為了便于術中協助醫生確定髓腔銼切削患者股骨腔的導路,本文提出一種組合式探棒結構。首先利用組合式探棒選定髓腔銼切削導路,再利用計算機引導手術醫生沿選定的切削導路切削患者股骨腔。通過對尸體骨行髖關節置換驗證,分析組合式探棒使用組與對照組對股骨髓腔切削的效果及用時,表明本文所提方法可以降低人工髖關節置換手術的難度,進一步提高人工髖關節置換手術的成功率,減少手術并發癥的發生。
引用本文： 馬如宇, 丁華, 顧寄南. 用于選擇髓腔銼切削參考導路的組合式探棒. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(5): 1009-1012. doi: 10.7507/1001-5515.20150179 復制
引言
在人體髖關節置換手術過程中，需要采用髓腔銼去除患者股骨近端部分松質骨以形成一個錐形隧道，用于人工髖關節股骨柄假體的植入。手術過程中髓腔銼去除患者股骨松質骨的定位主要根據術者的經驗。目前臨床上針對一些特殊患者采用定制型人工髖關節股骨柄假體，為防止髓腔銼在擴髓過程中切割患者股骨腔時造成患者醫源性骨折現象，手術中使用的髓腔銼柄部通常較短或為一個無柄型髓腔銼，而植入的定制型股骨柄假體柄部通常較長。如果髓腔銼切削患者股骨隧道不當，在植入股骨柄假體過程中，會出現股骨柄假體與髓腔不匹配而無法植入到位的現象。這時需要利用X線攝片了解股骨柄假體與腔道的位置匹配情況，然后再次擴大髓腔，而重新切削股骨腔將會造成患者股骨腔松質骨的過多丟失，從而導致定制型股骨柄假體與患者股骨腔匹配程度的下降，容易發生術后股骨柄假體的松動，造成患者髖部疼痛。此外，患者需要再次受到X線的輻射，同時手術時間也會增長，不利于患者術后的康復。另外一種情況是標準型股骨柄假體的植入。采用標準型股骨柄假體的髖關節置換手術，股骨柄假體在植入過程中一般不會出現被卡住而無法植入到位的現象，但是，在用髓腔銼切削患者股骨腔的過程中，髓腔銼遠端緊貼股骨腔內壁逐步進入股骨腔，最終完成對股骨腔的切削。由于股骨腔內壁的阻擋，髓腔銼切削阻力較大，髓腔銼遠端對股骨腔內壁的擠壓和撞擊會造成患者(特別是骨質疏松型患者)股骨骨裂現象的發生。此外，患者股骨近端也會受到髓腔銼的擠壓和撞擊，也有可能發生骨裂[1-6]。
為了解決上述問題，研究者提出采用計算機輔助手術導航的方法來引導髓腔銼對患者股骨腔的切削。利用計算機輔助導航方法引導手術醫生對患者股骨腔的切削，首先需要選定一個理想的髓腔銼切削導路。通常根據患者計算機斷層成像(computed tomography,CT)圖像構建出股骨腔模型，然后由此規劃出理想的髓腔銼切削參考導路。手術中再采用圖像配準的方法，找出與規劃的髓腔銼切削導路相一致的實際參考導路。研究表明，采用上述方法完全可以用來確定術中髓腔銼切削的參考導路，這也是目前計算機輔助手術導航中常采用的方法[7-9]。但是采用這種方法進行手術導航時，術前需要花費較長時間從患者股骨腔模型中規劃出髓腔銼切削參考導路，操作較為復雜，而且圖像配準也較難實現。由于人體股骨上骨性標志點不明顯，為了找出與從患者股骨腔模型中規劃出的參考導路相一致的實際參考導路，術前需要固定一些標志點，又由于人體肌肉軟組織術前術中形狀會發生變化，所以這些標志點必須固接在股骨上，就會對患者造成傷害。因此，本文提出一種采用組合式探棒在手術過程中探定髓腔銼切削參考導路的方法。
