引用本文： 何少波, 刘继超, 李伍建, 张根生, 郑琎喆, 黄斌. 增强现实技术在胫后动脉穿支皮瓣修复下肢软组织缺损中的应用. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(2): 185-188. doi: 10.7507/1002-1892.202211109 复制
下肢开放性创伤临床常见，经清创、骨折固定后常遗留较大创面，合并骨、肌腱外露，临床治疗相当棘手。胫后动脉穿支皮瓣是修复下肢创面常用方式之一，具有外形美观、设计灵活、供区损伤小等优点。但穿支血管存在解剖变异，目前临床主要依靠术者经验、手持多普勒超声、磁共振血管成像、CT血管造影（CT angiography，CTA）[1-2]、数字减影血管造影等[3]。其中，术者依靠经验寻找穿支血管风险较高，而且需要作较大切口[4]；手持多普勒超声灵敏度不高，受限于使用者经验，存在一定误差；磁共振血管成像、数字减影血管造影、CTA成像后的平面图形均无法进行体表三维定位。
近年来，增强现实（augmented reality，AR）技术在临床医学领域广泛应用，为精准定位胫后动脉穿支血管位置提供了思路，为个性化设计和切取皮瓣提供了新方向[2，5]。2019年6月—2022年6月，我院采用胫后动脉穿支皮瓣修复10例足踝周围皮肤软组织缺损，术中应用AR技术定位穿支血管，辅助皮瓣设计及切取，取得满意疗效。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
患者纳入标准：① 年龄20～70岁；② 足踝周围皮肤软组织缺损面积在15.0 cm×8.0 cm以内；③ 前期经清创及骨折钢板内固定或外固定架固定，创面感染已控制，具备胫后动脉穿支皮瓣修复条件；④ 同意参与本次研究。排除标准：① 患有严重糖尿病足、周围血管病变，肢体存在血运障碍；② 内科疾病较严重，不能耐受手术者[5]。
本组男7例，女3例；年龄33～69岁，平均53.7岁。致伤原因：交通事故伤5例，重物压伤4例，机器伤1例。左侧6例，右侧4例。创面范围5 cm×3 cm～14 cm×7 cm；合并骨骼、肌腱组织外露。患者伤后均经清创处理，伴有胫骨下段骨折2例，内踝骨折3例，跟骨骨折2例，楔骨、跖骨骨折2例；分别采用克氏针、钢板螺钉内固定7例，外固定架固定2例。受伤至皮瓣修复手术时间为7～24 d，平均12.8 d。
1.2 手术方法
1.2.1 三维图像构建
在患侧小腿贴4个电极片，分别位于胫骨内髁（A点）、内踝（B点），以及AB连线中点分别向前、后旁开5 cm（C、D点）。如创面位于足内侧或踝关节，预计皮瓣远端至旋转点距离不超过10 cm，可将胫骨内髁与内踝连线中点作为A点；如内踝有创面不便于安放电极片，可选择骨性凸起作为B点。使用荷兰飞利浦公司256层128排CT对患肢进行扫描（层厚0.65 mm），扫描范围从髌骨至足趾，选择曲面重组重建方法，获取Dicom格式的CT数据。然后将其导入Mimics软件，建立包括骨骼、动脉、皮肤、电极片的三维模型[6-7]。由骨科主治医师、主任医师及影像科医师组成三人小组对CTA进行解读，明确胫后动脉穿支血管走行、长度、管径及数量，并使用软件Multiple Slice Edit功能对穿支血管进行标记[5]；对皮肤、骨骼半透明化处理，调整为侧面视图后截图保存[8]。AR技术应用后期技术比较成熟，则仅建立胫后动脉穿支、骨骼、电极片三维模型，更方便快速定位穿支血管，得到目标截图[9-10]。将截取的血管图像和三维血管图像进行对比校准[11-12]。
