基于三维数据的术前计划指导全髋关节置换术髋臼假体植入的准确性分析*

魏强徐耀增朱锋李荣群周志勇戴亚康周军**

（1.苏州大学附属第一医院骨科，江苏苏州215006；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163）

精确的术前计划是全髋关节置换术（total hip arthroplasty,THA）获得成功的重要基础[1,2]。它有助于减少假体不稳定、下肢不等长、假体周围骨折、假体松动和骨量丢失等术中和术后并发症[2]。

目前临床上多采用胶片模板法和数字模板法进行术前髋臼假体的预测[3-5]。但是，这两种方法都是基于二维数据的预测方法，由于受X线片放大率、投照体位等因素的影响，其准确性难以保证[6]。Petretta等[7]对260例髋关节骨性关节炎（osteoarthritis,OA）患者进行THA术前计划，结果显示无论是数字模板法，还是基于数字图像的胶片模板法，其髋臼型号预测的完全符合率均仅为28%。Zhao等[8]对41例CroweⅡ、Ⅲ型髋关节发育不良（Developmental Dysplasia of Hip,DDH）患者采用数字模板法预测臼杯型号，预测的准确率仅为5%。

尽管有多种影像学检查可用于反映髋臼的形态，但基于CT三维图像进行的测量是目前反映关节置换相关的髋臼参数的最主要方法，可以提高手术中假体安放的准确性[9]。曾羿等[10]利用Mimics软件对20例CroweⅣ型DDH患者进行髋臼的术前计划，结果预测髋臼的完全准确性为70%，在一个型号内的符合率为100%，具有较高的准确性。Sariali等[11]对223例髋关节OA患者采用Hip-PLAN三维软件进行THA术前计划，结果显示臼杯的完全符合率高达86%。目前报道的THA三维术前计划大多针对单一疾病，如髋关节OA或DDH，而很少有学者采用CT薄层扫描数据对适用于THA的多种髋部疾病进行三维术前计划。本研究应用CT三维成像技术，对拟接受初次THA患者的髋关节进行CT薄层扫描（层厚0.625 mm），利用Mimics软件对上述患者的髋部CT薄层数据进行处理，生成髋部三维模型；利用Rhinoceros 4.0软件行臼杯模拟，生成180°半球型三维CAD髋臼杯模型；在三维模型上进行模拟髋臼假体安放，预测臼杯大小、臼杯外展角、旋转中心位置，预测结果与术后实际结果进行比较。以评估基于三维数据的术前计划指导THA髋臼假体植入的准确性。

1 资料与方法

1.1 临床资料

纳入标准：诊断为髋关节OA、股骨头无菌性坏死、DDH拟接受初次生物型THA的患者；术前检查无明确THA禁忌证；签署知情同意书。排除标准：因其他疾病拟行THA的患者；未能征得患者知情同意。

依据上述纳入与排除标准，共纳入2016年10月至2017年5月拟接受初次生物型THA的患者20例共20髋。其中男7例，女13例，年龄平均（61.3±10.2）岁。体重指数20.0～30.1 kg/m2，平均（24.2±3.3）kg/m2；右侧6例，左侧14例。6例诊断为髋关节OA；5例诊断为股骨头坏死；9例诊断为DDH。所有手术均由同一位高年资关节外科医生完成，手术入路采用后外侧入路者13例，SuperPATH入路者4例，外侧入路（改良Hardinge入路）者3例。所有患者术前均行髋部CT薄层扫描检查。髋臼假体选择Zimmer公司的Continuum 3孔髋臼杯10例，Wright公司的LINEAGE 3孔髋臼杯10例，均为生物型髋臼杯系统。

1.2 设备和软件

Brilliance iCT 256层CT（飞利浦）；2T移动硬盘（美国Seagate Technology Cor）；医学三维重建软件：Mimics 17.0软件（比利时Mater ialise）；Rhinoceros 4.0软件（美国Robert McNeel）。

1.3 研究方法

1.3.1 CT数据采集：患者取仰卧位，双下肢内旋15°。扫描范围：髂前上棘至股骨近端1/3。采用飞利浦CT进行薄层扫描，扫描参数：电压120 kV，电流320 mA，矩阵512×512，扫描层厚0.625 mm。所有CT薄层扫描数据均以DICOM格式导出，存储于移动硬盘。

