应用数字化技术研究异常髋臼的全髋关节置换术

魏阳光 殷力 王丹 韩奇财 娄超举 李弘帅 王海涛

(郑州大学第一附属医院 骨科 河南 郑州 450052)

应用数字化技术研究异常髋臼的全髋关节置换术

魏阳光 殷力 王丹 韩奇财 娄超举 李弘帅 王海涛

(郑州大学第一附属医院 骨科 河南 郑州 450052)

目的 应用医学三维重建软件和逆向工程技术为异常髋臼的人工全髋关节置换手术的髋臼选择提供精确的方法。方法 筛选2008年2月～10月就诊于郑州大学第一附属医院的40例存在异常髋臼的全髋关节置换患者，按照治疗方法分为对照组与观察组，各20例。对照组采用常规法完成术中髋臼假体定位的手术方案。对观察组患者的骨盆及髋臼进行连续64层CT扫描，将数据导入Mimics 10.0软件重建患侧髋臼，明确髋臼假体的大小及位置；采用逆向工程技术重建髋臼假体模板；术中将髋臼假体模板与髋臼表面相匹配进行置入方向定位，术后对髋臼前倾角、外展角进行测量，并与对照组结果比较。结果 观察组的髋臼假体外展角、前倾角、Harris评分均优于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。结论 通过医学三维重建软件及逆向工程技术构建的髋臼假体模板可为存在异常髋臼的人工全髋关节置换术髋臼大小及定位提供有利的指导。

数字化；三维重建；异常髋臼；全髋关节置换术；术前规划

全髋关节置换术作为目前骨外科常见手术之一，目的在于通过部分截骨恢复髋部正常的生物力学特性及关节稳定性，手术成败的关键是假体的选择与定位，但由于各种原因造成的髋臼异常如髋臼骨折、先天性髋臼发育不良、股骨头坏死等给髋关节假体选择及定位造成巨大困扰。数字化技术的发展与金属3D打印技术的出现为外科植入物的发展提供了保障，现阶段国外已将数字化技术与3D打印技术广泛应用于整形外科、器官移植、定制个性化内置物等领域，本研究的目的在于应用数字化技术构建髋臼假体模板来指导术中髋臼假体的选择与安放。

1 资料与方法

1.1 一般资料 筛选2008年2月～10月就诊于郑州大学第一附属医院的40例存在异常髋臼的全髋关节置换患者，其中男10例，女30例，年龄63～80岁，以患侧髋部疼痛、行走困难、严重影响日常生活为主要临床症状，无明显手术禁忌。按照治疗方法分为对照组与观察组，各20例。两组患者一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05)，具有可比性。

1.2 髋臼假体方位及髋臼大小的确定 使用64排螺旋CT(Discovery CT750 HD)对观察组患者进行连续断层扫描，扫描区域为髂前上嵴到股骨中下1/3段，数据导入Mimics 10.0软件进行分析设定骨组织阈值，采用动态自适应区域生长算法重建髋臼及骨盆，根据重建髋臼的表面数据(见图1)，计算出髋臼旋转中心，设定理想的髋臼外展角45°、前倾角15°，计算出患侧髋臼假体中心轴，其通过患侧髋臼旋转中心，与冠状面成45°，与冠状面的垂直面成15°。

1.3 生成髋臼模板 根据重建的髋臼曲面数据采用逆向工程技术建立髋臼假体模板(见图2)，重建的假体模板经等离子消毒后在手术中使用，指导手术操作[1]。

1.4 手术方案 观察组采用患侧后外侧入路方案进行全髋关节置换手术，术中通过将逆向工程技术重建髋臼模板与患侧髋臼表面相匹配即可确定假体的放置方位及髋臼假体的规格型号，正确安装髋臼假体、股骨假体完成手术(见图3)；对照组采用常规法完成术中髋臼假体定位的手术方案。两组患者的术者相同，术中均以髋臼假体前倾角15°、外展角45°为标准值。术后两组患者均行双髋正位X线平片检查(均包括患侧全部关节假体)。

1.5 评估方法

1.5.1 髋臼前倾角 即髋臼中心轴偏离冠状面的角度，髋臼投影在冠状面上成椭圆形，在X线平片上直接测量髋臼投影的长短径，设长径为a，短径为b，c为髋臼前倾角，c=arcsin(b/a)。

