基于Stryker髋关节手术导航系统的髋臼杯定位精度分析

【作 者】尚鹏，白雪岭，石杜芳

1 深圳清华大学研究院，广东，深圳，518055 2 中国科学院深圳先进技术研究院，广东，深圳，518058

基于Stryker髋关节手术导航系统的髋臼杯定位精度分析

【作 者】尚鹏1＊，白雪岭2，石杜芳2

1 深圳清华大学研究院，广东，深圳，518055 2 中国科学院深圳先进技术研究院，广东，深圳，518058

基于计算机辅助导航(CANS)与非导航术式(MANS)的髋关节置换术临床数据，采用Mimics和Matlab编程构建植入髋臼杯定位精度测量方法。经对50例CANS与MANS髋关节置换髋臼杯前倾角和外展角进行测量与统计。结果表明，采用CANS进行全髋置换时，髋臼杯定位精度高于MANS方式，髋臼杯定位处于安全范围的几率大于MANS方式。CANS可以很好地提高髋臼杯假体植入的精确度，有效降低术后关节脱位发生的几率。

计算机辅助导航手术；髋臼脱位；髋臼杯前倾角；髋臼杯外展角

人工全髋关节置换术被认为是20世纪最成功的外科手术，每年有约100万名患者通过该手术获得接近正常生活的能力。但是全髋关节置换术常见并发症之一，术后关节脱位却始终没有解决，据临床统计首次全髋置换术后关节脱位率为1～7%，翻修术后上升到5～16%[1-3]。术后髋关节脱位严重影响患者的健康甚至生命，并造成患者的疼痛、肢体活动受限等并发症，究其原因为手术中髋臼杯的定位精度较差。Lewinnek[1-3]等的研究表明，髋关节置换后髋臼杯外展角（Anatomical Acetabular Abduction ）、前倾角（Anatomical Acetabular Anteversion ）是评估髋臼植入手术精度的重要参数，也是髋关节功能和稳定性的重要指标。髋臼杯外展角在30o～50o之间，前倾角在5o～25o之间为髋臼杯的安全范围，髋臼杯定位精度在上述范围内不会导致术后髋关节脱位现象的发生[4-5]。

目前临床医师所采用的髋臼杯定位精度的测量方法，多为基于术后X线片的二维手工测量，虽操作简便但是测量精度不高，人为因素对测量值的影响较大。随着计算机辅助导航手术（Computer assisted navigated surgery, CANS）在髋关节置换中的应用[6-9]，髋臼杯的测量可以实现手术中导航软件的适时计算与显示（图1），提高了手术医师的手术精度，方便了医生的手术操作过程。但是精确的基于术后三维模型的髋臼杯定位精度的计算方法国内尚未见诸报道与应用，同时传统手术方法（Manual surgery, MANS）与应用CANS在同一坐标系下的髋臼杯定位精度测量的对比分析也未见诸报道，这为定量评价髋关节置换后手术效果以及脱位的风险评估带来困难。

本文首先构建了基于髋关节置换患者术后Mimics三维模型，采用Stryker手术坐标系定义原则，通过解剖关键点以及植入髋臼杯的关键点的三维坐标采集与坐标系构建、髋臼杯平面点拟合、髋臼杯平面单位坐标矢量计算、髋臼杯定位角度测量等技术，采用Matlab软件编程完成了一整套的基于术后CT三维模型的髋臼杯外展角、前倾角的计算方法。使用该方法对50例使用CANS系统和MANS方法的临床髋臼杯定位角度进行计算和数据统计分析，结论显示本文中所创建的植入髋臼杯量化测量方法准确有效；数据统计分析结果表明采用CANS髋关节置换的髋臼杯定位精度高于MANS髋臼杯定位精度，髋臼杯的定位处于安全范围的几率大于采用MANS方式，可以很好地提高髋臼杯假体植入的精确度，可有效降低术后关节脱位发生的几率。

1 材料和方法

1.1 研究对象和手术入路

50例实施首次全髋置换术的关节炎患者被选择作为研究对象，患者信息见表1，其中，25例通过Stryker计算机辅助导航系统（CT-Based Hip Navigation V.1.0，Stryker Leibinger GmbH & Co. KG, Freiburg, Germany) （见图1）进行置换，髋臼杯的前倾角、外展角由导航系统软件中自动计算并适时显示记录的输出数据文件中（见图2）；25例通过传统髋臼杯置换（MANS，Manual surgery）。采用SPSS独立样本T检验比较CANS与MANS两组患者信息之间的平均值差异，结果表明两组患者双侧检验值Sig. (2-tailed)均大于0.05，无显著性差异。

图1 Stryker导航系统Fig.1 Stryker navigated system

图2 Stryker髋关节导航系统计算角度Fig.2 The cup insertion of Stryker THA system

全部50例手术均由同一临床医生采用后外侧入路小切口手术[10]实施，避免不同医生操作带来的人为误差。

表1 患者信息Tab.1 Patient’s demographics.

