梁金龍 趙永輝 羅浩天 陸聲

全髖關(guān)節(jié)成形術(shù)(total hip arthroplasty，THA)是治療終末期髖關(guān)節(jié)疾病的有效手段之一[1]。術(shù)中關(guān)節(jié)假體的植入方位是一個(gè)比較重要的THA療效影響因素[2]。不少學(xué)者對(duì)術(shù)中髖臼假體的安放角度進(jìn)行了探討，認(rèn)為T(mén)HA術(shù)后髖關(guān)節(jié)脫位等與假體位置密切相關(guān)[3-4]。有研究者發(fā)現(xiàn)，通過(guò)術(shù)前準(zhǔn)確測(cè)量髖臼杯位置與髖臼Harris窩頂點(diǎn)的關(guān)系，可獲得預(yù)期的臼杯外展角[5]。近年來(lái)，有學(xué)者利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)制作手術(shù)導(dǎo)板，為髖臼假體的精確定位提供了一種新方法，也為臼杯大小的選擇提供了指導(dǎo)[6-8]。同時(shí)，在臨床上，髖臼方位在不同個(gè)體間表現(xiàn)出一定的差異，只有建立個(gè)性化的術(shù)前規(guī)劃和治療方案才能與這種個(gè)體差異相適應(yīng)。據(jù)此，本研究利用人尸體髖標(biāo)本進(jìn)行個(gè)性化髖臼導(dǎo)板的設(shè)計(jì)、制作及輔助髖臼假體植入的實(shí)驗(yàn)研究，為T(mén)HA術(shù)中髖臼假體準(zhǔn)確植入提供一種新的輔助手段。

資料與方法

一、資料

2018年11月至2020年4月中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第920醫(yī)院骨科選取無(wú)明顯骨骼破壞和缺損的人尸體髖標(biāo)本20例(由昆明醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室提供)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將每例髖標(biāo)本右側(cè)定義為導(dǎo)板側(cè)，左側(cè)定義為對(duì)照側(cè)。標(biāo)本選取標(biāo)準(zhǔn)：成年人尸體；髖關(guān)節(jié)骨質(zhì)完好，X線(xiàn)檢查未見(jiàn)骨質(zhì)破壞和骨缺損。標(biāo)本排除標(biāo)準(zhǔn)：髖部創(chuàng)傷；骨骼缺損；髖臼和股骨頭欠完整，影響髖關(guān)節(jié)三維重建。

材料與設(shè)備：Medical Systems/LightSpeed16 16排CT(GE公司，美國(guó))；交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)(Materialise's interactive medical image control syste，Mimics)10.01軟件(Materialise公司，比利時(shí))、Geomagic studio 12.0(Geomagic公司，美國(guó))、Imageware 13等逆向工程軟件；光敏樹(shù)脂材料(Stereocol by Avecia公司，英國(guó))。

二、方法

1.標(biāo)本的CT掃描：置標(biāo)本于仰臥位，使標(biāo)本縱軸與掃描平面垂直，掃描范圍包括髖關(guān)節(jié)，上至髂前上棘，下至股骨干近端，層厚0.630 mm，電壓120 kV，電流100 mA。使CT掃描后的圖像X、Y、Z軸各向同性，為三維重建提供可靠的原始數(shù)據(jù)。

