引用本文： 何金鹏, 郝运, 王小林, 邵景范, 杨小进, 郭风劲, 冯杰雄. 数字化模板联合骨性参数测量辅助髋关节假体型号选择的研究. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(6): 688-692. doi: 10.7507/1002-1892.20150149 复制
人工全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）作为治疗终末期髋关节疾病的有效方法，已在临床广泛应用。选择合适的假体型号是置换术前计划重要环节[1-5]，既往主要依靠医师经验及髋关节X线片选择，缺乏客观的选择依据，存在假体不匹配问题，造成术中假体植入困难、假体植入时发生股骨皮质骨折、假体固定不牢固等，以及术后双下肢不等长、髋关节不稳定、假体下沉或松动，最终导致手术失败。
随着计算机辅助技术的发展，在术前初步评估患者髋臼及股骨形态学特征，准确选择人工关节假体成为可能[6-13]。在股骨髓腔形态学研究基础上[8]，我们提出将股骨髓腔内径和髋臼直径作为股骨和髋臼的骨性参数，术前通过测量这两个骨性参数，在计算机辅助下联合数字化模板选择合适假体型号，并制定术前计划。并于2012年9月－2013年 6月，将该方法用于13例拟行THA治疗的患者。现回顾患者临床资料，比较术前计划与术中、术后实际情况符合程度，结合手术前后Harris评分、手术时间、术中输血及术后双下肢动静脉血栓发生情况，探讨数字化模板联合骨性参数测量用于THA术前设计的可行性及有效性。
1 临床资料
1.1 一般资料
患者纳入标准：① 无明显骨盆畸形；② 无膝、踝关节严重病变导致的内、外翻畸形；③ 术后随访12个月以上；④ 术前均在我院行带标尺的双下肢全长X线片检查。排除标准：① 行双侧THA者；② 合并严重基础疾病患者。共13例患者符合选择标准，纳入研究。本研究通过华中科技大学同济医学院附属同济医院伦理委员会批准，患者均知情同意。
本组男4例，女9例；年龄41～79岁，平均54.08岁。左髋8例，右髋5例。股骨头缺血性坏死8例，均为ARCOⅣ期；病程4个月～20年，平均6.6年。股骨颈骨折5例，其中伴股骨头缺血性坏死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。术前股骨颈骨折患者均卧床，不能行走；股骨头缺血性坏死患者存在患髋疼痛，关节活动受限，严重跛行，患肢下蹲功能障碍。其中2例股骨颈骨折及2例股骨头缺血性坏死患者行骨密度检测，其中1例骨密度基本正常，1例重度骨质疏松，2 例轻度骨质疏松。
1.2 术前设计
患者于术前1周内摄骨盆正位X线片，取仰卧中立位，双侧膝关节髌骨及脚尖朝上。于患者两大腿间近端放置专用X线标尺，用以校正不同X线球管投照距离时的放大率。对髋、膝关节活动受限或摆放上述中立位困难者，为验证摆放位置满意程度，以1元硬币作为放大率校正标志，用医用布胶带黏贴硬币于患者大转子体表投影处，同时尽量将骨盆及股骨近端保持在接近垂直投照的体位。术前设计时，于骨盆正位片测量硬币最长径后，按照硬币实际测量直径进行图像放大率校正和检验X线标尺校正的准确性。
摄片后将获得的数据以Dicom格式导入e-PACS 2000医生工作站软件（珠海友通科技有限公司），根据标尺刻度校正X线球管放大率后进行图像分析。测量髋臼上唇至髋臼泪滴的距离（即髋臼直径）、股骨中上段骨髓腔最窄处内径（即股骨髓腔内径）。选择与髋臼直径相等或相差1号以内的尺寸为髋臼杯假体型号，与股骨髓腔内径相等或相差1号以内的尺寸为股骨柄假体型号。在软件中先利用模板引导确定股骨中心线，然后从已有模板中选择人工关节假体数字化模板，调整模板位置。如模板大小不合适，可上下调整模板型号，直至假体与患者股骨髓腔、髋臼匹配良好，最终确定假体型号。
1.3 手术方法
于骶管阻滞麻醉下，患者取侧卧位手术。取后外侧入路，以大转子后缘为中心，作长约10 cm切口，充分显露髋臼及股骨头，截断股骨颈后取出股骨头。首先处理髋臼侧，清理软组织并髋臼锉打磨，植入髋臼杯假体，透视位置满意后完成压配和内衬植入。然后处理股骨侧，开槽后扩大股骨髓腔，植入股骨柄假体，完成压配后安放人工股骨头，复位髋关节，检查髋关节屈伸旋转活动时的包容性满意，冲洗术野、止血，留置引流，关闭切口。
