個性化髖臼導板在單側全髖關節成形術中應用的實驗研究

梁金龍 趙永輝 羅浩天 陸聲

全髖關節成形術(total hip arthroplasty，THA)是治療終末期髖關節疾病的有效手段之一[1]。術中關節假體的植入方位是一個比較重要的THA療效影響因素[2]。不少學者對術中髖臼假體的安放角度進行了探討，認為THA術后髖關節脫位等與假體位置密切相關[3-4]。有研究者發現，通過術前準確測量髖臼杯位置與髖臼Harris窩頂點的關系，可獲得預期的臼杯外展角[5]。近年來，有學者利用計算機輔助技術制作手術導板，為髖臼假體的精確定位提供了一種新方法，也為臼杯大小的選擇提供了指導[6-8]。同時，在臨床上，髖臼方位在不同個體間表現出一定的差異，只有建立個性化的術前規劃和治療方案才能與這種個體差異相適應。據此，本研究利用人尸體髖標本進行個性化髖臼導板的設計、制作及輔助髖臼假體植入的實驗研究，為THA術中髖臼假體準確植入提供一種新的輔助手段。

資料與方法

一、資料

2018年11月至2020年4月中國人民解放軍聯勤保障部隊第920醫院骨科選取無明顯骨骼破壞和缺損的人尸體髖標本20例(由昆明醫科大學人體解剖學教研室提供)進行實驗研究。將每例髖標本右側定義為導板側，左側定義為對照側。標本選取標準：成年人尸體；髖關節骨質完好，X線檢查未見骨質破壞和骨缺損。標本排除標準：髖部創傷；骨骼缺損；髖臼和股骨頭欠完整，影響髖關節三維重建。

材料與設備：Medical Systems/LightSpeed16 16排CT(GE公司，美國)；交互式醫學影像控制系統(Materialise's interactive medical image control syste，Mimics)10.01軟件(Materialise公司，比利時)、Geomagic studio 12.0(Geomagic公司，美國)、Imageware 13等逆向工程軟件；光敏樹脂材料(Stereocol by Avecia公司，英國)。

二、方法

1.標本的CT掃描：置標本于仰臥位，使標本縱軸與掃描平面垂直，掃描范圍包括髖關節，上至髂前上棘，下至股骨干近端，層厚0.630 mm，電壓120 kV，電流100 mA。使CT掃描后的圖像X、Y、Z軸各向同性，為三維重建提供可靠的原始數據。

2.髖臼方位的測量與骨盆的三維重建：將標本CT掃描原始數據導入Mimics 10.01軟件進行加載分析。利用Imageware 13軟件對髖臼表面進行曲面處理，利用Geomagic studio 12.0軟件生成髖臼表面點云的數字模型，將對照側髖臼表面點云的最適擬合球心(O1)定義為對照側髖關節旋轉中心(hip joint center，HJC)(圖1)。對擬合效果進行質量分析(圖2)。利用鏡像建立導板側HJC。經過兩側HJC建立標本骨盆的水平面和冠狀面，并分別獲得標本骨盆各二維平面投影(圖3)。在CT橫斷面上過髖臼后緣作兩側HJC連線的垂線，該垂線與髖臼前后緣連線形成的銳角為前傾角α，在CT冠狀面上，兩側HJC連線與導板側髖臼上下極連線形成的銳角為外展角β(圖4)。同時測量HJC到淚滴的垂直距離(H)和水平距離(W)，依據鏡像對稱原理得到導板側髖臼參數，對髖關節進行三維重建。

圖1 將髖臼表面點云集合擬合成最適球體，獲得該球體的半徑及球心坐標(O1)并分別定義為髖臼半徑(r)和髖關節旋轉中心(HJC) 圖2髖臼點云擬合精度的質量分析：紅色表示擬合偏差較大，綠色和黃色分別表示不同程度的較小偏差，藍色表示負向偏差 圖3 過兩側髖關節旋轉中心(HJC)建立標本骨盆的水平面和冠狀面，將骨盆三維結構的信息投影到二維平面上進行測量 A 骨盆冠狀面的建立 B 骨盆冠狀面側面觀 C 骨盆水平面的建立 D 骨盆水平面側面觀

圖4 分別在骨盆投影的冠狀面、水平面上測量對照側髖臼的外展角(β)和前傾角(α)，根據對稱原理得到導板側髖臼方位 A 冠狀面的測量B 水平面的測量 圖5 將髖關節旋轉中心O1分別在冠狀面和矢狀面上進行平移，通過三角函數計算得到髖臼旋轉軸上的O2點 圖6 O1和O2兩點連線為髖臼旋轉軸，即導板導航管的方向 圖7 利用計算機輔助設計軟件設計導板的導航管，以髖臼旋轉軸線為軸，確定導航管的方向 圖8 以髖臼Harris窩為模板域建立與其解剖形態一致的反模。導航管與髖臼Harris窩反模配準后生成虛擬的髖臼導板，與髖臼Harris窩進行模擬配準