1.2.2 应用AR技术行血管定位和皮瓣设计
将截取的血管图像导入智能手机，选取双重曝光模式[13]，将图像上的电极片金属部分和实际患肢电极片位置重叠，此时图像上穿支血管投影在患肢皮肤上，记号笔标记胫后动脉穿支血管位置、数量、管径（可以使用三脚架防止手机晃动）。10例患者术前经AR定位寻找到胫后动脉穿支。根据创面情况，选择位置合适、较粗的穿支血管作为手术目标血管，设计皮瓣并划线标记，皮瓣面积略大于创面1.0～1.5 cm。
1.2.3 皮瓣切取及修复
沿皮瓣设计线切开皮肤，直达深筋膜，寻找到胫后动脉及目标穿支，保护蒂部穿支血管及周围筋膜，将深筋膜掀向皮瓣一侧，确认皮瓣边缘血运后，于明道（7例）或皮下隧道（3例）转移并覆盖创面[14-15]。术中测量标记的穿支血管和实际穿支血管在皮肤对应位置的距离。本组皮瓣切取范围6 cm×4 cm～15 cm×8 cm。皮瓣供区2例拉拢缝合；8例缝合张力大，行局部植皮修复。
1.3 术后处理
术后抬高患肢，给予消炎、抗凝、抗血管痉挛等处理，密切观察皮瓣血运，发现血管危象及时处置。术后前3个月每月随访1次，3～12个月每3个月随访1次。根据美国矫形足踝协会（AOFAS）评分评价踝关节功能。
2 结果
本组10例患者术前AR技术定位胫后动脉穿支1～4支，平均3.4支；术中穿支血管定位位置与术前AR技术定位基本一致，两者距离为0～16 mm，平均12.2 mm。按照术前设计顺利切取皮瓣并完成创面修复。术后9例皮瓣顺利成活，无血管危象发生，创面Ⅰ期愈合；1例皮瓣远端边缘坏死，经换药后愈合。2例供区植皮局部感染，经换药后愈合；其余植皮顺利成活，切口均Ⅰ期愈合。患者均获随访，随访时间6～12个月，平均10.3个月。皮瓣质地柔软，无明显瘢痕增生及挛缩发生。末次随访时，踝关节功能AOFAS评分达优8例、良1例、差1例（因合并创伤性关节炎存在踝关节功能障碍）。见图1。
图1
患者，女，68岁，因右内踝、跟骨骨折并骨缺损，经清创、负压引流以及外固定架固定治疗后14 d 右踝软组织缺损
a. 皮瓣修复术前创面；b. 基于CTA数据重建的三维模型；c、d. 术中将血管截图投照在患肢，显示并标记穿支血管位置；e. 根据穿支血管位置设计皮瓣切取范围；f、g. 胫后动脉穿支皮瓣修复创面术后即刻；h、i. 术后6个月外观
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 讨论
目前，穿支皮瓣已广泛用于修复全身各处皮肤软组织缺损修复。穿支皮瓣的选择需要满足血供足够稳定以及蒂部足够长。但是由于穿支血管存在变异或血管太细、蒂部牵拉或受卡压等问题，术后皮瓣可能发生血管危象、全部或部分坏死。因此，术前精准定位穿支血管位置、管径、走行、分层以及明确可分离的蒂部长度等信息，对于术前设计皮瓣、提高皮瓣切取成功率、降低术后皮瓣坏死风险有重要意义[15-16]。
随着技术进步，AR技术越来越多地应用于临床[17-18]。针对皮瓣穿支血管多变异的特点，采用AR技术可以将术前CTA扫描重建的下肢血管三维图像“拓印”在真实患肢上[19]，实现穿支血供位置、数量、管径、走行、长度、毗邻关系的可视化和精确化。虚拟与实体两种信息互为补充，以达到“增强”真实患肢的目的[8，17，20]。AR技术除可应用于术前规划设计阶段外，也可作为“实景地图”指导术中寻找穿支血管。
