不同假體設(shè)計與安裝參數(shù)對全髖術(shù)后關(guān)節(jié)活動度的影響

李永獎 林瑞新 張力成 楊國敬 蔡春元 周德彪 吳立軍

減少疼痛和恢復(fù)一個穩(wěn)定的、良好功能的髖關(guān)節(jié)是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)最重要的目的。假體安裝角度不良將使金屬對金屬全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)產(chǎn)生過多的金屬離子，陶瓷對陶瓷全髖置換術(shù)也會因為存在邊緣撞擊而導(dǎo)致陶瓷內(nèi)襯碎裂和假體松動，其中髖臼杯位置不良影響最大［1］。實際手術(shù)中，髖杯外展角可以通過髖臼后上象限骨覆蓋來約束，股骨前傾角可以通過股骨髓腔的解剖進行定位，特別是使用生物型假體，在選定的髖臼外展角不理想的情況下可以通過調(diào)整合適的髖臼前傾角來潛在地降低術(shù)后假體的撞擊和脫位［2］。本研究通過計算機模擬全髖關(guān)節(jié)假體三維可視化運動模型，研究髖臼假體前傾角(anteversion of acetabular，AA)、外展角 (inclination of acetabular，IA)，股骨假體前傾角(femoral anteversion，F(xiàn)A)的相互關(guān)系及其與頭頸直徑比(head－neck ratios，HNR)、頸干角(collodiaphyseal angle，CCD)對髖關(guān)節(jié)活動安全范圍的影響。

材料與方法

1．建立三維人工全髖關(guān)節(jié)模型:應(yīng)用MSC．ADAMS View 2003專業(yè)軟件建立人工全髖關(guān)節(jié)三維計算機模型。髖臼杯假體采用半球形，臼杯直徑48mm，關(guān)節(jié)面直徑與相應(yīng)假體頭直徑一致，股骨頭假體采用球形，臼杯中心點和股骨頭假體中心點重合。假體頸形態(tài)呈圓柱形。關(guān)節(jié)間隙為0。股骨假體頭直徑為28mm，頭頸直徑比例分別為 2．00、2．17、2．37、2．61、2.92，頸干角選擇 130°與 135°。

2．假體位置和活動方向定義:假定雙下肢并足站立時為下肢的中立位，股骨假體柄順著股骨解剖軸線安裝于股骨髓腔中央，并與下肢機械軸線的夾角為7°;髖關(guān)節(jié)活動的坐標系位于股骨頭的中心，向上為Y軸，向右為X軸，向前為Z軸。根據(jù)國際生物力學(xué)協(xié)會推薦的非正交坐標系來描述6個方向的運動，髖關(guān)節(jié)屈曲－后伸活動圍繞X軸線，內(nèi)收－外展活動圍繞Z軸線，內(nèi)旋－外旋圍繞下肢機械軸線［3，4］。本研究中髖關(guān)節(jié)單一或組合方向的活動范圍均從下肢中立位開始計算，至發(fā)生臼杯和假體頸撞擊時止。

3．活動范圍標準和假體安裝參數(shù)設(shè)定:下述4個活動范圍條件:髖關(guān)節(jié)屈曲≥110°、屈曲90°時內(nèi)旋≥30°、后伸≥30°和中立位外旋≥40°而沒有假體撞擊被設(shè)定為滿足日常生活活動度的普通標準;髖關(guān)節(jié)屈曲和屈曲90°時內(nèi)旋活動方向與后脫位有關(guān)，而后伸和外旋與前脫位有關(guān)。而將另外4個活動范圍條件:髖關(guān)節(jié)屈曲≥120°、屈曲90°時內(nèi)旋≥45°、后伸≥30°和中立位外旋≥40°設(shè)定為嚴格標準;嚴格標準改變的嚴格條件主要是增加了關(guān)節(jié)后方穩(wěn)定性，而前方穩(wěn)定性一致［5］。

股骨假體前傾角為假體頸圍繞Y軸向前旋轉(zhuǎn)，假體頸長軸與冠狀面所成的夾角，分別為 0°、10°、15°、20°、30°;髖臼前傾角為圍繞X軸向前旋轉(zhuǎn)，變化范圍為0°～70°，髖臼外展角為臼杯從水平線圍繞Z軸向上旋轉(zhuǎn)，變化范圍為10°～60°，每變化5°重復(fù)計算一次滿足兩組不同髖關(guān)節(jié)活動標準下，所對應(yīng)的髖臼前傾角，并在以髖臼外展角為橫坐標，髖臼前傾角為縱坐標的坐標系上描點、連線畫圖進行描述［6］。髖臼杯前傾角和外展角組合的安全范圍定義為滿足日常活動范圍而沒有杯頸撞擊的面積。