3.髖臼旋轉軸線的計算：已知HJC坐標O1(X1，Y1，Z1)，根據髖臼外展角和前傾角的術中定義，將HJC分別于冠狀面和矢狀面上作外展和前傾的平移，通過三角函數計算得到髖臼旋轉軸上的一個點O2(X2，Y2，Z2)，稱之為“L”點。計算方法：以擬合球體的半徑(r)在骨盆水平面上的投影為條件，O1在骨盆水平面上的外展距離L1=r、前傾距離L2=r.tgα/sinβ、向下平移L3=r/tgβ；O2坐標(X2，Y2，Z2)：X2=X1±L1=X1±r；Y2=Y1-L2=Y1-rtanα/sinβ；Z2=Z1-L3=Z1-r/tanβ。根據髖臼半徑r和HJC計算得到的“L”點具有唯一性；兩點能夠確定髖臼軸的方向，直線O1O2確定了髖臼的旋轉軸，也就是導板導航管的方向(圖5，6)。

4.髖臼虛擬導板的設計與制作：應用計算機輔助設計(computer aided design，CAD)軟件設計導板的導航管，內徑3.4 mm，外徑7.4 mm，壁厚2.0 mm，長3.0 mm。以髖臼旋轉軸為軸，確定導航管的方向(圖7)。以髖臼Harris窩為模板域，建立與髖臼Harris窩解剖結構一致的反模，與導航管配準后生成虛擬的導板，并可實現導板和Harris窩的虛擬配準(圖8)。沿導航管植入一個代表髖臼旋轉軸的虛擬定位針，任意旋轉可以間接了解髖臼開口的方位，判斷手術的預期效果。再將虛擬髖臼導板通過快速成型技術生成光敏樹脂導板。

5.以導板輔助植入臼杯假體：置標本于左側臥位。后外側入路顯露并打開關節囊，髖關節脫位后，于大小轉子連線上方1.5 cm垂直于股骨頸截除股骨頭并充分暴露髖臼，經剔除Harris窩表面的軟組織等覆蓋物，充分顯露后將導板貼附于Harris窩，沿導航管植入直徑3.0 mm定位針(根據髖臼頂部骨量確定定位針限深1.0 cm)，移除導板，用中空的髖臼銼沿定位針自小號到大號進行同心磨銼，沿定位針植入臼杯假體，加壓固定(圖9，10)。

圖9 暴露髖臼Harris窩，將導板與Harris窩緊密貼附，沿導航管植入一根限深定位針輔助臼杯定位 圖10 利用改良設計的髖臼銼對髖臼進行同心磨銼，在定位針導航下將臼杯假體植入預期位置

6.效果評價指標：利用CT和X線影像對導板側和對照側進行測量。測量內容包括臼杯HJC、α角、β角、H值(X線平片上HJC到兩側淚滴連線的垂直距離)和W值(X線平片上HJC到淚滴緣切線的水平距離)(圖11)。分別對兩側同一測量指標進行比較。

圖11 臼杯假體植入髖標本后的X線和CT顯示臼杯假體植入位置滿意，定位針與臼杯假體開口面垂直，達到預期臼杯植入的要求(O為髖臼杯假體旋轉中心，OA=HJC與淚滴的水平距離W，OB=HJC的垂直距離H)

結 果

導板與髖臼Harris窩具有幾何相似性，術中肉眼見二者貼附緊密，匹配穩定。臼杯假體植入后的影像顯示定位針與臼杯假體開口緣垂直。導板側與對照側β值分別為(49.9±4.1)°和(49.5±4.7)°，α值分別為(17.7±3.1)°和(18.3±3.5)°，H值分別為(21.6±2.8)mm和(21.9±3.4)mm，W值分別為(29.7±3.1)mm和(30.9±3.3)mm，兩側差異均無統計學意義(均P>0.05)。

討 論

THA術中髖臼的定位取決于臼杯外展角和前傾角[9]；髖臼假體旋轉中心重建的重點在于準確定位HJC[10]；髖臼橫韌帶與髖臼Harris窩頂點的關系對髖臼假體的植入具有重要參考作用[11]；髖臼Harris窩的確定對于成人發育性髖關節發育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)的治療尤為重要[12]。Danoff 等[13]提出基于THA后入路髖臼前傾角和外展角的安全區，有利于減少手術并發癥的發生，促進患者術后早期關節功能的恢復，但也可能因過于依賴于術者經驗而產生誤差，增加術后并發癥[14-15]。計算機導航系統操作復雜、費用較高，且在使用過程中會受到患者軟組織厚度、體位變化及髖臼解剖結構等因素影響，因專業性較強目前尚難以普及[16-19]。有研究結果表明，THA術后髖臼假體在體內駐存率較低[20]。臼杯側假體位置較股骨側對THA術后效果的影響更大。所以，在THA中準確定位HJC，依據HJC將臼杯假體植入理想位置，對減少術后并發癥和延長假體壽命具有重要作用，尤其對HJC偏移病例更有意義。