1 組合式探棒結構
組合式探棒的基本結構主要由頭部、定位滑座、導桿及柄部四部分組成(如圖 1所示)。探棒柄部基本為一個圓棒桿，對于采用觸點式空間定位方法的髓腔銼切削導向設備，在柄部中心線上加工出兩個采樣位點。探棒導桿為一細長桿，導桿與探棒柄部之間可采用螺紋聯接。滑座根據股骨柄假體近端形狀直接定制，或采用冠狀面及矢狀面尺寸可調型滑座(如圖 2所示)。組合式探棒滑座空套在導桿上，滑座與導桿之間采用非圓截面的間隙配合，這樣滑座沿組合式探棒導桿滑動，不會繞導桿轉動。在確定髓腔銼切削參考導路時，滑座主要用來確定組合式探棒在股骨近端的位置。組合式探棒頭部與探棒導桿之間也采用可拆的螺紋聯接，探棒頭部用來在選擇髓腔銼切削導路時遠端定位探棒。組合式探棒的頭部可以像定制型假體那樣，采用定制的方法加工出來，也可以根據股骨柄假體遠端柄部結構尺寸從一系列規格型號中選取。
圖1
組合式探棒結構圖
Figure1.
Structure of combined probe
圖2
可調型滑座結構示意圖
Figure2.
Structure of adjustable slide
2 探棒探找髓腔銼切削參考導路方法
術前首先選用滑座類型，如采用可調式滑座，需根據術前規劃的截骨情況，在滑塊上定位好正、側位定位板后用壓緊螺釘固定。滑座選定后根據股骨柄假體遠端形狀，選用適當的探棒頭部，完成組合式探棒組裝。
術中完成截骨并采用髓腔鉆擴髓以后，首先將組合式探棒插入患者股骨髓腔，將探棒頭部在患者股骨髓腔中定位，以確定髓腔銼切削導路遠端點位。接著將滑座滑動到患者股骨切口位置，通過目視直接判斷滑座在矢狀面與冠狀面上與患者股骨腔內壁的距離，調整探棒插入患者股骨腔的位置和方向(如圖 3所示)。將調整后的探棒中心線作為髓腔銼的切削參考導路。
圖3
髓腔銼切削參考導路選定原理示意圖
Figure3.
Principle of choosing reference canal filing cutting path
3 實驗驗證
為了驗證組合式探棒能否確定合適的髓腔銼切削導路，利用兩根尸體股骨進行了對比試驗。分別為兩根股骨設計定制型股骨柄假體，并在SLA快速成型機上采用光敏樹脂材料加工出這兩個股骨柄假體的樣件，同時用不銹鋼材料加工出相應的髓腔銼。將兩根尸體股骨分別固定在夾具上，在骨科醫生的指導下，截除股骨頭頸部，暴露股骨髓腔以后，遮擋股骨及夾具，使實驗者無法在直視下看到股骨的形狀。一名實驗者將組合式探棒插入股骨髓腔并定位后，用如圖 4所示的髓腔銼切削導航儀樣機采集探棒柄部中心線上兩個采樣點的坐標，確定髓腔銼切削的參考導路。取出探棒，將組合式探棒柄部取下,接到髓腔銼后方,將連接著探棒柄部的髓腔銼放入股骨髓腔,再次利用導航儀樣機采集探棒柄部上的兩個采樣點坐標,確定髓腔銼當前切削導路,實驗者觀察導航儀樣機顯示屏上顯示的髓腔銼當前及參考切削導路，根據當前及參考切削導路在冠狀面及矢狀面上投影的差異情況，調整髓腔銼的切削位置及方向。調整到滿意的切削位置和方向后，該實驗者直接敲擊連接在髓腔銼后方的探棒柄部實現對股骨腔的切削。切削完成以后，植入相應的股骨柄假體樣件。另一位實驗者自行判斷髓腔銼的切削導路，并采用相應的髓腔銼對股骨進行切削，再植入股骨柄假體。
圖4
導航儀樣機
Figure4.
