引用本文： 何金鵬, 郝運, 王小林, 邵景范, 楊小進, 郭風勁, 馮杰雄. 數字化模板聯合骨性參數測量輔助髖關節假體型號選擇的研究. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(6): 688-692. doi: 10.7507/1002-1892.20150149 復制
人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）作為治療終末期髖關節疾病的有效方法，已在臨床廣泛應用。選擇合適的假體型號是置換術前計劃重要環節[1-5]，既往主要依靠醫師經驗及髖關節X線片選擇，缺乏客觀的選擇依據，存在假體不匹配問題，造成術中假體植入困難、假體植入時發生股骨皮質骨折、假體固定不牢固等，以及術后雙下肢不等長、髖關節不穩定、假體下沉或松動，最終導致手術失敗。
隨著計算機輔助技術的發展，在術前初步評估患者髖臼及股骨形態學特征，準確選擇人工關節假體成為可能[6-13]。在股骨髓腔形態學研究基礎上[8]，我們提出將股骨髓腔內徑和髖臼直徑作為股骨和髖臼的骨性參數，術前通過測量這兩個骨性參數，在計算機輔助下聯合數字化模板選擇合適假體型號，并制定術前計劃。并于2012年9月－2013年 6月，將該方法用于13例擬行THA治療的患者。現回顧患者臨床資料，比較術前計劃與術中、術后實際情況符合程度，結合手術前后Harris評分、手術時間、術中輸血及術后雙下肢動靜脈血栓發生情況，探討數字化模板聯合骨性參數測量用于THA術前設計的可行性及有效性。
1 臨床資料
1.1 一般資料
患者納入標準：① 無明顯骨盆畸形；② 無膝、踝關節嚴重病變導致的內、外翻畸形；③ 術后隨訪12個月以上；④ 術前均在我院行帶標尺的雙下肢全長X線片檢查。排除標準：① 行雙側THA者；② 合并嚴重基礎疾病患者。共13例患者符合選擇標準，納入研究。本研究通過華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院倫理委員會批準，患者均知情同意。
本組男4例，女9例；年齡41～79歲，平均54.08歲。左髖8例，右髖5例。股骨頭缺血性壞死8例，均為ARCOⅣ期；病程4個月～20年，平均6.6年。股骨頸骨折5例，其中伴股骨頭缺血性壞死3例；骨折分型：GardenⅢ型2例，Ⅳ型3例；病程1 d～ 1 年，平均0.4年。術前股骨頸骨折患者均臥床，不能行走；股骨頭缺血性壞死患者存在患髖疼痛，關節活動受限，嚴重跛行，患肢下蹲功能障礙。其中2例股骨頸骨折及2例股骨頭缺血性壞死患者行骨密度檢測，其中1例骨密度基本正常，1例重度骨質疏松，2 例輕度骨質疏松。
1.2 術前設計
患者于術前1周內攝骨盆正位X線片，取仰臥中立位，雙側膝關節髕骨及腳尖朝上。于患者兩大腿間近端放置專用X線標尺，用以校正不同X線球管投照距離時的放大率。對髖、膝關節活動受限或擺放上述中立位困難者，為驗證擺放位置滿意程度，以1元硬幣作為放大率校正標志，用醫用布膠帶黏貼硬幣于患者大轉子體表投影處，同時盡量將骨盆及股骨近端保持在接近垂直投照的體位。術前設計時，于骨盆正位片測量硬幣最長徑后，按照硬幣實際測量直徑進行圖像放大率校正和檢驗X線標尺校正的準確性。
攝片后將獲得的數據以Dicom格式導入e-PACS 2000醫生工作站軟件（珠海友通科技有限公司），根據標尺刻度校正X線球管放大率后進行圖像分析。測量髖臼上唇至髖臼淚滴的距離（即髖臼直徑）、股骨中上段骨髓腔最窄處內徑（即股骨髓腔內徑）。選擇與髖臼直徑相等或相差1號以內的尺寸為髖臼杯假體型號，與股骨髓腔內徑相等或相差1號以內的尺寸為股骨柄假體型號。在軟件中先利用模板引導確定股骨中心線，然后從已有模板中選擇人工關節假體數字化模板，調整模板位置。如模板大小不合適，可上下調整模板型號，直至假體與患者股骨髓腔、髖臼匹配良好，最終確定假體型號。
