基于增强现实(AR)截骨导板治疗桡骨远端畸形愈合的精准截骨技术评估

《3D Printing in Medicine 3,》：Corrective osteotomy for malunited distal radius fracture using an augmented reality (AR) osteotomy guide

本研究针对桡骨远端骨折畸形愈合矫正手术中传统定制导板成本高、耗时长的问题，开发了一种基于增强现实(AR)技术的虚拟截骨导板系统。通过HoloLens头戴设备将术前3D模拟模型投影至手术区域，指导6例患者完成截骨矫正。结果显示术后腕关节活动度、握力及患者报告结局均显著改善，截骨水平误差仅3.3mm，证实AR导板可实现精准矫正，为骨科手术导航提供了新思路。

　　

桡骨远端骨折是临床最常见的骨折类型之一，但令人困扰的是，即使经过及时治疗，仍有相当比例的患者会出现畸形愈合。文献显示，保守治疗患者中畸形愈合发生率高达23%，手术治疗患者中也达到11%。这种畸形愈合不仅影响美观，更会导致腕关节疼痛、活动受限和握力下降等功能障碍，严重影响患者生活质量。

面对这一临床难题，矫正截骨术已成为治疗症状性畸形愈合的标准方法。传统手术依赖术者的经验和术中X光透视，但精准恢复桡骨远端复杂的三维解剖结构始终是一大挑战。近年来，随着3D打印技术的发展，个性化定制截骨导板为精准矫正带来了新希望。然而定制导板需要单独生产每个患者的导板，不仅成本高昂、耗时漫长，且导板材料需要满足灭菌要求和承受骨锯切割的强度，最终这些精心制作的导板却只能在一次手术后被丢弃，造成医疗资源的巨大浪费。

正是在这样的背景下，日本广岛大学骨科研究团队提出了一种创新性的解决方案——利用增强现实(Augmented Reality, AR)技术创建虚拟截骨导板，从根本上避免物理导板的制作与消耗。这项发表在《3D Printing in Medicine》的研究，首次系统评估了AR截骨导板在桡骨远端畸形愈合矫正手术中的精确度和临床效果。

研究团队采用了多项关键技术方法开展此项研究。他们首先通过计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)获取患者双侧前臂影像数据，利用医学计算机辅助设计(Computer-Aided Design, CAD)软件3-Matic创建3D骨骼模型并进行截骨模拟。健康侧桡骨模型经过镜像处理后与患侧模型匹配，确定截骨线和矫正方案。生成的3D数据被转换为全息影像并安装于微软HoloLens头戴显示设备(Head-Mounted Display, HMD)中。术中，医生通过HMD将虚拟截骨导板投影至患者桡骨实际位置，指导截骨操作。研究纳入了6例桡骨远端畸形愈合患者，平均年龄48岁，术后平均随访14个月。

临床结果

所有患者均实现骨性愈合，平均愈合时间为4.0个月。术后腕关节功能各项指标均有明显改善：腕关节总活动弧度(Total Arc of Motion, TAM)从术前的79.2%提升至94.9%；握力从53.4%提升至68.6%；上肢功能障碍评分(Disability of the Arm, Shoulder, and Hand questionnaire, DASH)从18.9分显著改善至2.2分，表明患者主观感受明显好转。

影像学评估

术后桡骨远端解剖参数得到显著矫正：掌倾角(Volar Tilt, VT)从-31.2°改善至4.8°；桡骨倾斜角(Radial Inclination, RI)从19.7°改善至24.4°；尺骨变异(Ulnar Variance, UV)从5.7mm减少至1.3mm。所有参数均接近健侧水平，畸形矫正效果满意。

精确度分析

通过术后CT扫描与术前模拟模型的对比，研究人员对AR导板的精确度进行了量化评估。结果显示，截骨线水平与模拟计划平均相差3.3mm，截骨面倾斜度在屈伸方向上平均偏差7.0°，在桡尺方向上平均偏差3.3°。矫正角度与模拟计划相比，屈伸方向差异为6.5°，桡尺方向差异为3.9°。这一精确度与传统定制导板相当，尤其在桡尺方向上的偏差控制较为理想。

研究团队在讨论中指出，HoloLens作为2016年上市的AR设备，在骨科领域的应用正逐渐增多。AR截骨导板相比传统导板具有明显优势：无需实体设备制造，成本极低；在没有制造设施的地区也能使用；手术中无需灭菌处理。通过AR技术将术前模拟的截骨模型投影至手术区域，能够实现与术前3D模拟一致的精准截骨。

然而，研究也揭示了当前技术的局限性。屈伸方向截骨面倾斜度偏差较大(7.0°)，可能由于从桡侧观察截骨线水平和桡尺方向倾斜度较为直观，而屈伸方向倾斜度需要从侧方确认，术者佩戴笨重HMD时头部位置变化影响了空间感知精度。此外，全息影像对准的不精确也是误差来源之一。

与既往研究对比发现，AR导板对经验不足的术者提升效果更为明显。在第一跖骨远端截骨研究中，AR导板将 inexperienced 术者的误差从10.5°减少至6.4°，而对经验丰富的术者改善有限。本研究获得的精确度与文献报道相当，考虑到实际手术中软组织干扰和出血等复杂因素，AR导航对各类经验水平的术者都可能具有实用价值。

值得注意的是，使用AR导板后平均手术时间达176分钟，比同期非AR引导手术(102分钟)延长约70分钟。随着术者对HMD使用熟练度提高，手术时间并未呈现明显下降趋势，可能与术中需要与助手进行信息共享和沟通教育有关。

该研究的创新点在于首次将AR技术应用于桡骨截骨矫正的实际手术并系统评估其精确度，为骨科手术导航提供了新范式。然而，作为一项初步研究，其样本量较小、缺乏对照组、手术时间延长以及模拟与实际手术间的差异仍是需要克服的挑战。未来需要通过更大规模的临床研究和与技术改进，进一步提高AR导板的精确度和易用性。

这项研究证实了基于HoloLens的AR截骨导板在桡骨远端畸形愈合矫正手术中的可行性，达到了可接受的精确度。虽然技术在精确性和简便性方面仍需改进，但无疑为骨科精准手术开辟了新途径，有望在未来成为传统导板的有力替代方案。