個性化髖臼導板在單側(cè)全髖關(guān)節(jié)成形術(shù)中應用的實驗研究

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比較重要的THA療效影響因素[2]。不少學者對術(shù)中髖臼假體的安放角度進行了探討，認為THA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)，通過術(shù)前準確測量髖臼杯位置與髖臼Harris窩頂點的關(guān)系，可獲得預期的臼杯外展角[5]。近年來，有學者利用計算機輔助技術(shù)制作手術(shù)導板，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[6-8]。同時，在臨床上，髖臼方位在不同個體間表現(xiàn)出一定的差異，只有建立個性化的術(shù)前規(guī)劃和治療方案才能與這種個體差異相適應。據(jù)此，本研究利用人尸體髖標本進行個性化髖臼導板的設(shè)計、制作及輔助髖臼假體植入的實驗研究，為THA術(shù)中髖臼假體準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月中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第920醫(yī)院骨科選取無明顯骨骼破壞和缺損的人尸體髖標本20例(由昆明醫(yī)科大學人體解剖學教研室提供)進行實驗研究。將每例髖標本右側(cè)定義為導板側(cè)，左側(cè)定義為對照側(cè)。標本選取標準：成年人尸體；髖關(guān)節(jié)骨質(zhì)完好，X線檢查未見骨質(zhì)破壞和骨缺損。標本排除標準：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)；交互式醫(yī)學影像控制系統(tǒng)(Materialise's interactive medical image control syste，Mimics)10.01軟件(Materialise公司，比利時)、Geomagic studio 12.0(Geomagic公司，美國)、Imageware 13等逆向工程軟件；光敏樹脂材料(Stereocol by Avecia公司，英國)。

二、方法

1.標本的CT掃描：置標本于仰臥位，使標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.髖臼方位的測量與骨盆的三維重建：將標本CT掃描原始數(shù)據(jù)導入Mimics 10.01軟件進行加載分析。利用Imageware 13軟件對髖臼表面進行曲面處理，利用Geomagic studio 12.0軟件生成髖臼表面點云的數(shù)字模型，將對照側(cè)髖臼表面點云的最適擬合球心(O1)定義為對照側(cè)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心(hip joint center，HJC)(圖1)。對擬合效果進行質(zhì)量分析(圖2)。利用鏡像建立導板側(cè)HJC。經(jīng)過兩側(cè)HJC建立標本骨盆的水平面和冠狀面，并分別獲得標本骨盆各二維平面投影(圖3)。在CT橫斷面上過髖臼后緣作兩側(cè)HJC連線的垂線，該垂線與髖臼前后緣連線形成的銳角為前傾角α，在CT冠狀面上，兩側(cè)HJC連線與導板側(cè)髖臼上下極連線形成的銳角為外展角β(圖4)。同時測量HJC到淚滴的垂直距離(H)和水平距離(W)，依據(jù)鏡像對稱原理得到導板側(cè)髖臼參數(shù)，對髖關(guān)節(jié)進行三維重建。

圖1 將髖臼表面點云集合擬合成最適球體，獲得該球體的半徑及球心坐標(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，藍色表示負向偏差 圖3 過兩側(cè)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心(HJC)建立標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行測量 A 骨盆冠狀面的建立 B 骨盆冠狀面?zhèn)让嬗^ C 骨盆水平面的建立 D 骨盆水平面?zhèn)让嬗^

圖4 分別在骨盆投影的冠狀面、水平面上測量對照側(cè)髖臼的外展角(β)和前傾角(α)，根據(jù)對稱原理得到導板側(cè)髖臼方位 A 冠狀面的測量B 水平面的測量 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行平移，通過三角函數(shù)計算得到髖臼旋轉(zhuǎn)軸上的O2點 圖6 O1和O2兩點連線為髖臼旋轉(zhuǎn)軸，即導板導航管的方向 圖7 利用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計導板的導航管，以髖臼旋轉(zhuǎn)軸線為軸，確定導航管的方向 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。導航管與髖臼Harris窩反模配準后生成虛擬的髖臼導板，與髖臼Harris窩進行模擬配準

3.髖臼旋轉(zhuǎn)軸線的計算：已知HJC坐標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，通過三角函數(shù)計算得到髖臼旋轉(zhuǎn)軸上的一個點O2(X2，Y2，Z2)，稱之為“L”點。計算方法：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(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計算得到的“L”點具有唯一性；兩點能夠確定髖臼軸的方向，直線O1O2確定了髖臼的旋轉(zhuǎn)軸，也就是導板導航管的方向(圖5，6)。

4.髖臼虛擬導板的設(shè)計與制作：應用計算機輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)軟件設(shè)計導板的導航管，內(nèi)徑3.4 mm，外徑7.4 mm，壁厚2.0 mm，長3.0 mm。以髖臼旋轉(zhuǎn)軸為軸，確定導航管的方向(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，與導航管配準后生成虛擬的導板，并可實現(xiàn)導板和Harris窩的虛擬配準(圖8)。沿導航管植入一個代表髖臼旋轉(zhuǎn)軸的虛擬定位針，任意旋轉(zhuǎn)可以間接了解髖臼開口的方位，判斷手術(shù)的預期效果。再將虛擬髖臼導板通過快速成型技術(shù)生成光敏樹脂導板。

