广州市第一人民医院借助智能数字技术实现下肢复杂畸形微创、三维精准矫正

  下肢畸形临床较常见,患者不仅下肢功能受到严重限制,晚期还会造成关节退变引起骨关节炎。而且影响患者外观和步态异常等造成患者心理压力、影响患者心理健康,因此需要早诊断、早治疗。

  21岁的钱小姐,正值花样年华却遭受此病痛烦扰,由于双下肢的严重畸形,且已错过最佳诊疗时机,不少医院同行都表示束手无策,不敢妄下决断。但是钱小姐经介绍找到了华南理工大学医学院教授、广州市第一人民医院关节外科丁焕文主任医师,在计算机技术、3D打印、虚拟仿真、XR技术以及白光三维扫描等医工结合高新技术的配合运用之下,解决了钱小姐的人生厄运,为她开启了美好的全新人生篇章。

  钱小姐患者的治疗过程由广州市第一人民医院进行了临床决策和手术具体实施。国家人体组织功能重建工程技术研究中心辅助完成了手术导板、个性化外固定支架和钙磷基植入体3D打印。华南理工大学医学院解剖教研室虚拟解剖应用研究团队辅助进行了手术虚拟仿真,完善和优化了手术方案。诺曼数字医疗科技有限公司辅助完成了手术三维设计、手术导板三维设计和医学3D模型平面三维渲染显示。广州联睿智能科技有限公司采用XR技术进行了患者畸形状态、手术方案、手术效果预测等3D显示,辅助医患沟通、病例讨论和术前讨论过程。先临三维科技股份有限公司辅助进行了术前、术中、术后下肢外观白光三维扫描,术前白光扫描了解下肢畸形状态,术中白光扫描引导手术导板精准安放,术后白光扫描评估患者下肢畸形矫正情况和引导矫形过程。

  治疗经过

  病例简介:21岁女性,因双下肢畸形、跛行步态7年余就诊。

  体查:患者身高148cm,双下肢严重畸形,左侧明显(图1)。右膝关节屈曲挛缩,右膝活动度120°-25°-0°。2019年10月行左股骨、胫骨截骨矫形+术后缓慢撑开延长术(图2)。2020年11月23日行右股骨、胫骨微创截骨三维精准矫形+外固定术(图3)。术后1年余左股骨、胫骨正侧位片显示左股骨延长区域愈合、胫骨延长区域有明显骨痂生长(图4),左下肢延长12cm,遗留左小腿外旋畸形,(图5),采用3D打印个性化外固定支架非手术矫正(图6)。

  新兴科技助力诊疗

      术前精准定量诊断

  树蚁智能数字精准外科云服务系统团队在获得患者CT数据之后即刻进行了三维重建(图7),借助3D虚拟模型,更细致了解患肢在三维层面的畸形程度。同时对下肢的解剖参数精确测量,建立了以下三维数字化定量精准诊断:

  1、右下肢严重畸形:

  ① 双股骨前倾角增大1.7144°

  ② 右股骨远端关节面后倾32.2495°

  ③ 右股骨远端内翻股骨角88.3453°

  ④ 右胫骨远端外翻,胫骨角92.1646°

  ⑤ 右胫骨扭转角减少-3.6716°

  ⑥ 右下肢短缩畸形。

  2、左下肢矫形术后

  明确患情后丁焕文教授带领广州市第一人民医院临床研究团队制定了以下治疗计划:

  1.右股骨、胫骨微创截骨三维精准矫形外固定+术后缓慢撑开延长术;

  2.左小腿个性化外固定架更换遗留外“八”字畸形矫正术;

  手术三维设计

      和虚拟仿真优化手术方案

  为更好的解决钱小姐右下肢畸形、短缩问题,丁焕文教授带领树蚁智能数字精准外科研究团队开始紧锣密鼓的进行手术三维规划,由于右下肢存在不同程度的短缩、外翻畸形和股骨远端关节面后倾造成膝关节不能伸直等问题,丁焕文教授团队在左下肢矫正基础上再次对右下肢进行个性化手术三维设计,依次从右股骨头对齐、确定右股骨髁上截骨位置,将股骨进行矫形(图8-9),包括恢复了股骨远端的前倾角和后倾角,同时对远端内翻畸形等进行进行全方位精准矫正,再对右胫骨进行三维设计,图10/11。

  VR科技术前引热议

  所有术前准备妥当之后在手术当日交班现场,丁焕文教授还拿出了一项吸引眼球的新兴科技,那就是虚拟仿真技术,丁焕文教授与树蚁精准外科云辅助系统、广州联睿智能科技有限公司联合攻关建立了医学3D模型XR显示系统,,一排VR眼镜摆在交班室的会议桌上,各位医生护士争相观看,在该系统辅助下VR远程显示病变状态、手术方案和手术效果等。在VR眼镜系统里镶嵌了钱小姐完整的手术设计过程,借助VR眼镜进行了一次完美的术前讨论。(图12)

  白光扫描术中放异彩

  术中为了将设计的置钉定位导板安装妥帖,丁教授使用先临三维白光三维扫描技术——EinScan Pro 2X Plus多功能手持三维扫描仪对患者腿部进行扫描(图13),EinScan Pro 2X Plus采用非接触式白光扫描技术,扫描幅面大,细节精度高,因此可以无创、快速高效的获取患者腿部表面高精数据(图14),形成相应的文件。然后利用3D数据在电脑上进行畸形状态评估、术中辅助手术导板快速匹配和精准安放,评估术后畸形矫形手术效果和引导术后矫形过程。

  术中AR配准引导手术导板精准定位

  为了进一步验证术中导板与体表的贴合位置,丁焕文教授术中放置手术导板后将正侧位外观照片网上传送给华南理工大学自动化学院李彬教授实验室,进行手术导板术中AR即时配准(图15),通过这种跨越空间的远程交流,进一步体现了创新科技的优越性,进行了远程医疗创新形式的探索,也成功让手术导板能够更准确的贴合患肢,提高了外固定置钉精准度,防止截骨位置发生偏差。

  个性化手术导板引导完成微创截骨

      与三维精准矫形手术

  在王迎军院士领衔的国家人体组织重建工程技术研究中心赵娜如教授、刁静静博士等辅助下,完成了个性化磷酸钙可再生修复体、手术导板和个性化外固定架的CAD设计和3D打印。借助这一系列新兴科技手段,钱小姐的手术按时顺利完成,导板引导外固定螺针(图16)准确打入股骨与胫骨,截骨位置选择十分准确,通过短于2cm的小切口完成微创截骨,安装外固定架后完成矫形。遗留部分畸形采用个性化外固定架非手术矫正(图17)。

  术后三维评估针对左下肢术后残留的外”八“字畸形和轻微小腿向内成角畸形(图18),CAD设计和3D打印个性化外固定进行非手术矫正,使患者避免了再次手术(图19)。就这样一台复杂疑难下肢畸形矫正手术得以精准、安全和轻松解决。

  外固定架矫形成功

     下肢延长未来可期

  在手术完成的第二天钱小姐精神状态良好,还在麻醉中的双下肢也没有丝毫不适。进行术后的X线片与CT扫面以及三维重建评估,都提示下肢矫形效果很好。为了下肢功能更好康复,指导、鼓励其积极进行床边、床旁运动。身高148cm的患者术后摇身一变成为160cm的窈窕淑女。术后三维评估患者双下肢解剖参数完全恢复(图20)。

  END

  文章源自于广州市第一人民医院 丁焕文教授团队

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