Navigation prototype machine
第一名實驗者順利植入了股骨柄假體，對髓腔銼切削方向位置僅調整了兩次,整個過程用時約10 min。 對植入假體后的股骨拍攝CT圖像，根據采樣點距離相等的原則(如圖 5所示)，利用CT圖像分析股骨近端各截面匹配位置與股骨腔壁之間的間隙，結果顯示股骨柄假體與股骨平均間隙均在1～1.5 mm。此外，股骨柄遠端已與股骨皮質骨相接觸，說明假體遠端已牢牢固定在股骨腔中。上述分析結果表明，植入的股骨柄假體達到了定制型假體在股骨髓腔中的匹配要求，股骨柄假體被較好地植入了股骨髓腔。
圖5
采樣股骨柄假體與股骨腔壁間間隙
Figure5.
Sampling gaps between the hip stem and femoral cavity
第二名實驗者花費了30 min才確定髓腔銼切削路徑，最終植入的股骨柄假體仍然發生了偏斜，假體在植入過程中出現了交鎖，無法完全植入到股骨腔中。
4 分析與討論
人體股骨近端股骨腔基本呈上大下小的喇叭口形狀。手術過程中由于已截去了股骨頭頸部，很容易插入探棒。只要探棒能確定一條適當的髓腔銼切削參考導路，手術導航設備就能引導手術醫生沿這條導路準確銼削患者股骨腔松質骨。
探棒遠端及定位滑座的兩處位置限定，實際上就是找出股骨柄假體遠近端在患者股骨腔中的位置。因此，這時的探棒中心線就構成了髓腔銼切削患者股骨腔的一條理想參考通路，當股骨柄假體植入沿這一導路切削出的股骨腔時，不會出現偏斜交鎖的情況，能夠順利置入，說明這種方法能夠保證定制型假體與患者股骨腔的匹配程度。對于采用標準型股骨柄假體的人工髖關節置換手術，如果采用手術導航方法沿探棒探出的導路去切削患者股骨腔，避免了傳統方法根據患者股骨腔壁的阻力來確定髓腔銼的行進，因而髓腔銼不會對患者髓腔造成擠壓和撞擊，就不會導致醫源性股骨骨折的發生。
在計算機輔助髓腔銼切削導航中,顯示屏上可顯示當前髓腔銼實際切削導路與通過探棒探測出的髓腔銼切削參考導路之間的空間相對位置，用于髓腔銼位置和方向的調整。探測出的髓腔銼切削參考通路是一條空間直線，髓腔銼當前切削導路也是一條空間直線，在顯示屏中直接比較這兩個導路之間的空間相對位置存在一定的困難。在目前初步研究所采用的接觸式髓腔銼切削導航中[10]，我們將參考切削導路與髓腔銼當前實際切削導路分別向矢狀面及冠狀面進行投影，通過觀看屏幕上矢狀面及冠狀面這兩個正交面上兩條導路的投影情況，來了解髓腔銼當前切削導路偏離參考切削導路的情況。手術醫生可根據兩者之間的差異，調整髓腔銼的切削位置和方向，從而做到對患者髓腔的正確切削。
目前，利用組合式探棒選擇髓腔銼切削導路，并用于人體髖關節置換手術中的計算機輔助導航還處于初步研究之中，對比實驗樣本不是很多，但是從兩位實驗者在實驗過程中的表現以及結果可以看出，利用組合式探棒選擇髓腔銼切削導路，在計算機的引導下，將大大提高擴髓通路的準確性。
5 結論
實驗結果與分析表明，采用本文介紹的組合式探棒能夠為手術醫生提供一個理想的髓腔銼切削參考導路。在用髓腔銼切削患者股骨松質骨的過程中，沿著這個切削參考導路進行松質骨的切削，可以避免對患者股骨腔的撞擊和擠壓，切削阻力較小，植入股骨柄假體時也不會出現偏斜而造成假體不能一次性植入到位的問題。這將有助于提高人體髖關節手術的成功率，降低手術的難度，減少醫源性損傷的并發癥，保證手術的順利進行。
引言