1.4 评价指标
记录手术时间、输血情况，以及术中有无假体周围骨折、术后有无下肢动静脉血栓形成；术前测量的骨性参数（髋臼直径、股骨髓腔内径）结果以及据此选择的假体型号，并与术中实际选择的假体型号进行比较并分级。分级标准[14]：优，术前选择型号与实际型号完全一致；良，相差1号；差，相差2号及以上。其中股骨假体相差1号为1 mm，髋臼假体相差1号为2 mm。术后X线片复查假体位置及有无松动、下沉等。采用Harris评分评价髋关节功能。
1.5 统计学方法
采用SPSS统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，股骨头缺血性坏死患者手术前后Harris评分比较采用t检验；检验水准取双侧α=0.05。
2 结果
2.1 临床疗效
本组手术时间140～254 min，平均191.8 min。术中2例输血，分别输注浓缩红细胞400、500 mL； 6例使用血浆代用品补充血容量。术中假体植入时无股骨或髋臼周围骨折。术后无下肢静脉血栓形成；2例下肢动脉斑块形成，经抗凝治疗，未形成血栓栓 塞。
患者均获随访，随访时间12～24个月，平均17.3个月。术后3个月，患者能完成日常活动，患肢下蹲功能显著改善。股骨头缺血性坏死患者Har ris评分从术前（54.0±12.9）分提高至术后3个月的（91.1±4.1）分，比较差异有统计学意义（t=7.259，P=0.000）。术后3个月股骨颈骨折患者Har ris评分为（92.5±2.1）分。X线片复查随访期间未见假体松动、下沉等。见图 1。
图1
患者，女，61岁，左侧股骨头缺血性坏死行THA ⓐ 术前正位X线片 ⓑ 术前侧位X线片 ⓒ 术前测量示意图 ⓓ 术后1周正位X线片 ⓔ 术后8个月正位X线片 ⓕ 术后18个月正位X线片
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 术前计划有效性分析
13例患者术前骨性参数测量结果及术前、术中假体型号选择结果详见表 1。术前测量股骨髓腔内径为（12.34±1.53）mm、髋臼直径为（52.92±1.78） mm。其中，12例（92.31%）股骨假体型号误差在1 mm以内，11例（84.62%）髋臼假体型号误差在2 mm以内。术前假体选择型号与实际型号比较，股骨假体获优9 例，良3例，差1例，优良率92.31%；髋臼假体获优7例，良4例，差2例，优良率84.62%。
表1
患者术前测量、术前计划与术中植入假体型号比较（mm）
Table1.
Comparison of preoperative measurement and plan and actual implant size（mm）
3 讨论
假体安放不良是THA术后发生脱位、关节活动受限、假体撞击、髋臼杯移位、聚乙烯磨损以及骨质溶解的重要因素[2-5]，影响假体准确安放的因素已成为研究热点问题。全面、精细的术前计划有助于术中快速选择匹配良好的假体，缩短手术时间、减少术中出血等[11]。目前国内假体置换术前计划主要采用胶片模板匹配比较法，由于X线片放大率不统一，常导致股骨髓腔内径测量和假体型号选择存在一定误差，据报道其准确率在30.9%～50.0%之间[12-13, 15-16]。而通过计算机辅助技术可以修正X线放大率，在影像工作站中借助数字化模板来制定术前计划，大大提高了准确性[17-20]。此外，有研究通过引入金属球作为参考校正X线片放大率，也能提高术前计划准确性[6, 18, 21]。
本研究中我们选择X线标尺（特制显影钢尺）校正放大率，以准确测量骨性参数；并在计算机上使用数字化模板模拟置换手术，充分评估假体与患者股骨髓腔匹配性，并据此选择匹配程度最佳的假体型号，进而制定最佳术前计划。本组13例患者中，12例（92.31%）股骨假体型号误差在1 mm以内，11例（84.62%）髋臼假体型号误差在2 mm以内。表明由于X线投照距离不恒定，使用预置参照物（特制显影钢尺）校正X线球管放大率，辅以计算机辅助测量技术（e-PAC 影像工作站），可以提高术前测量以及选择假体型号的准确性。我们还发现，术前在准确测量髋关节骨性参数基础上，可以预估髋臼锉和股骨髓腔扩大器最大尺寸，帮助术者更好的把握术中磨锉髋臼和扩髓程度，从而避免假体周围骨量不必要丢失，也有助于增加假体与骨骼压配，保证假体牢固固定。
