引用本文： 邱越, 夏天衛, 袁兆豐, 環大維, 張超, 沈計榮. 虛擬現實技術聯合股骨頭縮小成形術治療扁平髖的研究. 中國修復重建外科雜志, 2023, 37(3): 284-289. doi: 10.7507/1002-1892.202211098 復制
扁平髖多見于兒童股骨頭壞死（Perthes病）發展的中后期，發病原因包括髖部外傷、股骨頭血供障礙及遺傳因素[1]。患者幼年時股骨頭內骨性成分和血供同時發生改變，導致承重能力下降，如未被及時發現治療，股骨頭外形將發生不可逆性改變，最終變成扁平畸形[2]。扁平髖患者多數髖臼與股骨頭匹配不良，從而引發疼痛和關節活動受限，采用保髖手術可改善頭臼匹配關系和恢復關節功能[3]。股骨頭縮小成形術由Ganz教授最先提出[4]，通過外科脫位入路矯正股骨頭畸形和縮小體積，從而增加髖臼對股骨頭的覆蓋程度，是治療扁平髖的有效方法[5]。但是由于患者個體差異大，術中股骨頭縮小成形截骨大小不一，存在手術難度大、術前規劃困難等問題。
虛擬現實技術（virtual reality，VR）目前在骨科領域應用廣泛，其原理是通過計算機模擬三維立體環境，向醫生及患者立體展示病變部位及周圍結構，醫生根據治療需要進行三維測量、模擬手術和預測術后形態改變[6]。本研究采用VR技術輔助外科脫位下股骨頭縮小成形術，聯合股骨頸相對延長術和髖臼周圍截骨術治療扁平髖，探討VR技術在保髖領域的應用價值。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
2018年10月—2020年10月收治3例扁平髖患者，均為男性，年齡為15～24歲。3例患者均有幼時髖部外傷史，術前疼痛視覺模擬評分（VAS）、Harris評分、股骨頭圓形指數、髖關節中心邊緣（center-edge，CE）角及股骨頭覆蓋率見表1。
表1
患者臨床資料
Table1.
The clinical data of patients
1.2 術前規劃
術前攝骨盆正位、蛙位X線片及雙髖關節CT平掃、MRI。將256排CT原始數據以DICOM格式上傳云端服務器（手術規劃系統）［妙智科技（深圳）有限公司］，進行圖像處理，自動分割髂骨和左、右股骨，構建髖關節三維圖像。以CT冠狀面和矢狀面逐層確定截骨區中央柱，模擬股骨頭縮小成形手術過程，確定截骨大小，生成最終的VR工程。見圖1。
圖1
VR術前規劃步驟
a. VR工程主視圖；b. 模擬股骨頭縮小成形俯視圖；c. 截骨中間部分（計劃截骨14.59 mm）；d. 將股骨頭外上方游離部分和內側固定部分合攏，近似球形
Figure1. Process of preoperative planning via VR technologya. Front view of VR project; b. Top view of simulated reduction plasty surgery of femoral head; c. Middle part of osteotomy (designed 14.59 mm); d. Closed the free part of the upper outer part and the fixed part of the inner part, which was nearly spheric
1.3 手術方法
股骨頭縮小成形術：患者于全身麻醉下取健側臥位，采用髖關節外科脫位技術，取患髖外側入路；先暴露大轉子臀中肌止點，在保護股直肌止點前提下行大轉子截骨，需保持上、下止點完整；沿截骨處向前側股骨頸暴露，并切開關節囊探查盂唇是否損傷，再將股骨頭脫位，見股骨頭扁平畸形，克氏針鉆孔探查股骨頭血供。于大轉子后側剝離外旋肌群軟組織瓣，暴露股骨頸基底部，游標卡尺測量股骨頭和髖臼直徑，根據術前計劃確定截骨平面和厚度；截骨后固定游離帶血管蒂軟組織瓣的外側柱和固定的內側柱兩部分，合攏近似球形，頭頸交界處使用加壓螺紋釘固定，固定牢靠后復位，縫合關節囊。見圖2。
圖2
股骨頭縮小成形術中