在人體髖關節置換手術過程中，需要采用髓腔銼去除患者股骨近端部分松質骨以形成一個錐形隧道，用于人工髖關節股骨柄假體的植入。手術過程中髓腔銼去除患者股骨松質骨的定位主要根據術者的經驗。目前臨床上針對一些特殊患者采用定制型人工髖關節股骨柄假體，為防止髓腔銼在擴髓過程中切割患者股骨腔時造成患者醫源性骨折現象，手術中使用的髓腔銼柄部通常較短或為一個無柄型髓腔銼，而植入的定制型股骨柄假體柄部通常較長。如果髓腔銼切削患者股骨隧道不當，在植入股骨柄假體過程中，會出現股骨柄假體與髓腔不匹配而無法植入到位的現象。這時需要利用X線攝片了解股骨柄假體與腔道的位置匹配情況，然后再次擴大髓腔，而重新切削股骨腔將會造成患者股骨腔松質骨的過多丟失，從而導致定制型股骨柄假體與患者股骨腔匹配程度的下降，容易發生術后股骨柄假體的松動，造成患者髖部疼痛。此外，患者需要再次受到X線的輻射，同時手術時間也會增長，不利于患者術后的康復。另外一種情況是標準型股骨柄假體的植入。采用標準型股骨柄假體的髖關節置換手術，股骨柄假體在植入過程中一般不會出現被卡住而無法植入到位的現象，但是，在用髓腔銼切削患者股骨腔的過程中，髓腔銼遠端緊貼股骨腔內壁逐步進入股骨腔，最終完成對股骨腔的切削。由于股骨腔內壁的阻擋，髓腔銼切削阻力較大，髓腔銼遠端對股骨腔內壁的擠壓和撞擊會造成患者(特別是骨質疏松型患者)股骨骨裂現象的發生。此外，患者股骨近端也會受到髓腔銼的擠壓和撞擊，也有可能發生骨裂[1-6]。
為了解決上述問題，研究者提出采用計算機輔助手術導航的方法來引導髓腔銼對患者股骨腔的切削。利用計算機輔助導航方法引導手術醫生對患者股骨腔的切削，首先需要選定一個理想的髓腔銼切削導路。通常根據患者計算機斷層成像(computed tomography,CT)圖像構建出股骨腔模型，然后由此規劃出理想的髓腔銼切削參考導路。手術中再采用圖像配準的方法，找出與規劃的髓腔銼切削導路相一致的實際參考導路。研究表明，采用上述方法完全可以用來確定術中髓腔銼切削的參考導路，這也是目前計算機輔助手術導航中常采用的方法[7-9]。但是采用這種方法進行手術導航時，術前需要花費較長時間從患者股骨腔模型中規劃出髓腔銼切削參考導路，操作較為復雜，而且圖像配準也較難實現。由于人體股骨上骨性標志點不明顯，為了找出與從患者股骨腔模型中規劃出的參考導路相一致的實際參考導路，術前需要固定一些標志點，又由于人體肌肉軟組織術前術中形狀會發生變化，所以這些標志點必須固接在股骨上，就會對患者造成傷害。因此，本文提出一種采用組合式探棒在手術過程中探定髓腔銼切削參考導路的方法。
1 組合式探棒結構
組合式探棒的基本結構主要由頭部、定位滑座、導桿及柄部四部分組成(如圖 1所示)。探棒柄部基本為一個圓棒桿，對于采用觸點式空間定位方法的髓腔銼切削導向設備，在柄部中心線上加工出兩個采樣位點。探棒導桿為一細長桿，導桿與探棒柄部之間可采用螺紋聯接。滑座根據股骨柄假體近端形狀直接定制，或采用冠狀面及矢狀面尺寸可調型滑座(如圖 2所示)。組合式探棒滑座空套在導桿上，滑座與導桿之間采用非圓截面的間隙配合，這樣滑座沿組合式探棒導桿滑動，不會繞導桿轉動。在確定髓腔銼切削參考導路時，滑座主要用來確定組合式探棒在股骨近端的位置。組合式探棒頭部與探棒導桿之間也采用可拆的螺紋聯接，探棒頭部用來在選擇髓腔銼切削導路時遠端定位探棒。組合式探棒的頭部可以像定制型假體那樣，采用定制的方法加工出來，也可以根據股骨柄假體遠端柄部結構尺寸從一系列規格型號中選取。
圖1
組合式探棒結構圖
Figure1.