此外，本组1例患者术前测量股骨髓腔内径仅8.8 mm，显著小于其他患者。如按照传统X线片测量方法，此例患者股骨髓腔内径测量困难。而通过术前应用钢尺校正X线放大率，并联合e-PAC影像工作站系统，可精确测量股骨髓腔内径，并根据测量结果预备了7～9号股骨柄假体，手术顺利实施。
但通过术前测量髋关节骨性参数，并辅以计算机技术模拟术前计划，选择假体类型及型号的方法也存在一定局限性：① X线片为二维图像，不能体现髋关节三维结构特点；② 患者检查时中立位体位不易维持，对投照角度有影响，进而影响了测量准确性。除以上问题外，THA还需考虑如软组织张力、神经受牵拉程度等的影响。此外，该技术广泛用于临床尚存在以下问题有待深入研究：① 医学影像图像的准确性，如何评价图像放大率并更精确的校正图像；② 检查方法、患者体位、图像标准的统一，统一恰当的检查体位能够为进一步评价预测方法的准确性奠定基础；③ 数字化技术的提高，如何通过提高数字化软件和改进硬件设施，达到术前计划的优化并提高准确性；④ 术前计划与手术操作之间的模拟训练，手术计划需要外科医师将其在患者身上再现，进而达到提高手术效果的终极目标，这一过程需要探索相适应的模拟训练方法；⑤ 针对不同的患者制定术前计划，如何提高个体化的准确性有待深入研究。目前已有研究开始使用CT三维重建图像制定术前计划，初步研究表明其假体预测准确性较好[22-24]，计算机技术在关节置换领域显示出良好的应用前景，有望通过三维重建技术设计个体化的假体。
人工全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）作为治疗终末期髋关节疾病的有效方法，已在临床广泛应用。选择合适的假体型号是置换术前计划重要环节[1-5]，既往主要依靠医师经验及髋关节X线片选择，缺乏客观的选择依据，存在假体不匹配问题，造成术中假体植入困难、假体植入时发生股骨皮质骨折、假体固定不牢固等，以及术后双下肢不等长、髋关节不稳定、假体下沉或松动，最终导致手术失败。
随着计算机辅助技术的发展，在术前初步评估患者髋臼及股骨形态学特征，准确选择人工关节假体成为可能[6-13]。在股骨髓腔形态学研究基础上[8]，我们提出将股骨髓腔内径和髋臼直径作为股骨和髋臼的骨性参数，术前通过测量这两个骨性参数，在计算机辅助下联合数字化模板选择合适假体型号，并制定术前计划。并于2012年9月－2013年 6月，将该方法用于13例拟行THA治疗的患者。现回顾患者临床资料，比较术前计划与术中、术后实际情况符合程度，结合手术前后Harris评分、手术时间、术中输血及术后双下肢动静脉血栓发生情况，探讨数字化模板联合骨性参数测量用于THA术前设计的可行性及有效性。
1 临床资料
1.1 一般资料
患者纳入标准：① 无明显骨盆畸形；② 无膝、踝关节严重病变导致的内、外翻畸形；③ 术后随访12个月以上；④ 术前均在我院行带标尺的双下肢全长X线片检查。排除标准：① 行双侧THA者；② 合并严重基础疾病患者。共13例患者符合选择标准，纳入研究。本研究通过华中科技大学同济医学院附属同济医院伦理委员会批准，患者均知情同意。
本组男4例，女9例；年龄41～79岁，平均54.08岁。左髋8例，右髋5例。股骨头缺血性坏死8例，均为ARCOⅣ期；病程4个月～20年，平均6.6年。股骨颈骨折5例，其中伴股骨头缺血性坏死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。术前股骨颈骨折患者均卧床，不能行走；股骨头缺血性坏死患者存在患髋疼痛，关节活动受限，严重跛行，患肢下蹲功能障碍。其中2例股骨颈骨折及2例股骨头缺血性坏死患者行骨密度检测，其中1例骨密度基本正常，1例重度骨质疏松，2 例轻度骨质疏松。
1.2 术前设计