2.髖臼方位的測(cè)量與骨盆的三維重建：將標(biāo)本CT掃描原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.01軟件進(jìn)行加載分析。利用Imageware 13軟件對(duì)髖臼表面進(jìn)行曲面處理，利用Geomagic studio 12.0軟件生成髖臼表面點(diǎn)云的數(shù)字模型，將對(duì)照側(cè)髖臼表面點(diǎn)云的最適擬合球心(O1)定義為對(duì)照側(cè)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心(hip joint center，HJC)(圖1)。對(duì)擬合效果進(jìn)行質(zhì)量分析(圖2)。利用鏡像建立導(dǎo)板側(cè)HJC。經(jīng)過(guò)兩側(cè)HJC建立標(biāo)本骨盆的水平面和冠狀面，并分別獲得標(biāo)本骨盆各二維平面投影(圖3)。在CT橫斷面上過(guò)髖臼后緣作兩側(cè)HJC連線(xiàn)的垂線(xiàn)，該垂線(xiàn)與髖臼前后緣連線(xiàn)形成的銳角為前傾角α，在CT冠狀面上，兩側(cè)HJC連線(xiàn)與導(dǎo)板側(cè)髖臼上下極連線(xiàn)形成的銳角為外展角β(圖4)。同時(shí)測(cè)量HJC到淚滴的垂直距離(H)和水平距離(W)，依據(jù)鏡像對(duì)稱(chēng)原理得到導(dǎo)板側(cè)髖臼參數(shù)，對(duì)髖關(guān)節(jié)進(jìn)行三維重建。

圖1 將髖臼表面點(diǎn)云集合擬合成最適球體，獲得該球體的半徑及球心坐標(biāo)(O1)并分別定義為髖臼半徑(r)和髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心(HJC) 圖2髖臼點(diǎn)云擬合精度的質(zhì)量分析：紅色表示擬合偏差較大，綠色和黃色分別表示不同程度的較小偏差，藍(lán)色表示負(fù)向偏差 圖3 過(guò)兩側(cè)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心(HJC)建立標(biāo)本骨盆的水平面和冠狀面，將骨盆三維結(jié)構(gòu)的信息投影到二維平面上進(jìn)行測(cè)量 A 骨盆冠狀面的建立 B 骨盆冠狀面?zhèn)让嬗^(guān) C 骨盆水平面的建立 D 骨盆水平面?zhèn)让嬗^(guān)

圖4 分別在骨盆投影的冠狀面、水平面上測(cè)量對(duì)照側(cè)髖臼的外展角(β)和前傾角(α)，根據(jù)對(duì)稱(chēng)原理得到導(dǎo)板側(cè)髖臼方位 A 冠狀面的測(cè)量B 水平面的測(cè)量 圖5 將髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心O1分別在冠狀面和矢狀面上進(jìn)行平移，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得到髖臼旋轉(zhuǎn)軸上的O2點(diǎn) 圖6 O1和O2兩點(diǎn)連線(xiàn)為髖臼旋轉(zhuǎn)軸，即導(dǎo)板導(dǎo)航管的方向 圖7 利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)導(dǎo)板的導(dǎo)航管，以髖臼旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)為軸，確定導(dǎo)航管的方向 圖8 以髖臼Harris窩為模板域建立與其解剖形態(tài)一致的反模。導(dǎo)航管與髖臼Harris窩反模配準(zhǔn)后生成虛擬的髖臼導(dǎo)板，與髖臼Harris窩進(jìn)行模擬配準(zhǔn)

3.髖臼旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的計(jì)算：已知HJC坐標(biāo)O1(X1，Y1，Z1)，根據(jù)髖臼外展角和前傾角的術(shù)中定義，將HJC分別于冠狀面和矢狀面上作外展和前傾的平移，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得到髖臼旋轉(zhuǎn)軸上的一個(gè)點(diǎn)O2(X2，Y2，Z2)，稱(chēng)之為“L”點(diǎn)。計(jì)算方法：以擬合球體的半徑(r)在骨盆水平面上的投影為條件，O1在骨盆水平面上的外展距離L1=r、前傾距離L2=r.tgα/sinβ、向下平移L3=r/tgβ；O2坐標(biāo)(X2，Y2，Z2)：X2=X1±L1=X1±r；Y2=Y1-L2=Y1-rtanα/sinβ；Z2=Z1-L3=Z1-r/tanβ。根據(jù)髖臼半徑r和HJC計(jì)算得到的“L”點(diǎn)具有唯一性；兩點(diǎn)能夠確定髖臼軸的方向，直線(xiàn)O1O2確定了髖臼的旋轉(zhuǎn)軸，也就是導(dǎo)板導(dǎo)航管的方向(圖5，6)。