1.3 手術方法
于骶管阻滯麻醉下，患者取側臥位手術。取后外側入路，以大轉子后緣為中心，作長約10 cm切口，充分顯露髖臼及股骨頭，截斷股骨頸后取出股骨頭。首先處理髖臼側，清理軟組織并髖臼銼打磨，植入髖臼杯假體，透視位置滿意后完成壓配和內襯植入。然后處理股骨側，開槽后擴大股骨髓腔，植入股骨柄假體，完成壓配后安放人工股骨頭，復位髖關節，檢查髖關節屈伸旋轉活動時的包容性滿意，沖洗術野、止血，留置引流，關閉切口。
1.4 評價指標
記錄手術時間、輸血情況，以及術中有無假體周圍骨折、術后有無下肢動靜脈血栓形成；術前測量的骨性參數（髖臼直徑、股骨髓腔內徑）結果以及據此選擇的假體型號，并與術中實際選擇的假體型號進行比較并分級。分級標準[14]：優，術前選擇型號與實際型號完全一致；良，相差1號；差，相差2號及以上。其中股骨假體相差1號為1 mm，髖臼假體相差1號為2 mm。術后X線片復查假體位置及有無松動、下沉等。采用Harris評分評價髖關節功能。
1.5 統計學方法
采用SPSS統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，股骨頭缺血性壞死患者手術前后Harris評分比較采用t檢驗；檢驗水準取雙側α=0.05。
2 結果
2.1 臨床療效
本組手術時間140～254 min，平均191.8 min。術中2例輸血，分別輸注濃縮紅細胞400、500 mL； 6例使用血漿代用品補充血容量。術中假體植入時無股骨或髖臼周圍骨折。術后無下肢靜脈血栓形成；2例下肢動脈斑塊形成，經抗凝治療，未形成血栓栓 塞。
患者均獲隨訪，隨訪時間12～24個月，平均17.3個月。術后3個月，患者能完成日常活動，患肢下蹲功能顯著改善。股骨頭缺血性壞死患者Har ris評分從術前（54.0±12.9）分提高至術后3個月的（91.1±4.1）分，比較差異有統計學意義（t=7.259，P=0.000）。術后3個月股骨頸骨折患者Har ris評分為（92.5±2.1）分。X線片復查隨訪期間未見假體松動、下沉等。見圖 1。
圖1
患者，女，61歲，左側股骨頭缺血性壞死行THA ? 術前正位X線片 ? 術前側位X線片 ? 術前測量示意圖 ? 術后1周正位X線片 ? 術后8個月正位X線片 ? 術后18個月正位X線片
Figure1.
A 61-year-old female patient with osteonecrosis of the left femoral head who underwent THA ? Preoperative anteroposterior X-ray film ? Preoperative lateral X-ray film ? Preoperative measurement ? Anteroposterior X-ray film at 1 week after operation ? Anteroposterior X-ray film at 8 months after operation ? Anteroposterior X-ray film at 18 months after operation
2.2 術前計劃有效性分析
13例患者術前骨性參數測量結果及術前、術中假體型號選擇結果詳見表 1。術前測量股骨髓腔內徑為（12.34±1.53）mm、髖臼直徑為（52.92±1.78） mm。其中，12例（92.31%）股骨假體型號誤差在1 mm以內，11例（84.62%）髖臼假體型號誤差在2 mm以內。術前假體選擇型號與實際型號比較，股骨假體獲優9 例，良3例，差1例，優良率92.31%；髖臼假體獲優7例，良4例，差2例，優良率84.62%。
表1
患者術前測量、術前計劃與術中植入假體型號比較（mm）
Table1.