患者于术前1周内摄骨盆正位X线片，取仰卧中立位，双侧膝关节髌骨及脚尖朝上。于患者两大腿间近端放置专用X线标尺，用以校正不同X线球管投照距离时的放大率。对髋、膝关节活动受限或摆放上述中立位困难者，为验证摆放位置满意程度，以1元硬币作为放大率校正标志，用医用布胶带黏贴硬币于患者大转子体表投影处，同时尽量将骨盆及股骨近端保持在接近垂直投照的体位。术前设计时，于骨盆正位片测量硬币最长径后，按照硬币实际测量直径进行图像放大率校正和检验X线标尺校正的准确性。
摄片后将获得的数据以Dicom格式导入e-PACS 2000医生工作站软件（珠海友通科技有限公司），根据标尺刻度校正X线球管放大率后进行图像分析。测量髋臼上唇至髋臼泪滴的距离（即髋臼直径）、股骨中上段骨髓腔最窄处内径（即股骨髓腔内径）。选择与髋臼直径相等或相差1号以内的尺寸为髋臼杯假体型号，与股骨髓腔内径相等或相差1号以内的尺寸为股骨柄假体型号。在软件中先利用模板引导确定股骨中心线，然后从已有模板中选择人工关节假体数字化模板，调整模板位置。如模板大小不合适，可上下调整模板型号，直至假体与患者股骨髓腔、髋臼匹配良好，最终确定假体型号。
1.3 手术方法
于骶管阻滞麻醉下，患者取侧卧位手术。取后外侧入路，以大转子后缘为中心，作长约10 cm切口，充分显露髋臼及股骨头，截断股骨颈后取出股骨头。首先处理髋臼侧，清理软组织并髋臼锉打磨，植入髋臼杯假体，透视位置满意后完成压配和内衬植入。然后处理股骨侧，开槽后扩大股骨髓腔，植入股骨柄假体，完成压配后安放人工股骨头，复位髋关节，检查髋关节屈伸旋转活动时的包容性满意，冲洗术野、止血，留置引流，关闭切口。
1.4 评价指标
记录手术时间、输血情况，以及术中有无假体周围骨折、术后有无下肢动静脉血栓形成；术前测量的骨性参数（髋臼直径、股骨髓腔内径）结果以及据此选择的假体型号，并与术中实际选择的假体型号进行比较并分级。分级标准[14]：优，术前选择型号与实际型号完全一致；良，相差1号；差，相差2号及以上。其中股骨假体相差1号为1 mm，髋臼假体相差1号为2 mm。术后X线片复查假体位置及有无松动、下沉等。采用Harris评分评价髋关节功能。
1.5 统计学方法
采用SPSS统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，股骨头缺血性坏死患者手术前后Harris评分比较采用t检验；检验水准取双侧α=0.05。
2 结果
2.1 临床疗效
本组手术时间140～254 min，平均191.8 min。术中2例输血，分别输注浓缩红细胞400、500 mL； 6例使用血浆代用品补充血容量。术中假体植入时无股骨或髋臼周围骨折。术后无下肢静脉血栓形成；2例下肢动脉斑块形成，经抗凝治疗，未形成血栓栓 塞。
患者均获随访，随访时间12～24个月，平均17.3个月。术后3个月，患者能完成日常活动，患肢下蹲功能显著改善。股骨头缺血性坏死患者Har ris评分从术前（54.0±12.9）分提高至术后3个月的（91.1±4.1）分，比较差异有统计学意义（t=7.259，P=0.000）。术后3个月股骨颈骨折患者Har ris评分为（92.5±2.1）分。X线片复查随访期间未见假体松动、下沉等。见图 1。
图1
患者，女，61岁，左侧股骨头缺血性坏死行THA ⓐ 术前正位X线片 ⓑ 术前侧位X线片 ⓒ 术前测量示意图 ⓓ 术后1周正位X线片 ⓔ 术后8个月正位X线片 ⓕ 术后18个月正位X线片
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 术前计划有效性分析
13例患者术前骨性参数测量结果及术前、术中假体型号选择结果详见表 1。术前测量股骨髓腔内径为（12.34±1.53）mm、髋臼直径为（52.92±1.78） mm。其中，12例（92.31%）股骨假体型号误差在1 mm以内，11例（84.62%）髋臼假体型号误差在2 mm以内。术前假体选择型号与实际型号比较，股骨假体获优9 例，良3例，差1例，优良率92.31%；髋臼假体获优7例，良4例，差2例，优良率84.62%。
表1
患者术前测量、术前计划与术中植入假体型号比较（mm）
Table1.
