个性化髋臼导板在单侧全髋关节成形术中应用的实验研究

梁金龙 赵永辉 罗浩天 陆声

全髋关节成形术(total hip arthroplasty，THA)是治疗终末期髋关节疾病的有效手段之一[1]。术中关节假体的植入方位是一个比较重要的THA疗效影响因素[2]。不少学者对术中髋臼假体的安放角度进行了探讨，认为THA术后髋关节脱位等与假体位置密切相关[3-4]。有研究者发现，通过术前准确测量髋臼杯位置与髋臼Harris窝顶点的关系，可获得预期的臼杯外展角[5]。近年来，有学者利用计算机辅助技术制作手术导板，为髋臼假体的精确定位提供了一种新方法，也为臼杯大小的选择提供了指导[6-8]。同时，在临床上，髋臼方位在不同个体间表现出一定的差异，只有建立个性化的术前规划和治疗方案才能与这种个体差异相适应。据此，本研究利用人尸体髋标本进行个性化髋臼导板的设计、制作及辅助髋臼假体植入的实验研究，为THA术中髋臼假体准确植入提供一种新的辅助手段。

资料与方法

一、资料

2018年11月至2020年4月中国人民解放军联勤保障部队第920医院骨科选取无明显骨骼破坏和缺损的人尸体髋标本20例(由昆明医科大学人体解剖学教研室提供)进行实验研究。将每例髋标本右侧定义为导板侧，左侧定义为对照侧。标本选取标准：成年人尸体；髋关节骨质完好，X线检查未见骨质破坏和骨缺损。标本排除标准：髋部创伤；骨骼缺损；髋臼和股骨头欠完整，影响髋关节三维重建。

材料与设备：Medical Systems/LightSpeed16 16排CT(GE公司，美国)；交互式医学影像控制系统(Materialise's interactive medical image control syste，Mimics)10.01软件(Materialise公司，比利时)、Geomagic studio 12.0(Geomagic公司，美国)、Imageware 13等逆向工程软件；光敏树脂材料(Stereocol by Avecia公司，英国)。

二、方法

1.标本的CT扫描：置标本于仰卧位，使标本纵轴与扫描平面垂直，扫描范围包括髋关节，上至髂前上棘，下至股骨干近端，层厚0.630 mm，电压120 kV，电流100 mA。使CT扫描后的图像X、Y、Z轴各向同性，为三维重建提供可靠的原始数据。

2.髋臼方位的测量与骨盆的三维重建：将标本CT扫描原始数据导入Mimics 10.01软件进行加载分析。利用Imageware 13软件对髋臼表面进行曲面处理，利用Geomagic studio 12.0软件生成髋臼表面点云的数字模型，将对照侧髋臼表面点云的最适拟合球心(O1)定义为对照侧髋关节旋转中心(hip joint center，HJC)(图1)。对拟合效果进行质量分析(图2)。利用镜像建立导板侧HJC。经过两侧HJC建立标本骨盆的水平面和冠状面，并分别获得标本骨盆各二维平面投影(图3)。在CT横断面上过髋臼后缘作两侧HJC连线的垂线，该垂线与髋臼前后缘连线形成的锐角为前倾角α，在CT冠状面上，两侧HJC连线与导板侧髋臼上下极连线形成的锐角为外展角β(图4)。同时测量HJC到泪滴的垂直距离(H)和水平距离(W)，依据镜像对称原理得到导板侧髋臼参数，对髋关节进行三维重建。

图1 将髋臼表面点云集合拟合成最适球体，获得该球体的半径及球心坐标(O1)并分别定义为髋臼半径(r)和髋关节旋转中心(HJC) 图2髋臼点云拟合精度的质量分析：红色表示拟合偏差较大，绿色和黄色分别表示不同程度的较小偏差，蓝色表示负向偏差 图3 过两侧髋关节旋转中心(HJC)建立标本骨盆的水平面和冠状面，将骨盆三维结构的信息投影到二维平面上进行测量 A 骨盆冠状面的建立 B 骨盆冠状面侧面观 C 骨盆水平面的建立 D 骨盆水平面侧面观

图4 分别在骨盆投影的冠状面、水平面上测量对照侧髋臼的外展角(β)和前倾角(α)，根据对称原理得到导板侧髋臼方位 A 冠状面的测量B 水平面的测量 图5 将髋关节旋转中心O1分别在冠状面和矢状面上进行平移，通过三角函数计算得到髋臼旋转轴上的O2点 图6 O1和O2两点连线为髋臼旋转轴，即导板导航管的方向 图7 利用计算机辅助设计软件设计导板的导航管，以髋臼旋转轴线为轴，确定导航管的方向 图8 以髋臼Harris窝为模板域建立与其解剖形态一致的反模。导航管与髋臼Harris窝反模配准后生成虚拟的髋臼导板，与髋臼Harris窝进行模拟配准

