M3D数字化软件在成人髋发育不良髋臼重建中的作用

许燕飞，董 玮，郭 英，常 敏，杨景帆，王 涛，艾元亮，张 俊，孙皓民，李玉恒

（昆明市中医医院 骨科，云南 昆明 650011）

成人先天性髋臼发育不良（developmental dysplasia of the hip,DDH） 指由于胚胎时期髋臼软骨发育障碍，导致髋臼壁对股骨头的骨性包容减少、股骨头缺乏有效的应力刺激，继而出现股骨头发育不全、脱位或半脱位，同时股骨头受到长期边缘应力集中而出现局部关节软骨变性、坏死，造成继发性骨关节病而引起关节功能障碍的一种疾病[1]。病情发展到晚期髋关节疼痛逐渐加重，同时出现肢体短缩、跛行等严重功能障碍，目前全髋关节置换术是针对成人先天性髋发育不良公认的首选治疗方案。由于成人髋发育不良患者髋臼-股骨特异的解剖学特点，如何在术中进行精确地髋臼重建是一个亟待解决的问题，故在术前根据患者特异的骨性结构特点，对真臼位置、臼杯大小、臼杯安放角度、骨性覆盖及臼杯稳定性进行综合考虑，制定个体化的手术方案显得尤为重要。以往通过二维影像学资料对骨性结构特点的分析存在一定的局限性，使得基于其所进行的术前计划存在偏差，3D-CT技术使得影像的呈现更为准确、直观。在此技术上所进行的术前计划为个性化、精确化的髋臼重建提供了一个新的手段。

资料与方法

一、临床资料 选取我院2011年3月～2014年3月明确诊断为成人髋关节发育不良需进行全髋置换患者42例。A组（21例21髋）：男4例，女17例；年龄32～75岁，平均56.45岁。根据Crowe分型：Ⅰ型3例（3髋）、Ⅱ型8例（8髋）、Ⅲ型7例（7髋）、Ⅳ型3例（3髋）。体重指数（body massindex，BM）I 为16.43～25.66，平 均19.64。术前Harris评分为（51.36±11.25） 分。B组（21例21髋）：男3例，女18例；年龄33～79岁，平均57.65岁。根据Crowe分型：Ⅰ型4例（4髋）、Ⅱ型6例（6髋）、Ⅲ型9例（9髋）、Ⅳ型2例（2髋）。体重指数（body massindex，BMI）为17.64～24.33，平均18.76。术前Harris评分为（52.25±10.35） 分。2组患者年龄、性别、BMI、DDH分型及术前Harris评分比较，差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

选择标准：同时满足下列条件者可纳入本研究，①明确诊断为成人DDH的患者；②严格按髋关节置换适应证入选：患侧髋部、下腰部疼痛进行性加重，伴有明显关节功能障碍、跛行步态，辅助检查提示股骨头坏死合并脱位或半脱位，严重影响患者的日常生活及工作；③患者对所采取的治疗方案及相关并发症均知情同意；④年龄在20岁以上，能够耐受手术，且2011年3月-2014年3月于我院成功实施初次人工THA；⑤手术均由我科关节外科同一组医师完成，且均采用髋关节后外侧手术入路。

二、M3D软件术前计划 ①三维结构重建：将原始二维CT数据导入M3D数字化软件软件（上海锋算计算机技术有限公司），对骨盆及股骨结构进行三维重建；②真臼定位：提取髋臼三维结构特征参数，观察髋臼发育情况，明确真臼窝是否有骨赘形成，准确定位真臼，在此基础上进行髋臼重建，根据Ranawat三角标准，尽量将髋臼假体安放于真臼位置内；③臼杯大小的选择：在实体模式下观察髋臼前后壁形态结构，在软件髋关节假体数据库中初步选择臼杯假体，模拟假体植入，对三维重建图像在冠状面及矢状面上进行剖面操作，分别观察髋臼前后壁对臼杯的骨性包容及髋臼内壁的厚度，确定无髋臼前后壁戳穿、髋臼内壁有3～4mm的骨性厚度，拟定臼杯大小型号；④臼杯安放角度的选择：模拟臼杯假体植入，拟定最佳的臼杯前倾角、倾斜角度；⑤骨缺损面积的测量：根据髋臼三维形态特征放置臼杯假体，如果臼杯骨性缺损面积＞30%，应做好截骨植骨准备。

