人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)前數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張澤群，姚雨林，鄭瀟男，黃新燕，呂征

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094;2.南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院江蘇省人民醫(yī)院骨科，江蘇南京 210029）

0 引言

人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是關(guān)節(jié)恢復(fù)結(jié)構(gòu)和功能的常用且有效的手段之一。當(dāng)前世界上每年有近百萬(wàn)人在接受人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)可以使患者擺脫拐杖，重新恢復(fù)行走能力，從而大大地改善患者的生活品質(zhì)［1-2］。

假體選擇、假體安放的位置、下肢等長(zhǎng)及髖關(guān)節(jié)外展張力平衡等是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)成功的關(guān)鍵因素。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)常導(dǎo)致術(shù)后雙下肢不等長(zhǎng)。顯著的下肢不等長(zhǎng)可明顯影響患者步態(tài)，引起骨盆傾斜和下腰痛，此外，還可導(dǎo)致術(shù)后假體松動(dòng)。這些會(huì)明顯降低全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的臨床療效。造成這一現(xiàn)象的原因之一是目前醫(yī)生在術(shù)前只能借助X-ray攝片和關(guān)節(jié)公司提供的假體模板通過(guò)目測(cè)的方法進(jìn)行術(shù)前模擬。目前人們正在研究如何科學(xué)、精確地選擇假體，并將假體安放在最合理的位置，均衡下肢長(zhǎng)度，重建髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)平衡的方法［3-4，9］。

信息技術(shù)的飛速發(fā)展、特別是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的突飛猛進(jìn)以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為開(kāi)展全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)前數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的研究提供了很好的技術(shù)保障［5-6］。MediCAD Multimedia公司開(kāi)發(fā)了一款軟件Medi-CAD，該軟件可以用來(lái)對(duì)X-ray攝片進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)展這方面的研究工作。本文探討如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前設(shè)計(jì)的數(shù)字化測(cè)量平臺(tái)，幫助醫(yī)生完成精確、全面的術(shù)前設(shè)計(jì)。

1 術(shù)前設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

1.1 術(shù)前設(shè)計(jì)內(nèi)容

全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的療效與對(duì)置入假體的正確選擇有關(guān)，此外，還與截骨方向、截骨量以及肢體與假體的相互匹配有很大的關(guān)系。因此，在臨床操作中，術(shù)前設(shè)計(jì)是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的重要步驟。

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前設(shè)計(jì)的主要目的是確定:

1）股骨假體的大小;2）股骨假體在髓腔中的固定點(diǎn);3）髖臼和股骨假體的正確位置。

因此，術(shù)前設(shè)計(jì)在決定假體型號(hào)、髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心位置、糾正雙下肢長(zhǎng)度差異及減少手術(shù)并發(fā)癥方面起到關(guān)鍵的作用。

傳統(tǒng)的術(shù)前設(shè)計(jì)是通過(guò)將透明的膠片假體模板覆蓋在患者的X-ray攝片上，醫(yī)生用假體模板在X-Ray片上進(jìn)行手工畫(huà)線或直接憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行目測(cè)、分析和估算。由圖1可知術(shù)前設(shè)計(jì)的內(nèi)容以及在術(shù)前設(shè)計(jì)中要確定的關(guān)鍵數(shù)據(jù):

1）髖臼杯的尺寸和位置;2）股骨柄的CCD角度、尺寸和位置;3）雙側(cè)髂前上棘至內(nèi)踝尖的距離;4）選擇合適的關(guān)節(jié)假體型號(hào)。

通過(guò)精確的術(shù)前計(jì)劃，可以對(duì)術(shù)中相關(guān)因素有效控制，預(yù)測(cè)并控制并發(fā)癥，提高手術(shù)效果。

圖1 全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前設(shè)計(jì)

1.2 傳統(tǒng)的術(shù)前設(shè)計(jì)方法的局限

傳統(tǒng)方法可以做到將假體安放在真性髖臼中，但無(wú)法精確定量控制髖臼旋轉(zhuǎn)中心的偏移;此外，由于膠片模板比例是固定的，X-ray攝片放大率也存在誤差，因此，術(shù)前難以確定股骨假體的型號(hào)。此外，如何在髖關(guān)節(jié)置換中均衡下肢長(zhǎng)度也一直是困擾傳統(tǒng)的術(shù)前設(shè)計(jì)方法的難題。

由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的術(shù)前設(shè)計(jì)手段的局限性首先體現(xiàn)在無(wú)法精確地確定手術(shù)所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其次是不能實(shí)現(xiàn)術(shù)前設(shè)計(jì)和術(shù)后的結(jié)果的數(shù)據(jù)比對(duì)，從而對(duì)手術(shù)的效果進(jìn)行客觀、精確地分析;最后是無(wú)法對(duì)術(shù)前設(shè)計(jì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和實(shí)現(xiàn)分享。