a. 骨刀截取中間柱區域；b. 取出截骨骨塊；c. 用克氏針固定外側游離部分和內側固定部分，兩者合攏近似球形；d. 術中透視頭臼匹配較佳
Figure2. During the reduction plasty of the femoral heada. Extracted the area of the middle column; b. Took out the bone block; c. Fixation of the free part of the upper outer part and the fixed part of the inner part by Kirschner wire, which was nearly spheric; d. Good match of the femoral head and acetabulum by fluoroscopy during operation
股骨頸相對延長術：將大轉子截骨處向遠端移位1～2 cm，使股骨頸相對延長，使用2枚螺釘固定。
髖臼周圍截骨術：將患者體位轉變為仰臥位，患髖行S-P切口，注意保護股外側皮神經。先從髂前上棘截骨，將髂前上棘骨塊下拉，剝離骨膜顯露髂骨內板和恥骨支；在C臂X線機透視下，術者手指摸到坐骨支下方，用骨刀把坐骨接近髖臼部分打斷。直視下骨刀打斷恥骨支，注意保持髂坐線完整，剝離骨膜顯露髂骨外板；使用特制拉鉤保護髂骨內外板，沿髂骨用擺鋸鋸開髂骨，保持髂骨的完整性；往復鋸于髖臼內側鋸開髖臼內側髂骨，翻轉髖臼周圍骨塊，再次透視查看股骨頭覆蓋明顯改善。克氏針臨時固定，沿導針擰入長皮質骨螺釘固定，透視下確定固定位置及長度良好后，復位固定髂前上棘，使用短皮質骨螺釘固定，依次縫合切口，術畢。
1.4 術后處理
術后常規抗感染、抗凝治療。指導患者行踝關節背伸、跖屈運動，股四頭肌及腓腸肌等長訓練。嚴格臥床3個月，3個月后部分負重，逐漸訓練至完全負重。
1.5 隨訪及療效評價
患者出院后密切隨訪，術后3、6、12個月定期復查X線片及CT評估截骨愈合情況。記錄患者手術前后髖關節Harris評分、VAS評分；于X線片測量股骨頭圓形指數、髖關節CE角、股骨頭覆蓋率[4，7]。
2 結果
3例患者順利完成手術，手術時間分別為460、450、435 min，出血量分別為733、716、829 mL；術前VR設計股骨頭縮小截骨大小分別為9.87、12.42、14.59 mm，術中實際截骨大小為11.4、9.4、12.2 mm，兩者相差1.53、3.02、2.39 mm。術后均輸注3 U懸浮少白紅細胞和300 mL冰凍病毒滅活血漿。術后未出現感染、雙下肢深靜脈血栓形成等并發癥。3例患者均獲隨訪，隨訪時間分別為25、30、15個月；3個月時復查CT示截骨處均愈合良好。術后12個月及末次隨訪時VAS評分和Harris評分，以及術后12個月股骨頭圓形指數、髖關節CE角、股骨頭覆蓋率均較術前明顯改善；術后12個月根據Harris評分評價，3例髖關節功能均獲良。見表1、圖3～5。
圖3
病例1正位和蛙位X線片
a. 術前；b. 術后12個月
Figure3. Anteroposterior and frog position X-ray films of case 1a. Before operation; b. At 12 months after operation
圖4
病例2正位和蛙位X線片
a. 術前；b. 術后12個月
Figure4. Anteroposterior and frog position X-ray films of case 2a. Before operation; b. At 12 months after operation
圖5
病例3正位和蛙位X線片
a. 術前；b. 術后12個月
Figure5. Anteroposterior and frog position X-ray films of case 3a. Before operation; b. At 12 months after operation