4．統(tǒng)計學(xué)方法:采用SAS 6.12統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和直線相關(guān)與回歸分析。

結(jié) 果

由單純屈曲與屈曲90°內(nèi)旋髖關(guān)節(jié)活動所得數(shù)據(jù)的連線是相似的，是一條負斜率稍微下凹的曲線，代表髖臼杯前傾角的最小臨界值，而后伸和外旋髖關(guān)節(jié)呈向上凸的曲線圖，代表髖臼前傾角的最大臨界值。不同的假體安裝參數(shù)，滿足兩組不同活動標準的計算組合，髖臼位相的安全范圍通過計算的數(shù)據(jù)描點連線得到;研究所得到的安全范圍不是Lewinnek所描述的正方形，而是一個似三角形的復(fù)雜圖形(圖1);隨著頭頸比的增大，髖臼杯安全范圍增大;當(dāng)頭頸比為2．00時，嚴格標準活動度下所允許的最小髖臼外展角＞40°，且對于所有的股骨前傾角，髖臼杯安全范圍均非常小，而在外展角35°時則完全缺如;即使在頭頸比為2．17時，臼杯所可獲得的最小髖臼外展角為33°，且取值范圍很有限。

圖1 滿足兩種活動標準的髖臼安裝參數(shù)依從關(guān)系及安全范圍

嚴格標準條件下的安全范圍明顯小于普通標準條件的，但可以通過增大頭頸比來糾正，比如嚴格標準條件下，頭頸比為2．37的髖臼杯安全范圍和普通標準條件下，頭頸比為2．00的安全范圍相似;嚴格標準條件下頭頸比為2．61和普通標準條件下頭頸比2．17的安全范圍相似，依次類推(圖2)。

圖2 不同的頭頸比對兩種不同髖關(guān)節(jié)活動度要求下髖臼杯安全范圍的影響

當(dāng)頭頸比為2．37以及頸干角為130°時，不同的股骨頸前傾角對兩種不同髖關(guān)節(jié)活動度要求下髖臼杯安全范圍的影響見圖3，可見隨著股骨前傾角的增大，髖臼前傾角減小，且髖臼杯安全范圍移向髖臼前傾角小的位置;線性回歸分析發(fā)現(xiàn)髖臼前傾角(Y)與頭頸比相對無關(guān)，而與股骨前傾角(X)呈負相關(guān)(圖4)，可見在嚴格標準條件下，髖臼杯前傾角起始要求高于普通標準，且波動幅度大，同時髖臼杯前傾角對這個優(yōu)化組合的影響大于股骨前傾角。

統(tǒng)計學(xué)分析見圖5。髖臼外展角的最小值隨著頭頸直徑比的增大而減小;低的髖臼外展角僅能和小范圍的髖臼前傾角相匹配，而高的髖臼外展角可以和較大的髖臼前傾角相組合，非線性回歸分析發(fā)現(xiàn)可允許髖臼外展角最小值(the minimum allowable inclination of acetabular，IAmin)與股骨前傾角相關(guān)性不大，而與頭頸比呈非線性關(guān)系。

本研究所定義的髖關(guān)節(jié)活動范圍嚴格標準只是將屈曲從110°增加到120°，屈曲90°內(nèi)旋30°增大到45°，而后伸以及外旋保持不變，主要是考慮增加髖關(guān)節(jié)后方穩(wěn)定性，故最大的髖臼前傾角的臨界值在兩種活動標準下是不變的，而最小臨界值嚴格標準條件的大于普通標準，因此，嚴格標準條件下所得到的安全范圍不在普通標準獲得的安全范圍的中心。

圖5 頸干角為130°

在髖關(guān)節(jié)普通標準和嚴格標準活動范圍下，當(dāng)頸干角從135°移向130°，髖臼杯安全范圍移向髖臼前傾角較小的區(qū)域，面積也有所減小(圖6)。

