数字化导航模板对全髋置换术旋转中心定位的应用进展

所属分类：医学论文  日期：2018-08-29  浏览：次

张颖^1.2杨军^1.  丁晶(审校)^{1 *}

(1.成都军区昆明总医院骨科研究所骨科七区，昆明650032；2.昆明医科大学临床学院，昆明650031)   通信作者：杨军

*通讯作者：丁晶，主任医师，研究生导师.地址：云南省昆明市西山区大观路212号成都军区昆明总医院骨科研究所骨科七区，邮编：650032.电话：13116293553.

[摘要] 文章阐述了数字化导航模板的定义、发展历程以及对全髋关节置换术中旋转中心定位的临床应用进展状况。

[关键词] 数字化; 全髋关节置换术; 旋转中心; 进展

The initial application progress about the position of rotation center of the Digital navigation templates with total hip arthroplasty

[Abstract]This article explains the define and progress of the Digital navigation templates , as well as the course of development of the clinical applicationthe with positioning of the center of rotation in total hip arthroplasty.

[key words]Digitalizatio；Total Hip Arthroplasty/THA；Acetabular centre；Progress

 

自从上世纪60年代开始采用人工股骨假体以来，由于外科技术、生物材料、假体设计的不断进步，全髋关节置换术已发展为疗效肯定的成熟外科手术。然而，全髓置换中股骨假体柄置入髓腔改变了近段的正常应力分布，使应由股骨近段承受的应力有一部分通过假体直接传至远段，造成了股骨近段的应力遮挡，是导致股骨近端骨吸收、股骨柄假体松动的重要原因。同时，由聚乙烯磨屑引起的骨溶解也是原因之一，使日后翻修术面临困难。应力遮挡引起的骨吸收，表现为股骨柄假体置入后股骨近段密质骨出现适应性重建改变，导致骨内矿物质密度降低，常危及假体的使用寿命。全髋关节置换术虽能较好地解除疼痛，改善关节功能，在大龄患者中疗效很好。而对于60岁以下髓关节病变的患者来说，则无法满足余生的使用要求。特别是在40岁以下年龄组，其失败率一直徘徊在21%~28%之间，骨坏死患者的失败率更高^[1]。

人工髋关节置换的目的在于重建恢复正常的解剖结构，下肢长度及偏心距的恢复备受关注，左右功能状况的恢复，术后下肢长度过长或过大的偏心距致局部肌张力偏高，加速假体受力面的磨损; 反之，因力臂过短而加重臀肌的收缩负担，患者术后局部较易疲劳^[2-3]。针对髋臼杯假体的有限元分析显示，处于解剖位置的臼杯假体能有效的降低应力作用而延长其使用寿命，多中心的临床研究观察也证实基于非解剖位置置入臼杯所引发的高失效率^[4-6]。近年来，对于全髓关节置换手术中的髋臼旋转中心逐渐引起人们对它的重视^[7-11]。髋关节的负重属于第一类杠杆，即以股骨头为支点，人体重力与作用于股骨上端的肌力分别通过重臂和力臂获得力矩平衡。Pauwels 认为在单肢站立或慢走状态下，髋关节的力主要由体重和对抗体重的外展肌的力矩组成，这里所指的体重是全部体重减去单肢的重量。髋外展肌的状况明显影响关节的力学稳定。外展肌的工作长度及其横断面积决定其收缩力量。改变其在股骨及骨盆的相对位置将因肌肉的力臂及其稳定关节的收缩力量的改变而影响其平衡体重的力矩。增大的收缩力将直接增加关节的反应力及髋臼的负载，加速关节表面的磨损，而且容易出现外展肌的疲劳，引起跛行。

