盲目性，风险高；（2）供区损伤大；（3）再造指外观不理想；（4）再造指功能不满意。这是该项技术目前未能解决的瓶颈问题。因而，尽管国内外不乏大量拇手指再造的病例报道，但仍然有90%以上的拇手指缺损病人无法进行很好的修复再造。术前缺乏直观量化的评估标准，医患交流困难；同时该技术有相当难度，医生学习比较困难、周期长等多种因素也制约了该术式的推广。因而临床上迫切需要标准化、规范化、安全有效、再造指功能和外观接近正常手指、而供区损伤更轻的手术方法。　　目前数字医学技术飞速发展，尤其是多排螺旋CT的应用能很好解决微小血管的检测；计算机辅助设计、3D打印技术解决了矫形外科的手术规划、设计等高难度的技术问题；转化医学有了长足的发展，为各种新科技解决临床问题提供了桥梁作用。　　目的　　本课题拟通过优化的计算机断层扫描血管造影（Computed Tomography Angiography CTA）技术，术前获取供区血管、骨组织的活体解剖图像，解决因血管变异导致的手术困难及盲目性，将传统“开放-观察-手术”的模式改变为“ 观察-开放-手术”模式；减轻供区盲目解剖增加的损伤，尽最大保留供区组织，从而缩短手术时间，提高手术成功率。制定拇手指再造手术规范化的计算机辅助设计方案，以获得最大程度优化的手术方案。把数字化手术方案通过3D打印技术作为桥梁，实现拇手指再造手术设计、规划、操作的精准化、规范化。建立拇手指再造手术足部供区血管CT图像数据库及数字化手术方案数据库，拟构筑足部血管疾病影像学诊断和研究平台，以数字化虚拟的手段结合实际手术操作将拇手指再造手术推广应用。临床上对大宗病例实施规范化再造并随访总结。从而建立拇手指再造的规范和标准方案，使该技术更安全、有效，再造手指外观、功能更接近正常，并在推广应用上取得突破，使大部分的拇手指缺损病人能得到良好的再造，恢复功能与外观。　　方法：本研究分为三部分　　第一部分：优化拇手指再造供区血管CTA成像与显示技术。　　1．应用64排双源CT（德国西门子SOMATOM Definition flash）对患者进行双足CT增强扫描。常规仰卧位，足先进，平静呼吸状态下扫描。扫描范围：双侧踝上约5cm以远。CT扫描参数：成人100kV（儿童70kV），以130mAs为基准，采用自动剂量调控技术（CARE Dose4D）；层厚0.75mm，层间距0.5mm，矩阵512x512，FOV（显视野Field of view）320mm2，扫描时间成人8s-10s（儿童5s-8s）。经肘正中静脉注射非离子型造影剂（碘海醇370mgI/ml），成人120ml-140ml，儿童2ml/Kg，注射速度成人 5ml/s、儿童3ml/s。采用透视触发扫描法，将触发扫描层设在踝上约5cm，注射对比剂15s后（儿童10s）开始连续扫描，观察该处胫前动脉显影情况，当该处胫前动脉显影并密度达到最大时，成人延迟8s-10s开始扫描（儿童延迟5s-8s)。　　2．使用CT图像工作站对双足轴面图像及MPR（多平面重组multi-planar reformation）、MIP（最大密度投影maximum intensity projection）和VR（容积再现volume rendering）重组图像进行分析，评价第一跖背动脉分型；第一跖背动脉起源、走行和解剖关系。图像评价标准：分为A+、A-、B、C级。A+：血管结构显示非常清晰、连续、较粗，可见其完整分支，完全满足临床诊断；A-：血管显示清晰、连续性好，达到临床诊断要求；B：血管可见度尚可，但有明显的伪影，血管连续性较差，尚可进行临床诊断；C：血管可见度差或未能显示，临床对此不能进行正确诊断。