初次全髋关节置换术前数字虚拟手术的意义△

吴健，江建平，冯孝志，张昌奕，焦庆丰，丁文斌

（铜陵市立医院骨科，安徽铜陵 244000）

全髋关节置换术（total hip arthroplasty,THA）治疗老年股骨颈骨折、髋关节骨性关节炎及股骨头坏死，可有效改善患者功能，早期下地，减少卧床并发症。目前研究认为THA 的术后使用年限为10～15年，由于安置位置不佳、机械性磨损、感染等因素影响其使用寿命［1］，进而引起假体脱位、松动、撞击，需要进一步翻修治疗，其中手术安置准确性对术者要求较高［2］。三维CT 结合人工数字化模拟，可快速准确识别解剖标记点，制定所需假体型号，以此来提高术前规划准确性和减少手术并发症。笔者选取安徽铜陵市立医院2017 年8 月—2021 年6 月60 例行全髋关节初次置换手术的患者，术前三维CT 结合计算机辅助模拟技术，设定术前相关安置参数，并模拟术后髋关节活动度，指导手术中假体的选择及安置角度，对其准确性及可行性进行总结分析。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

纳入标准：（1）初次单侧全髋关节置换者，患侧髋臼与股骨髓腔的形态与正常侧形态基本相同，包括股骨头缺血坏死III、IV 期，髋关节骨性关节炎，股骨颈骨折需行关节置换者；（2）获得至少12 个月有效随访者。

排除标准：（1）骨盆旋转倾斜、二次关节翻修、对侧髋关节已行内固定、发育异常或已行关节置换手术、下肢力线不正常内外翻畸形患者；（2）基础疾病多，不耐受手术者；（3）随访丢失的患者。

1.2 一般资料

回顾性分析2017 年8 月—2021 年6 月在本科行全髋关节初次置换手术的患者的临床资料。共60 例符合上述标准，纳入本研究。依据医患沟通结果，30 例采用术前虚拟THA，30 例采用常规THA。两组患者术前一般资料见表1，两组年龄、性别、BMI、初次手术时间、侧别、病因的差异均无统计学意义（P＞0.05），本研究获得医院伦理委员会批准，所有患者均知情同意。

表1 两组患者治疗期资料比较

1.3 手术方法

虚拟组：术前X 线片和CT 三维重建检查（图1a），在冠状面、矢状面测量健侧髋臼前倾角、外展角等参数（图1b），同时记录股骨颈小转子截骨点与股骨头旋转中心距离，大转子顶点与股骨头旋转中心距离的数值［3］。将CT 薄层图像参数传输至工作站（Extend Brilliance TM Workspace, PHILPS）处理，得到骨盆髋关节的完整三维模型；根据术前影像学测量假体的臼杯直径、内衬直径、股骨头及股骨柄大小型号进行三维扫描，得到STL 数据，应用Mimics 医学数据处理软件进行导入数据，并以此软件进行手术模拟（图1c,1d）［4］。采用改良的髋关节后外侧Gibson入路［5］，长8～10 cm，逐层切开分离，显露股骨头、股骨颈及髋臼缘。依据术前Mimics 软件模拟的假体柄大小型号及规划的股骨颈截骨线进行截骨，取出股骨头及截骨块。依据术前Mimics 软件模拟的髋臼杯假体大小型号、臼杯位置及模拟的髋臼前倾角，外翻角进行打磨，先用小号锉挫出臼底。再根据术前计算机辅助设计拟定的臼杯型号直接用同型号髋臼锉控制好深度和方向磨挫至软骨下骨，按术前规划角度压配方式安装臼杯及髋臼内衬，按照术前设计股骨侧的前倾角，从小到大用髓腔锉挫磨至术前模拟的假体柄大小型号，维持上述前倾角度安装拟定型号的假体柄。复位髋关节。逐层闭合切口。

常规组：行髋外侧切口，显露髋关节，保留股骨距约1.2 cm 行股骨颈截骨。显露髋臼，以前倾15°～20°，外翻40°～45°从逐级增加髋臼锉型号磨挫髋臼，打入合适的髋臼杯和内衬。股骨髓腔扩髓挫磨后放入股骨假体，复位髋关节。逐层闭合切口。

1.4 评价指标

记录围手术期资料。采用Harris 评分、VAS 视觉评分、髋屈-伸活动度（range of motion, ROM）评价临床效果［6］。行影像检查，记录髋臼假体外翻角、前倾角，髋臼旋转中心（hip center of rotation,HCOR）纵横差距值，肢体长度差（leg length discrepancy,LLD），股骨柄假体位置准确数量。