Structure of combined probe
圖2
可調型滑座結構示意圖
Figure2.
Structure of adjustable slide
2 探棒探找髓腔銼切削參考導路方法
術前首先選用滑座類型，如采用可調式滑座，需根據術前規劃的截骨情況，在滑塊上定位好正、側位定位板后用壓緊螺釘固定。滑座選定后根據股骨柄假體遠端形狀，選用適當的探棒頭部，完成組合式探棒組裝。
術中完成截骨并采用髓腔鉆擴髓以后，首先將組合式探棒插入患者股骨髓腔，將探棒頭部在患者股骨髓腔中定位，以確定髓腔銼切削導路遠端點位。接著將滑座滑動到患者股骨切口位置，通過目視直接判斷滑座在矢狀面與冠狀面上與患者股骨腔內壁的距離，調整探棒插入患者股骨腔的位置和方向(如圖 3所示)。將調整后的探棒中心線作為髓腔銼的切削參考導路。
圖3
髓腔銼切削參考導路選定原理示意圖
Figure3.
Principle of choosing reference canal filing cutting path
3 實驗驗證
為了驗證組合式探棒能否確定合適的髓腔銼切削導路，利用兩根尸體股骨進行了對比試驗。分別為兩根股骨設計定制型股骨柄假體，并在SLA快速成型機上采用光敏樹脂材料加工出這兩個股骨柄假體的樣件，同時用不銹鋼材料加工出相應的髓腔銼。將兩根尸體股骨分別固定在夾具上，在骨科醫生的指導下，截除股骨頭頸部，暴露股骨髓腔以后，遮擋股骨及夾具，使實驗者無法在直視下看到股骨的形狀。一名實驗者將組合式探棒插入股骨髓腔并定位后，用如圖 4所示的髓腔銼切削導航儀樣機采集探棒柄部中心線上兩個采樣點的坐標，確定髓腔銼切削的參考導路。取出探棒，將組合式探棒柄部取下,接到髓腔銼后方,將連接著探棒柄部的髓腔銼放入股骨髓腔,再次利用導航儀樣機采集探棒柄部上的兩個采樣點坐標,確定髓腔銼當前切削導路,實驗者觀察導航儀樣機顯示屏上顯示的髓腔銼當前及參考切削導路，根據當前及參考切削導路在冠狀面及矢狀面上投影的差異情況，調整髓腔銼的切削位置及方向。調整到滿意的切削位置和方向后，該實驗者直接敲擊連接在髓腔銼后方的探棒柄部實現對股骨腔的切削。切削完成以后，植入相應的股骨柄假體樣件。另一位實驗者自行判斷髓腔銼的切削導路，并采用相應的髓腔銼對股骨進行切削，再植入股骨柄假體。
圖4
導航儀樣機
Figure4.