1.3.2 骨盆三维重建：将移动硬盘上的数据导入个人计算机，采用Mimics 17.0软件进行骨盆三维图像重建。Mimics软件进行图像分割的基础是基于不同的组织具有不同的灰度值，通过灰度值的差别来将不同的组织分开。选择合适的图像阈值进行分割是三维重建的基础，阈值选择过髙，骨组织缺失过多，影响重建仿真度，阈值选择过低，影响模型微细结构观察。根据在CT图像中选择骨组织的经验方法，将最低阈值放在皮质骨峰的1/3处，自动选定骨骼的原始蒙罩。利用区域增长功能选定骨盆，分离去掉离散的体素。再利用蒙版编辑功能消除股骨部分，分离出独立的骨盆蒙版，计算骨盆三维模型。对CT阈值差别所导致的骨盆微小空洞未完全加以修复。重建的三维模型在Mimics三维模型窗口显示，模型直观逼真，仿真度高，可视化效果好。在此界面内，可对模型进行任意角度旋转、平移、放大、缩小观察（图1）。

1.3.3 臼杯设计及模拟植入：利用Rhinoceros 4.0软件进行臼杯模拟，设计生成180°半球型三维CAD髋臼杯模型。臼杯最小外径42 mm，最大外径70 mm，壁厚3 mm，相邻型号间以外径2 mm递增，共15个型号。以“STL”格式保存并导入Mimics 17.0软件，作为后期手术模拟的臼杯模型（图2）。设计的臼杯模型与使用的Continuum 3孔髋臼杯和LINEAGE 3孔髋臼杯外形相似，用于模拟术中臼杯的植入。

1.3.4 术前模拟与术后实际结果测量：在软件中将臼杯模型植入三维骨盆的髋臼处，模拟髋臼重建。臼杯模型基准植入角度为外展45°、前倾15°，选择合适的臼杯型号，通过平移和旋转的方法同步调节臼杯的位置和型号，使臼杯尽可能与髋臼前后柱骨质最大程度地贴合。确定臼杯的位置和型号后，作一与臼杯完全匹配的圆形，圆心即为髋关节旋转中心（图3），进一步测量旋转中心位置。先确定通过旋转中心的冠状面，利用该冠状面内双侧耻骨最内侧两点连线及其中垂线建立二维坐标，旋转中心到横坐标X轴和纵坐标Y轴的垂直距离即为臼杯的垂直和水平距离（图4A）。在经过旋转中心的冠状面上，臼杯上、下缘连线与双侧耻骨最内侧两点连线的夹角为臼杯外展角。将Mimics软件预测的髋臼型号、臼杯外展角、旋转中心位置与术后实际结果进行比较。髋臼旋转中心位置的术后实际结果根据CT横断面图像进行测量（图4B）。

图1 Mimics 17.0软件生成的患者骨盆三维图像

图2 导入Mimics 17.0软件后的臼杯模型

1.4 统计学方法

采用SPSS 17.0软件（SPPS，美国）进行统计学分析。计量资料采用均数±标准差表示，术前测量和实际的臼杯外展角、旋转中心水平距离和垂直距离之间的差异采用配对设计资料t检验。检验水准α值取双侧0.05。

2 结果

2.1 臼杯型号

采用计算机三维方法预测的臼杯大小为46～54 mm，平均（50.50±1.88）mm；术后实际植入的臼杯大小为46～54 mm，平均（50.40±1.85）mm。3例患者术前预测型号与术后实际使用型号不一致，相差均为1个型号（2 mm）。术前预测型号与术后实际大小差异为0～2 mm，平均（0.30±0.71）mm。

2.2 臼杯外展角和旋转中心

与实际的臼杯外展角相比，术前预测的臼杯外展角总体上偏小，差异为 0.05°～4.03°，平均 1.71°±1.34°。与实际的髋臼旋转中心相比，术前预测的旋转中心在水平方向相差0.55～4.06 mm，平均（1.48±0.92）mm；在垂直方向相差 0.20～8.21 mm，平均（2.46±2.38）mm。上述指标预测结果和实际结果的差异均无统计学意义（表1）。

3 讨论

3.1 THA二维模板法术前计划的局限性

THA术前计划以往最常采用传统的胶片模板法。随着数字影像的进步，数字模板法在THA术前计划中也得到广泛应用。但无论是胶片模板法，还是数字模板法，亦或是基于数字图像的胶片模板法，其本质都是传统的二维模板法，缺乏三维空间信息及多重骨组织区分能力，受到多种因素的影响。为保证模板测量的准确性，X线片的放大率应符合模板测量的要求。常用的胶片模板的放大率一般为115%或120%，理论上，相应的X线片的放大率也必须是115%或120%。但是在临床实际应用中，X线片的放大率难以绝对统一，从而导致无论是胶片模板还是数字模板，其测量结果与人体实际测量结果均存在误差，影响了这两种术前计划方法的实际效果。如Unnanuntana等[12]对108例接受THA的患者使用胶片模板法预测臼杯型号，其完全符合率仅为42%。Petretta等[7]在对260例患者进行基于数字图像的胶片模板法和数字模板法术前计划比较时发现，两者预测臼杯的完全符合率仅为28%，相差一个型号内的符合率分别为77%和70%。