1.5 统计学方法

采用SPSS 15.0 软件进行数据统计分析，计量数据以±s表示，资料呈正态分布时，两组间比较采用独立样本t检验，组内时间点比较采用单因素方差分析；资料呈非正态分布时，采用秩和检验。计数资料采用x2检验或Fisher精确检验。等级资料两组比较采用Mann-whitney U检验，组内比较采用多个相关资料的Friedman检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 围手术期资料

两组患者均顺利完成手术，术中无神经、血管损伤等严重并发症。两组围手术期资料见表2。虚拟组手术时间、术中失血量及下地行走时间均显著优于常规组（P＜0.05 )，两组切口长度、切口愈合情况及住院时间的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表2 两组患者围手术期资料与比较

2.2 随访结果

两组随访时间12～17 个月，平均（14.2±3.6）个月。随访期间内无死亡及随访丢失，随访周期内未见假体松动、软组织感染，虚拟组1 例患者出院后家中跌倒造成假体周围骨折，股骨柄假体切割致股骨干骨折，再次入院内固定治疗，常规组1 例患者出院后出现关节脱位，予以入院手法复位，随访未再次脱位。

两组随访结果见表3，虚拟组完全负重活动时间显著早于常规组（P＜0.05）。与术后1 个月相比，术后6 个月及末次随访时，两组Harris 评分、髋关节伸屈ROM 均显著增加（P＜0.05），而VAS评分显著减少（P＜0.05）。术后1、6 个月及末次随访虚拟组Harris 评分、伸屈ROM 和VAS 评分均优于常规组，除术后1 个月两组间ROM 和末次随访时VAS 评分差异无统计学意义（P＜0.05），其他时间点两组间各指标差异均有统计学意义（P＜0.05）。

表3 两组患者随访结果（±s）与比较

表3 两组患者随访结果（±s）与比较

指标完全负重活动时间(周)Harris 评分(分)时间点P 值0.015＜0.001 0.023 0.017伸屈ROM(°)0.137 0.017＜0.001 VAS 评分(分)术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值术后1 个月术后6 个月末次随访P 值虚拟组（n=30）10.3±2.2 72.3±11.2 84.2±8.3 93.2±10.9＜0.001 55.4±10.6 70.4±13.6 84.5±11.2＜0.001 4.2±1.2 2.2±1.2 0.8±0.2＜0.001常规组（n=30）14.2±4.2 50.5±11.6 76.6±7.2 81.2±8.5＜0.001 49.2±8.5 58.3±9.6 71.6±11.4＜0.001 6.1±1.5 3.5±2.4 1.3±0.3＜0.001 0.024 0.023 0.125

2.3 影像评估

两组影像测量结果见表4，虚拟组术后髋臼假体前倾角、外翻角均显著优于常规组（P＜0.05）。与术前相比，两组术后纵向及横向HCOR 和LLD 均显著改善（P＜0.05）。两组术前纵向及横向HCOR 和LLD的差异均无统计学意义（P＞0.05），术后虚拟组纵向及横向HCOR 均显著优于常规组（P＜0.05），但LLD的差异无统计学意义（P＞0.05）。虚拟组股骨柄假体安置居中及大小匹配情况显著优于常规组（P＜0.05）。虚拟组术后影像见图1e,1f。

图1 患者，男，64 岁，右股骨头无菌性坏死，术前虚拟THA。1a: 术前X 线片示右股骨头坏死，软骨下骨增生硬化，股骨头塌陷变扁，关节间隙狭窄；1b: 术前冠状位模拟测量假体匹配型号、磨锉深度；1c: 三维CT 数据模拟股骨柄假体型号；1d: 术前虚拟规划髋臼假体外展及前倾角；1e: 按术前虚拟设计选定合适各假体组件，进行THA 操作，术后1 周复查正位X线片示髋臼深度及股骨柄大小良好，外展及前倾角度满意；1f: 术后侧位X 线片示股骨柄居中，大小合适。

表4 两组患者影像评估结果与比较

3 讨 论

单纯X 线片及常规CT 误差存在以下几个原因：（1）X 线片对于髋臼壁的磨挫深度无法准确预估；（2）X 线片的放大倍数误差，比例标尺不准确［7］；（3）投射角度引起髓腔直径、小转子位置等，无法准确判断假体型号、截骨高度；（4）单纯CT 平扫或三维重建不能准确预估假体型号，以及假体匹配后的安置效果。