Comparison of preoperative measurement and plan and actual implant size（mm）
3 讨论
假体安放不良是THA术后发生脱位、关节活动受限、假体撞击、髋臼杯移位、聚乙烯磨损以及骨质溶解的重要因素[2-5]，影响假体准确安放的因素已成为研究热点问题。全面、精细的术前计划有助于术中快速选择匹配良好的假体，缩短手术时间、减少术中出血等[11]。目前国内假体置换术前计划主要采用胶片模板匹配比较法，由于X线片放大率不统一，常导致股骨髓腔内径测量和假体型号选择存在一定误差，据报道其准确率在30.9%～50.0%之间[12-13, 15-16]。而通过计算机辅助技术可以修正X线放大率，在影像工作站中借助数字化模板来制定术前计划，大大提高了准确性[17-20]。此外，有研究通过引入金属球作为参考校正X线片放大率，也能提高术前计划准确性[6, 18, 21]。
本研究中我们选择X线标尺（特制显影钢尺）校正放大率，以准确测量骨性参数；并在计算机上使用数字化模板模拟置换手术，充分评估假体与患者股骨髓腔匹配性，并据此选择匹配程度最佳的假体型号，进而制定最佳术前计划。本组13例患者中，12例（92.31%）股骨假体型号误差在1 mm以内，11例（84.62%）髋臼假体型号误差在2 mm以内。表明由于X线投照距离不恒定，使用预置参照物（特制显影钢尺）校正X线球管放大率，辅以计算机辅助测量技术（e-PAC 影像工作站），可以提高术前测量以及选择假体型号的准确性。我们还发现，术前在准确测量髋关节骨性参数基础上，可以预估髋臼锉和股骨髓腔扩大器最大尺寸，帮助术者更好的把握术中磨锉髋臼和扩髓程度，从而避免假体周围骨量不必要丢失，也有助于增加假体与骨骼压配，保证假体牢固固定。
此外，本组1例患者术前测量股骨髓腔内径仅8.8 mm，显著小于其他患者。如按照传统X线片测量方法，此例患者股骨髓腔内径测量困难。而通过术前应用钢尺校正X线放大率，并联合e-PAC影像工作站系统，可精确测量股骨髓腔内径，并根据测量结果预备了7～9号股骨柄假体，手术顺利实施。
但通过术前测量髋关节骨性参数，并辅以计算机技术模拟术前计划，选择假体类型及型号的方法也存在一定局限性：① X线片为二维图像，不能体现髋关节三维结构特点；② 患者检查时中立位体位不易维持，对投照角度有影响，进而影响了测量准确性。除以上问题外，THA还需考虑如软组织张力、神经受牵拉程度等的影响。此外，该技术广泛用于临床尚存在以下问题有待深入研究：① 医学影像图像的准确性，如何评价图像放大率并更精确的校正图像；② 检查方法、患者体位、图像标准的统一，统一恰当的检查体位能够为进一步评价预测方法的准确性奠定基础；③ 数字化技术的提高，如何通过提高数字化软件和改进硬件设施，达到术前计划的优化并提高准确性；④ 术前计划与手术操作之间的模拟训练，手术计划需要外科医师将其在患者身上再现，进而达到提高手术效果的终极目标，这一过程需要探索相适应的模拟训练方法；⑤ 针对不同的患者制定术前计划，如何提高个体化的准确性有待深入研究。目前已有研究开始使用CT三维重建图像制定术前计划，初步研究表明其假体预测准确性较好[22-24]，计算机技术在关节置换领域显示出良好的应用前景，有望通过三维重建技术设计个体化的假体。