Navigation prototype machine
第一名實驗者順利植入了股骨柄假體，對髓腔銼切削方向位置僅調整了兩次,整個過程用時約10 min。 對植入假體后的股骨拍攝CT圖像，根據采樣點距離相等的原則(如圖 5所示)，利用CT圖像分析股骨近端各截面匹配位置與股骨腔壁之間的間隙，結果顯示股骨柄假體與股骨平均間隙均在1～1.5 mm。此外，股骨柄遠端已與股骨皮質骨相接觸，說明假體遠端已牢牢固定在股骨腔中。上述分析結果表明，植入的股骨柄假體達到了定制型假體在股骨髓腔中的匹配要求，股骨柄假體被較好地植入了股骨髓腔。
圖5
采樣股骨柄假體與股骨腔壁間間隙
Figure5.
Sampling gaps between the hip stem and femoral cavity
第二名實驗者花費了30 min才確定髓腔銼切削路徑，最終植入的股骨柄假體仍然發生了偏斜，假體在植入過程中出現了交鎖，無法完全植入到股骨腔中。
4 分析與討論
人體股骨近端股骨腔基本呈上大下小的喇叭口形狀。手術過程中由于已截去了股骨頭頸部，很容易插入探棒。只要探棒能確定一條適當的髓腔銼切削參考導路，手術導航設備就能引導手術醫生沿這條導路準確銼削患者股骨腔松質骨。
探棒遠端及定位滑座的兩處位置限定，實際上就是找出股骨柄假體遠近端在患者股骨腔中的位置。因此，這時的探棒中心線就構成了髓腔銼切削患者股骨腔的一條理想參考通路，當股骨柄假體植入沿這一導路切削出的股骨腔時，不會出現偏斜交鎖的情況，能夠順利置入，說明這種方法能夠保證定制型假體與患者股骨腔的匹配程度。對于采用標準型股骨柄假體的人工髖關節置換手術，如果采用手術導航方法沿探棒探出的導路去切削患者股骨腔，避免了傳統方法根據患者股骨腔壁的阻力來確定髓腔銼的行進，因而髓腔銼不會對患者髓腔造成擠壓和撞擊，就不會導致醫源性股骨骨折的發生。
在計算機輔助髓腔銼切削導航中,顯示屏上可顯示當前髓腔銼實際切削導路與通過探棒探測出的髓腔銼切削參考導路之間的空間相對位置，用于髓腔銼位置和方向的調整。探測出的髓腔銼切削參考通路是一條空間直線，髓腔銼當前切削導路也是一條空間直線，在顯示屏中直接比較這兩個導路之間的空間相對位置存在一定的困難。在目前初步研究所采用的接觸式髓腔銼切削導航中[10]，我們將參考切削導路與髓腔銼當前實際切削導路分別向矢狀面及冠狀面進行投影，通過觀看屏幕上矢狀面及冠狀面這兩個正交面上兩條導路的投影情況，來了解髓腔銼當前切削導路偏離參考切削導路的情況。手術醫生可根據兩者之間的差異，調整髓腔銼的切削位置和方向，從而做到對患者髓腔的正確切削。
目前，利用組合式探棒選擇髓腔銼切削導路，并用于人體髖關節置換手術中的計算機輔助導航還處于初步研究之中，對比實驗樣本不是很多，但是從兩位實驗者在實驗過程中的表現以及結果可以看出，利用組合式探棒選擇髓腔銼切削導路，在計算機的引導下，將大大提高擴髓通路的準確性。
5 結論
實驗結果與分析表明，采用本文介紹的組合式探棒能夠為手術醫生提供一個理想的髓腔銼切削參考導路。在用髓腔銼切削患者股骨松質骨的過程中，沿著這個切削參考導路進行松質骨的切削，可以避免對患者股骨腔的撞擊和擠壓，切削阻力較小，植入股骨柄假體時也不會出現偏斜而造成假體不能一次性植入到位的問題。這將有助于提高人體髖關節手術的成功率，降低手術的難度，減少醫源性損傷的并發癥，保證手術的順利進行。