我们认为基于CTA图像的AR技术应用具有以下优势：① CTA检查时选择曲面重组重建方法，对膝关节以下血管具有明显优势。与多平面重建相比，能更好地将行径扭曲的血管“伸展拉直”，获得的曲面投影能展示在同一平面上。② 患肢由于创伤、创面感染等原因，处于炎症状态，相同部位的血管管径较健侧粗，血流速度较健侧大，因此血管三维成像显示的血管数量、管径等信息有利于寻找到目标血管。③ AR技术定位胫后动脉穿支血管准确，基于此设计的皮瓣厚度适中，手术成功率高。④ 术中AR技术应用不会干扰手术操作，不会污染手术区域，手持设备方便任意体位下的投射。
不足之处：① CTA检查需要碘剂造影，有过敏、肾脏毒性和电离辐射风险；② CTA检测精度有限，难以显示管径<0.5 mm的细小穿支；③ AR技术图像质量取决于CTA检查，而检查时患者配合度、造影剂剂量、注射速度、延迟扫描等均会对此产生影响；④ 操作过程中是将人体三维血管网络形成三维图像，通过投影在体表，双重曝光形成二维图像，从而将血管走行“定位”在体表，虚拟模型和患肢的匹配难以确保精确；⑤ CTA检查和虚拟图像投照患肢时需保持相同体位（悬空或置于台面上），如小腿后方肌群挤压可能造成电极片位置偏移，增大定位误差。
综上述，AR技术应用于胫后动脉穿支皮瓣术前规划，可提升穿支血管定位以及数量、管径、走行等信息的准确性，降低皮瓣坏死风险。下一步可结合头戴设备Microsoft Hololens 2进行混合现实，将三维虚拟模型实时投影至人体，实现放大、缩小及旋转等操作。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突
伦理声明 研究方案经西安交通大学附属3201医院医学伦理委员会批准［（2022）045号］
作者贡献声明 何少波：研究设计、文章撰写及修改、AR技术实施；刘继超、张根生：实施手术、对文章的知识性内容作批评性审阅；李伍建：临床随访、数据收集整理及统计；郑琎喆、黄斌：CTA数据解读及整理
下肢开放性创伤临床常见，经清创、骨折固定后常遗留较大创面，合并骨、肌腱外露，临床治疗相当棘手。胫后动脉穿支皮瓣是修复下肢创面常用方式之一，具有外形美观、设计灵活、供区损伤小等优点。但穿支血管存在解剖变异，目前临床主要依靠术者经验、手持多普勒超声、磁共振血管成像、CT血管造影（CT angiography，CTA）[1-2]、数字减影血管造影等[3]。其中，术者依靠经验寻找穿支血管风险较高，而且需要作较大切口[4]；手持多普勒超声灵敏度不高，受限于使用者经验，存在一定误差；磁共振血管成像、数字减影血管造影、CTA成像后的平面图形均无法进行体表三维定位。
近年来，增强现实（augmented reality，AR）技术在临床医学领域广泛应用，为精准定位胫后动脉穿支血管位置提供了思路，为个性化设计和切取皮瓣提供了新方向[2，5]。2019年6月—2022年6月，我院采用胫后动脉穿支皮瓣修复10例足踝周围皮肤软组织缺损，术中应用AR技术定位穿支血管，辅助皮瓣设计及切取，取得满意疗效。报告如下。
1 临床资料
1.1 一般资料
患者纳入标准：① 年龄20～70岁；② 足踝周围皮肤软组织缺损面积在15.0 cm×8.0 cm以内；③ 前期经清创及骨折钢板内固定或外固定架固定，创面感染已控制，具备胫后动脉穿支皮瓣修复条件；④ 同意参与本次研究。排除标准：① 患有严重糖尿病足、周围血管病变，肢体存在血运障碍；② 内科疾病较严重，不能耐受手术者[5]。