图3 通过Mimics软件模拟THA术中臼杯植入

图4 确定旋转中心点后，测量旋转中心位置

表 1 基于三维重建图像术前预测的臼杯外展角和旋转中心与术后实际测量结果比较（ x±s,n=20）

3.2 基于CT三维重建图像的术前计划的优势

CT扫描被认为能够较X线片更确切地反应髋臼的相关解剖学形态[13]。Lattanzi等[14]介绍了一款基于三维CT的术前模板测量软件Hip-Op，能根据三维CT数据准确的描述髋关节解剖的内部特征，并在三维空间内选择最佳匹配的假体尺寸及植入位置，通过分析模块计算出假体匹配的水平。Viceconti等[15]利用Hip-Op三维软件对30例接受THA的患者进行术前计划，结果显示65.5%的患者臼杯与术中使用的完全一致，在一个型号内的臼杯符合率为93.1%。Sariali等[16]进行的一项关于THA术前计划的的随机对照研究显示，利用HIP-PLAN三维软件对30例髋关节OA患者进行THA术前计划，预测臼杯的完全符合率为96%，而采用传统二维模板预测臼杯的完全符合率仅为43%。曾羿等[10]利用Mimics软件对20例CroweⅣ型DDH患者进行THA术前计划，结果预测髋臼的完全准确性为70%，在一个型号内的符合率为100%，具有较高的准确性。Inoue等[17]利用ZedHip三维软件对65例DDH患者进行THA术前计划，结果提示92%的臼杯型号与术中所使用的完全一致。本研究根据采集的髋部CT薄层扫描数据，利用Mimics软件生成髋部的三维数据模型，利用Rhinoceros 4.0软件行臼杯模拟，生成180°半球型三维CAD髋臼杯模型；在三维模型上进行模拟髋臼假体安放。结果预测臼杯的完全符合率为85%，相差一个型号内的臼杯预测准确率为100%。预测的髋臼假体的外展角和旋转中心的位置与术后实际测量结果无统计学差异。本研究的有关结果与上述学者的结果均证明了基于CT三维重建图像的术前计划的前景和价值。本研究中臼杯型号预测的准确性略高于Viceconti等[15]的结果，可能的原因是本研究采用了CT薄层扫描数据（本研究层厚0.625 mm，后者层厚为3～5 mm），在重建髋部三维图像上精确性更高，提高了臼杯预测的准确性。且本研究纳入的患者既包括髋关节OA，也包括了股骨头坏死和DDH等多种适用于THA的髋部疾病，在临床推广性上相对较高。

综上，精确的术前计划是THA的重要步骤，有利于重建髋关节的正常结构和功能，对手术操作有重要指导价值。本研究提示，采用基于三维数据的术前计划进行预测，能提高THA术中臼杯型号选择和植入位置的准确性。未来三维术前计划在临床的进一步推广，还需要不断优化CT扫描方法，简化三维模拟操作，节省时间和成本。

本研究仍存在一定局限性：①本研究纳入的病例数相对较少，今后需要增加样本量提高研究的论证强度和可重复性。②本研究依照传统二维模板法术前计划评价的惯例，将术中实际使用的臼杯型号作为和该髋臼匹配的最佳臼杯型号，并进而判断基于CT三维重建图像术前计划预测臼杯型号方面的准确性，是否合适，有待商榷。③本研究虽然为前瞻性研究，但缺乏对照组，论证强度有所降低。④由于本研究中近半数患者为DDH患者，骨盆多存在旋转畸形和倾斜，因此未考虑在水平轴位对髋臼假体的前倾角进行测量和分析。⑤本研究所使用的Mimics和Rhinoceros软件与国外报道的术前计划软件如Hip-PLAN和ZedHip有一定的区别。需要先利用Rhinoceros软件设计出髋臼臼杯假体的模板，然后导入Mimics软件，进行臼杯植入的模拟和测量，过程较为繁琐，临床医生熟练使用该方法有一定的学习曲线。

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