髋臼发育不良髋关节置换前髋臼侧的三维测量

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.002

摘要/Abstract

摘要：

背景：成人髋臼发育不良髋臼小而浅，臼内有大量骨痂和瘢痕组织等都为人工髋关节置换术中真臼的辨认、臼杯的准确安装带来极大困难，关节置换前对髋臼的全面认识是选择合适的髋臼假体和制定个性化髋臼重建方案的前提。
目的：评估三维影像重建技术在成人髋关节发育不良全髋关节置换前臼杯型号选择中的应用价值。
方法：对11例准备进行全髋关节置换的髋臼发育不良患者行螺旋CT扫描，多平面重建髋臼，并进行数字化臼杯模板置入拟定术中假体型号，并与置换中实际作吻合度评估。
结果与结论：螺旋CT扫描可清晰显示髋臼形态，基于此所进行三维关节置换前计划，拟定的臼杯大小数据中71.4%与置换中实际一致，其组内相关系数为0.888，明显较基于X射线平片所作二维置换前计划准确。髋臼发育不良病例髋臼变浅变小，髋臼外上方普遍存在不同程度的骨缺损，为达到骨床对臼杯良好的包容，可借助三维多平面重建能有效评估髋臼形态，其对成人髋关节发育不良术前假体的选择具有较高的参考价值。

关键词: 骨关节植入物, 人工假体, 髋臼发育不良, 发育性髋关节脱位, 髋关节置换, 关节成形, 髋, 三维重建, 多平面重建, 测量

Abstract:

BACKGROUND: The anatomical strucure of acetabulum is small and shallow in adult acetabular dysplasia patients. The large amount of callus and scar tissues in the acetabulum make it difficult to identify and install the acetabular cup during arthroplasty. The comprehensive understanding of the acetabulum before arthroplasty is the premise for selecting the appropriate acetabular prosthesis and making the acetabular reconstruction program.
OBJECTIVE: To evaluate the application value of three-dimensional reconstruction technique in choosing the size of acetabular cup before total hip arthroplasty for acetabular dysplasia.
METHODS: Spiral CT was carried out in the 11 acetabular dysplasia patients who waiting for total hip arthroplasty. The acetabulum was multi-planar reconstructed, and the size of the acetabular cup was determined through digitized acetabular cup template implantation, and then the mathching degree assessment was performed to compare with the actual size.
RESULTS AND CONCLUSION: Spiral CT could clearly show the acetabular morphology, and the 71.4% of the acetabular size chosen in the three-dimensional preoperative plan was the same as actual one, the intraclass correlation coefficient was 0.888. The agreement was much higher than that of two-dimensional preoperative plan based on X-ray plain film. For the patients with acetabular dysplasia, the acetabulum became samller and shallower, and there were various extents of bone defects in the superior-lateral acetabulum. Three-dimensional multi-planar reconstruction can effectively evaluate the acetabular morphology, and three-dimensional preoperative plan can provide useful information for the choice of implant.

Key words: acetabulum, hip dislocation, hip joint, arthroplasty, replacement, hip

中图分类号:

R318

许杰，马若凡，李登，蔡志清，李亮平. 髋臼发育不良髋关节置换前髋臼侧的三维测量[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.002.