本组男7例，女3例；年龄33～69岁，平均53.7岁。致伤原因：交通事故伤5例，重物压伤4例，机器伤1例。左侧6例，右侧4例。创面范围5 cm×3 cm～14 cm×7 cm；合并骨骼、肌腱组织外露。患者伤后均经清创处理，伴有胫骨下段骨折2例，内踝骨折3例，跟骨骨折2例，楔骨、跖骨骨折2例；分别采用克氏针、钢板螺钉内固定7例，外固定架固定2例。受伤至皮瓣修复手术时间为7～24 d，平均12.8 d。
1.2 手术方法
1.2.1 三维图像构建
在患侧小腿贴4个电极片，分别位于胫骨内髁（A点）、内踝（B点），以及AB连线中点分别向前、后旁开5 cm（C、D点）。如创面位于足内侧或踝关节，预计皮瓣远端至旋转点距离不超过10 cm，可将胫骨内髁与内踝连线中点作为A点；如内踝有创面不便于安放电极片，可选择骨性凸起作为B点。使用荷兰飞利浦公司256层128排CT对患肢进行扫描（层厚0.65 mm），扫描范围从髌骨至足趾，选择曲面重组重建方法，获取Dicom格式的CT数据。然后将其导入Mimics软件，建立包括骨骼、动脉、皮肤、电极片的三维模型[6-7]。由骨科主治医师、主任医师及影像科医师组成三人小组对CTA进行解读，明确胫后动脉穿支血管走行、长度、管径及数量，并使用软件Multiple Slice Edit功能对穿支血管进行标记[5]；对皮肤、骨骼半透明化处理，调整为侧面视图后截图保存[8]。AR技术应用后期技术比较成熟，则仅建立胫后动脉穿支、骨骼、电极片三维模型，更方便快速定位穿支血管，得到目标截图[9-10]。将截取的血管图像和三维血管图像进行对比校准[11-12]。
1.2.2 应用AR技术行血管定位和皮瓣设计
将截取的血管图像导入智能手机，选取双重曝光模式[13]，将图像上的电极片金属部分和实际患肢电极片位置重叠，此时图像上穿支血管投影在患肢皮肤上，记号笔标记胫后动脉穿支血管位置、数量、管径（可以使用三脚架防止手机晃动）。10例患者术前经AR定位寻找到胫后动脉穿支。根据创面情况，选择位置合适、较粗的穿支血管作为手术目标血管，设计皮瓣并划线标记，皮瓣面积略大于创面1.0～1.5 cm。
1.2.3 皮瓣切取及修复
沿皮瓣设计线切开皮肤，直达深筋膜，寻找到胫后动脉及目标穿支，保护蒂部穿支血管及周围筋膜，将深筋膜掀向皮瓣一侧，确认皮瓣边缘血运后，于明道（7例）或皮下隧道（3例）转移并覆盖创面[14-15]。术中测量标记的穿支血管和实际穿支血管在皮肤对应位置的距离。本组皮瓣切取范围6 cm×4 cm～15 cm×8 cm。皮瓣供区2例拉拢缝合；8例缝合张力大，行局部植皮修复。
1.3 术后处理
术后抬高患肢，给予消炎、抗凝、抗血管痉挛等处理，密切观察皮瓣血运，发现血管危象及时处置。术后前3个月每月随访1次，3～12个月每3个月随访1次。根据美国矫形足踝协会（AOFAS）评分评价踝关节功能。
2 结果
本组10例患者术前AR技术定位胫后动脉穿支1～4支，平均3.4支；术中穿支血管定位位置与术前AR技术定位基本一致，两者距离为0～16 mm，平均12.2 mm。按照术前设计顺利切取皮瓣并完成创面修复。术后9例皮瓣顺利成活，无血管危象发生，创面Ⅰ期愈合；1例皮瓣远端边缘坏死，经换药后愈合。2例供区植皮局部感染，经换药后愈合；其余植皮顺利成活，切口均Ⅰ期愈合。患者均获随访，随访时间6～12个月，平均10.3个月。皮瓣质地柔软，无明显瘢痕增生及挛缩发生。末次随访时，踝关节功能AOFAS评分达优8例、良1例、差1例（因合并创伤性关节炎存在踝关节功能障碍）。见图1。
