應用數字化技術研究異常髖臼的全髖關節置換術

魏陽光 殷力 王丹 韓奇財 婁超舉 李弘帥 王海濤

(鄭州大學第一附屬醫院 骨科 河南 鄭州 450052)

應用數字化技術研究異常髖臼的全髖關節置換術

魏陽光 殷力 王丹 韓奇財 婁超舉 李弘帥 王海濤

(鄭州大學第一附屬醫院 骨科 河南 鄭州 450052)

目的 應用醫學三維重建軟件和逆向工程技術為異常髖臼的人工全髖關節置換手術的髖臼選擇提供精確的方法。方法 篩選2008年2月～10月就診于鄭州大學第一附屬醫院的40例存在異常髖臼的全髖關節置換患者，按照治療方法分為對照組與觀察組，各20例。對照組采用常規法完成術中髖臼假體定位的手術方案。對觀察組患者的骨盆及髖臼進行連續64層CT掃描，將數據導入Mimics 10.0軟件重建患側髖臼，明確髖臼假體的大小及位置；采用逆向工程技術重建髖臼假體模板；術中將髖臼假體模板與髖臼表面相匹配進行置入方向定位，術后對髖臼前傾角、外展角進行測量，并與對照組結果比較。結果 觀察組的髖臼假體外展角、前傾角、Harris評分均優于對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。結論 通過醫學三維重建軟件及逆向工程技術構建的髖臼假體模板可為存在異常髖臼的人工全髖關節置換術髖臼大小及定位提供有利的指導。

數字化；三維重建；異常髖臼；全髖關節置換術；術前規劃

全髖關節置換術作為目前骨外科常見手術之一，目的在于通過部分截骨恢復髖部正常的生物力學特性及關節穩定性，手術成敗的關鍵是假體的選擇與定位，但由于各種原因造成的髖臼異常如髖臼骨折、先天性髖臼發育不良、股骨頭壞死等給髖關節假體選擇及定位造成巨大困擾。數字化技術的發展與金屬3D打印技術的出現為外科植入物的發展提供了保障，現階段國外已將數字化技術與3D打印技術廣泛應用于整形外科、器官移植、定制個性化內置物等領域，本研究的目的在于應用數字化技術構建髖臼假體模板來指導術中髖臼假體的選擇與安放。

1 資料與方法

1.1 一般資料 篩選2008年2月～10月就診于鄭州大學第一附屬醫院的40例存在異常髖臼的全髖關節置換患者，其中男10例，女30例，年齡63～80歲，以患側髖部疼痛、行走困難、嚴重影響日常生活為主要臨床癥狀，無明顯手術禁忌。按照治療方法分為對照組與觀察組，各20例。兩組患者一般資料比較，差異無統計學意義(P>0.05)，具有可比性。

1.2 髖臼假體方位及髖臼大小的確定 使用64排螺旋CT(Discovery CT750 HD)對觀察組患者進行連續斷層掃描，掃描區域為髂前上嵴到股骨中下1/3段，數據導入Mimics 10.0軟件進行分析設定骨組織閾值，采用動態自適應區域生長算法重建髖臼及骨盆，根據重建髖臼的表面數據(見圖1)，計算出髖臼旋轉中心，設定理想的髖臼外展角45°、前傾角15°，計算出患側髖臼假體中心軸，其通過患側髖臼旋轉中心，與冠狀面成45°，與冠狀面的垂直面成15°。

1.3 生成髖臼模板 根據重建的髖臼曲面數據采用逆向工程技術建立髖臼假體模板(見圖2)，重建的假體模板經等離子消毒后在手術中使用，指導手術操作[1]。

1.4 手術方案 觀察組采用患側后外側入路方案進行全髖關節置換手術，術中通過將逆向工程技術重建髖臼模板與患側髖臼表面相匹配即可確定假體的放置方位及髖臼假體的規格型號，正確安裝髖臼假體、股骨假體完成手術(見圖3)；對照組采用常規法完成術中髖臼假體定位的手術方案。兩組患者的術者相同，術中均以髖臼假體前傾角15°、外展角45°為標準值。術后兩組患者均行雙髖正位X線平片檢查(均包括患側全部關節假體)。

1.5 評估方法

1.5.1 髖臼前傾角 即髖臼中心軸偏離冠狀面的角度，髖臼投影在冠狀面上成橢圓形，在X線平片上直接測量髖臼投影的長短徑，設長徑為a，短徑為b，c為髖臼前傾角，c=arcsin(b/a)。