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图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析纳入患者11例，全部进入结果分析。
2.2 髋关节置换后功能恢复情况患者关节置换后即开始进行下肢肌肉的收缩练习。关节置换后第1天作肌肉收缩锻炼，48 h内拔除引流管，关节置换后5 d扶拐下地并部分负重。关节置换后3个月逐渐增加负重而弃拐行走。本组病例正常负重并髋关节可屈曲达90°，对随访到的患者进行临床检查并行Harris评分，评价髋关节的功能。髋关节置换前Harris评分平均为(42.8±4.6)分(37-52分)，髋关节置换后 Harris 评分(79.8±5.6)分(72-89分)，差异有显著性意义(t=16.635，P < 0.05)。
随访时拍摄双髋正位片，最后一次随访时臼杯移位均未发现>5 mm 或旋转超5°，病例中未出现明显的髋臼假体与骨床间透亮带，无出现脱位或感染者，未见局部骨折发生。
2.3 CT三维成像所示髋臼解剖情况本组病例均存在髋关节关系失常，股骨头脱位程度不一，髋臼外上方均存在骨缺损，脱位严重者骨缺损程度较剧。冠状面和轴面重建成像显示髋臼内侧壁较厚，骨贮备量尚可。矢状面成像显示髋臼后壁骨贮备多少不一。对于病变仅单侧者，患侧和健侧髋臼比较，髋臼变浅小。部分病例显示髋臼边缘骨赘形成。
2.4 髋关节置换前计划与置换后实际吻合度见表1。三维髋关节置换前计划所拟定的臼杯大小数据中有10个与关节置换中实际一致，比率为71.4%，相比之下，二维计划仅7.1%的一致吻合率。对二维髋关节置换前计划所拟定的臼杯尺寸与关节置换中实际应用尺寸大小进行吻合度评估，其ICC值为0.313，较三维髋关节置换前计划与实际应用臼杯尺寸间ICC值明显偏小，后者值为0.888。

2.5 典型病例患者，女，51岁，反复髋部疼痛并活动障碍8年。影像学检查为髋臼发育不良并骨性关节炎，按Crowe分型为Ⅰ型。
髋关节置换前基于骨盆X射线片所作二维关节置换前计划，拟定髋臼杯直径为48 mm。基于骨盆CT扫描所作三维关节置换前计划：经过髋臼旋转中心行多平面重建技术重建，于冠状面上(图1A)，植入数字化臼杯模板，显示髋臼上下径可容纳48 mm臼杯，但臼底深度过浅而导致试模明显突破臼底，选择40 mm试模可达到良好骨床覆盖并避免穿破臼底；于水平面上显示髋臼前后径不足以包容48 mm试模，对40 mm试模可提供良好骨床覆盖(图1B)。

将切面按前倾15°(图2A)、外展45°(图2B)重建并与髋臼开口处贴合，显示髋臼开口形态(见图2C，D)，植入数字化臼杯模板，显示髋臼上下径可容纳48 mm臼杯，但前后径较小而并不能提供良好包裹覆盖；对于 40 mm臼杯，骨床可提供良好包裹。手术采用髋关节后外侧入路，置换中见髋臼发育浅而小，清理髋臼内的软组织后，以小号锉小心加深髋臼内壁，避免臼底磨穿。以髋臼前后壁为参考确定合适的假体型号后，根据髋臼杯外上缘被宿主骨包容的情况决定重建方法，本例无需植骨重建采用，40 mm臼杯试模显示包容良好，应用生物固定型髋臼杯获得满意的稳定(见图3)。髋关节置换后3个月完全负重，髋关节置换前髋关节疼痛症状基本缓解。末次随访，未见髋臼或股骨假体位置变化。

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引言

材料方法

设计：自身对照分析。

时间及地点：于2012年1至2013年1月在中山大学附属孙逸仙纪念医院骨科完成。

对象：选择同期中山大学附属孙逸仙纪念医院骨科收治的髋臼发育不良因合并骨性关节炎，髋关节功能障碍进行全髋关节置换患者11例(共14髋)，其中男1例，女10例；按Crowe分型，其中Ⅰ型6髋，Ⅱ型5髋，Ⅲ型3髋；年龄45-68岁，平均(57.8±8.3)岁。关节置换前 Harris评分平均为(42.8±4.6)分(37-52分)。

纳入标准：①既往均未曾行患髋部矫形手术。②严格按髋关节置换适应证入选^[17-18]：由假臼或真臼的骨性关节炎引起的关节疼痛，关节功能障碍明显，且严重影响患者的生活及日常活动，即只有在出现严重的关节疼痛伴有功能障碍或继发下腰痛时才考虑行全髋关节置换。③患者对治疗均之情同意。