5.以導板輔助植入臼杯假體：置標本于左側(cè)臥位。后外側(cè)入路顯露并打開關(guān)節(jié)囊，髖關(guān)節(jié)脫位后，于大小轉(zhuǎn)子連線上方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，充分顯露后將導板貼附于Harris窩，沿導航管植入直徑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)，移除導板，用中空的髖臼銼沿定位針自小號到大號進行同心磨銼，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，將導板與Harris窩緊密貼附，沿導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)計的髖臼銼對髖臼進行同心磨銼，在定位針導航下將臼杯假體植入預期位置

6.效果評價指標：利用CT和X線影像對導板側(cè)和對照側(cè)進行測量。測量內(nèi)容包括臼杯HJC、α角、β角、H值(X線平片上HJC到兩側(cè)淚滴連線的垂直距離)和W值(X線平片上HJC到淚滴緣切線的水平距離)(圖11)。分別對兩側(cè)同一測量指標進行比較。

圖11 臼杯假體植入髖標本后的X線和CT顯示臼杯假體植入位置滿意，定位針與臼杯假體開口面垂直，達到預期臼杯植入的要求(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

導板與髖臼Harris窩具有幾何相似性，術(shù)中肉眼見二者貼附緊密，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口緣垂直。導板側(cè)與對照側(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)差異均無統(tǒng)計學意義(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)中心重建的重點在于準確定位HJC[10]；髖臼橫韌帶與髖臼Harris窩頂點的關(guān)系對髖臼假體的植入具有重要參考作用[11]；髖臼Harris窩的確定對于成人發(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，促進患者術(shù)后早期關(guān)節(jié)功能的恢復，但也可能因過于依賴于術(shù)者經(jīng)驗而產(chǎn)生誤差，增加術(shù)后并發(fā)癥[14-15]。計算機導航系統(tǒng)操作復雜、費用較高，且在使用過程中會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THA術(shù)后效果的影響更大。所以，在THA中準確定位HJC，依據(jù)HJC將臼杯假體植入理想位置，對減少術(shù)后并發(fā)癥和延長假體壽命具有重要作用，尤其對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)計一種髖臼導板，用于輔助獲得與健側(cè)髖臼對稱、與患側(cè)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能相適應的髖臼方位。其中確定HJC和建立髖臼旋轉(zhuǎn)軸線是髖臼導板設(shè)計的關(guān)鍵。從髖臼三維空間上看，髖臼旋轉(zhuǎn)軸垂直于髖臼開口平面，該軸線經(jīng)過HJC并與髖臼開口方向一致，是臼杯假體植入的參照標志。以髖臼旋轉(zhuǎn)軸為參照標志建立髖臼導板的導航管并賦予其一定的穩(wěn)定性是本研究導板制作的基礎(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量能夠獲得準確的髖臼方位。同時，利用鏡像對稱原理可以經(jīng)過計算得到導板側(cè)的髖臼方位，避免了導板側(cè)髖臼變異對測量結(jié)果的影響。可以將髖臼開口理解為以HJC為原點，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)過這種復合運動形成了最終朝向外下方的方位?；趲缀螌W和三角函數(shù)計算方法得到髖臼旋轉(zhuǎn)軸上的“L”點，可確定髖臼的旋轉(zhuǎn)軸，以其為參照標志進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)系相對恒定。有學者以髖臼橫韌帶和Harris窩為標志，或根據(jù)髖臼Harris窩內(nèi)的脂肪組織來確定頭臼界限，實現(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，導致臼杯假體植入困難。本研究通過Harris窩的解剖標志制定精確的術(shù)前規(guī)劃，利用Harris窩導板輔助術(shù)中操作，對需要接受單側(cè)THA的病例實現(xiàn)了HJC的有效重建，其依據(jù)是髖臼Harris窩的解剖標志相對恒定，不容易發(fā)生變異。對于髖臼病理變化較重的患者，術(shù)中通過清除覆蓋于Harris窩表面的骨贅，可以“復原”Harris窩和髖臼切跡[24]，將其作為骨性標志并據(jù)其確定HJC，進而將髖臼假體安裝在理想的位置。另外，髖臼導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”。導板貼附于Harris窩內(nèi)無軟骨覆蓋的范圍，避免了軟骨或軟組織對導板貼附造成的影響，使導板與Harris窩表面緊密貼附，同時凹凸結(jié)合面的存在有效限制了導板在Harris窩表面移位，術(shù)中操作可獲得滿意的貼附效果和理想的導航。這也是導板穩(wěn)定性的依據(jù)。

本研究選擇髖臼Harris窩作為模板域，完成對髖臼杯假體的導航，為準確定位HJC提供了一種計算機輔助方法，也為缺乏經(jīng)驗的THA初學者提供了一種可供選擇的手段，縮短了學習曲線。另外，髖臼Harris窩術(shù)中容易暴露，避免關(guān)節(jié)軟骨對導板貼附的影響，導板穩(wěn)定性可靠，其設(shè)計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，個性化的髖臼導板可操作性強，制作成本低，即便在基層醫(yī)療機構(gòu)或是THA初學者也可輕松實現(xiàn)，為個性化臼杯假體準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：從單純試驗研究的角度僅僅參考了相應的骨性標志，而在臨床實踐中還應綜合考慮髖關(guān)節(jié)骨量及周圍軟組織情況，才可能將髖臼杯置于理想位置，有效實現(xiàn)關(guān)節(jié)周圍軟組織平衡；另外，導板的應用對于復雜病變、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，僅限于尸體標本研究，未來還需要進行大量的臨床應用研究和長期隨訪觀察對結(jié)果加以證實。