本研究主要針因單側病變需要行THA的病例設計一種髖臼導板，用于輔助獲得與健側髖臼對稱、與患側髖關節結構和功能相適應的髖臼方位。其中確定HJC和建立髖臼旋轉軸線是髖臼導板設計的關鍵。從髖臼三維空間上看，髖臼旋轉軸垂直于髖臼開口平面，該軸線經過HJC并與髖臼開口方向一致，是臼杯假體植入的參照標志。以髖臼旋轉軸為參照標志建立髖臼導板的導航管并賦予其一定的穩定性是本研究導板制作的基礎。髖臼方位的決定因素主要包括HJC、前傾角、外展角等。髖臼關節面和股骨頭具有相同的幾何中心，目前臨床應用的臼杯假體多為規則的半球形，髖臼關節面擬合的最適球體與髖臼解剖形態具有幾何相似性，據此可以獲得HJC。通過建立骨盆的輔助平面，結合三維信息的采集和二維平面的測量能夠獲得準確的髖臼方位。同時，利用鏡像對稱原理可以經過計算得到導板側的髖臼方位，避免了導板側髖臼變異對測量結果的影響。可以將髖臼開口理解為以HJC為原點，髖臼旋轉軸在人體冠狀面上向外旋轉形成外展角、在矢狀面上向前旋轉形成前傾角，經過這種復合運動形成了最終朝向外下方的方位。基于幾何學和三角函數計算方法得到髖臼旋轉軸上的“L”點，可確定髖臼的旋轉軸，以其為參照標志進行臼杯假體植入能夠實現與髖臼解剖方位相一致。

髖臼Harris窩與髖臼橫韌帶的關系相對恒定。有學者以髖臼橫韌帶和Harris窩為標志，或根據髖臼Harris窩內的脂肪組織來確定頭臼界限，實現了HJC的有效重建[21-23]。如果患者合并HJC偏移，即便是初次THA，術中也不易定位HJC，導致臼杯假體植入困難。本研究通過Harris窩的解剖標志制定精確的術前規劃，利用Harris窩導板輔助術中操作，對需要接受單側THA的病例實現了HJC的有效重建，其依據是髖臼Harris窩的解剖標志相對恒定，不容易發生變異。對于髖臼病理變化較重的患者，術中通過清除覆蓋于Harris窩表面的骨贅，可以“復原”Harris窩和髖臼切跡[24]，將其作為骨性標志并據其確定HJC，進而將髖臼假體安裝在理想的位置。另外，髖臼導板具有一定的硬度和與髖臼Harris窩相匹配的外形特征，其表面凸處與Harris窩凹處相崁合，二者形成“反向互補”。導板貼附于Harris窩內無軟骨覆蓋的范圍，避免了軟骨或軟組織對導板貼附造成的影響，使導板與Harris窩表面緊密貼附，同時凹凸結合面的存在有效限制了導板在Harris窩表面移位，術中操作可獲得滿意的貼附效果和理想的導航。這也是導板穩定性的依據。

本研究選擇髖臼Harris窩作為模板域，完成對髖臼杯假體的導航，為準確定位HJC提供了一種計算機輔助方法，也為缺乏經驗的THA初學者提供了一種可供選擇的手段，縮短了學習曲線。另外，髖臼Harris窩術中容易暴露，避免關節軟骨對導板貼附的影響，導板穩定性可靠，其設計和成型均基于同一組原始CT數據，確保了二者的幾何相似性。研究表明，個性化的髖臼導板可操作性強，制作成本低，即便在基層醫療機構或是THA初學者也可輕松實現，為個性化臼杯假體準確植入提供了有效的輔助手段。

本研究也存在局限性和不足之處：從單純試驗研究的角度僅僅參考了相應的骨性標志，而在臨床實踐中還應綜合考慮髖關節骨量及周圍軟組織情況，才可能將髖臼杯置于理想位置，有效實現關節周圍軟組織平衡；另外，導板的應用對于復雜病變、雙側THA病例以及髖臼Harris窩增生封閉、髖臼發育不良、髖臼內陷等復雜病例仍然存在一定的局限性；所納入的樣本有限，僅限于尸體標本研究，未來還需要進行大量的臨床應用研究和長期隨訪觀察對結果加以證實。