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【摘要】 ［目的］应用医学图像处理软件，在计算机屏幕上进行下肢矫形手术的设计，对手术后状况进行预测，并检验该软件的临床应用效果。［方法］自主开发一套基于数字X线的矫形外科手术设计与预测模拟软件，并将该软件应用于下肢矫形手术的组织测量分析、手术方案设计与手术效果模拟。2001年1月～2006年12月，共为28例下肢长骨畸形患者进行截骨矫形手术，患者分为实验组和对照组，分别使用计算机辅助法和传统手工方法设计手术方案。其他术前术后处理均按常规进行，两组患者无差别。术后拍摄患肢X线片与术前的设计方案进行比较，分别计算两种设计方法下手术效果与术前设计的符合程度，并进行统计学分析。［结果］该软件测量误差小，构建的骨切除量参数准确，模拟效果逼真。手术效果与设计方案的符合率明显优于传统方法设计组，统计学处理差别有显著性。［结论］在下肢矫形手术前的病例分析中应用医学图像处理软件能够对骨组织同时进行测量分析和手术模拟设计，可进行手术模拟并设计切除骨量。系统操作方法易于为外科医生掌握使用，具有临床实用性。
【关键词】 矫形外科 下肢畸形 计算机辅助 图像处理
Application study of computer image processing technique assistant design in the realm of lower limbs orthopedic surgery
TANG Shu-sen, HAN Gui-quan,WANG Jin-rong,et al.
The Affiliated Hospital of Weifang Medical College,Weifang 261031, China
Abstract: ［Objective］A DR-based medical image processing software was developed to design the orthopaedics operation of lower limbs on the computer screen.The software was designed for predicting the effect after diorthosis and the clinical effect of using the software during preoperative planning will be evaluated. ［Methods］A DR-based computer image processing software was developed for orthopedic planning and prediction of postoperative situation.The tissue measurement, operation planning and simulation of operation effect was carried out in limb deformity cases with the software on computer.From Jan 2001 to Dec 2006, 28 cases of lower limb long bone deformity were operated and followed up with completely data.All the 28cases were divided into control group and experimental group, and different design methods were respectively performed in each group.The control group were treated by the traditional hand-made method and the experimental group were treated by the computer-assisted method.All treatment for two groups were same before and after the operation.After osteotomy, X-ray pictures were taken at operated limbs and compared with preoperative casts.Concordances between operation effect and preoperative cast were calculated and analyzed statistically.［Results］The software runs smoothly and the error was tiny to ignore.Excision parameters provided by computer were accurate and the preoperative cast was vivid.Both operation effect and coincidence were obviously more satisfactory in experimental group than in control group.And the difference was analyzed to be significant.［Conclusion］Computer image processing technique can be used to analyze the bone tissue and design the operation method, and the quantity of bone resection also can be sure in the cases analysis before the operation.The method is easy to master and can be used widely in the clinical work.
Key words：orthopedics; limb deformity; computer assisted; image processing
目前临床上对于膝内翻/外翻等下肢长骨畸形，截骨矫形是常用的治疗方法。下肢矫形手术治疗效果的关键在于设计完善的手术方案，精确控制截骨部位、截骨角度与截骨量。但传统的诊断测量方法不够全面准确，术前无法模拟出术后的组织形态。本研究把先进的计算机图像处理技术应用于矫形外科领域来完成下肢长骨畸形的测量、手术设计、手术效果预测等，探索利用计算机图像处理技术辅助下肢矫形手术的定量诊断、设计预测。