将三维重建的虚拟供区血管与术中解剖进行对比,以探讨两者间是否有差异,两者的优越性和局限性等问题并多角度显示供区血管与周围组织的三维毗邻关系。　　第二部分：在虚拟的软件环境中根据患者的具体伤情进行计算机辅助设计，模拟手术过程，获得最大程度的优化方案，解决以往手术凭经验目测，手术缺乏精准、科学的设计等弊端，并将3D打印技术应用于拇手指再造的实施。　　术前应用64排双源螺旋CT获取患者的伤指、对应健侧相应手指及拟移植足趾的DICOM原始数据，选择合适的thresholds值，进行表面、骨、关节及血管重建，得到三维模型。因人体手、足均有对称性，根据测量结果，确定手术方案后，将模型导入手术仿真系统进行虚拟手术操作，将伤指的健侧对应指使用切割工具或布尔运算将其虚拟切割、分离并做成镜像，将镜像运用 Move、Rotate、Rescale 等工具移动至伤指位置并与之重叠即可准确比对出伤指缺损的大小、面积与形状，再次运用切割工具或布尔运算根据比对的结果对镜像进行切割，切割出来的组织即为伤指的实际缺损。根据术前供区第一跖背动脉分型、走向及足背部表浅静脉虚拟三维模型的走行设计手术显露血管蒂的切口线。同理，根据伤指血管缺损的程度测量出手术移植需要的游离组织血管蒂的长度。根据术前数字化辅助设计得出三维虚拟模型和具体数据用于指导临床手术操作。　　术前通数字化手术仿真设计出伤指的实际缺损模型，将模型转化为.stl 格式并导入 MakeWare 软件将其转化为.x3g 格式，通过 MakerBot Replicator 2 3D打印机打印出手指缺损和拟修复的足趾或组织块模型，模拟进行再造或修复，并于术前、术中指导供区的切取，完成个性化术前精确的设计与规划，从而使手术规范化、标准化，再造指外观接近正常，功能更满意。　　第三部分：临床上根据不同拇手指缺损类型，在数字医学技术辅助下综合应用部分手指再造、塑形再造、全形再造、多足趾组合移植再造、利用废弃指组织再造等不同术式对大宗病例进行应用研究。　　自2010年12月～2014年3月，选择在我院骨科住院的不同类型拇手指缺损患者79例，按病人入科的时间顺序每5个做随机分为2 组，按3∶2比例进入数字化技术辅助拇手指再造组与传统拇手指再造组。数字化技术辅助拇手指再造组47例57指，男29例39指，女18例18指，年龄35.2 ±10.5 岁；传统拇手指再造组32例32指，男22例22指，女10例10指，年龄37.4±13.8岁。经检验，两组年龄、性别差异无统计学意义。　　数字化技术辅助拇手指再造组，术前根据CTA所获得的供区血管分型、走向，在足部供区体表准确的标示所需的动静脉；经过计算机辅助设计、3D 打印出拟再造手指所需的准确的皮肤软组织形状、大小，精准的投影设计于供区，注意根据所取大小适当放大5-10%；根据3D打印出拟再造指所需骨骼的长度，作为切取供区骨骼长短的精准长度。在 CTA 影像、计算机辅助设计及3D打印辅助下指导具体的手术操作。传统拇手指再造组则按传统手术流程进行。　　拇指缺损：①拇指I°缺损选择(拇)趾末节再造，Ⅱ°缺损选择(拇)趾末节或趾甲皮瓣再造。Ⅲ°缺损选择(拇)趾甲皮瓣或第二趾再造。②拇指指腹缺损选择(拇)趾腓侧趾腹皮瓣修复。③拇指皮肤套状撕脱伤选用带(拇)趾末节的趾甲皮瓣移植再造。④Ⅳ°缺损选择带腓侧舵样足背皮瓣及跖趾关节的第二足趾再造或带跖趾关节的第二足趾骨及肌腱组织联合(拇)甲瓣再造。⑤Ⅴ°Ⅵ°缺损选择带菱形足背皮瓣及跖趾关节的对侧第二足趾再造或带跖趾关节的第二足趾骨及肌腱组织联合(拇)甲瓣再造。　　手指缺损：①手指2～4指尖缺损。设计第二趾趾尖再造。