3 討論
扁平髖是Perthes病發展中末期，患者可選擇的保髖治療術式有限，多數患者選擇后期行人工全髖關節置換術，但對于年輕患者而言，保髖意義重大[8]。股骨頭縮小成形術通過縮小股骨頭體積，達到近似球體，以增大頭體部分在髖臼窩內的包容范圍[4]。Siebenrock等[5]應用該術式治療扁平髖畸形11例11髖，股骨頭圓形指數由術前平均72%（64%～81%）提高至術后平均85%（73%～96%），平均隨訪5年（最長10年）取得較好結果。Paley[9]應用該術式治療扁平髖畸形20例20髖，與術前比較，股骨頭直徑平均縮小25%（13%～43%），平均隨訪2.7年（最長5年），髖關節功能優良率達70%。國內目前對股骨頭縮小成形術治療扁平髖的報道較少，楊先騰等[10]應用該術式治療扁平髖畸形12例13髖，術后平均隨訪28.8個月，患者頭臼匹配程度增加，髖關節功能和疼痛程度明顯改善，獲得滿意近期療效。良好的頭臼匹配是改善患者髖關節功能的前提，本研究中3例患者術后12個月股骨頭圓形指數、髖關節CE角及股骨頭覆蓋率均較術前明顯改善，獲得了良好的頭臼匹配；術后12個月根據Harris評分評價髖關節功能均為良，VAS評分較術前明顯降低，患者疼痛明顯緩解，臨床療效較好。
通過外科脫位入路及股骨頭脫位后軟組織瓣延長術有效保護股骨頭血供，是充分顯露髖關節的安全方法[11]。在外科脫位入路下充分暴露股骨頭，有利于術者觀察和處理股骨頭畸形。股骨頭的異常增大導致髖臼發育落后，股骨頭包容欠缺，髖臼緣與股骨頭畸形發生撞擊，僅通過股骨頭成形術或髖臼周圍截骨術不能完全改善頭臼匹配關系，術后治療效果不佳；從髖臼側和股骨側同時手術，可確保最佳頭臼匹配，力爭髖臼對股骨頭的最大包容，從而獲得滿意療效[5，10，12-13]。
股骨頭縮小成形術、股骨頸相對延長術和髖臼周圍截骨術3種術式聯合應用，極具挑戰性，良好的術前設計是手術成功前提。相比既往術前采用傳統影像資料二維測量方法規劃截骨區域[4，10]，我們發現VR技術輔助股骨頭縮小成形術具有如下優勢：① 可以篩選符合手術條件的扁平髖患者。術后頭臼匹配度是手術成功與否的關鍵，術前借助VR技術模擬股骨頭縮小成形后狀態，可以直觀清晰地展示頭臼匹配程度，供術者評估術后療效，對于不適用于該術式的患者可避免術后并發癥和二次手術痛苦。② VR技術術前規劃可直觀展示股骨頭縮小成形過程，使術者了解截骨區域、尺寸，清晰展現解剖結構形態、空間方位和毗鄰關系，提升術者的模擬視覺；術者可借助VR技術規劃完備的術前計劃，縮短手術時間，提高手術成功率[14]。本研究3例患者股骨頭實際截骨尺寸與術前VR設計相差1.53～3.02 mm，在術者預期范圍內。③ 股骨頭縮小成形術和髖臼周圍截骨術學習周期長，手術復雜，術者如果根據經驗目測、估算截骨區域，術中必會多次調整，存在手術失誤、并發癥發生率高、手術時間長、失血多、創傷大等風險[15]；VR技術可以為術者提供較為精確的術前規劃，有利于縮短學習曲線。④ 模擬股骨頭縮小成形過程中，VR軟件可預測股骨頭與髖臼間易發生撞擊的區域，在術中可根據患肢活動情況行頭頸部成形術，避免術后髖臼股骨撞擊征的發生。⑤ 成本低廉，有助于患者節省治療成本。
我們將VR技術應用于股骨頭縮小成形術過程中發現存在以下問題：① 股骨頭縮小成形區域重建需人工完成，存在人為誤差；② 術前規劃確定的截骨平面和截骨尺寸在術中無法精準重現，未來可考慮應用機器人技術進行精確操作；③ 目前可設計股骨頭部分，髖臼側暫時無法設計旋轉角度，多數扁平髖患者需要聯合髖臼周圍截骨術確保獲得更好的股骨頭覆蓋范圍。
綜上述，VR技術聯合股骨頭縮小成形術治療扁平髖畸形可取得滿意早期療效，但本研究病例少、隨訪時間短，還需進一步積累病例并延長隨訪時間，明確該術式的中遠期療效。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
倫理聲明 研究方案經南京中醫藥大學附屬醫院醫學倫理委員會批準（2019NL-095-03）；患者均知情同意