三、手术方法 取90°健侧卧位，髋关节后外侧切口，彻底松解患髋周围软组织，必要时对臀大肌粗隆线止点部分松解，显露出髋臼及股骨截骨部位，于股骨小粗隆上方约1.5cm处进行股骨颈截骨，取出股骨头。显露髋臼骨性结构并明确髋臼发育不良类型和骨缺损程度，与术前三维重建图像进行对比。根据术前计划确定真臼位置后先用髋臼锉自前上、内下方磨锉，期间用刮匙反复探查真臼窝骨皮质厚度，根据术前计算机辅助设计规划所拟定的重建方案处理髋臼侧，根据术前拟定的臼杯型号安放假体，如果髋臼骨性缺损面积＞30%，采用患侧截下的股骨头进行结构植骨，按术前计划拟定的臼杯假体型号大小及臼杯前倾角、倾斜角控制磨锉大小及方向，评估髋臼各壁对臼杯的覆盖情况及稳定性，最后置放真臼杯假体，股骨髓腔扩髓后，安装术前拟定的股骨假体柄。对于股骨头脱位＞4cm、复位困难、术后可能出现坐骨神经症状者，进行股骨粗隆下旋转截骨，检查髋关节活动度及稳定性。

四、疗效评价 评价指标：⑴术后采用Harris评分标准对髋关节功能进行评测，总分为100分，优：＞90分、良：80～90分、中：70～79分、差：＜70分；⑵X线评定：术后拍摄骨盆标准前后位X线片，分别测量髋臼旋转中心至泪滴连线的水平距离、垂直距离，通过上述指标评估旋转中心恢复情况，其中髋臼旋转中心上移（垂直距离小于15mm水平距离） 髋臼内壁穿透小于25%为标准D软件测量臼杯影像学前倾角、外倾角，前倾角安全范围为（15±10）°，外倾角为（40±10）°通过M3D软件测量臼杯骨性覆盖面积，髋臼假体骨性包容<70%确定为假体过大，假体边缘明显不及髋臼缘确定为假体过小。同时评估两组患者术前拟定和实际放置臼杯假体大小吻合率，最后根据髋臼水平距离、髋臼垂直距离、臼杯大小符合情况、臼杯前倾角、倾斜角度评价髋臼重建的合格率。采用SPSS14.0统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本t检验，组内手术前后比较采用配对t检验；计数资料以率表示，组间比较采用χ2检验，检验水准α=0.05。

结 果

要求患者术后第3、6个月、1年，以后每年返院复查，本组42例患者均获得3～36个月术后随访，平均随访12.8月，随访率为88.5%，随访形式为来院复诊及电话随访，随访记录时间从术后第3个月开始。

一、疗效评定 42例患者均获得3～36个月术后随访，平均随访12.8月。A、B组手术时间分别为（121.31±36.24）、 （132.22±44.23） min，术中出血量分别为（342.20±133.26）、 （322.93±145.66） ml，两组比较差异均无统计学意义（P>0.05）。A组术后Harris评分为（89.32±4.27）分，B组为（92.63±4.33） 分，均较术前显著提高（P<0.05）；但两组间比较差异无统计学意义（P＞0.05），见表1。

二、影像学评价 ①旋转中心恢复情况：本研究中A组2例患者髋臼水平距离，1例髋臼垂直距离超出安全范围，B组中只有1例患者髋臼垂直距离不符合要求。②臼杯假体大小：A组假体中有2例假体过大、2例假体过小，B组假体中有2例假体过小，同时B组髋臼假体术前拟定臼杯大小与实际放置符合率为86.45%，误差为1个型号时，符合率提高至89.35%，明显高于A组的46.3%。③臼杯安放角度：A组中有2例影像前倾角、2例影像外展角超出安全范围，B组中有2例影像外展角超出安全范围。结果显示：B组髋臼假体放置合格率为76.19%（16/21），明显高于A组的47.61%（10/21），差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

讨 论

成人髋发育不良患者进行全髋置换时，髋臼侧重建不佳可能导致假体稳定性降低、术后假体磨损、松动及脱位率增高，最终影响假体的使用寿命。如何处理好髋臼侧是手术成功的关键点。但成人DDH髋臼-股骨发育异常，进行髋臼重建时往往面临以下难点：①旋转中心的恢复：旋转中心上移超过15mm，外展功效降低，外展肌平衡骨盆的能力下降，关节面应力增加，股骨假体及其与骨交界面的轴向力矩和内翻应力增大，股骨假体与骨盆靠近，髋关节活动范围受限[2]。②臼杯假体大小的选择：选择大臼杯可匹配大直径股骨头假体通过增加股骨头颈比，减少假体撞击，增加髋关节无撞击的活动范围，增加脱出距离（jump distance），有效降低脱位率，但使用大号臼杯往往需要进行结构植骨，远期可能出现植骨块吸收、假体松动；选用小号臼杯，可避免结构植骨、初期置换保留较多骨质结构，为二期翻修提供更多的骨贮备，宿主骨对臼杯有更好地压配、骨性包容更佳，臼杯初始稳定性更强。但小臼杯只能匹配小直径股骨头假体、臼杯衬垫过薄、抗磨损率下降，假体远期松动率增高。③臼杯角度的安放：按原始髋臼位置放置臼杯可能造成联合前倾角过大，增加假体松动及脱位的发生率可能造成臼杯前方骨性覆盖不够，影响假体的初始稳定性。④结构植骨：对臼杯骨性覆盖不足者进行结构植骨可获得理想的骨性包容，但植由于植骨对假体的初始稳定作用有限，因此必须在假体已具备自身初始稳定的基础上才进行植骨，对臼杯骨性覆盖不足者进行结构植骨可获得理想的骨性包容，但植骨量大于骨性覆盖的30%远期可能出现骨吸收和骨不愈合风险，最终导致假体翻修[3]，以上均为髋臼重建的重要因素，如何在术中兼顾和平衡好上述各项参数，处理好臼杯大小与稳定性、磨损率及活动度，臼杯角度与头臼匹配、骨性包容之间的关系，术前根据患者特异的髋臼骨性结构特点制定一个精确、个体化的术前计划传统的术前设计是换算X线片的放大率后利用厂家所提供的髋臼杯及股骨柄胶片模板和患者骨盆前后位X线片作对比进行术前规划。