因此，正确重建髓臼旋转中心是保持下肢等长及偏心距良好的前提，避免在假体间产生过高的压力，降低头臼间的接触压力，从而延长假体的使用寿命，进而改善近期及远期的临床疗效。若髋臼假体旋转中心与解剖旋转中心明显不符会直接影响手术效果，并带来一系列问题:当向内上象限移位会引起臀中肌无力，影响髋关节外展;向外下象限移位则会引起坐骨神经麻痹、下腰痛及影响假体的使用寿命等一系列并发症。某些患者会在行走时感到不适、影响生活质量，因此要尽量控制髋臼假体旋转中心的位置出现偏移。当髓臼假体旋转中心未置于解剖位置时，假体周围会出现进行性加重的X线透光带，且假体移位发生率较高。多数学者认为:旋转中心的位置是影响术后假体与骨质、骨水泥以及髋关节周围软组织内应力分布的最主要因素，髋臼假体的安放应该尽可能置于髋臼的解剖位置上，并要保证髋臼假体正常的包容，且尽可能的恢复患肢的长度，其位置是关节置换术的关键所在^[12-13]。Kuen等^[14]通过几年的随访研究表明未恢复旋转中心者较恢复旋转中心者存在较高的翻修率，具有显著性差异，直接影响手术效果。

一 、髋臼旋转中心的定义、定位

全髋关节置换手术中的髋臼旋转中心，也称髋关节旋转中心，即髋中心：我们可以大致认为是坐骨结节与髂前下棘连线的中点，它与髋臼切迹连线的垂直平分线相交，大约在垂直平分线上方约25-28mm处，且该点与两髋臼切迹连线呈等腰三角形。其实，髋中心是把髋关节作为球形，假设出来的一个理想点。由于全髋假体是标准球形，髋关节的关节面实际是一个旋转椭球体，全髋置换术术后才可以产生一个确定的旋转中心。关于旋转中心的测定，文献报道了七种测量方法^[15]。正常髋臼旋转中心的确定常采用Pagnano等^[16]的方法：骨盆正位X线片上，经过Kohler线与泪滴交点外侧约5mm处一点作一垂直线，再经此点上方1／5骨盆高度处作一水平线，然后经此点做一45°的斜线构成一三角形，斜边的中点即为髋关节旋转中心。也可采用“两弦法"，即在骨盆正位X线片上，在髋臼的圆弧内任选2条弦，分别做各自的中垂线，二者的交点即为圆心，也就是髋臼的旋转中心。对于单侧病变，通过同心圆的方法，健侧髋中心可以作为参考。但是，对双病变的病例来说：如髋臼发育不良、内突入髋臼创伤后改变、以及严重骨关节炎等，在 X 线片上确定疾病前的髋关节旋转中心，没有一个正常的关节中心做参考，确认髋中心是比较困难的。对于这种情况，其中 Ranawat^[17]和Pierchon ^[18]两种方法最常用。Ranawat 方法简单易于掌握，但是容易把髋中心确定在更内和更上的位置，而 Pierchon 方法确定的髋中心则更精确一些 ^[19]。即按照同心圆方法测定的髋中心位置，在以泪点线为横轴和以通过泪点做垂线为纵轴的坐标中，横坐标为 36.52±6.34mm，纵坐标为 14.4 ±3.27mm。也就是说正常髋中心的平均高度不超过15mm。

二、数字化导航模板发展历程及具体实现方法

对髋中心进行研究就是探讨重建髋中心的位置在生物学和生物力学上对假体使用寿命和手术临床疗效的影响，需要相关的骨性参数支持^[20]。决定髋中心重建的位置，选择髋臼重建的方法，需要根据髋臼上方骨质的形态和骨储备决定 ^[21]。骨结构正常，就要恢复疾病前的解剖旋转中心；但当髋臼上方存在骨缺损时，有时需要高位放置或内置髋中心；髋中心改变后，为了维持外展肌力的平衡和下肢的长度需要选用不同的股骨假体^[22-23]。因此需要了解相关的骨盆高度、骨盆宽度、颈干角、偏心距、髋臼前倾角、外展角、髋臼上方骨质的厚度和股骨上端形态学参数，但是这些参数受多种因素影响，不同种族人群股骨形态差异较大 ^[24-26]。

良好的术前计划对人工关节置换术后达到完美无瑕的结果至关重要。笔者认为，经验丰富的术者单纯依靠患者病历、影像等资料也能完成准确的手术方案判定，但全面、精细的术前测量可使有经验的关节外科医生对手术更加运筹帷幄。术前计划与术中操作相吻合，从而准确地恢复正常的旋转中心及股骨偏心距，肢体也达到等长。