4.髖臼虛擬導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與制作：應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)軟件設(shè)計(jì)導(dǎo)板的導(dǎo)航管，內(nèi)徑3.4 mm，外徑7.4 mm，壁厚2.0 mm，長(zhǎng)3.0 mm。以髖臼旋轉(zhuǎn)軸為軸，確定導(dǎo)航管的方向(圖7)。以髖臼Harris窩為模板域，建立與髖臼Harris窩解剖結(jié)構(gòu)一致的反模，與導(dǎo)航管配準(zhǔn)后生成虛擬的導(dǎo)板，并可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)板和Harris窩的虛擬配準(zhǔn)(圖8)。沿導(dǎo)航管植入一個(gè)代表髖臼旋轉(zhuǎn)軸的虛擬定位針，任意旋轉(zhuǎn)可以間接了解髖臼開(kāi)口的方位，判斷手術(shù)的預(yù)期效果。再將虛擬髖臼導(dǎo)板通過(guò)快速成型技術(shù)生成光敏樹(shù)脂導(dǎo)板。

5.以導(dǎo)板輔助植入臼杯假體：置標(biāo)本于左側(cè)臥位。后外側(cè)入路顯露并打開(kāi)關(guān)節(jié)囊，髖關(guān)節(jié)脫位后，于大小轉(zhuǎn)子連線(xiàn)上方1.5 cm垂直于股骨頸截除股骨頭并充分暴露髖臼，經(jīng)剔除Harris窩表面的軟組織等覆蓋物，充分顯露后將導(dǎo)板貼附于Harris窩，沿導(dǎo)航管植入直徑3.0 mm定位針(根據(jù)髖臼頂部骨量確定定位針限深1.0 cm)，移除導(dǎo)板，用中空的髖臼銼沿定位針自小號(hào)到大號(hào)進(jìn)行同心磨銼，沿定位針植入臼杯假體，加壓固定(圖9，10)。

圖9 暴露髖臼Harris窩，將導(dǎo)板與Harris窩緊密貼附，沿導(dǎo)航管植入一根限深定位針輔助臼杯定位 圖10 利用改良設(shè)計(jì)的髖臼銼對(duì)髖臼進(jìn)行同心磨銼，在定位針導(dǎo)航下將臼杯假體植入預(yù)期位置

6.效果評(píng)價(jià)指標(biāo)：利用CT和X線(xiàn)影像對(duì)導(dǎo)板側(cè)和對(duì)照側(cè)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)容包括臼杯HJC、α角、β角、H值(X線(xiàn)平片上HJC到兩側(cè)淚滴連線(xiàn)的垂直距離)和W值(X線(xiàn)平片上HJC到淚滴緣切線(xiàn)的水平距離)(圖11)。分別對(duì)兩側(cè)同一測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行比較。

圖11 臼杯假體植入髖標(biāo)本后的X線(xiàn)和CT顯示臼杯假體植入位置滿(mǎn)意，定位針與臼杯假體開(kāi)口面垂直，達(dá)到預(yù)期臼杯植入的要求(O為髖臼杯假體旋轉(zhuǎn)中心，OA=HJC與淚滴的水平距離W，OB=HJC的垂直距離H)

結(jié) 果

導(dǎo)板與髖臼Harris窩具有幾何相似性，術(shù)中肉眼見(jiàn)二者貼附緊密，匹配穩(wěn)定。臼杯假體植入后的影像顯示定位針與臼杯假體開(kāi)口緣垂直。導(dǎo)板側(cè)與對(duì)照側(cè)β值分別為(49.9±4.1)°和(49.5±4.7)°，α值分別為(17.7±3.1)°和(18.3±3.5)°，H值分別為(21.6±2.8)mm和(21.9±3.4)mm，W值分別為(29.7±3.1)mm和(30.9±3.3)mm，兩側(cè)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。

