陀螺仪在全髋置换髋臼杯定位中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.22.001

摘要/Abstract

摘要：

背景：全髋置换中良好的髋臼假体方位对于手术的成功起到了至关重要的作用。传统定位工具或精确度欠佳、或太过繁琐，限制了其应用。

目的：对比陀螺定位仪与传统定位技术在全髋置换髋臼杯定位中的优劣。

方法：应用外侧入路，在同一个塑料髋部模型上由不同经验年限的医生利用传统方法进行了100次髋臼杯定位(每人20次40°外展和15°前倾)；再利用陀螺定位仪分别进行了60次相同角度的定位，记录实测角度与事先设定角度的误差。

结果与结论：与传统技术相比，使用螺仪定位仪测量的外展角和前倾角误差明显下降。提示陀螺定位仪能使全髋置换中髋臼杯的定位更加精确。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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关键词: 植入物, 人工假体, 全髋置换, 假体, 前倾, 外展, 陀螺仪, 定位器, 髋臼杯, 定位

Abstract:

BACKGROUND: Good position of acetabular prosthesis during total hip replacement plays a key role in success of the operation. Traditional location tool has poor accuracy, is too complicated, and limits its application.

OBJECTIVE: To compare the advantages and disadvantages of gyroscope with the traditional technique in acetabular component orientation in total hip arthroplasty.

METHODS: Using lateral approach, physicians with different experiences used traditional technique to locate acetabular cup 100 times (20 times in each person; 40° abduction and 15° anteversion), and then used gyroscope to locate 60 times at the same angle in the same plastic hip model. The error between the planed and measured values was recorded.

RESULTS AND CONCLUSION: Compared to the traditional technique, the error of the abduction and anteversion decreased obviously. These indicated that the gyroscope can make the orientation of acetabular component more precise in total hip arthroplasty.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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Key words: arthroplasty, replacement, hip, acetabulum, hip prosthesis, prosthesis fitting

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 4

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引言

材料方法

设计：临床对比观察。

时间及地点：实验于2013年4月10日在山东省立医院实验室完成。

材料：自制塑料半身模型。

方法：

人髋部模型的制作：将塑料半身模型由中线沿矢状面剖开，选取右侧髋部，在大转子区域做长轴20 cm，短轴10 cm的椭圆切口，长轴与模特纵轴平行。在中空的髋内黏合发泡塑料，并将发泡塑料涂成红色，模拟切口内软组织。

陀螺定位仪的设计制作：将9轴陀螺仪模块与电脑相连，在电脑中安装相应的角度测量程序。当陀螺仪发生角度变化时即可在电脑显示屏上读出其三维角度，只选取其pitch作为外展，Yaw作为前倾。

半髋模型通过一个装置牢固的固定于手术台，模拟左侧卧位，旋转中心设定于数字量角器的转折点并固定于髋臼处。应用外侧入路，在同一个塑料髋部模型上由5名医生(2名从事关节置换10年以上的医师和3名5年以内的医师)利用传统方法进行了100次髋臼杯定位。每个参与者分别进行了20次40°外展和15°前倾操作(图1)。这样，数字量角器的固定臂平置于水平面，髋臼定位杆(威海威高公司)固定于旋转臂(已经通过几何公式验证，旋转臂与定位杆是否完全平行对角度的精确性没有影响)。

传统方法操作步骤：完全依靠大体估计，抬高定位杆得到外展角，然后向前旋转得到前倾角。

陀螺定位仪操作步骤：在电脑显示屏上可以动态显示前倾外展角度，抬高再旋前定位杆，电脑显示屏上的角度满意后，操作结束。

通过抬高定位杆得到外展角(其真实角度可以通过数字显示屏直接读出)，通过固定臂的反向运动得到前倾角，真实角度通过格子纸上画出的角度直接测量得出。

陀螺仪定位器分别进行了60次前倾40°和外展15°的测试(图2A-D)。陀螺仪通过塑料夹于定位杆相连(为消除定位杆磁性对九轴陀螺仪精度的影响)。陀螺仪连接笔记本，显示屏上看到陀螺仪随定位杆移动时的实时角度变化(图2E)。记录笔记本上的角度数值。这样，就模拟了全髋置换中的前倾角和外展角。另外，所有的过程均由一位调查者进行监督。