②手指2～4指末节缺损，选择第二趾或第三趾末节移植。③手指Ⅱ°-Ⅲ°缺损，选择第二趾再造。④对手指近节以远缺损，选择第二趾再造。⑤单纯手指趾腹缺损并骨、肌腱外露，选择第二足趾胫侧趾腹皮瓣修复。　　单手5指脱套伤，选择足第三趾胫侧趾腹皮瓣修复拇指指腹缺损；足(拇)趾腓侧(拇)甲瓣与第二趾甲瓣带足背皮瓣修复环小指；对侧足(拇)趾腓侧(拇)甲瓣与第二趾甲瓣带足背皮瓣修复左中、示指。双侧游离小腿内侧皮瓣修复足部供区创面，尽可能保存足趾趾骨，减少供区损伤。　　结果　　1. CT血管造影47例94足患者中22例44足为A+，18例36足为A-，4例8足为B，3例6足为C。显示为A+或A-的足部CTA图像显示第一跖背动脉的起源、走行、及其与周围肌肉、骨骼三维解剖关系与术中所见高度一致。本组47例94足患者中55足为GilbertⅠ型，占总体比例58.51%；32足为GilbertⅡ型，占总体比例34.04%；5足为GilbertⅢ型，占总体比例5.32%；其中有2足血管可见度差未能显示，占总体比例2.13%。第1跖背动脉特征的多变性不仅表现在个体之间的差异，还表现在同一个体不同肢体之间的差异。在47例患者中表现为同一个体不同肢体之间差异的为5例，占总体比例10.64%。　　2.计算机辅助设计方案，可在虚拟的软件环境中可根据患者的具体伤情进行设计，使设计精确，具有可重复性、反复修改达到最佳效果；可与手术组医师共享，有利于讨论和方案修改；三维、直观等优点。　　3.应用3D打印技术，可打印出需再造指的皮肤、骨组织等的逼真模型，在 CTA 三维数字化图像与个性化具体手术操作间建立桥梁，并在供区精确地设计出所需供区皮肤、骨组织的大小、长短。使手术更规范化、精准化，再造指的外形更逼真，供区损伤更少。　　4.本组再造及修复的79例89指全部存活，其中81指切口Ⅰ期愈合。3指切口轻度感染，经换药后愈合，2指甲皮瓣移植的趾胫侧皮条部分坏死，经清除坏死组织、缩短部分趾骨二期缝合后愈合。1例第二足趾移植术后8 小时出现动脉危象，经手术探查发现动脉血栓形成，经取栓重新吻合后成活。2例术后分别 8小时、24 小时出现静脉回流障碍，应用化学水蛭疗法放血3天处理后顺利成活。术后79例89指均获得随访，术后随访6～24个月。数字化技术辅助再造组优良率为96.5%，传统再造组优良率为81.3%，两种手术方法优良率比较，经卡方检验（χ2=4.105，P=0.043），差异有统计学意义，数字化设计手术的优良率较高。　　结论　　1.通过 CTA 检测可于术前详尽了解供区血管三维立体走向、分型，获得个体化的“活体解剖图谱”；并把动静脉精准标示于供区皮肤表面，大大降低手术盲目性及手术风险，减少供区损伤，缩短手术时间，从而可将传统“开放-观察-手术”的模式改变为“ 观察-开放-手术”。　　2.应用数字化模拟手术设计、规划，使手术方案得以最优化。　　3.采用3D打印技术，建立伤手、指及拟再造手、指的模型，并由此模型复制并精准地覆盖于供区的皮肤、骨关节，由此所切取的供区组织更精准，使再造指更逼真，同时尽可能减轻供区无谓损伤，减少手术并发症，提高手术效率及成活率。从而建立拇手指再造的规范和标准，使该术式能更好普及推广。　　4.术前虚拟手术排演，程序化、标准化、形象的术前设计和模拟操作，结合实际手术讲解，方便教学、技术推广及医患沟通。　　5.数字医学等高尖技术的应用，结合转化医学的理念，是解决拇手指再造供区损伤大，再造指外形差、功能不理想等问题的有效方法。

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