作者貢獻聲明 邱越：科研設計、數據收集整理分析、文章撰寫；夏天衛、張超：研究實施；袁兆豐、環大維：數據收集整理；沈計榮：方案實施、科研設計
扁平髖多見于兒童股骨頭壞死（Perthes病）發展的中后期，發病原因包括髖部外傷、股骨頭血供障礙及遺傳因素[1]。患者幼年時股骨頭內骨性成分和血供同時發生改變，導致承重能力下降，如未被及時發現治療，股骨頭外形將發生不可逆性改變，最終變成扁平畸形[2]。扁平髖患者多數髖臼與股骨頭匹配不良，從而引發疼痛和關節活動受限，采用保髖手術可改善頭臼匹配關系和恢復關節功能[3]。股骨頭縮小成形術由Ganz教授最先提出[4]，通過外科脫位入路矯正股骨頭畸形和縮小體積，從而增加髖臼對股骨頭的覆蓋程度，是治療扁平髖的有效方法[5]。但是由于患者個體差異大，術中股骨頭縮小成形截骨大小不一，存在手術難度大、術前規劃困難等問題。
虛擬現實技術（virtual reality，VR）目前在骨科領域應用廣泛，其原理是通過計算機模擬三維立體環境，向醫生及患者立體展示病變部位及周圍結構，醫生根據治療需要進行三維測量、模擬手術和預測術后形態改變[6]。本研究采用VR技術輔助外科脫位下股骨頭縮小成形術，聯合股骨頸相對延長術和髖臼周圍截骨術治療扁平髖，探討VR技術在保髖領域的應用價值。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
2018年10月—2020年10月收治3例扁平髖患者，均為男性，年齡為15～24歲。3例患者均有幼時髖部外傷史，術前疼痛視覺模擬評分（VAS）、Harris評分、股骨頭圓形指數、髖關節中心邊緣（center-edge，CE）角及股骨頭覆蓋率見表1。
表1
患者臨床資料
Table1.
The clinical data of patients
1.2 術前規劃
術前攝骨盆正位、蛙位X線片及雙髖關節CT平掃、MRI。將256排CT原始數據以DICOM格式上傳云端服務器（手術規劃系統）［妙智科技（深圳）有限公司］，進行圖像處理，自動分割髂骨和左、右股骨，構建髖關節三維圖像。以CT冠狀面和矢狀面逐層確定截骨區中央柱，模擬股骨頭縮小成形手術過程，確定截骨大小，生成最終的VR工程。見圖1。
圖1
VR術前規劃步驟
a. VR工程主視圖；b. 模擬股骨頭縮小成形俯視圖；c. 截骨中間部分（計劃截骨14.59 mm）；d. 將股骨頭外上方游離部分和內側固定部分合攏，近似球形
Figure1. Process of preoperative planning via VR technologya. Front view of VR project; b. Top view of simulated reduction plasty surgery of femoral head; c. Middle part of osteotomy (designed 14.59 mm); d. Closed the free part of the upper outer part and the fixed part of the inner part, which was nearly spheric
1.3 手術方法
股骨頭縮小成形術：患者于全身麻醉下取健側臥位，采用髖關節外科脫位技術，取患髖外側入路；先暴露大轉子臀中肌止點，在保護股直肌止點前提下行大轉子截骨，需保持上、下止點完整；沿截骨處向前側股骨頸暴露，并切開關節囊探查盂唇是否損傷，再將股骨頭脫位，見股骨頭扁平畸形，克氏針鉆孔探查股骨頭血供。于大轉子后側剝離外旋肌群軟組織瓣，暴露股骨頸基底部，游標卡尺測量股骨頭和髖臼直徑，根據術前計劃確定截骨平面和厚度；截骨后固定游離帶血管蒂軟組織瓣的外側柱和固定的內側柱兩部分，合攏近似球形，頭頸交界處使用加壓螺紋釘固定，固定牢靠后復位，縫合關節囊。見圖2。
圖2
股骨頭縮小成形術中
a. 骨刀截取中間柱區域；b. 取出截骨骨塊；c. 用克氏針固定外側游離部分和內側固定部分，兩者合攏近似球形；d. 術中透視頭臼匹配較佳