Comparison of preoperative measurement and plan and actual implant size（mm）
3 討論
假體安放不良是THA術后發生脫位、關節活動受限、假體撞擊、髖臼杯移位、聚乙烯磨損以及骨質溶解的重要因素[2-5]，影響假體準確安放的因素已成為研究熱點問題。全面、精細的術前計劃有助于術中快速選擇匹配良好的假體，縮短手術時間、減少術中出血等[11]。目前國內假體置換術前計劃主要采用膠片模板匹配比較法，由于X線片放大率不統一，常導致股骨髓腔內徑測量和假體型號選擇存在一定誤差，據報道其準確率在30.9%～50.0%之間[12-13, 15-16]。而通過計算機輔助技術可以修正X線放大率，在影像工作站中借助數字化模板來制定術前計劃，大大提高了準確性[17-20]。此外，有研究通過引入金屬球作為參考校正X線片放大率，也能提高術前計劃準確性[6, 18, 21]。
本研究中我們選擇X線標尺（特制顯影鋼尺）校正放大率，以準確測量骨性參數；并在計算機上使用數字化模板模擬置換手術，充分評估假體與患者股骨髓腔匹配性，并據此選擇匹配程度最佳的假體型號，進而制定最佳術前計劃。本組13例患者中，12例（92.31%）股骨假體型號誤差在1 mm以內，11例（84.62%）髖臼假體型號誤差在2 mm以內。表明由于X線投照距離不恒定，使用預置參照物（特制顯影鋼尺）校正X線球管放大率，輔以計算機輔助測量技術（e-PAC 影像工作站），可以提高術前測量以及選擇假體型號的準確性。我們還發現，術前在準確測量髖關節骨性參數基礎上，可以預估髖臼銼和股骨髓腔擴大器最大尺寸，幫助術者更好的把握術中磨銼髖臼和擴髓程度，從而避免假體周圍骨量不必要丟失，也有助于增加假體與骨骼壓配，保證假體牢固固定。
此外，本組1例患者術前測量股骨髓腔內徑僅8.8 mm，顯著小于其他患者。如按照傳統X線片測量方法，此例患者股骨髓腔內徑測量困難。而通過術前應用鋼尺校正X線放大率，并聯合e-PAC影像工作站系統，可精確測量股骨髓腔內徑，并根據測量結果預備了7～9號股骨柄假體，手術順利實施。
但通過術前測量髖關節骨性參數，并輔以計算機技術模擬術前計劃，選擇假體類型及型號的方法也存在一定局限性：① X線片為二維圖像，不能體現髖關節三維結構特點；② 患者檢查時中立位體位不易維持，對投照角度有影響，進而影響了測量準確性。除以上問題外，THA還需考慮如軟組織張力、神經受牽拉程度等的影響。此外，該技術廣泛用于臨床尚存在以下問題有待深入研究：① 醫學影像圖像的準確性，如何評價圖像放大率并更精確的校正圖像；② 檢查方法、患者體位、圖像標準的統一，統一恰當的檢查體位能夠為進一步評價預測方法的準確性奠定基礎；③ 數字化技術的提高，如何通過提高數字化軟件和改進硬件設施，達到術前計劃的優化并提高準確性；④ 術前計劃與手術操作之間的模擬訓練，手術計劃需要外科醫師將其在患者身上再現，進而達到提高手術效果的終極目標，這一過程需要探索相適應的模擬訓練方法；⑤ 針對不同的患者制定術前計劃，如何提高個體化的準確性有待深入研究。目前已有研究開始使用CT三維重建圖像制定術前計劃，初步研究表明其假體預測準確性較好[22-24]，計算機技術在關節置換領域顯示出良好的應用前景，有望通過三維重建技術設計個體化的假體。
人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）作為治療終末期髖關節疾病的有效方法，已在臨床廣泛應用。選擇合適的假體型號是置換術前計劃重要環節[1-5]，既往主要依靠醫師經驗及髖關節X線片選擇，缺乏客觀的選擇依據，存在假體不匹配問題，造成術中假體植入困難、假體植入時發生股骨皮質骨折、假體固定不牢固等，以及術后雙下肢不等長、髖關節不穩定、假體下沉或松動，最終導致手術失敗。
隨著計算機輔助技術的發展，在術前初步評估患者髖臼及股骨形態學特征，準確選擇人工關節假體成為可能[6-13]。在股骨髓腔形態學研究基礎上[8]，我們提出將股骨髓腔內徑和髖臼直徑作為股骨和髖臼的骨性參數，術前通過測量這兩個骨性參數，在計算機輔助下聯合數字化模板選擇合適假體型號，并制定術前計劃。并于2012年9月－2013年 6月，將該方法用于13例擬行THA治療的患者。現回顧患者臨床資料，比較術前計劃與術中、術后實際情況符合程度，結合手術前后Harris評分、手術時間、術中輸血及術后雙下肢動靜脈血栓發生情況，探討數字化模板聯合骨性參數測量用于THA術前設計的可行性及有效性。
1 臨床資料
1.1 一般資料