1.5.2 髖臼外展角 即患者兩坐骨結節最低點連線與髖臼投影長徑a之間的夾角。

1.5.3 Harris評分 應用Harris評分標準[2]對兩組患者術后6個月的疼痛、活動度、功能、畸形等方面進行評分，得分90～100分為優，80～89分為良，70～79分為中，70分以下為差。

圖1 Mimics 10.0軟件重建的患側髖臼

圖2 逆向工程技術重建的髖臼模板

圖3 術后X線示假體匹配良好

2 結果

2.1 前傾角與標準值比較 對照組髖臼假體前傾角為(13.69±6.26)°與標準值比較，差異有統計學意義(P<0.05)，觀察組髖臼假體前傾角為(15.17±1.24)°與標準值比較，差異無統計學意義(P>0.05)。

2.2 外展角與標準值比較 對照組髖臼假體外展角為(42.37±6.23)°與標準值比較，差異有統計學意義(P<0.05)，觀察組髖臼假體外展角為(45.32±1.61)°與標準值比較，差異無統計學意義(P>0.05)。

2.3 兩組外展角、前傾角、Harris評分比較 觀察組的髖臼假體外展角、前傾角、Harris評分與對照組比較，差異均有統計學意義(P<0.05)。見表1。

表1 兩組外展角、前傾角、Harris評分比較

3 討論

隨著全髖關節置換手術技術、人工關節理論的不斷進步，對髖關節假體放置的要求越來越嚴格。精確置入髖關節假體成為衡量手術質量、術后患者功能恢復的重要指標，臨床實踐中關節假體的使用壽命、穩定性、松動、周圍骨溶解及術后患肢長度的恢復與置入假體的大小、方向息息相關[3]。目前全髖關節置換術中放置髖臼杯主要依靠施術者的臨床經驗，髖臼杯的方向與位置被認為是患者術后脫位的重要原因[4]，髖臼杯的位置對人工髖關節的穩定起到了至關重要的作用[5]。

髖臼骨折、先天性髖臼發育不良，重度股骨頭壞死等所致的髖臼異常解剖形態，明顯增加了術中髖臼選擇及安放位置操作的難度。目前關節置換術前預測假體規格主要依賴X線的模板測量法，但術前常規的X射線片僅提供一個單純二維圖像，無法準確直觀的了解髖臼前后壁及髖臼周圍骨缺損的變化。而異常髖臼的患者常存在旋轉中心的變化，髖臼大小及位置有較大的變異，X線提供的信息非常有限。64層螺旋CT可以在掃描的基礎上進行髖臼及骨盆解剖結構的三維重建，精確顯示髖臼的解剖，如髖臼旋轉中心[6]、髖臼的外展角及前傾角，彌補X線測量法的不足。因此，術前進行CT掃描和重建，能準確判斷置入髖臼假體的大小及精確定位髖臼假體外展角和前傾角。從而減少手術時間和準確安放髖臼假體，減少手術并發癥[7]。

本研究通過應用醫學三維軟件及逆向工程技術，計算出異常髖臼患者的髖臼旋轉中心、髖臼假體的大小和方向[8]。根據髖臼旋轉中心的改變選擇松解軟組織的范圍和幅度。因為髖臼假體是根據髖臼周圍的骨性標志制作的，術中必須清除干凈髖臼窩里的軟組織使髖臼假體與髖臼表面緊密貼合[9]，避免出現髖臼松動、移位等術后并發癥，而且手術中假體位置與患者體位的改變和移動無關，避免了因主、客觀因素造成的誤差，從而達到預期手術效果。

數字化技術及逆向工程技術為關節外科提供了新的發展方向[10]，CT數據重建的三維模型可以直觀、準確的觀察手術區域的解剖結構，不僅可以提高植入物放置的精確度，還可以提高手術的安全性，逆向工程技術重建的假體，保證了與患者的準確匹配，本研究通過與常規術中定位的數據對比分析，認為術中應用重建髖臼模板對髖臼假體外展角、前傾角進行定位更加準確；在全髖關節置換術后患者功能恢復方面，術中應用術前設計的髖臼模板明顯優于常規定位，本研究也存在諸多不足之處，如選擇的患者例數較少，研究中考慮患者本身因素過少，如存在明顯患側畸形、如何解決髖臼骨溶解、髖臼周圍骨缺損對髖臼放置的影響等。

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

2016-03-26)