3.髋臼旋转轴线的计算：已知HJC坐标O1(X1，Y1，Z1)，根据髋臼外展角和前倾角的术中定义，将HJC分别于冠状面和矢状面上作外展和前倾的平移，通过三角函数计算得到髋臼旋转轴上的一个点O2(X2，Y2，Z2)，称之为“L”点。计算方法：以拟合球体的半径(r)在骨盆水平面上的投影为条件，O1在骨盆水平面上的外展距离L1=r、前倾距离L2=r.tgα/sinβ、向下平移L3=r/tgβ；O2坐标(X2，Y2，Z2)：X2=X1±L1=X1±r；Y2=Y1-L2=Y1-rtanα/sinβ；Z2=Z1-L3=Z1-r/tanβ。根据髋臼半径r和HJC计算得到的“L”点具有唯一性；两点能够确定髋臼轴的方向，直线O1O2确定了髋臼的旋转轴，也就是导板导航管的方向(图5，6)。

4.髋臼虚拟导板的设计与制作：应用计算机辅助设计(computer aided design，CAD)软件设计导板的导航管，内径3.4 mm，外径7.4 mm，壁厚2.0 mm，长3.0 mm。以髋臼旋转轴为轴，确定导航管的方向(图7)。以髋臼Harris窝为模板域，建立与髋臼Harris窝解剖结构一致的反模，与导航管配准后生成虚拟的导板，并可实现导板和Harris窝的虚拟配准(图8)。沿导航管植入一个代表髋臼旋转轴的虚拟定位针，任意旋转可以间接了解髋臼开口的方位，判断手术的预期效果。再将虚拟髋臼导板通过快速成型技术生成光敏树脂导板。

5.以导板辅助植入臼杯假体：置标本于左侧卧位。后外侧入路显露并打开关节囊，髋关节脱位后，于大小转子连线上方1.5 cm垂直于股骨颈截除股骨头并充分暴露髋臼，经剔除Harris窝表面的软组织等覆盖物，充分显露后将导板贴附于Harris窝，沿导航管植入直径3.0 mm定位针(根据髋臼顶部骨量确定定位针限深1.0 cm)，移除导板，用中空的髋臼锉沿定位针自小号到大号进行同心磨锉，沿定位针植入臼杯假体，加压固定(图9，10)。

图9 暴露髋臼Harris窝，将导板与Harris窝紧密贴附，沿导航管植入一根限深定位针辅助臼杯定位 图10 利用改良设计的髋臼锉对髋臼进行同心磨锉，在定位针导航下将臼杯假体植入预期位置

6.效果评价指标：利用CT和X线影像对导板侧和对照侧进行测量。测量内容包括臼杯HJC、α角、β角、H值(X线平片上HJC到两侧泪滴连线的垂直距离)和W值(X线平片上HJC到泪滴缘切线的水平距离)(图11)。分别对两侧同一测量指标进行比较。

图11 臼杯假体植入髋标本后的X线和CT显示臼杯假体植入位置满意，定位针与臼杯假体开口面垂直，达到预期臼杯植入的要求(O为髋臼杯假体旋转中心，OA=HJC与泪滴的水平距离W，OB=HJC的垂直距离H)

结 果

导板与髋臼Harris窝具有几何相似性，术中肉眼见二者贴附紧密，匹配稳定。臼杯假体植入后的影像显示定位针与臼杯假体开口缘垂直。导板侧与对照侧β值分别为(49.9±4.1)°和(49.5±4.7)°，α值分别为(17.7±3.1)°和(18.3±3.5)°，H值分别为(21.6±2.8)mm和(21.9±3.4)mm，W值分别为(29.7±3.1)mm和(30.9±3.3)mm，两侧差异均无统计学意义(均P>0.05)。

讨 论

THA术中髋臼的定位取决于臼杯外展角和前倾角[9]；髋臼假体旋转中心重建的重点在于准确定位HJC[10]；髋臼横韧带与髋臼Harris窝顶点的关系对髋臼假体的植入具有重要参考作用[11]；髋臼Harris窝的确定对于成人发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip，DDH)的治疗尤为重要[12]。Danoff 等[13]提出基于THA后入路髋臼前倾角和外展角的安全区，有利于减少手术并发症的发生，促进患者术后早期关节功能的恢复，但也可能因过于依赖于术者经验而产生误差，增加术后并发症[14-15]。计算机导航系统操作复杂、费用较高，且在使用过程中会受到患者软组织厚度、体位变化及髋臼解剖结构等因素影响，因专业性较强目前尚难以普及[16-19]。有研究结果表明，THA术后髋臼假体在体内驻存率较低[20]。臼杯侧假体位置较股骨侧对THA术后效果的影响更大。所以，在THA中准确定位HJC，依据HJC将臼杯假体植入理想位置，对减少术后并发症和延长假体寿命具有重要作用，尤其对HJC偏移病例更有意义。