1.2 基于Mimics的三维重建

术后采集25例患者髋部包括骨盆、人工关节、股骨在内的CT数据，以Mimics (Materialise N.V., Heverlee, Belgium)作为模型重建工具。具体重建过程如下：

1)使用‘Thresholding’、‘Region growing’segmentation、‘Crop/Edit mask’和‘Calculate 3D’工具分别对骨盆、人工关节、股骨进行图像分割，并进行三维重建（见图3）。重建后股骨，髋臼，髋关节假体柄，髋臼杯置于不同的Mask中保存。

2)使用‘Calculate polylines’，‘MedCAD ＞Sphere ＞ Fit on polylines’工具拟和人工关节球头为标准球形。

3)基于三个正交图像和三维模型，设定解剖标志点，包括左/右髂骨前下棘(ASIS，Anterior Superior Illiac Spine)、左/右耻骨结节(PBTU，pubic tubercle)和股骨头中心，同时在髋臼杯边缘上设定12个标志点。

1.3 髋臼杯定位精度算法实现

1.3.1 Stryker导航系统坐标系定义

定位角度需要首先定义参考坐标系，目前常用的用于定义髋臼杯定角度的坐标系统有三种，分别为解剖学坐标系定义（Anatomical Definition）、放射学坐标系定义(Radiographic definition)和手术坐标系定义(Operative Definition )[4]。不同的坐标系取决于髋关节的解剖定位点（Bony Landmarks）不同。从而使得计算髋臼杯的定位精度的参考坐标系不同。图4为Stryker导航系统使用的手术骨盆坐标系的定义方法(Pelvis Coordinate System)，它以左、右髂骨前下棘(rASIS ，lASIS, Right and left anterior superior iliac spine)连线中点为原点，左侧髂骨前下棘指向右侧髂骨前下棘(rPBTU, lPBTU ，right and left pubic tubercle)方向为X轴方向，骨盆前平面(由左/右髂骨前下棘和左/右耻骨结节中点定义)法线方向为Y轴方向，垂直XY平面方向为Z轴方向建立骨盆坐标系。手术中，手术医生采取触诊方式率先定位图4中各解剖定位点，建立与术前CT模型与手术导航系统的匹配。

图3 骨盆、股骨和人工髋关节三维建模Fig.3 3D reconstruction of pelvis, femur and artificial hip joint from Post-op CT in Mimics.

图4 Stryker导航系统骨盆坐标系定义Fig.4 Stryker Pelvis coordinate system.

1.3.2 髋臼杯定位角度计算方法与实现

Matlab编程计算流程图如下：

1) 根据上述1.3.1节中Stryker坐标系定义，术后在Mimics模型上选rPSIS，lPSIS，rASIS, lASIS解剖定义点，通过多次选取取平均值的方法计算坐标值，并保存其X、Y、Z坐标值（见图5）。

图5 髋臼杯定位角度计算方法与实现Fig.5 Cup Orientation Calculation.

2) 在髋臼杯下侧边缘，沿着髋臼杯平面（ACEP，Acetabular and Sacrum planes ）点选12个相应的关键点，记录并保存其X、Y、Z坐标值。髋臼杯平面边缘的点主要是用来构造平面和平面法向量的，Matlab算法程序将对以上12个点进行平面拟合以及相应的校准。

3) 采用Matlab编程，构建定位坐标系并计算髋臼杯的前项倾角和外展角(坐标原点与坐标单位矢量)。

(1) 采用rPSIS、lPSIS、rPBTU、lPBTU构建基于Stryker导航系统的虚拟坐标系，确定坐标原点，并构建三个坐标轴的单位矢量，保存在内存中；

(2) 将Mimics模型中点取ACEP的X、Y、Z坐标，并通过坐标变换转换成Stryker导航系统的虚拟坐标系的坐标值，保存在内存中；

(3) 根据新坐标系下ACEP平面坐标点拟合一个平面AFPP，并构建平面单位法矢量；

(4) 根据Stryker导航系统坐标以及外展角、前倾角定义，以ACEP单位法矢量计算髋臼杯的相应外展角、前倾角值，并将上述所有计算结果数据通过本Matlab程序输出到一个与患者名称相同的Excel文件中，以便进行后续分析、统计；