在全髋关节置换手术中，强调髋臼的外展和前倾角的准确性，主要是因其二者决定髋臼对股骨头的覆盖程度［8］。外展角为两侧泪滴连线与髋臼长轴的夹角，外展大则对股骨头覆盖范围减少，影响关节的稳定性，同时也增加脱位的风险，造成假体磨损、松动等情况，而外展角过小，在相同的前倾角条件下造成髋关节外展和前屈的力臂减少，外展和前屈活动范围受限。单纯采用X 片或者CT 二维平扫进行术前规划测量，因放大倍数或投射角度差异，术前预估的假体匹配以及术前规划常不准确，导致术中反复操作、手术时间延长或手术效果不理想，后期存在并发症等情况。

前倾角反应髋臼前倾的程度，影响髋关节屈曲时的稳定性和股骨头屈曲后方覆盖情况，比如前方入路时前倾角过大可造成前脱位风险增加，但前倾也受骨盆倾斜角度影响。Archbold 等［9］研究术中可利用髋臼横韧带作为解剖标记和参考点，进行髋臼定位磨臼，但Epstein［10］认为约有53%的髋臼横韧带发生了变异或难以被识别，认为以髋臼横韧带作为参考标记有一定局限性。目前对于髋臼外展及前倾角的安全范围研究并不一致，既往研究的出髋臼安全范围为前倾5°～25°，外展角30°～50°，此范围内假体脱位率1.6%左右。但Hevesi［11］分析8 081 例全髋关节置换患者手术认为最理想的安全区为前倾18°～38°，外展27°～47°，比预期更大的前倾角可以降低脱位风险。此外，手术入路和患者性别都对安全区范围有明确影响。Tezuka［12］认为预测臼杯角度位于功能安全区之外的因素是股骨活动度，而不能单纯依赖臼杯的外展角和前倾角。通过改变头部尺寸为36 mm，能显著降低脱位，当使用大头时，能降低安全范围髋臼定位错误所导致的脱位率［13］。

考虑患者个体差异，通过IntelliSpace Portal 的三维建模应用程序进行运动单元分析［14］，结合健侧髋臼指数评价，分析出全髋关节置换术后的假体发生脱位的最小活动范围和关节撞击的最大活动角度。髋臼外展角增大可使得屈伸及内旋范围加大，外旋改变不明显，前倾角增大对屈曲活动影响较大，同时也会引起外旋及伸直范围减少［15］。但髋臼外展角超过55°或前倾角超过22°时，置换后的髋假体与骨性撞击的情况明显突出［16］，术前作者根据健侧模拟出患者的假体三维模拟图像，计算髋关节的相关参数，假体大小规格型号，以此为依据制定手术方案。术中以髋臼切迹为标记点，提前在髋臼上打入定位针，以此来大致确认髋臼的前倾角及外展角度，参照术前计算机模拟参数，调整假体的外展及前倾角度［17］。

本研究显示，虚拟组的患者手术时间、出血量及下地行走时间均优于常规组，认为与正确的手术规划有关，减少术中不必要的反复操作，缩短手术创伤，并且术后虚拟组的前倾角、外翻角、股骨柄的假体匹配程度、HCOR、LLD 优于常规组，后期虚拟组患者可以早期下地，并且髋关节功能评分也得到改善，这与术前良好的髋臼磨挫深度范围、髋臼和假体型号选择的正确制定有直接关系。

Fujita［18］报告7 mm 可能是一个合理的双下肢不等长阈值，控制双下肢长度差在阈值范围以内可以减少患者不适感。下肢不等长在1～2 cm 通过骨盆代偿肌张力改变临床症状可能不明显，但超过2 cm 则出现跛行髋部疼痛感，下肢不等长跛行容易导致股骨头髋臼负重点内外偏倚，与新发的下腰疼痛有一定关系［19，20］。股骨头旋转中心上下及内外偏倚均对髋关节活动范围及双侧下肢力线有影响，造成下肢不等长及跛行等情况，旋转中心上移同时也会出现髋关节外展及外旋肌群无力［21，22］，而旋转中心下移则导致肌肉软组织张力增加，髋关节活动不适感，最重要的是旋转中心下移在术中假体安置容易出现假体头臼松动二次脱位的情况［24，25］。

本研究运用三维髋关节模型，预判髋臼假体型号，模拟计算术后假体置换的图像，分析髋臼的活动范围及下肢不等长情况，对减少术中频繁手术操作、降低手术创伤有积极的作用。术前全面分析患者髋关节外展角、前倾角、双侧旋转中心的位置是否偏倚或发育异常，为假体的合适安放与匹配提供良好的术前模拟规划，提高假体适用感和髋关节功能，为THA精准和微创操作提供了数字化基础。