Figure2. During the reduction plasty of the femoral heada. Extracted the area of the middle column; b. Took out the bone block; c. Fixation of the free part of the upper outer part and the fixed part of the inner part by Kirschner wire, which was nearly spheric; d. Good match of the femoral head and acetabulum by fluoroscopy during operation
股骨頸相對延長術：將大轉子截骨處向遠端移位1～2 cm，使股骨頸相對延長，使用2枚螺釘固定。
髖臼周圍截骨術：將患者體位轉變為仰臥位，患髖行S-P切口，注意保護股外側皮神經。先從髂前上棘截骨，將髂前上棘骨塊下拉，剝離骨膜顯露髂骨內板和恥骨支；在C臂X線機透視下，術者手指摸到坐骨支下方，用骨刀把坐骨接近髖臼部分打斷。直視下骨刀打斷恥骨支，注意保持髂坐線完整，剝離骨膜顯露髂骨外板；使用特制拉鉤保護髂骨內外板，沿髂骨用擺鋸鋸開髂骨，保持髂骨的完整性；往復鋸于髖臼內側鋸開髖臼內側髂骨，翻轉髖臼周圍骨塊，再次透視查看股骨頭覆蓋明顯改善。克氏針臨時固定，沿導針擰入長皮質骨螺釘固定，透視下確定固定位置及長度良好后，復位固定髂前上棘，使用短皮質骨螺釘固定，依次縫合切口，術畢。
1.4 術后處理
術后常規抗感染、抗凝治療。指導患者行踝關節背伸、跖屈運動，股四頭肌及腓腸肌等長訓練。嚴格臥床3個月，3個月后部分負重，逐漸訓練至完全負重。
1.5 隨訪及療效評價
患者出院后密切隨訪，術后3、6、12個月定期復查X線片及CT評估截骨愈合情況。記錄患者手術前后髖關節Harris評分、VAS評分；于X線片測量股骨頭圓形指數、髖關節CE角、股骨頭覆蓋率[4，7]。
2 結果
3例患者順利完成手術，手術時間分別為460、450、435 min，出血量分別為733、716、829 mL；術前VR設計股骨頭縮小截骨大小分別為9.87、12.42、14.59 mm，術中實際截骨大小為11.4、9.4、12.2 mm，兩者相差1.53、3.02、2.39 mm。術后均輸注3 U懸浮少白紅細胞和300 mL冰凍病毒滅活血漿。術后未出現感染、雙下肢深靜脈血栓形成等并發癥。3例患者均獲隨訪，隨訪時間分別為25、30、15個月；3個月時復查CT示截骨處均愈合良好。術后12個月及末次隨訪時VAS評分和Harris評分，以及術后12個月股骨頭圓形指數、髖關節CE角、股骨頭覆蓋率均較術前明顯改善；術后12個月根據Harris評分評價，3例髖關節功能均獲良。見表1、圖3～5。
圖3
病例1正位和蛙位X線片
a. 術前；b. 術后12個月
Figure3. Anteroposterior and frog position X-ray films of case 1a. Before operation; b. At 12 months after operation
圖4
病例2正位和蛙位X線片
a. 術前；b. 術后12個月
Figure4. Anteroposterior and frog position X-ray films of case 2a. Before operation; b. At 12 months after operation
圖5
病例3正位和蛙位X線片
a. 術前；b. 術后12個月
Figure5. Anteroposterior and frog position X-ray films of case 3a. Before operation; b. At 12 months after operation
3 討論