(5) 采用Matlab编程计算的髋臼杯外展角与前倾角结果，与导航系统手术病例自动计算的结果在同一患者CT模型上进行验证，表明结果一致，验证本计算方法的准确可行。

2 数据统计分析

图6为计算机辅助导航置换和传统的髋臼假体定位器置换的髋臼定位精度（髋臼前倾角和外展角）对比图。采用spss进行方差分析比较CANS与MANS两组间髋臼前倾角和外展角的误差。结果表明，CANS术髋臼放置准确性高于MANS，CANS术更集中于术前髋臼杯放置安全范围，其中，25例CANS中3例位于安全区之外，25例MANS中7例位于安全区之外。采用spss vesion10统计学软件进行二维方差分析，对试验数据进行统计分析，结果表明CANS与MANS髋臼定位角度对比，髋臼前倾角定位(P＞0.05)无显著性差异，髋臼外展角定位(P＜0.05)具有显著性差异。图7显示髋臼放置误差对比，MANS置换的髋臼前倾角和外展角的误差明显高于CANS置换的，其中髋臼外展角定位误差(P=0.002)具有显著性差异。

图6 MANS与CANS髋臼杯定位角度安全范围对比Fig.6 The acetabular cup orientation with manual and CANS

图7 CANS与MANS髋臼定位精度对比Fig. 7 The placement error of Aetabular cup with MANS and CANS

3 讨论

髋臼假体位置的置放一直是决定全髋关节置换质量和影响其远期效果的关键性因素，尤其是假体前倾角的放置，其对髋关节脱位的频率以及术后假体的磨损状况都有很大的影响[11]。

关于CANS与MANS在髋关节置换精度上的比较研究，国内还没有见诸相关报道，但国外的同类研究证实，CANS置换的精度高于MANS置换[11-12]。与传统的机械辅助手术置换方法相比，采用计算机导航方法能让经验较少的医生精确稳定的完成髋关节置换术，其精度超过传统的经验最丰富的医生[13，14，16]。术后的短期随访也显示出CANS在髋、膝关节置换术中的优势[15，16]。加上目前工程技术领域得迅猛发展，计算机导航术精准度将会进一步提升，且人机界面也将会越来越友好，不难预见计算机导航手术在不远的将来会在全世界范围内推广。但是，CANS会增加术前准备时间和术中时间，以及提高手术费用[15]。Gφthesen[15]等的统计显示，采用计算机导航手术方法比传统手术方法平均增加15分钟手术时间。计算机导航术涉及电子、光学、软件、机械、生物、医学等多学科领域，其制造和研发成本非常高昂，这也相应地增加了患者的手术费用。另外，还要指出的是目前关于采用计算机导航方法的髋关节置换术还没有大样本的随机远期随访病例分析结果，明确给出计算机导航术一定优于传统手术方法的结论。

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Evaluation of Acetabular Cup Placement Precision in Stryker Computer-assisted Navigated Total Hip Arthroplasty

【 Writers 】Shang Peng1＊, Bai Xueling2, Shi Dufang2
1 Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen, P.R. China,518055 2 Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, P.R. China,518058

computer assisted navigated surgery, cup dislocation, cup anteversion, cup abduction.

R318.17

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2012.05.001

1671-7104(2012)05-0313-04

2012-06-12

深圳市个性骨科技术与制造服务平台项目；国家自然科学基金

国际(地区)合作交流项目(30810103908)；深圳市科技计划项目

“三新项目”（JSA200903170261A）和深港创新圈计划

（ZYB200907080091A）；

尚鹏，副研究员，Email: shangpeng69@hotmail.com

【 Abstract 】To contrast the methodology of measuring cup placement precision utilizing Mimics and Matlab programming, based on clinical CT images of primary THA cases with computer assisted navigated surgery (CANS) and with the traditional manual method (MANS). The method was applied and anaylzed to measure cup anteversion, cup abduction of 50 clinical cases with CANS and MANSThe results show that, cup placement precision differences exits between primary THA cases with CANS and MANS; more cases with CANS are within the safe zone contrasting MANS, and there was less variation and less placement error in CANS cases. CANS can improve cup placement precision and reduce the chance of dislocation efficiently.