术前模板测量是全髋关节置换术前计划的重要步骤，能够预测髋关节旋转中心的位置、假体的尺寸及植入位置，纠正双下肢不等长，恢复正常的偏心矩，最终恢复髋关节的正常生物力学。同时有利于提高手术的精确性，缩短手术时间，降低术中骨折及术后假体松动等并发症的发生率，Charnley ^[27]和Müller ^[28-29]都强调了模板测量法的重要性。基于 X 片的模板测量法是术前计划的传统方法，现就模板测量应用在全髋关节置换中的的发展历程简要叙述如下。

1.原始的X片技术^[30]。

1.1 骨盆前后位片

前后位片要包括双侧股骨上段及双侧髋关节。患者平卧位，双侧股骨内旋15°~20°，使股骨颈与胶片盒平行，以减轻股骨颈前倾角的影响，准确的显露偏心距及股骨颈长度。如果患侧髋关节由于屈曲挛缩畸形而不能内旋，则使用健侧替代作模板测量。

1.2 侧位片

蛙式侧位（frog-leg lateral）要求患者平卧且屈髋屈膝，髋关节外旋使髋、膝及踝关节均接触到摄片台面，投射中心对准小转子并与股骨近端垂直。该体位能最大程度的显露股骨前弓及股骨颈前倾角。另外一种即改良的外科侧位片（modified surgical lateral），患者平卧，患肢伸直并内旋15°~20°，健侧大腿抬高，投射头由健侧大腿下方指向患侧股骨头，并平行与患侧股骨颈投射。

1.3  X片的放大率

准确的 X 片的放大率是模板测量法的前提，理论上要求髋关节的放大率与厂家提供的模板的放大率一致。根据相似三角形原理^[31]，髋关节的放大率取决于髋关节与 X 放射头以及髋关节与胶片的距离，而后者又受到了患者的体形的影响，比如身材高大或肥胖的患者，其髋关节与胶片距离相对较远，所以髋关节放大率相对较大，反之亦然。Knight等^[32]研究表明当放射球管离胶片距离为 1 米时，髋关节的平均放大率为 20%±6%（2SD)。Gorski等^[33]在摄片时将一个标尺放于髋关节水平，通过标尺来校正X片的放大率，能显著提高模板测量的准确性。

2 模板测量技术

2.1 传统胶片模板测量法

传统胶片模板测量法是将透明的假体模板胶片覆盖于X线片上进行测量的一种传统方法。Müller ^[28]在1975年介绍了其应用自行设计的模板进行测量的方法，Knight ^[32]及Della^[34]也对传统胶片模板测量法进行了描述，综合介绍如下：

2.1.1 确定双下肢长度差异

在骨盆前后位片上作两侧坐骨结节连线，也可选择泪滴下缘或闭孔下缘连线作为水平参考线，比较两侧小转子尖端与该线的距离，以确定双下肢绝对长度差异。同时可与临床测量的双下肢相对长度差异相比较。

2.1.2 确定髋臼假体尺寸及旋转中心

髋臼假体模板的内缘应靠近泪滴的外侧缘，模板的下缘在泪滴的下缘水平，模板的外上缘与髋臼的外上缘接触，外展角取45°。选取外形既适合患者髋臼轮廓，又尽量保留软骨下骨的假体尺寸。对于骨水泥假体，要预留2~3mm均匀的骨水泥鞘空间（厂家提供的模板上往往已经标记出了骨水泥鞘的位置）。髋臼杯假体位置确定后，新的髋关节旋转中心即被确定。

2.1.3 确定股骨假体的尺寸

选择与股骨髓腔最佳匹配的假体尺寸，骨水泥假体应预留2mm的骨水泥鞘的位置。对于股骨近端多孔层覆盖的假体，要求模板与股骨近端髓腔紧密匹配。而远端多孔层覆盖的假体，要求模板远端部分与股骨干紧密匹配。