1.5.2 髋臼外展角 即患者两坐骨结节最低点连线与髋臼投影长径a之间的夹角。

1.5.3 Harris评分 应用Harris评分标准[2]对两组患者术后6个月的疼痛、活动度、功能、畸形等方面进行评分，得分90～100分为优，80～89分为良，70～79分为中，70分以下为差。

图1 Mimics 10.0软件重建的患侧髋臼

图2 逆向工程技术重建的髋臼模板

图3 术后X线示假体匹配良好

2 结果

2.1 前倾角与标准值比较 对照组髋臼假体前倾角为(13.69±6.26)°与标准值比较，差异有统计学意义(P<0.05)，观察组髋臼假体前倾角为(15.17±1.24)°与标准值比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

2.2 外展角与标准值比较 对照组髋臼假体外展角为(42.37±6.23)°与标准值比较，差异有统计学意义(P<0.05)，观察组髋臼假体外展角为(45.32±1.61)°与标准值比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

2.3 两组外展角、前倾角、Harris评分比较 观察组的髋臼假体外展角、前倾角、Harris评分与对照组比较，差异均有统计学意义(P<0.05)。见表1。

表1 两组外展角、前倾角、Harris评分比较

3 讨论

随着全髋关节置换手术技术、人工关节理论的不断进步，对髋关节假体放置的要求越来越严格。精确置入髋关节假体成为衡量手术质量、术后患者功能恢复的重要指标，临床实践中关节假体的使用寿命、稳定性、松动、周围骨溶解及术后患肢长度的恢复与置入假体的大小、方向息息相关[3]。目前全髋关节置换术中放置髋臼杯主要依靠施术者的临床经验，髋臼杯的方向与位置被认为是患者术后脱位的重要原因[4]，髋臼杯的位置对人工髋关节的稳定起到了至关重要的作用[5]。

髋臼骨折、先天性髋臼发育不良，重度股骨头坏死等所致的髋臼异常解剖形态，明显增加了术中髋臼选择及安放位置操作的难度。目前关节置换术前预测假体规格主要依赖X线的模板测量法，但术前常规的X射线片仅提供一个单纯二维图像，无法准确直观的了解髋臼前后壁及髋臼周围骨缺损的变化。而异常髋臼的患者常存在旋转中心的变化，髋臼大小及位置有较大的变异，X线提供的信息非常有限。64层螺旋CT可以在扫描的基础上进行髋臼及骨盆解剖结构的三维重建，精确显示髋臼的解剖，如髋臼旋转中心[6]、髋臼的外展角及前倾角，弥补X线测量法的不足。因此，术前进行CT扫描和重建，能准确判断置入髋臼假体的大小及精确定位髋臼假体外展角和前倾角。从而减少手术时间和准确安放髋臼假体，减少手术并发症[7]。

本研究通过应用医学三维软件及逆向工程技术，计算出异常髋臼患者的髋臼旋转中心、髋臼假体的大小和方向[8]。根据髋臼旋转中心的改变选择松解软组织的范围和幅度。因为髋臼假体是根据髋臼周围的骨性标志制作的，术中必须清除干净髋臼窝里的软组织使髋臼假体与髋臼表面紧密贴合[9]，避免出现髋臼松动、移位等术后并发症，而且手术中假体位置与患者体位的改变和移动无关，避免了因主、客观因素造成的误差，从而达到预期手术效果。

数字化技术及逆向工程技术为关节外科提供了新的发展方向[10]，CT数据重建的三维模型可以直观、准确的观察手术区域的解剖结构，不仅可以提高植入物放置的精确度，还可以提高手术的安全性，逆向工程技术重建的假体，保证了与患者的准确匹配，本研究通过与常规术中定位的数据对比分析，认为术中应用重建髋臼模板对髋臼假体外展角、前倾角进行定位更加准确；在全髋关节置换术后患者功能恢复方面，术中应用术前设计的髋臼模板明显优于常规定位，本研究也存在诸多不足之处，如选择的患者例数较少，研究中考虑患者本身因素过少，如存在明显患侧畸形、如何解决髋臼骨溶解、髋臼周围骨缺损对髋臼放置的影响等。

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10.3969/j.issn.1004-437X.2017.02.012

2016-03-26)