排除标准：单纯跛行或肢体短缩而没有疼痛者。

方法：

髋关节置换前处理：术前详细询问并记录患者的病史，对患者行全面体检和常规的实验室检查，明确患者各脏器功能，排除潜在的感染性疾病等手术禁忌。

髋关节置换前影像采集：骨盆正位数字化X射线片，以已知直径的硬币作为放大率校正标志，摄片时贴于股骨在一水平高度处皮肤。同时使用Siemens螺旋CT扫描机，扫描参数为层厚1 mm，间隔1 mm。仰卧体位，轴位扫描，采集原始二维图像。扫描范围由髂嵴最高点至小转子下。扫描后原始二维图像传至工作站进行图像后处理，产生三维骨盆图像，为便于髋臼评估，对股骨头及股骨上段影像行切割去除。加载多平面重建技术图像，于水平面、冠状面和矢状面观察髋臼全貌：①在水平面评估髋臼的前后壁和内侧壁的骨贮备情况。测量髋臼的前倾角。②在冠状面图像观察髋关节假臼形成及与真臼关系。③于矢状面观察髋臼前后径与上下径长度差异，并且观测真臼臼顶和内侧壁骨贮备骨质、是否存在骨坏死和囊性变形成及骨赘增生。

二维髋关节置换前计划测量：X射线片所进行数字化髋关节置换前测量基于 MediCADMultimedia 公司(Medi CAD Multimedia Co.)的MediCAD软件平台进行测量方法：①以已知直径硬币直径校正X射线片的放大比例^[19]。②确定参照基准线，分别为骨盆中垂线(泪滴下缘连线的垂直等分线) 及双侧骨盆泪滴下缘连线，以到骨盆中垂线距离衡量旋转中心在水平方向上位置，以与正常侧到泪滴连线的距离衡量旋转中心在垂直方向上位置; 数字化臼杯模板以外展45°置入，臼杯假体大小参考髋臼外上及内下唇及内缘拟定。

三维髋关节置换前计划测量：测量方法：①于骨盆三维成像图中获取骨赘增生情况，并确定真臼位置所在，参照非手术侧(正常侧)髋臼所在，初步确定髋臼中心。②过此髋臼中心点，多平面重建技术重建水平面、冠状面和矢状面，于矢状面观察髋臼前后径与上下径长度，及髋臼缘骨质厚度，以此初步估算臼杯假体可用型号范围。③在水平面评估内侧壁的骨厚度，及中心点到臼底距离，进一步限定臼杯假体可用型号范围。

髋关节置换：11例病例共14侧行人工髋关节置换。取改良Gibson后外侧入路，髋关节后脱位后松解周围瘢痕组织及增生骨赘，显露髋臼。关节置换中显露骨性结构并明确髋臼发育不良类型和严重程度，与CT资料比对。由于受脱位股骨头的影响，髋臼呈上下拉长的椭圆形。确定关节置换前计划中髋臼磨锉位置，必要时借助术中C臂X射线机透视定位，后用髋臼锉磨锉加深髋臼，期间行臼窝底细钻钻孔反复测深器测量臼底骨皮质厚度，按髋关节置换前计划磨锉深度控制磨锉。试模臼杯安放，评估骨床对其包容程度及置放稳定性，最后置放真正臼杯假体。

股骨侧根据骨质状况扩大股骨髓腔，安装股骨头假体，复位后观察人工假体间活动情况，注意假体安装后髋臼和股骨头之间的松紧度，如果复位后过紧或复位有困难，股骨颈加大截除长度而稍作修整。置放引流管，缝合组织并加压包扎伤口。

主要观察指标：二维及三维髋关节置换前计划，所拟定臼杯假体型号，与关节置换中实际作吻合度评估。

统计学分析：采用SPSS 12.0统计软件进行统计学分析，采用组内相关系数(intraclass correlation coefficience，ICC)对二维髋关节置换前计划及三维髋关节置换前计划与置换中应用假体尺寸的吻合度进行评估。对于关节置换前后关节功能改善Harris评分差异采用配对t 检验作分析，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