随着三维CT成像技术应用于医学领域并获得较快发展，3D-CT技术也被应用到全髋关节置换前计划中[4]。我们如何利用M3D软件进行术前计划，指导术中准确的进行髋臼重建，具体分析如下：①真臼定位：利用M3D软件在三维解剖模型上对髋臼相关特征参数进行精确提取，根据三维CT数据准确的描述髋关节解剖的内部特征，观察真臼的形态特征，为术中准确实现真臼重建、恢复理想的髋臼旋转中心提供参考标准，本研究中A组2例患者髋臼水平距离，1例髋臼垂直距离超出安全范围，B组中只有1例患者髋臼垂直距离不符合要求。②臼杯大小的选择：将虚拟臼杯假体模拟植入进行手术预演，通过软件剖面切割功能在不同轴面上测量髋臼前柱、后柱和内壁骨量等指标，在三维空间内选择最匹配的臼杯假体，通过分析模块计算出假体匹配的水平。A组假体中有2例假体过大、2例假体过小，B组假体中有2例假体过小，同时B组髋臼假体术前拟定臼杯大小与实际放置符合率为86.45%，误差为1个型号时，符合率提高至89.35%，明显高于A组的46.3%，再次说明了利用M3D所进行的术前计划臼杯大小选择优化率高于传统术前设计。③臼杯安放角度的选择：虚拟臼杯假体模拟植入进行手术预演，调整臼杯不同的前倾、外展角度，使臼杯假体既能获得最佳的骨性覆盖、满足臼杯的稳定性，又能使股骨头假体与臼杯的匹配度最大化[5]，减少术

后假体脱位及降低假体的磨损率，拟定最佳的臼杯前倾、外展角度。A组中有2例影像前倾角、2例影像外展角超出安全范围，B组中有2例影像外展角超出安全范围。④结构植骨的选择：根据髋臼三维形态特征放置臼杯假体，通过M3D软件容积测算方法计算出臼杯缺损面积，如果臼杯骨性缺损面积＞30%[6]，我们进行了结构植骨。A组3例患者由于术前X线片无法立体、直观显示髋臼缺损类型及大小，术中对臼杯骨缺损面积把握不足，造成臼杯骨性包容不佳，初始稳定性降低，B组5例患者术前通过软件对骨缺损面积进行测量预知是否进行结构植骨及植骨块大小、位置。综合以上参数，研究结果显示B组髋臼假体放置合格率为76.19%（16/21），明显高于A组的47.61%（10/21）。

表1 A、B组手术时间、术中出血量、术后Harris评分表

表2 髋臼重建评价指标合格例数

图①：术前X线片a，对骨盆及股骨结构进行三维重建b，观察真臼发育情况，准确定位真臼c；图②：进行剖面操作，分别观察髋臼前后壁对臼杯的骨性包容a、b及髋臼内壁的厚度c，确定无髋臼前后壁戳穿、髋臼内壁有3-4mm的骨性厚度；图③：调整臼杯前倾角度，将臼杯按原始位置放置前倾角为25°a，前脱位风险高，按前倾5°放置，臼杯前方骨性包容差b，按10°放置，臼杯包容可，前倾角在安全范围内c；图④：测量术后髋臼杯影像学前倾角；图⑤：通过正中矢状面、冠状面截骨评估髋臼前后壁及负重顶对臼杯的覆盖情况a、b；图⑥：计算髋臼后上方骨缺损面积；图⑦：术后X线片，髋臼杯旋转中心至泪滴连线垂直距离b、水平距离a。

结 论

利用M3D数字化软件对成人髋发育不良髋臼重建进行术前规划可进步提高髋臼重建的合格率，对临床具有较高的指导价值，按拟定的方案进行髋臼重建臼杯假体可获得最好的骨性包容、最大的初始稳定性、最佳的头臼匹配度，降低术后假体脱位率，提高假体的生存率。

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