2 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和實(shí)際需求，研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)直觀且可進(jìn)行量化測(cè)量的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前設(shè)計(jì)的關(guān)鍵功能包括:

1）數(shù)字化關(guān)節(jié)假體模板庫(kù)的構(gòu)建，方便檢索和術(shù)前設(shè)計(jì)中的比對(duì);2）患者資料數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，方便對(duì)患者原始X-ray攝片等資料、術(shù)前設(shè)計(jì)資料和術(shù)后資料的檢索和保存;3）在X-ray片上直接作圖的功能;4）假體模板和X-ray攝片的比對(duì)功能;5）測(cè)量功能;6）保存和打印功能:保存和打印術(shù)前設(shè)計(jì)的相關(guān)文件。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

術(shù)前進(jìn)行假體型號(hào)的選擇需要將關(guān)節(jié)公司的關(guān)節(jié)假體模板在患者的X-ray攝片上進(jìn)行比對(duì)。軟件采用Microsoft Access2003構(gòu)建了患者資料數(shù)據(jù)庫(kù)（圖2a）和關(guān)節(jié)假體數(shù)字化模板數(shù)據(jù)庫(kù)（圖2b）。數(shù)據(jù)庫(kù)資料錄入前需要做一些前期的準(zhǔn)備。首先，采用計(jì)算機(jī)掃描的方式將患者的X-ray攝片和關(guān)節(jié)假體膠片模板進(jìn)行數(shù)字化處理。為了便于運(yùn)用快速的算法存儲(chǔ)與讀取，同時(shí)也節(jié)省存儲(chǔ)空間，在圖片存儲(chǔ)中將數(shù)字化的圖片轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)。然后，應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)模塊可將患者的文字和X-ray攝片資料、關(guān)節(jié)假體模板的圖片資料錄入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)界面

3.2 測(cè)繪工具

測(cè)繪是術(shù)前設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。為了分析患者的X-ray攝片，測(cè)量患者的雙下肢長(zhǎng)度和髖臼的旋轉(zhuǎn)中心，確定截骨位置，便于在術(shù)中精確放置關(guān)節(jié)假體，以獲得最佳關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，在軟件設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的關(guān)鍵功能之一就是測(cè)繪功能。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的測(cè)繪功能如圖3所示。

圖3 測(cè)繪工具模塊

測(cè)繪功能模塊涵蓋了測(cè)量、繪圖、調(diào)整和標(biāo)準(zhǔn)線四個(gè)子功能。運(yùn)用這些功能就可以在術(shù)前測(cè)定雙下肢長(zhǎng)度差異、髖臼旋轉(zhuǎn)中心以及選擇假體型號(hào)。

3.3 調(diào)整功能

調(diào)整功能是為了實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)假體型號(hào)的選擇而設(shè)計(jì)的。在選擇關(guān)節(jié)假體型號(hào)時(shí)需要將假體模板圖在患者的X-ray攝片上比對(duì)。實(shí)現(xiàn)假體圖與X-ray攝片圖的比對(duì)，必須能夠方便地在窗體內(nèi)對(duì)假體模板圖進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。由于在比對(duì)的過(guò)程中存在X-ray攝片的比例和關(guān)節(jié)假體模板的比例不同這種情況。因此，除了要完成平移和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換外，還要校正假體模板的比例和患者X-ray攝片比例，保證兩個(gè)圖片是在相同的尺度下比對(duì)。設(shè)計(jì)者可以任意選擇一個(gè)圖片的比例尺，對(duì)圖形的比例進(jìn)行校正。本軟件采用了式（1）來(lái)解決假體模板圖的實(shí)時(shí)平移、旋轉(zhuǎn)以及校正功能。

此外，為了更好的實(shí)現(xiàn)兩幅圖片的對(duì)比，需要對(duì)圖片的顏色和亮度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整?？紤]到每個(gè)人對(duì)不同顏色的感官不同，軟件設(shè)計(jì)時(shí)加入了圖片色彩的算法。軟件界面上采用了人們所能接受的直觀的表示方式，即:色相，色度，亮度來(lái)進(jìn)行處理。軟件依據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本理論，采用了式（2）將圖片的色彩信息R、G、B轉(zhuǎn)換成H（色相）、S（色度）、L（亮度）。