討 論

THA術(shù)中髖臼的定位取決于臼杯外展角和前傾角[9]；髖臼假體旋轉(zhuǎn)中心重建的重點(diǎn)在于準(zhǔn)確定位HJC[10]；髖臼橫韌帶與髖臼Harris窩頂點(diǎn)的關(guān)系對(duì)髖臼假體的植入具有重要參考作用[11]；髖臼Harris窩的確定對(duì)于成人發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)的治療尤為重要[12]。Danoff 等[13]提出基于THA后入路髖臼前傾角和外展角的安全區(qū)，有利于減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生，促進(jìn)患者術(shù)后早期關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)，但也可能因過(guò)于依賴(lài)于術(shù)者經(jīng)驗(yàn)而產(chǎn)生誤差，增加術(shù)后并發(fā)癥[14-15]。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)操作復(fù)雜、費(fèi)用較高，且在使用過(guò)程中會(huì)受到患者軟組織厚度、體位變化及髖臼解剖結(jié)構(gòu)等因素影響，因?qū)I(yè)性較強(qiáng)目前尚難以普及[16-19]。有研究結(jié)果表明，THA術(shù)后髖臼假體在體內(nèi)駐存率較低[20]。臼杯側(cè)假體位置較股骨側(cè)對(duì)THA術(shù)后效果的影響更大。所以，在THA中準(zhǔn)確定位HJC，依據(jù)HJC將臼杯假體植入理想位置，對(duì)減少術(shù)后并發(fā)癥和延長(zhǎng)假體壽命具有重要作用，尤其對(duì)HJC偏移病例更有意義。

本研究主要針因單側(cè)病變需要行THA的病例設(shè)計(jì)一種髖臼導(dǎo)板，用于輔助獲得與健側(cè)髖臼對(duì)稱(chēng)、與患側(cè)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的髖臼方位。其中確定HJC和建立髖臼旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)是髖臼導(dǎo)板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從髖臼三維空間上看，髖臼旋轉(zhuǎn)軸垂直于髖臼開(kāi)口平面，該軸線(xiàn)經(jīng)過(guò)HJC并與髖臼開(kāi)口方向一致，是臼杯假體植入的參照標(biāo)志。以髖臼旋轉(zhuǎn)軸為參照標(biāo)志建立髖臼導(dǎo)板的導(dǎo)航管并賦予其一定的穩(wěn)定性是本研究導(dǎo)板制作的基礎(chǔ)。髖臼方位的決定因素主要包括HJC、前傾角、外展角等。髖臼關(guān)節(jié)面和股骨頭具有相同的幾何中心，目前臨床應(yīng)用的臼杯假體多為規(guī)則的半球形，髖臼關(guān)節(jié)面擬合的最適球體與髖臼解剖形態(tài)具有幾何相似性，據(jù)此可以獲得HJC。通過(guò)建立骨盆的輔助平面，結(jié)合三維信息的采集和二維平面的測(cè)量能夠獲得準(zhǔn)確的髖臼方位。同時(shí)，利用鏡像對(duì)稱(chēng)原理可以經(jīng)過(guò)計(jì)算得到導(dǎo)板側(cè)的髖臼方位，避免了導(dǎo)板側(cè)髖臼變異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響?？梢詫Ⅲy臼開(kāi)口理解為以HJC為原點(diǎn)，髖臼旋轉(zhuǎn)軸在人體冠狀面上向外旋轉(zhuǎn)形成外展角、在矢狀面上向前旋轉(zhuǎn)形成前傾角，經(jīng)過(guò)這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成了最終朝向外下方的方位?；趲缀螌W(xué)和三角函數(shù)計(jì)算方法得到髖臼旋轉(zhuǎn)軸上的“L”點(diǎn)，可確定髖臼的旋轉(zhuǎn)軸，以其為參照標(biāo)志進(jìn)行臼杯假體植入能夠?qū)崿F(xiàn)與髖臼解剖方位相一致。