扁平髖是Perthes病發展中末期，患者可選擇的保髖治療術式有限，多數患者選擇后期行人工全髖關節置換術，但對于年輕患者而言，保髖意義重大[8]。股骨頭縮小成形術通過縮小股骨頭體積，達到近似球體，以增大頭體部分在髖臼窩內的包容范圍[4]。Siebenrock等[5]應用該術式治療扁平髖畸形11例11髖，股骨頭圓形指數由術前平均72%（64%～81%）提高至術后平均85%（73%～96%），平均隨訪5年（最長10年）取得較好結果。Paley[9]應用該術式治療扁平髖畸形20例20髖，與術前比較，股骨頭直徑平均縮小25%（13%～43%），平均隨訪2.7年（最長5年），髖關節功能優良率達70%。國內目前對股骨頭縮小成形術治療扁平髖的報道較少，楊先騰等[10]應用該術式治療扁平髖畸形12例13髖，術后平均隨訪28.8個月，患者頭臼匹配程度增加，髖關節功能和疼痛程度明顯改善，獲得滿意近期療效。良好的頭臼匹配是改善患者髖關節功能的前提，本研究中3例患者術后12個月股骨頭圓形指數、髖關節CE角及股骨頭覆蓋率均較術前明顯改善，獲得了良好的頭臼匹配；術后12個月根據Harris評分評價髖關節功能均為良，VAS評分較術前明顯降低，患者疼痛明顯緩解，臨床療效較好。
通過外科脫位入路及股骨頭脫位后軟組織瓣延長術有效保護股骨頭血供，是充分顯露髖關節的安全方法[11]。在外科脫位入路下充分暴露股骨頭，有利于術者觀察和處理股骨頭畸形。股骨頭的異常增大導致髖臼發育落后，股骨頭包容欠缺，髖臼緣與股骨頭畸形發生撞擊，僅通過股骨頭成形術或髖臼周圍截骨術不能完全改善頭臼匹配關系，術后治療效果不佳；從髖臼側和股骨側同時手術，可確保最佳頭臼匹配，力爭髖臼對股骨頭的最大包容，從而獲得滿意療效[5，10，12-13]。
股骨頭縮小成形術、股骨頸相對延長術和髖臼周圍截骨術3種術式聯合應用，極具挑戰性，良好的術前設計是手術成功前提。相比既往術前采用傳統影像資料二維測量方法規劃截骨區域[4，10]，我們發現VR技術輔助股骨頭縮小成形術具有如下優勢：① 可以篩選符合手術條件的扁平髖患者。術后頭臼匹配度是手術成功與否的關鍵，術前借助VR技術模擬股骨頭縮小成形后狀態，可以直觀清晰地展示頭臼匹配程度，供術者評估術后療效，對于不適用于該術式的患者可避免術后并發癥和二次手術痛苦。② VR技術術前規劃可直觀展示股骨頭縮小成形過程，使術者了解截骨區域、尺寸，清晰展現解剖結構形態、空間方位和毗鄰關系，提升術者的模擬視覺；術者可借助VR技術規劃完備的術前計劃，縮短手術時間，提高手術成功率[14]。本研究3例患者股骨頭實際截骨尺寸與術前VR設計相差1.53～3.02 mm，在術者預期范圍內。③ 股骨頭縮小成形術和髖臼周圍截骨術學習周期長，手術復雜，術者如果根據經驗目測、估算截骨區域，術中必會多次調整，存在手術失誤、并發癥發生率高、手術時間長、失血多、創傷大等風險[15]；VR技術可以為術者提供較為精確的術前規劃，有利于縮短學習曲線。④ 模擬股骨頭縮小成形過程中，VR軟件可預測股骨頭與髖臼間易發生撞擊的區域，在術中可根據患肢活動情況行頭頸部成形術，避免術后髖臼股骨撞擊征的發生。⑤ 成本低廉，有助于患者節省治療成本。
我們將VR技術應用于股骨頭縮小成形術過程中發現存在以下問題：① 股骨頭縮小成形區域重建需人工完成，存在人為誤差；② 術前規劃確定的截骨平面和截骨尺寸在術中無法精準重現，未來可考慮應用機器人技術進行精確操作；③ 目前可設計股骨頭部分，髖臼側暫時無法設計旋轉角度，多數扁平髖患者需要聯合髖臼周圍截骨術確保獲得更好的股骨頭覆蓋范圍。
綜上述，VR技術聯合股骨頭縮小成形術治療扁平髖畸形可取得滿意早期療效，但本研究病例少、隨訪時間短，還需進一步積累病例并延長隨訪時間，明確該術式的中遠期療效。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
倫理聲明 研究方案經南京中醫藥大學附屬醫院醫學倫理委員會批準（2019NL-095-03）；患者均知情同意
作者貢獻聲明 邱越：科研設計、數據收集整理分析、文章撰寫；夏天衛、張超：研究實施；袁兆豐、環大維：數據收集整理；沈計榮：方案實施、科研設計