討 論

1．本研究設(shè)計的特點:在實際的臨床應(yīng)用中，人工髖關(guān)節(jié)置換的體位常為側(cè)臥位，并根據(jù)安裝桿和人體縱軸的夾角來判斷臼杯安裝的前傾角參數(shù)，其角度圍繞X軸發(fā)生變化。同樣，本研究中的髖臼前傾角也是圍繞X軸發(fā)生改變的參數(shù)，這樣所得到的髖臼前傾角的安裝參數(shù)更容易指導(dǎo)臨床手術(shù)和被臨床醫(yī)師所接受，而且骨盆和腰椎的傾斜也可以直接加到預(yù)算的髖臼前傾角;髖臼外展角是髖臼軸與矢狀面之間的角度，可用安裝桿預(yù)先調(diào)整，因此髖臼手術(shù)學(xué)定義的安裝參數(shù)被推薦用來描述術(shù)中假體的安裝［6］。

正常人的股骨前傾角為12°～15°，但可以從－3°變化到35°，特別是在髖臼發(fā)育不良的患者中，股骨前傾角的變化會更大［7］。在采用生物型股骨假體固定時，為了達到最佳的假體壓配和抗旋轉(zhuǎn)能力，總是按照原有股骨頸前傾角的方向插入股骨假體，因此股骨假體安裝后的前傾角并不總是為理想的15°，這時如果要獲得髖關(guān)節(jié)最大的活動度并防止假體間撞擊而產(chǎn)生并發(fā)癥，就需要相應(yīng)調(diào)整髖臼假體安裝，而后者與假體脫位的風(fēng)險密切相關(guān)，在手術(shù)中第一假體方向(杯外展角或前傾角)的選擇有一個較大的范圍，而一旦這個角度確定后，其他位置的依從范圍就受到限制。本研究通過對5種不同頭頸比，5種不同股骨前傾角，2種不同的頸干角，11種不同臼杯外展角，共550個不同組合在兩組不同活動標準的分析，所獲得的信息有助于醫(yī)師術(shù)前計劃及術(shù)中的參考。

2．假體安裝參數(shù)與髖關(guān)節(jié)活動范圍:文獻報道的杯頸安裝參數(shù)有很大的差異，Kunner等半球形的幾何實驗表明了杯于外展35°～45°及前傾0°～10°時股骨有最大的旋轉(zhuǎn)范圍，而當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲＞60°，杯外展＞45°和前傾20°時，股骨的內(nèi)外旋活動明顯受到限制。D'Lima等［2］用一個計算機模型觀察了臼杯與股骨假體位置和不同頭頸直徑比對髖關(guān)節(jié)活動的影響，他展示了臼杯外展角在45°～55°之間，配合合適的臼杯和頸前傾角可獲得最大的活動度，但沒有對兩者的最佳組合關(guān)系進行描述，也沒有闡述臼杯最小外展角與頭頸直徑比的關(guān)系。本研究所得到的臼杯安全范圍與他展示的安全范圍在大小有所不同，但對圖形的形狀和位置是相似的，兩個安全范圍均表現(xiàn)出隨著外展角的增大，髖臼前傾角取值范圍增大。

本研究表明頸干角為130°時，隨著股骨前傾角的增大，髖臼前傾角減小，且髖臼杯安全范圍移向臼髖臼前傾角小的區(qū)域，滿足普通活動標準和嚴格活動標準的髖臼前傾角(Y)與股骨前傾角(X)最佳組合呈線性關(guān)系，分別為:Y1= －0．8164X1+41．914(r2=0．9988)，Y2= －0．8028X2+47．094(r2=0．9998)，從這個公式可以說明在固定的髖臼外展角下，髖臼前傾角比股骨前傾角對這組合影響更大。然而，這個優(yōu)化組合關(guān)系式并沒有保證杯頸位置在安全范圍內(nèi)，臨床上共識的杯后傾應(yīng)該被避免，但在理論上，當(dāng)選擇一個足夠大頭頸直徑比與頸前傾角時，后傾的杯也可以滿足髖關(guān)節(jié)活動度需要，因此，從理論上講，不管杯頸位置是否在安全區(qū)，滿足所有活動范圍標準不僅依賴于杯頸位置，還依賴于頭頸直徑比。

3．股骨假體頸干角、頭頸直徑比與髖臼杯位相安全范圍:當(dāng)頸干角從135°移向130°，杯安全范圍移向髖臼前傾角較小的區(qū)域，面積也有所減小，在保持頸前傾角不變的情況下，杯前傾角隨著頸干角的減小而變小，而髖臼外展角變大。Widmer和Majewski研究發(fā)現(xiàn)，股骨假體理想頸干角應(yīng)該在125°～131°，且隨著頸干角增大，髖臼的外展角逐漸變小，這與本研究得到的結(jié)論一致。