成人先天性髋关节发育不良是成人髋关节骨性关节炎的重要致病因素之一，亦是中年人长期髋关节疼痛的常见病因。髋臼发育不良多为儿童时期诊断遗漏、延误治疗或治疗方法不当，及至成年，股骨头负重区范围缩小，局部关节软骨所承受应力明显增大，进而加速软骨变性、坏死和剥脱，最终导致不可逆痛性髋关节骨性关节炎^[20]。病变发展至此，必将引起髋关节周围及大腿的疼痛，出现跛行，并发生脊柱的畸形和疼痛，严重影响患者的工作和生活质量。

近些年来，人工关节技术不断发展和提高，运用全髋置换手术对成人发育性髋臼发育不良的优点更加的凸显。髋关节发育不良继发骨性关节炎进行全髋关节置换时，髋臼重建是一大难点，原因在于相应的髋关节解剖学畸形结构。随髋臼发育不良程度加重，脱位的股骨头逐渐会出现假臼，假臼和真臼可以重叠，甚至完全处于真臼之上。认识髋臼的形态结构对于髋臼重建尤显重要^[21]。

精确的髋关节置换前计划对于全髋关节置换的顺利进行至关重要，通过关节置换前计划选择适合的关节假体及确定置入位置，恢复髋关节的正常解剖结构和生物力学。不但有利于提高手术的精确性，缩短手术时间，更重要的是减少术中骨折及术后假体松动等并发症的发生。其重要性为众多医疗机构所强调^[22-28]。

传统的胶片模板测量是将透明的假体模板胶片覆盖于X射线片上进行测量的一种手工方法^[29-30]，通过获取一定放大率的髋关节X射线片，结合假体公司提供的固定放大率的假体胶片模板，分别使用髋臼杯假体模板及股骨假体模板覆盖X射线片以达到最佳的匹配。Knight等^[29]应用胶片模板测量法对110例使用非骨水泥及混合型假体的全髋关节置换进行置换前计划。对于非骨水泥髋臼杯假体，相差一个型号的假体符合率96%。Eggli等^[31]分析了100例原发性骨关节炎患者全髋关节置换的术前胶片模板测量结果，置换前计划准确预测了90%的臼杯假体尺寸。Carter等^[32]对70例初次全髋关节置换非骨水泥股骨假体的进行胶片模板测量，假体型号完全符合的接近50%，相差在一个型号以内的符合率增加到88%-95%。González等^[33]总结了139例全髋关节置换的置换前胶片模板测量结果，其中116例为骨水泥型，23例为混合型，置换前计划的髋臼假体型号与术中实际使用完全符合的有116例(83%)。

随着数字化医学成像技术的革命性转变，医学影像储存与传输系统在医院广泛应用^[34]，数字化影像可直接传输至计算机工作平台，结合数字化软件系统和模板，在数字环境下进行全髋关节置换术前设计得以实现，数字模板测量应运而生。Bono^[35]及White等^[36]对数字模板测量进行了详细描述，其设计原则与传统胶片模板测量法基本一致。既往的研究也对比了两种术前模板测量方法^[37]，数字化模板测量在预测假体型号、偏心距及截骨高度的设定上均优于传统胶片模板测量，但同时也发现其局限性，因无论传统或是数字化关节置换前模板测量均是基于二维影像资料进行的，不能充分考虑到三维结构特点，这就使计划所制定的数据并非完全精确，研究组中有病例关节置换中依置换前测量置入相应型号的股骨柄假体，关节置换后发现柄选择过小而出现明显下沉现象。上述基于二维X射线片进行的传统的胶片模板测量和现代的数字模板测量，对于髋部解剖结构变异不大的病例，在大多数情况下可满足术前计划的制定。