患者納入標準：① 無明顯骨盆畸形；② 無膝、踝關節嚴重病變導致的內、外翻畸形；③ 術后隨訪12個月以上；④ 術前均在我院行帶標尺的雙下肢全長X線片檢查。排除標準：① 行雙側THA者；② 合并嚴重基礎疾病患者。共13例患者符合選擇標準，納入研究。本研究通過華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院倫理委員會批準，患者均知情同意。
本組男4例，女9例；年齡41～79歲，平均54.08歲。左髖8例，右髖5例。股骨頭缺血性壞死8例，均為ARCOⅣ期；病程4個月～20年，平均6.6年。股骨頸骨折5例，其中伴股骨頭缺血性壞死3例；骨折分型：GardenⅢ型2例，Ⅳ型3例；病程1 d～ 1 年，平均0.4年。術前股骨頸骨折患者均臥床，不能行走；股骨頭缺血性壞死患者存在患髖疼痛，關節活動受限，嚴重跛行，患肢下蹲功能障礙。其中2例股骨頸骨折及2例股骨頭缺血性壞死患者行骨密度檢測，其中1例骨密度基本正常，1例重度骨質疏松，2 例輕度骨質疏松。
1.2 術前設計
患者于術前1周內攝骨盆正位X線片，取仰臥中立位，雙側膝關節髕骨及腳尖朝上。于患者兩大腿間近端放置專用X線標尺，用以校正不同X線球管投照距離時的放大率。對髖、膝關節活動受限或擺放上述中立位困難者，為驗證擺放位置滿意程度，以1元硬幣作為放大率校正標志，用醫用布膠帶黏貼硬幣于患者大轉子體表投影處，同時盡量將骨盆及股骨近端保持在接近垂直投照的體位。術前設計時，于骨盆正位片測量硬幣最長徑后，按照硬幣實際測量直徑進行圖像放大率校正和檢驗X線標尺校正的準確性。
攝片后將獲得的數據以Dicom格式導入e-PACS 2000醫生工作站軟件（珠海友通科技有限公司），根據標尺刻度校正X線球管放大率后進行圖像分析。測量髖臼上唇至髖臼淚滴的距離（即髖臼直徑）、股骨中上段骨髓腔最窄處內徑（即股骨髓腔內徑）。選擇與髖臼直徑相等或相差1號以內的尺寸為髖臼杯假體型號，與股骨髓腔內徑相等或相差1號以內的尺寸為股骨柄假體型號。在軟件中先利用模板引導確定股骨中心線，然后從已有模板中選擇人工關節假體數字化模板，調整模板位置。如模板大小不合適，可上下調整模板型號，直至假體與患者股骨髓腔、髖臼匹配良好，最終確定假體型號。
1.3 手術方法
于骶管阻滯麻醉下，患者取側臥位手術。取后外側入路，以大轉子后緣為中心，作長約10 cm切口，充分顯露髖臼及股骨頭，截斷股骨頸后取出股骨頭。首先處理髖臼側，清理軟組織并髖臼銼打磨，植入髖臼杯假體，透視位置滿意后完成壓配和內襯植入。然后處理股骨側，開槽后擴大股骨髓腔，植入股骨柄假體，完成壓配后安放人工股骨頭，復位髖關節，檢查髖關節屈伸旋轉活動時的包容性滿意，沖洗術野、止血，留置引流，關閉切口。
1.4 評價指標
記錄手術時間、輸血情況，以及術中有無假體周圍骨折、術后有無下肢動靜脈血栓形成；術前測量的骨性參數（髖臼直徑、股骨髓腔內徑）結果以及據此選擇的假體型號，并與術中實際選擇的假體型號進行比較并分級。分級標準[14]：優，術前選擇型號與實際型號完全一致；良，相差1號；差，相差2號及以上。其中股骨假體相差1號為1 mm，髖臼假體相差1號為2 mm。術后X線片復查假體位置及有無松動、下沉等。采用Harris評分評價髖關節功能。
1.5 統計學方法
采用SPSS統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，股骨頭缺血性壞死患者手術前后Harris評分比較采用t檢驗；檢驗水準取雙側α=0.05。
2 結果
2.1 臨床療效
本組手術時間140～254 min，平均191.8 min。術中2例輸血，分別輸注濃縮紅細胞400、500 mL； 6例使用血漿代用品補充血容量。術中假體植入時無股骨或髖臼周圍骨折。術后無下肢靜脈血栓形成；2例下肢動脈斑塊形成，經抗凝治療，未形成血栓栓 塞。
患者均獲隨訪，隨訪時間12～24個月，平均17.3個月。術后3個月，患者能完成日常活動，患肢下蹲功能顯著改善。股骨頭缺血性壞死患者Har ris評分從術前（54.0±12.9）分提高至術后3個月的（91.1±4.1）分，比較差異有統計學意義（t=7.259，P=0.000）。術后3個月股骨頸骨折患者Har ris評分為（92.5±2.1）分。X線片復查隨訪期間未見假體松動、下沉等。見圖 1。
圖1
患者，女，61歲，左側股骨頭缺血性壞死行THA ? 術前正位X線片 ? 術前側位X線片 ? 術前測量示意圖 ? 術后1周正位X線片 ? 術后8個月正位X線片 ? 術后18個月正位X線片
Figure1.