本研究主要针因单侧病变需要行THA的病例设计一种髋臼导板，用于辅助获得与健侧髋臼对称、与患侧髋关节结构和功能相适应的髋臼方位。其中确定HJC和建立髋臼旋转轴线是髋臼导板设计的关键。从髋臼三维空间上看，髋臼旋转轴垂直于髋臼开口平面，该轴线经过HJC并与髋臼开口方向一致，是臼杯假体植入的参照标志。以髋臼旋转轴为参照标志建立髋臼导板的导航管并赋予其一定的稳定性是本研究导板制作的基础。髋臼方位的决定因素主要包括HJC、前倾角、外展角等。髋臼关节面和股骨头具有相同的几何中心，目前临床应用的臼杯假体多为规则的半球形，髋臼关节面拟合的最适球体与髋臼解剖形态具有几何相似性，据此可以获得HJC。通过建立骨盆的辅助平面，结合三维信息的采集和二维平面的测量能够获得准确的髋臼方位。同时，利用镜像对称原理可以经过计算得到导板侧的髋臼方位，避免了导板侧髋臼变异对测量结果的影响。可以将髋臼开口理解为以HJC为原点，髋臼旋转轴在人体冠状面上向外旋转形成外展角、在矢状面上向前旋转形成前倾角，经过这种复合运动形成了最终朝向外下方的方位。基于几何学和三角函数计算方法得到髋臼旋转轴上的“L”点，可确定髋臼的旋转轴，以其为参照标志进行臼杯假体植入能够实现与髋臼解剖方位相一致。

髋臼Harris窝与髋臼横韧带的关系相对恒定。有学者以髋臼横韧带和Harris窝为标志，或根据髋臼Harris窝内的脂肪组织来确定头臼界限，实现了HJC的有效重建[21-23]。如果患者合并HJC偏移，即便是初次THA，术中也不易定位HJC，导致臼杯假体植入困难。本研究通过Harris窝的解剖标志制定精确的术前规划，利用Harris窝导板辅助术中操作，对需要接受单侧THA的病例实现了HJC的有效重建，其依据是髋臼Harris窝的解剖标志相对恒定，不容易发生变异。对于髋臼病理变化较重的患者，术中通过清除覆盖于Harris窝表面的骨赘，可以“复原”Harris窝和髋臼切迹[24]，将其作为骨性标志并据其确定HJC，进而将髋臼假体安装在理想的位置。另外，髋臼导板具有一定的硬度和与髋臼Harris窝相匹配的外形特征，其表面凸处与Harris窝凹处相崁合，二者形成“反向互补”。导板贴附于Harris窝内无软骨覆盖的范围，避免了软骨或软组织对导板贴附造成的影响，使导板与Harris窝表面紧密贴附，同时凹凸结合面的存在有效限制了导板在Harris窝表面移位，术中操作可获得满意的贴附效果和理想的导航。这也是导板稳定性的依据。

本研究选择髋臼Harris窝作为模板域，完成对髋臼杯假体的导航，为准确定位HJC提供了一种计算机辅助方法，也为缺乏经验的THA初学者提供了一种可供选择的手段，缩短了学习曲线。另外，髋臼Harris窝术中容易暴露，避免关节软骨对导板贴附的影响，导板稳定性可靠，其设计和成型均基于同一组原始CT数据，确保了二者的几何相似性。研究表明，个性化的髋臼导板可操作性强，制作成本低，即便在基层医疗机构或是THA初学者也可轻松实现，为个性化臼杯假体准确植入提供了有效的辅助手段。

本研究也存在局限性和不足之处：从单纯试验研究的角度仅仅参考了相应的骨性标志，而在临床实践中还应综合考虑髋关节骨量及周围软组织情况，才可能将髋臼杯置于理想位置，有效实现关节周围软组织平衡；另外，导板的应用对于复杂病变、双侧THA病例以及髋臼Harris窝增生封闭、髋臼发育不良、髋臼内陷等复杂病例仍然存在一定的局限性；所纳入的样本有限，仅限于尸体标本研究，未来还需要进行大量的临床应用研究和长期随访观察对结果加以证实。