但对于髋臼发育不良者，髋部解剖变异明显，正如本组病例观测所示，髋关节中心外移，髋臼变浅，髋臼外上方和前方不同程度骨缺损。仅以X射射线片及二维CT作为临床影像诊断的依据，由于其仅提供了二维表达，可导致测量偏差^[38]。随着三维CT成像技术应用于医学领域并获得较快发展^[39-42]，三维CT技术也被应用到全髋关节置换前计划中^[43-45]。Sugano等^[46]运用螺旋CT获得髋臼及股骨近端的冠状面，并在计算机上进行模板测量，能提高股骨颈前倾角过大或股骨外旋畸形的病例的准确性。Lattanzi等^[47]介绍了一款基于三维CT的术前模板测量软件Hip-Op，能根据三维CT数据准确的描述髋关节解剖的内部特征，并在三维空间内选择最佳匹配的假体尺寸及植入位置，通过分析模块计算出假体匹配的水平。目前该方法应用于髋臼发育不良患者行全髋关节置换的报道仍较少，尤其缺乏具体的数据支持。

对于髋臼发育不良病例，螺旋CT冠状面成像可立体观察髋关节中假臼形成情况，以及假臼和真臼的相对位置，及髋臼内侧壁骨质厚度，有利于评估髋臼磨锉时可进行髋臼加深的程度，但不能仅凭此界面所示髋臼的上下径长来确定所需臼杯假体的直径大小，否则就如基于骨盆X射线片所作二维术前计划般导致假体选择型号偏倚，因为髋臼发育不良病例往往存在髋臼上下径较前后径长的情况。这个时候，通过水平面的观测可完善髋臼前后径的数据资料，在此切面中同时可观测髋臼开口方向的前倾角度，为假体的前倾放置后骨包容或骨赘撞击情况提供参考。基于三维影像所进行的假体模拟植入过程中，三维成像可任意角度进行观察，一方面可以完全显露髋臼的位置和形态，另一方面避免臼假体置放在骨赘之上。并为术中骨赘处理彻底，为避免造成髋关节“撞击综合征”提供手术蓝本。

这次实验的目的是评估的基于螺旋CT三维成像术前规划的准确性。综合前述，基于螺旋CT成像所进行的三维术前计划使得手术者获得更为精确的髋臼侧术前测量，其与术中使用假体真实尺寸的比对较二维X线片测量有更好的吻合度，后者是目前临床中较为普遍的术前计划方式。

由于本病症患者所伴有骨骼、韧带等的发育异常状况，导致在对患者进行全髋置换治疗手术时需要面临很多问题。作者不否认，经验丰富的术者无需此系统辅助仍能完成准确的手术方案判定，但对于髋臼发育不良病例，手术中髋臼侧的重建与假体植入存在较多变数，全面、精细的术前测量可使有经验的关节外科医生对手术运筹帷幄。相对于此，螺旋CT虽则增加费用，并有一定的辐射量，但其成像的直观性及三维计划制定的精准性，仍不无裨益。国内行关节置换术前模板测量的医疗机构不多，相关临床应用报道量较少，而基于螺旋CT成像所进行的测量及模拟假体植入很多还在研究层面^[48-50]，欧美等国家的研究肯定其在关节假体型号选择方面的准确性^[45]。髋关节置换前计划在术中的精准完成，需要有完善客观的衔接手段，单凭置换中术者对髋臼磨锉及臼杯置放位置、方向的主观判断存在偏差，本组仅着眼于术前计划假体的大小型号确定上，对于衔接手段的研究，Zhang等^[51]通过应用三维打印技术个体化制造置换中髋臼磨锉方向、位置导向器，是可行的解决方案之一。仍需继续摸索。

另外，鉴于多排螺旋CT技术能很好的显示髋臼形态及与股骨头的空间关系，而且测量也极为方便，为髋臼与股骨头关系的研究提供了新的手段。但本实验只在患者中进行多排螺旋CT扫描和三维重建，缺乏重建影像和尸体解剖的对照，髋臼与股骨头具体形态及空间关系尚需要进一步研究。