對于一個固定頭頸比的髖關(guān)節(jié)假體，臼杯安全范圍完全依賴于活動標準如何定義，越嚴格的活動標準，安全范圍越小;本研究發(fā)現(xiàn)，可以通過增大頭頸比來擴大那些術(shù)后需要更高髖關(guān)節(jié)活動度的髖臼杯安全范圍。由于人類對髖關(guān)節(jié)屈曲活動的要求遠高于其他方向的活動，所以人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的假體活動度應(yīng)該是在滿足其他方向活動度的要求后盡可能地增加髖關(guān)節(jié)的屈曲活動度以及髖關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，故本研究定義了兩種不同的活動標準，但嚴格標準的活動度只是在屈曲和屈曲90°內(nèi)旋方向增加，因此嚴格標準條件的安全范圍并不在普通標準的中心，也沒有會聚的現(xiàn)象。嚴格標準可用于那些術(shù)后需要更大屈曲和屈曲90°內(nèi)旋的患者，同時本研究發(fā)現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)屈曲、內(nèi)收、內(nèi)旋風(fēng)險動作造成髖關(guān)節(jié)假體后脫位的位置是在髖臼的后下方，因此，臨床上為預(yù)防后外側(cè)入路的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體后脫位而將聚乙烯內(nèi)襯后高邊置于后上方(左側(cè)2點，右側(cè)10點)是有爭議的，筆者認為應(yīng)該置于后下方(左側(cè)4點，右側(cè)8點)。

全髖術(shù)后假體的撞擊決定了假體運動的最后位置以及理論最大活動度。隨著頭頸比的增大，髖臼杯安全范圍增加。臨床上，髖臼外展角通常由于骨的包容而受到限制，而推薦的角度為41°。本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)頭頸直徑比＜2．37時，髖臼前傾角的范圍缺如或很小，且本研究所指定的髖關(guān)節(jié)活動范圍是假體的活動范圍，大于實際的髖關(guān)節(jié)活動范圍，因此，建議選擇頭頸比＞2．37假體，而選擇一個更大頭頸比假體，比如2．61、2．92時，可以擴大醫(yī)生在安放假體時無法完全避免誤差的可允許范圍。非線性回歸分析表明可允許的髖臼外展角最小值和頭頸直徑比呈非線性關(guān)系，頸干角為130°，滿足普通標準條件與嚴格標準條件下，可允許的最小髖臼外展角(IAmin)與頭頸比(HNR)呈非線性關(guān)系分別為:IAmin'1=168.(r2=0.9985)，IAmin'2=213.(r2=0．996)，因此對于本研究頭頸比范圍內(nèi)的特定假體，術(shù)前可用此關(guān)系式來評估可允許的髖臼最小外展角。

理論上，對于一個術(shù)后髖關(guān)節(jié)活動度要求不高的患者來說，選擇一個小的頭頸直徑比假體也是可以的，但是，考慮到手術(shù)臺上骨盆位置的不穩(wěn)定和安放杯頸時的誤差，臥位、坐位及站立位姿勢骨盆位置的變化，骨盆位置及腰椎曲度隨著年齡增長的改變，髖關(guān)節(jié)假體位置一直處于變化中，因此，選擇大的沒有假體撞擊的髖關(guān)節(jié)活動度對于短期及長期的臨床療效是至關(guān)重要的。大的頭頸直徑比有一個大的髖臼杯位相安全范圍，提供了良好的髖關(guān)節(jié)活動度，滿足本研究條件下，認為選擇頭頸直徑比＞2．37是合適的。

4．影響髖關(guān)節(jié)活動范圍的其他因素:本研究是在一個非常理想的情況下采用計算機模擬，通過分析不同假體安裝參數(shù)、股骨假體頸干角和頭頸比，來評估髖關(guān)節(jié)活動范圍的影響因素，影響因素還包括很多因素，如杯的包容、假體與骨或軟組織間的撞擊、患者術(shù)前骨骼畸形和術(shù)后康復(fù)等。

計算機輔助矯形手術(shù)使得假體能按照術(shù)前計劃的位置進行安裝，當(dāng)然，手術(shù)程序也可能改變，只要股骨試模首先安裝的話，然后髖臼假體相對應(yīng)進行定位，實際手術(shù)中，假體也是按照試模所測的方向進行最后的安裝，通過本研究發(fā)現(xiàn)杯位置對髖關(guān)節(jié)活動范圍的影響比頸位置大，因此，臼杯應(yīng)該根據(jù)一個給定的股骨假體位置進行更加準確的調(diào)整。

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