圖4中顯示了這些功能在窗體中的表現(xiàn)形式。界面上提供的選擇性列表中給出了常用的顯示比例。此外，還設(shè)計(jì)了比例、旋轉(zhuǎn)和色相、色度和亮度的移動(dòng)滑條，通過(guò)滑條可以非常方便地完成縮放、旋轉(zhuǎn)以及圖片色彩的調(diào)整。移動(dòng)功能只需直接點(diǎn)擊假體模板圖片，按住鼠標(biāo)左鍵就可以非常方便地將假體移動(dòng)到患側(cè)關(guān)節(jié)的位置進(jìn)行比對(duì)。

圖4 測(cè)繪工具

為了解決圖像平移、旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的流暢性，更好地滿(mǎn)足假體和X－ray對(duì)比要求。這部分功能開(kāi)發(fā)采用了dev c++軟件，編寫(xiě)了基于式（1）和式（2）的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，旨在提高運(yùn)算能力和運(yùn)算速度，最后將該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)集成到測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)。

3.4 測(cè)量和繪圖功能

測(cè)量功能的設(shè)計(jì)是為了配合術(shù)前測(cè)量雙下肢長(zhǎng)度、髖臼中心、外展角以及截骨位置。圖4中最左側(cè)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的用于測(cè)量和繪圖的工具條。圖5（a），（b），（c）是本軟件中的三種測(cè)量功能的圖示的結(jié)果。

圖5 測(cè)繪功能

在圖5（d），（e），（f），（g）中可以看到本軟件的4個(gè)繪圖功能:直線、圓、點(diǎn)和矩形。對(duì)于直線、圓和矩形的繪圖功能系統(tǒng)還提供了線形和顏色的選擇功能。通過(guò)在患者的X-ray攝片上繪圖，再采用測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量就可以非常方便地進(jìn)行術(shù)前的設(shè)計(jì)。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)線

標(biāo)準(zhǔn)線是測(cè)量的基準(zhǔn)線，根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，通常有4條標(biāo)準(zhǔn)線，如圖4窗體中所示。這4條標(biāo)準(zhǔn)線分別是:坐骨結(jié)節(jié)連線、小粗隆連線、髖臼頂連線和骨盆的縱軸線。系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)線可以根據(jù)需要非常方便地沿著其中的一個(gè)坐標(biāo)方向平移。這4條標(biāo)準(zhǔn)線作為測(cè)量的基準(zhǔn)線，方便醫(yī)生在進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠快速地對(duì)患者的X-ray攝片中的關(guān)鍵位置進(jìn)行定位。同時(shí)，也便于以此為參照基準(zhǔn)測(cè)量健側(cè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心、旋轉(zhuǎn)中心到基準(zhǔn)線以及淚滴的距離。而且可以根據(jù)設(shè)計(jì)的不同階段的實(shí)際需要選擇顯示或不顯示4條標(biāo)準(zhǔn)線。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 臨床資料

患者為男，年齡64歲。標(biāo)準(zhǔn)的骨盆正位X-ray片?；颊咂脚P位，髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋15°。

4.2 方法

應(yīng)用本軟件將X-ray導(dǎo)入到系統(tǒng)中。比對(duì)攝片的比例。從兩側(cè)坐骨結(jié)節(jié)或閉孔下緣的連線為水平參考線，通過(guò)趾骨聯(lián)合的該線的垂直線為垂直參考線。確定髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，測(cè)量相關(guān)生物力學(xué)參數(shù)和雙下肢長(zhǎng)度差值。髖臼假體的上緣安放于髖臼的外上緣，內(nèi)側(cè)緣靠近髂坐線，下緣位于淚滴下緣的水平。選擇與股骨髓腔輪廓最匹配的假體型號(hào)。調(diào)整股骨柄的位置，確定截骨高度并選擇合適的頸長(zhǎng)，以恢復(fù)雙下肢等長(zhǎng)，同時(shí)注意恢復(fù)外展肌肌肉杠桿力臂（圖6）。

圖6 應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)論

針對(duì)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前設(shè)計(jì)的臨床實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)字化的術(shù)前設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了:

1）患者數(shù)據(jù)和關(guān)節(jié)假體模板數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存;2）關(guān)節(jié)假體型號(hào)的比對(duì)和選擇;3）關(guān)節(jié)手術(shù)所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)的術(shù)前測(cè)量;4）關(guān)節(jié)置換術(shù)后的比較和評(píng)判。

該軟件的開(kāi)發(fā)為臨床醫(yī)生進(jìn)行精確、直觀的術(shù)前準(zhǔn)備提供了一個(gè)數(shù)字化的平臺(tái)。該系統(tǒng)除了可以減少傳統(tǒng)膠片模板測(cè)量中因X-ray攝片放大率不一致所造成的誤差，還可以為術(shù)中假體的精確、優(yōu)化選擇提供更多幫助。

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