2.1.4 调整股骨假体的位置，确定股骨颈截骨高度及假体颈长

由于前后位片上股骨髓腔的直径、股骨颈长及偏心距均受股骨旋转的影响，如果患侧股骨不能内旋 15°~20°，则以健侧股骨代替，分别叙述如下。

2.1.4.1 患侧股骨模板测量

如果双下肢等长，则在垂直方向上下移动股骨假体模板，使股骨头假体的旋转中心与髋臼旋转中心重叠，以维持下肢长度及偏心距。如果存在双下肢不等长，股骨头假体的旋转中心与髋臼旋转中心的垂直距离应等于双下肢长度差异的距离。调整好股骨假体的高度时，可能存在以下情况：1）如果有股骨头的旋转中心接近于髋臼的旋转中心，则下肢长度及偏心距将被恢复。2）如果股骨头旋转中心位于髋臼旋转中心的内侧，则假体植入后会增加股骨偏心距，增加几个毫米的偏心距是有利的，而过度的增加偏心距会使大转子外突，而导致滑囊炎。3）如果股骨头旋转中心位于髋臼旋转中心的外侧，将会减小股骨偏心距，这种情况一定要避免。偏心距减小会导致外展肌力臂减小进而减小外展肌力。此时可以通过降低股骨颈截骨高度，同时使用加长头来补偿偏心距。也可以选择高偏心距的假体。总之术前计划恢复偏心距是十分重要的。确定好股骨假体的位置后，截骨高度和假体颈长即被确定，测量小转子上缘到截骨水平的距离并记录，注意纠正放大率。

2.1.4.2 健侧股骨模板测量

首先将患侧髋臼假体的旋转中心的坐标转移到健侧。即通过测量旋转中心到泪滴的水平及垂直距离得到该中心的坐标，然后在健侧的同样位置标记出来。然后在垂直方向上调整模板其位置，使股骨头旋转中心与髋关节旋转中心重合。将上述步骤所得的截骨高度及颈长应用与患侧，即恢复了双下肢等长及偏心距。

2.2.1.5 股骨侧位片的模板测量

在侧位片上将所选定尺寸的假体进行模板测量，以确保所选择假体的直径及长度能够与髓腔匹配。如果不匹配，可改变假体的植入点或假体类型。Knight等^[32]应用传统胶片模板法对110例应用非骨水泥及混合型假体的患者进行术前测量，对于非骨水泥杯假体，相差一个型号的符合率为96%，骨水泥柄为100%，而非骨水泥柄为77%。Carter等^[35]对70例使用非骨水股骨假体的初次全髋关节置换患者进行传统胶片模板测量，假体型号的符合率接近50%，相差在一个型号(包括一个型号)以内的符合率增加到 88～95%，相差在两个型号以内的符合率达到了100%。González^[36]总结了139例全髋关节置换的术前传统胶片模板测量结果，其中116例为骨水泥型，23例为混合型。术前计划的髋臼假体型号与术中实际使用完全符合的有116例（83%），相差在一个型号以内的达138例（99%）。股骨假体型号完全符合的有108例（78%），相差在一个型号以内的也达到138例（99%）。其中75例（45%）患者的髋关节旋转中心，术前计划的与术后在水平及垂直方向上相距2毫米以内，127例（91%）在 4毫米以内。

2.2  CT及三维CT模板测量法

二维X线片影像资料进行的数字化术前测量未能充分兼顾三维结构特点，特别是髋臼前后缘所存在的节段性骨缺损，二维骨盆正位 X 线片并不能如实显现这就使计划所制定的数据并非完全精确。不同的影像学资料准确性也不同，随着科技水平的发展，影像技术水平的不断提高，三维 CT 技术随之应运而生，如与x线片相比，其获得的数据更为准确^[37-39].且也被应用到全髋关节置换的术前计划中，其原则和步骤传统胶片模板测量法基本相同。术前CT扫描并三维重建，可进行相关的数据采集，不受投照角度的影响，有利于相关参数的测量。结合CT和计算机三维重建方法，可以由生物组织的CT断层图像精确重建它们原来的三维模型，根据不同患者骨骼的形状，尺寸特征在术前精确设计假体置入位置。Nobuhiko等^[40]运用螺旋CT 获得髋臼及股骨近端的冠状面，并在计算机上进行模板测量，能提高股骨颈前倾角过大或股骨外旋畸形的病例的准确性。Lattanzi 等^[41]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。但由于三维CT比X片使患者暴露与射线下的时间更长，费用更贵，所以并不能完全代替传统的模板测量法。而传统胶片模板测量已经是非常成熟的方法，能被广大关节外科医生所掌握，且准确性较高。