实验共分3组，10年经验组2人各行20次定位；5年经验组3人各行20次定位；陀螺仪行60次定位。均与事先设定角度的差值作为检测标准。

评价标准：所有结果均由角尺或数字量角器进行最终确定，与事先设定的角度之间的误差作为评价指标，误差越大准确度越差。

主要观察指标：定位柄所成的前倾角和外展角。

统计学分析：由微软Excel 2003进行所有的计算。t 检验用来分析测量组间的差异，P值小于0.05为差异有显著性意义。

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讨论

陀螺仪是一个基于角动量原理来测量和保持方位的仪器^[10-14]。它可以很好的测量一个物体的三维空间角度^[15]。它是根据高速回转的物体，其动量矩敏感的壳体在相对惯性的空间中，围绕与自转轴正交的一到两个轴的角运动来进行测量的精密装置。它广泛应用于军事、技术和科学的研究和应用中。

利用陀螺仪相对位置定位的基础上，通过引入磁传感器获得仰俯角(外展角)和平面指向角(前倾角)^[16]，其中仰俯角亦可以通过加速度传感器获得^[17]，补偿陀螺仪相对位移偏差引起的实际指向偏差^[18]，从而进行角度测量。陀螺仪对仰俯角和平面指向角的测量非常精准。最原始的为机械陀螺仪，现在基于其他原理的陀螺仪日新月异，如手机等电子消费领域常见的微机电陀螺仪，固体激光陀螺仪等^[19-21]。作者进一步设计制造的新一代陀螺定位仪也是基于微机电陀螺仪原理，体积只有2.0 cm×2.0 cm×

0.1 cm，无需外接电脑，配备的显示屏上可以直接显示实时角度，下一步将进入临床应用。

全髋置换中髋臼杯的前倾和外展角度很难估计^[22-24]。即使有经验的医生在调整前倾角和外展角的过程中也经常出错^[25-26]。而不准确的髋臼假体方位与术后脱位、内衬磨损等很多问题相关，严重影响着假体的使用寿命^[1^，^27]。对于正常髋臼，尚能参照解剖标志来改善定位的精确性。髋关节发育不良等解剖标志全无的髋臼，术者目测的精度进一步下降^[28-32]。而且，近些年逐渐发展起来的通过术前画图对术中髋臼方位进行个性化的设计，每次设计的角度并不相同，使得单纯临床经验更难准确定位。而这也正是设计的定位仪的优势所在，术者可以随意设定角度，均可得到精准的方位。

目前髋臼假体安置有2种方法。一是传统方法：术者直接通过目测或者利用传统力线杆目测进行定位^[33]。其很大程度上依赖于医生的经验，而且对手术视野的要求较高。当应用它们进行定位时，结果并不满意^[34-35]。第二种方法是计算机导航系统辅助髋臼杯定位法，它很大程度上增加了臼杯方位的准确性^[36-38]。但计算接导航程序繁冗、时间长、费用高，使得大多数外科医生宁可相信自己的眼睛。因此，发明一种简单、经济、有效的工具来进行髋臼杯的定位势在必行。陀螺仪定位器应运而生，它是陀螺仪、罗盘、倾角传感器的复合装置，以陀螺仪原理为主，相互协调发挥各自优势，明显增加了精确性，外展误差0.3°以内，前倾误差0.5°以内。同时，它以人体纵轴为参照，不受术野影响；而且，可以自由的设定任何角度，这就为髋臼方位的个性化设计提供的很好的保障；另外，它非常简单，无需学习，费用也低。当然手术中还有很多影响最终角度的因素，如对假体连接手柄的锤击可能导致角度发生变化，为此给予固定手柄，开始连续多次轻轻锤击待假体部分置入后再加大锤击力度，可基本解决其对最终假体方位的影响。还有，术中患者体位的变化也会影响假体的方位，所以，术前肢体需要摆放规范和固定牢靠，术中定位时需要保持髋关节伸直位，从而减少骨盆倾斜对假体置入角度的影响。
陀螺仪让髋臼杯定位更加精确，而且它简单、无学习曲线、不增加手术时间，同时不增加额外费用。作为航海航空中的定位工具，必将引领全髋置换进入一个新纪元。

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