A 61-year-old female patient with osteonecrosis of the left femoral head who underwent THA ? Preoperative anteroposterior X-ray film ? Preoperative lateral X-ray film ? Preoperative measurement ? Anteroposterior X-ray film at 1 week after operation ? Anteroposterior X-ray film at 8 months after operation ? Anteroposterior X-ray film at 18 months after operation
2.2 術前計劃有效性分析
13例患者術前骨性參數測量結果及術前、術中假體型號選擇結果詳見表 1。術前測量股骨髓腔內徑為（12.34±1.53）mm、髖臼直徑為（52.92±1.78） mm。其中，12例（92.31%）股骨假體型號誤差在1 mm以內，11例（84.62%）髖臼假體型號誤差在2 mm以內。術前假體選擇型號與實際型號比較，股骨假體獲優9 例，良3例，差1例，優良率92.31%；髖臼假體獲優7例，良4例，差2例，優良率84.62%。
表1
患者術前測量、術前計劃與術中植入假體型號比較（mm）
Table1.
Comparison of preoperative measurement and plan and actual implant size（mm）
3 討論
假體安放不良是THA術后發生脫位、關節活動受限、假體撞擊、髖臼杯移位、聚乙烯磨損以及骨質溶解的重要因素[2-5]，影響假體準確安放的因素已成為研究熱點問題。全面、精細的術前計劃有助于術中快速選擇匹配良好的假體，縮短手術時間、減少術中出血等[11]。目前國內假體置換術前計劃主要采用膠片模板匹配比較法，由于X線片放大率不統一，常導致股骨髓腔內徑測量和假體型號選擇存在一定誤差，據報道其準確率在30.9%～50.0%之間[12-13, 15-16]。而通過計算機輔助技術可以修正X線放大率，在影像工作站中借助數字化模板來制定術前計劃，大大提高了準確性[17-20]。此外，有研究通過引入金屬球作為參考校正X線片放大率，也能提高術前計劃準確性[6, 18, 21]。
本研究中我們選擇X線標尺（特制顯影鋼尺）校正放大率，以準確測量骨性參數；并在計算機上使用數字化模板模擬置換手術，充分評估假體與患者股骨髓腔匹配性，并據此選擇匹配程度最佳的假體型號，進而制定最佳術前計劃。本組13例患者中，12例（92.31%）股骨假體型號誤差在1 mm以內，11例（84.62%）髖臼假體型號誤差在2 mm以內。表明由于X線投照距離不恒定，使用預置參照物（特制顯影鋼尺）校正X線球管放大率，輔以計算機輔助測量技術（e-PAC 影像工作站），可以提高術前測量以及選擇假體型號的準確性。我們還發現，術前在準確測量髖關節骨性參數基礎上，可以預估髖臼銼和股骨髓腔擴大器最大尺寸，幫助術者更好的把握術中磨銼髖臼和擴髓程度，從而避免假體周圍骨量不必要丟失，也有助于增加假體與骨骼壓配，保證假體牢固固定。
此外，本組1例患者術前測量股骨髓腔內徑僅8.8 mm，顯著小于其他患者。如按照傳統X線片測量方法，此例患者股骨髓腔內徑測量困難。而通過術前應用鋼尺校正X線放大率，并聯合e-PAC影像工作站系統，可精確測量股骨髓腔內徑，并根據測量結果預備了7～9號股骨柄假體，手術順利實施。
但通過術前測量髖關節骨性參數，并輔以計算機技術模擬術前計劃，選擇假體類型及型號的方法也存在一定局限性：① X線片為二維圖像，不能體現髖關節三維結構特點；② 患者檢查時中立位體位不易維持，對投照角度有影響，進而影響了測量準確性。除以上問題外，THA還需考慮如軟組織張力、神經受牽拉程度等的影響。此外，該技術廣泛用于臨床尚存在以下問題有待深入研究：① 醫學影像圖像的準確性，如何評價圖像放大率并更精確的校正圖像；② 檢查方法、患者體位、圖像標準的統一，統一恰當的檢查體位能夠為進一步評價預測方法的準確性奠定基礎；③ 數字化技術的提高，如何通過提高數字化軟件和改進硬件設施，達到術前計劃的優化并提高準確性；④ 術前計劃與手術操作之間的模擬訓練，手術計劃需要外科醫師將其在患者身上再現，進而達到提高手術效果的終極目標，這一過程需要探索相適應的模擬訓練方法；⑤ 針對不同的患者制定術前計劃，如何提高個體化的準確性有待深入研究。目前已有研究開始使用CT三維重建圖像制定術前計劃，初步研究表明其假體預測準確性較好[22-24]，計算機技術在關節置換領域顯示出良好的應用前景，有望通過三維重建技術設計個體化的假體。