图1
患者，女，68岁，因右内踝、跟骨骨折并骨缺损，经清创、负压引流以及外固定架固定治疗后14 d 右踝软组织缺损
a. 皮瓣修复术前创面；b. 基于CTA数据重建的三维模型；c、d. 术中将血管截图投照在患肢，显示并标记穿支血管位置；e. 根据穿支血管位置设计皮瓣切取范围；f、g. 胫后动脉穿支皮瓣修复创面术后即刻；h、i. 术后6个月外观
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 讨论
目前，穿支皮瓣已广泛用于修复全身各处皮肤软组织缺损修复。穿支皮瓣的选择需要满足血供足够稳定以及蒂部足够长。但是由于穿支血管存在变异或血管太细、蒂部牵拉或受卡压等问题，术后皮瓣可能发生血管危象、全部或部分坏死。因此，术前精准定位穿支血管位置、管径、走行、分层以及明确可分离的蒂部长度等信息，对于术前设计皮瓣、提高皮瓣切取成功率、降低术后皮瓣坏死风险有重要意义[15-16]。
随着技术进步，AR技术越来越多地应用于临床[17-18]。针对皮瓣穿支血管多变异的特点，采用AR技术可以将术前CTA扫描重建的下肢血管三维图像“拓印”在真实患肢上[19]，实现穿支血供位置、数量、管径、走行、长度、毗邻关系的可视化和精确化。虚拟与实体两种信息互为补充，以达到“增强”真实患肢的目的[8，17，20]。AR技术除可应用于术前规划设计阶段外，也可作为“实景地图”指导术中寻找穿支血管。
我们认为基于CTA图像的AR技术应用具有以下优势：① CTA检查时选择曲面重组重建方法，对膝关节以下血管具有明显优势。与多平面重建相比，能更好地将行径扭曲的血管“伸展拉直”，获得的曲面投影能展示在同一平面上。② 患肢由于创伤、创面感染等原因，处于炎症状态，相同部位的血管管径较健侧粗，血流速度较健侧大，因此血管三维成像显示的血管数量、管径等信息有利于寻找到目标血管。③ AR技术定位胫后动脉穿支血管准确，基于此设计的皮瓣厚度适中，手术成功率高。④ 术中AR技术应用不会干扰手术操作，不会污染手术区域，手持设备方便任意体位下的投射。
不足之处：① CTA检查需要碘剂造影，有过敏、肾脏毒性和电离辐射风险；② CTA检测精度有限，难以显示管径<0.5 mm的细小穿支；③ AR技术图像质量取决于CTA检查，而检查时患者配合度、造影剂剂量、注射速度、延迟扫描等均会对此产生影响；④ 操作过程中是将人体三维血管网络形成三维图像，通过投影在体表，双重曝光形成二维图像，从而将血管走行“定位”在体表，虚拟模型和患肢的匹配难以确保精确；⑤ CTA检查和虚拟图像投照患肢时需保持相同体位（悬空或置于台面上），如小腿后方肌群挤压可能造成电极片位置偏移，增大定位误差。
综上述，AR技术应用于胫后动脉穿支皮瓣术前规划，可提升穿支血管定位以及数量、管径、走行等信息的准确性，降低皮瓣坏死风险。下一步可结合头戴设备Microsoft Hololens 2进行混合现实，将三维虚拟模型实时投影至人体，实现放大、缩小及旋转等操作。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突
伦理声明 研究方案经西安交通大学附属3201医院医学伦理委员会批准［（2022）045号］
作者贡献声明 何少波：研究设计、文章撰写及修改、AR技术实施；刘继超、张根生：实施手术、对文章的知识性内容作批评性审阅；李伍建：临床随访、数据收集整理及统计；郑琎喆、黄斌：CTA数据解读及整理