2.3. 数字化导航模板

随着数字软件的改进发展和数字化医学成像技术的革命性转变，以及医学影像储存与传输系统（Picture Archiving and Communication System，PACS）^[42]、计算机辅助设计技术(computeraideddesign，CAD)与计算机辅助骨科手术（computer-aided orthopedic surgery，CAOS）^[23][43]作为一种新兴技术引入医学领域，使数字化导航模板测量法的准确性有望进一步提高，从而促使医学技术向个性化、精确化、微创化方向快速发展。加之有快速、低成本、永久保存数据的优点，将会广泛推广于临床。由于数字化技术的导入，数字医学成像系统及计算机系统可将患者的影像模型化，建立个性化三维图像模型。并应用数字可视技术实现术前准确定位、术中精确导航，从而使手术更加规范，增加了手术的可靠性与安全性。数字化导航模板测量法就是在数字环境中，利用软件系统及数字化模板进行全髋关节置换术前计划的一种方法，其设计原则与传统胶片模板测量法基本一致。其中最常见的方法为将扫描图像导人Amira软件，进行三维表面重建双侧髋关节模型，以STL格式保存，导入Imageware软件，对重建髋臼进行形态学测量，确定健侧髋关节解剖旋转中心，通过镜像确定患侧髋关节解剖旋转中心，提取髋臼表面解剖结构与空心管道拟合生成髋臼假体定位导航模板，通过快速成型技术生成模板实体，应用于全髋关节置换术^[44]。股骨侧假体柄的置入位置很难把握，但目前国内外近几年采用计算机辅助完成微创全髋关节置换术前计划已成为热点并取得了良好手术效果。Bono^[45] 、White及Iorio等^[46,47]对数字模板软件系统进行了详细介绍，通过七个基本步骤来确定髋臼杯及股骨假体尺寸、股骨假体颈长、股骨头大小以及截骨高度，恢复双下肢等长和偏心矩，达到重建髋关节功能的目的。市场上有各种类型的数字模板软件销售，附带有各厂家的假体模板库及详细操作步骤介绍。关节外科医生能够在数字环境中进行必要的数据测量和术前计划，具有快速、准确、低成本及永久保存数据的优点。

ANTONY J等^[48]2005年报道采用计算机辅助进行股骨头表面置换，由同一位外科专家进行手术，与术前设计比较显示:在CAS辅助下为2^。偏差，而在机械钻模引导下为5^。偏差。对于初学者来说，可以显著减少植入假体的内/外翻变异，同时发现机械钻模定位会使得假体呈后倾位。Jesse等^[49]应用数字模板软件 EndoMap software 对36例初次手工全髋关节置换患者进行术前计划，预测结果显示，股骨假体相差在一个型号以内的符合率为 72%，相差在 2 个型号以内为 94%。髋臼假体相差在一个型号以内的符合率为86%，相差在2个型号以内占94%.AHodgson等^[50]对计算机辅助下与徒手进行股骨头关节表面置换术中假体导针轴线定位的可重复性作了比较，结果显示:计算机辅助下操作能很好得控制假体置入的角度，可有效缩短手术定位术中定位时间，而且不受临床医生经验的影响，证实有很好的可重复性。Oddy等^[51]应用数字模板测量法也获得了良好的结果。