髖臼Harris窩與髖臼橫韌帶的關(guān)系相對(duì)恒定。有學(xué)者以髖臼橫韌帶和Harris窩為標(biāo)志，或根據(jù)髖臼Harris窩內(nèi)的脂肪組織來(lái)確定頭臼界限，實(shí)現(xiàn)了HJC的有效重建[21-23]。如果患者合并HJC偏移，即便是初次THA，術(shù)中也不易定位HJC，導(dǎo)致臼杯假體植入困難。本研究通過(guò)Harris窩的解剖標(biāo)志制定精確的術(shù)前規(guī)劃，利用Harris窩導(dǎo)板輔助術(shù)中操作，對(duì)需要接受單側(cè)THA的病例實(shí)現(xiàn)了HJC的有效重建，其依據(jù)是髖臼Harris窩的解剖標(biāo)志相對(duì)恒定，不容易發(fā)生變異。對(duì)于髖臼病理變化較重的患者，術(shù)中通過(guò)清除覆蓋于Harris窩表面的骨贅，可以“復(fù)原”Harris窩和髖臼切跡[24]，將其作為骨性標(biāo)志并據(jù)其確定HJC，進(jìn)而將髖臼假體安裝在理想的位置。另外，髖臼導(dǎo)板具有一定的硬度和與髖臼Harris窩相匹配的外形特征，其表面凸處與Harris窩凹處相崁合，二者形成“反向互補(bǔ)”。導(dǎo)板貼附于Harris窩內(nèi)無(wú)軟骨覆蓋的范圍，避免了軟骨或軟組織對(duì)導(dǎo)板貼附造成的影響，使導(dǎo)板與Harris窩表面緊密貼附，同時(shí)凹凸結(jié)合面的存在有效限制了導(dǎo)板在Harris窩表面移位，術(shù)中操作可獲得滿(mǎn)意的貼附效果和理想的導(dǎo)航。這也是導(dǎo)板穩(wěn)定性的依據(jù)。

本研究選擇髖臼Harris窩作為模板域，完成對(duì)髖臼杯假體的導(dǎo)航，為準(zhǔn)確定位HJC提供了一種計(jì)算機(jī)輔助方法，也為缺乏經(jīng)驗(yàn)的THA初學(xué)者提供了一種可供選擇的手段，縮短了學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。另外，髖臼Harris窩術(shù)中容易暴露，避免關(guān)節(jié)軟骨對(duì)導(dǎo)板貼附的影響，導(dǎo)板穩(wěn)定性可靠，其設(shè)計(jì)和成型均基于同一組原始CT數(shù)據(jù)，確保了二者的幾何相似性。研究表明，個(gè)性化的髖臼導(dǎo)板可操作性強(qiáng)，制作成本低，即便在基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)或是THA初學(xué)者也可輕松實(shí)現(xiàn)，為個(gè)性化臼杯假體準(zhǔn)確植入提供了有效的輔助手段。

本研究也存在局限性和不足之處：從單純?cè)囼?yàn)研究的角度僅僅參考了相應(yīng)的骨性標(biāo)志，而在臨床實(shí)踐中還應(yīng)綜合考慮髖關(guān)節(jié)骨量及周?chē)浗M織情況，才可能將髖臼杯置于理想位置，有效實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)周?chē)浗M織平衡；另外，導(dǎo)板的應(yīng)用對(duì)于復(fù)雜病變、雙側(cè)THA病例以及髖臼Harris窩增生封閉、髖臼發(fā)育不良、髖臼內(nèi)陷等復(fù)雜病例仍然存在一定的局限性；所納入的樣本有限，僅限于尸體標(biāo)本研究，未來(lái)還需要進(jìn)行大量的臨床應(yīng)用研究和長(zhǎng)期隨訪(fǎng)觀(guān)察對(duì)結(jié)果加以證實(shí)。