1 手术方法
1.1 硬件设备
1.2 软件系统
应用软件包括图像测量模块（包括任意图像面积、直线长度、曲线长度等的测量）、手术设计、切除/植入量构建等图像处理模块。全部操作过程采用人机对话和菜单选择方式完成，采用Visual C语言及Visual FoxPro数据库编程。
1.3 患者资料
2001年1月～2008年12月，来自本院资料完整的下肢长骨畸形手术患者共28例，年龄13～54岁，平均34岁。其中股骨髁上截骨治疗膝屈曲畸形11例，膝内翻胫骨高位截骨术9例，膝外翻股骨远端截骨8例。患者随机分为实验组和对照组，分别使用计算机辅助法和传统手工方法设计手术方案。其他术前术后处理均按常规进行，两组患者无差别。
1.4 手术过程
1.4.1 拍摄下肢全长X线片
患者站立于踏板上，面对投射板，双下肢标准中立位，患者保持不动，平移投射板，分2～3次拍摄下肢全长X线片，范围包括髋、膝、踝三个关节。将拍摄的影像信息转为数字信号输入到计算机中，拼接出完整的下肢影像。
1.4.2 设计手术方案
实验组：首先绘制下肢力线，测量膝内外翻角度，按照畸形严重的部位不同，选择截骨部位，在膝关节平面上方或者下方量取约3～4 cm，做一条平行与关节面的直线，根据测定的内外翻的角度加过矫3°绘制另外一条截骨直线。三角形内所包含的楔形骨块即为应切除的骨质。利用软件的任意选区、定点旋转功能，模拟手术后下肢骨骼的形态，重新绘制下肢力线轴，观察形态是否满意。利用软件的测量工具，测量需要截骨的距离。对照组：在X线片上采用人工测量的方法测算需要截骨的距离。
1.4.3 根据设计结果进行手术
硬膜外麻醉或全麻下，暴露骨皮质，确定截骨方向和部位后根据术前测算结果骨刀截骨，保留外侧少许对侧皮质和骨膜，取出楔形骨块后以手法闭合截骨间隙；维持截骨端对合稳定，以交叉克氏针固定后逐层缝合。术后处理：术后下肢长腿石膏夹固定，2周拆线后更换下肢长腿管型石膏固定，术后2个月进行X线复查（图2～5），截骨愈合良好，开始免负重功能锻炼；以后根据复查结果逐渐负重。
2 结果
所有患者术后3 d、2个月、6个月拍摄下肢全长X线片，并与术前比较。使用计算机辅助设计的患者共14例，股骨髁上截骨治疗膝屈曲畸形5例，膝内翻胫骨高位截骨术5例，膝外翻股骨远端截骨4例。手术效果与设计方案的符合率93%。传统方法设计的下肢截骨矫形手术14例，其中股骨髁上截骨治疗膝屈曲畸形6例，膝内翻胫骨高位截骨术4例，膝外翻股骨远端截骨4例。手术效果与设计方案的符合率71%。
典型病例：患者，男性，18岁，术前诊断右膝关节外翻，于2004年5月行股骨下端截骨术（见图2）。
比较两组患者矫正效果的满意程度（表1）。表1 实验结果统计设计方法手术效果满意（略）
利用统计学软件SPSS 11.0进行分析，两样本频率的差别具有统计学意义（P<0.05）。可以认为使用计算机辅助设计与使用传统方法设计的手术效果满意率不同，前者高于后者。
3 讨论
计算机辅助外科技术最早应用于神经外科领域，在立体定位、脓肿穿刺、肿瘤化疗等方面，明显提高了治疗效果［1］。近年来，计算机辅助外科发展最为活跃的领域是骨科。骨组织不易变形，图像与解剖实际的符合率高，特别适合在计算机辅助下手术。计算机辅助骨科技术（computer assisted orthopedics surgery, CAOS）开始于欧洲和北美，于2000年2 月开始联合召开CAOS 年会。计算机辅助骨科技术现已进入脊柱外科、关节外科、创伤、运动医学及截骨矫形等骨科手术的各个领域，用于术前熟悉解剖结构、预演操作，术中导航与机器人辅助，疗效统计评估等各个环节，正在由实验室中的实验性操作转变为常规性操作。1997年，手术骨段导航系统（SSN系统）获得西德专利。Marmulla R报道了使用SSN系统设计复位截骨术的过程。他认为：高度精确的定位，至少应精确到1 mm，SSN系统基本上可以满足各种手术的需要。近年来计算机辅助骨科技术在下肢矫形领域里不断发展，技术更加完善，应用更加广泛。Schkommodau E提出一种半自动方法，对计算机辅助的下肢矫形截骨进行优化，包括矫正手术中从截骨到固定的各个环节。手术过程中，以光学跟踪系统进行运动学测量，结合带有标度的X线片，来对患者的解剖特征进行识别。医师将校正目标输入计算机，计算机结合最优算法，计算出截骨的定位、取向以及骨块的复位目标。在医师进行截骨、复位与固定的过程中，有导航模块提供支持。该方法已经在实验室以及体外试验中获得验证和评估。然而令人遗憾的是，目前CAOS在我国截骨矫形设计中的应用尚处于起步阶段，至今尚未获得充分的开发研究［2］。 图2a膝外翻术前X线片
在下肢矫形手术中，手术模拟和术后预测用传统的人工方法是不可想象的，而且术前设计还涉及到许多复杂的组织测量［3］。秦泗河等认为以下肢骨骼的机械轴和解剖轴为基础，测量成角旋转中心（CORA）的方法有实用性［3］。计算机辅助测量相对传统手工办法有较大优越性［4～6］。另有人应用机器人辅助人体力线复位固定［7、8］。计算机多媒体技术，特别是微机图像处理技术在模拟动态图像、图形技术及图像测量等方面有无与伦比的优势，将微机多媒体技术结合、延伸到骨外科下肢矫形手术中，将促进手术设计的科学化、人性化。作者着眼于这一思路，充分利用图像、图形的最新技术，设计了适合下肢矫形手术的微机辅助设计及测量系统。主要功能包括以下几个部分：多媒体图像录入采集系统，文字、数据编排处理功能，计算、测量功能，帮助系统。区别于其他普通的图像处理软件，更注重临床工作的实际需要。根据下肢矫形手术设计过程中的具体步骤，将一部分图像编辑功能进行了强化，使设计模拟过程更加快捷逼真。同时摒弃了一些对于临床工作意义不大的控件，使操作界面简洁明了。国外一些先进的计算机辅助骨科手术系统利用红外线进行导航，其设备昂贵，操作复杂，检查费用高，目前尚难在我国推广使用。而本软件利用国内现已普及的X线平片、CT片输入微型计算机进行分析，对硬件设备要求不高，操作步骤简单，易于为临床医生所掌握，具有广泛的普及潜力。
在本研究中，对于膝内翻畸形的患者，以外翻10°作为手术矫治的目标。对于膝外翻，以术后保留3°外翻角为矫治目标。轻度过枉矫正并维持适当的下肢力线，可获得良好的近期及远期疗效，临床症状与体征得到改善，X线片显示内侧关节减息较术前宽，软骨下骨硬化，或囊性变消失，骨赘变小等。在下肢矫形手术前的病例分析中，应用自主研发的医学图像处理软件能够对骨组织同时进行测量分析和手术模拟设计；可以定性和定量地诊断分析肢体的畸形程度；可进行手术模拟并设计切除骨量。与传统的设计方法相比，利用该软件辅助进行手术设计能够达到更加满意的手术效果，并有推广应用的科学价值。
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作者单位：山东省潍坊医学院附属医院，潍坊 261031