基于术前数字化模板测量需要的科技设备以及医师的计算机操作应用平台较高，在国内进行髋关节置换术前模板测量的医生人数偏低，就国内相关临床应用报道少之又少。许杰等^[52]对7例人工髋关节翻修髋臼旋转中心重建病例进行数字化术前计划。以非手术正常侧髋臼旋转中心为标准，以双侧骨盆泪滴下缘连线及骨盆中垂线为参照基准线设定翻修侧髋关节旋转中心水平及垂直位置距离，制定重建方案。比较分析了计划与手术实际间髋臼中心的吻合程度。结果发现术前做计划与术后真实情况的差值间无明显差异( t水平= 0. 416，P水平= 0. 692; t垂直= 0. 399，P垂直= 0. 704) 。数字化导航模板测量法对髋关节置换术的术前预测作为一种新兴的技术手段，其是否能够达到与早已成熟的传统胶片模板测量法相同的甚至较高的实用性和准确性已经得到了国内外的一致认可。González 等^[53]比较了传统胶片模板测量法和数字化导航模板测量法的实用性和准确性，对 64 例初次全髋关节置换患者同时应用两种方法，结果显示对于髋臼杯假体，相差在一个型号以内的符合率传统胶片模板法为 97%（62 例），数字模板法为 81%（52 例），二者统计学有显著性差异。而股骨假体相差在一个型号以内的符合率，传统胶片模板法为 98%（63 例），数字模板法为 94%（60 例），无显著性差异。该研究同时表明预测偏心距、旋转中心的位置及髓腔栓大小在统计学上二者无显著性差异。而对于预测截骨高度及纠正双下肢不等长，传统胶片模板法优于数字模板法。González 也同时强调提高 X 片放大率的准确性有助于提高数字化导航模板测量法的准确率。Iorio等^[47]也对两种模板法进行了比较，通过对 50 例初次全髋关节置换同时应用传统胶片模板法和数字模板法进行术前计划，其中 5 个医生使用传统胶片模板法，1 个医生使用数字模板法。结果显示，对于传统胶片模板法，预测髋臼杯假体相差在一个型号以内的总符合率为 78%（195 例/250 例），数字模板法为 60%（30 例/50 例）；预测股骨假体相差在一个型号以内的总符合率，传统胶片模板法为 77%（192 例/250 例），数字模板法为 74%（37 例/50 例）。两种方法无统计学差异。结果还表明，5 个使用传统胶片模板法的医生其预测的结果有良好的组间相关性，且数字模板法过大的预测了髋臼杯假体的型号，而过小的预测股骨假体的型号。该研究认为，传统胶片模板法和数字模板法都可准确而且安全的进行术前计划，虽然数字模板法并不优于传统胶片模板法，但其具有快速性和可重复性的优点，并减少 X 片的打印从而降低成本，也便于数据的保存。The B等^[54]的对比研究表明，传统胶片模板法在预测骨水泥柄和非骨水泥杯的尺寸上比数字模板法更加准确。而 Kosashvili 等^[55]的对比研究显示二者均能准确预测假体型号，无显著性差异。马若凡等^[56]却认为数字化模板测量在预测假体型号、偏心距及截骨高度的设定上均优于传统胶片模板测量。

而相对价格高昂大的CT扫描三维重建，或更进一步的 CAD 激光三维打印实物成型^[57] 相比较而言，其低成本以及易操作性更是显而易见的。数字化导航模板测量法具有功能强大的高级数据可视化系统，具有强大的测量数据处理、误差检测功能、自由曲线曲面编辑功能，能以直觉而快速的方式进行曲线、曲面的建构与调整，并通过对一系列的二维图像进行边界识别等分割处理，能够更好的重新还原被检物体的三维图像，从而精确的指导手术的实际进行情况，提供更精确的治疗方案。

三、展望

数字化导航模板对全髋置换术旋转中心定位的初步应用将现代影像诊断技术、先进的内固定材料和骨科医生有机地结合起来，通过三维重建、逆向工程设计、并结合快速成形技术构建出个体化定位导向模板，使患者接受安全、精确、微创的手术，为解决临床医学中长期困扰人们的“量身定作"问题提供了有效的方法和制作手段。并为骨科的临床与教学提供了全新的训练途径，改变了老师带学生、内容随机的传统模式，实现了由二维到三维、由平面到立体、由静态到动态的转变。随着数字软件的改进和发展以及医院计算机平台的逐渐提高，数字化导航模板测量法根据其快速、精确、低成本、永久保存数据的优点，不仅仅单纯应用于全髋关节置换术及髋臼旋转中心的定位中，而将会更广泛的推广应用于临床当中。

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