计算机辅助技术评价成人髋臼发育不良全髋关节置换生物性能分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.04.018

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

成人发育性髋关节发育不良为何要了解真臼解剖特点及与假体的对应关系？成人发育性髋关节发育不良发病率较高，主要是由于髋臼不能完全覆盖股骨头，导致生物力学异常，引起髋关节发生半脱位或完全脱位。常规方法主要以人工全髋关节置换为主，但是该方法治疗效果取决于假体放置的精度及生物性能。鉴于髋臼位置的特殊性及骨盆形态的不规则性等，使得患者全髋关节置换围置换期使用计算机辅助技术评价成为可能。如果采用计算机辅助评价成人髋臼发育不良全髋关节置换效果理想，即能够准确的把握真臼解剖特点及与假体的对应关系，帮助患者选择合适的髋臼和假体及髋臼重建方式，提高置换后髋臼的生物性能，具有较高的临床应用价值。

背景：目前，全髋关节置换是公认的治疗成人先天性髋臼发育不良首选治疗方法。但是，患者治疗过程中尚缺乏理想的评价方法精确的解决髋臼重建问题。

目的：探讨计算机辅助技术在成人髋臼发育不良全髋关节置换中的评价效果及生物性能研究。

方法：选取长海医院骨关节外科2015年1至8月收治的80例成人先天性髋臼发育不良患者资料进行分析，入选患者均行全髋关节置换治疗，采用随机对照方法将患者分为对照组和计算机辅助技术组，两组置换前均采用CT扫描，计算机辅助技术组采用M3D可视化软件对髋臼部位进行三维重建、测量以及手术预演等，比较两组患者全髋关节置换效果及生物性能。

结果与结论：两组患者置换后均一期愈合。与对照组相比，计算机辅助技术组优良率、治疗后Harris评分、置换后髋臼假体外翻角、前倾角显著高于对照组(P < 0.05)，而髋臼杯外展角偏移度以、髋臼杯前倾角偏移度、置换后并发症发生率显著减小(P < 0.05)。结果提示，成人髋臼发育不良全髋关节置换中采用计算机辅助评价效果理想，能够准确的把握真臼解剖特点及与假体的对应关系，帮助患者选择合适的髋臼和假体及髋臼重建方式，提高置换后髋臼的生物性能，具有较高的临床应用价值。

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

ORCID: 0000-0001-5553-6388(徐卫东)

关键词: 骨科植入物, 人工假体, 计算机辅助技术, 成人髋臼发育不良, 全髋关节置换, M3D可视化软件, 三维重建, 生物性能, Harris评分, 重建方式

Abstract:

BACKGROUND: Currently, total hip arthroplasty is a recognized and preferred method for treatment of adult congenital acetabular dysplasia, however, there were lack of ideal evaluation methods to precisely solve acetabular reconstruction in the process of treatment.
OBJECTIVE: To investigate the evaluating effects and biological properties of computer aided technology in adult acetabular dysplasia after total hip arthroplasty.
METHODS: The clinical data from 80 patients with adult congenital acetabular dysplasia who received the treatment at Department of Bone and Joint Surgery, Changhai Hospital, Second Military Medical University of Chinese PLA from January 2015 to August 2015 were selected and analyzed. All the enrolled patients underwent total hip arthroplasty. All the patients were randomly divided into control and computer-aided technology groups. CT scanning was conducted in these two groups before replacement. Three-dimensional reconstruction measuring and surgical rehearsal on the acetabular site were conducted using M3D visualization software in the computer-aided technology group. The effects and biological properties of total hip arthroplasty were compared between these two groups.
RESULTS AND CONCLUSION: Patients in these two groups primarily healed after replacement. The excellent and good rate, Harris score after treatment, acetabular component, valgus angle and anteversion in the computer-aided technology group were significantly higher than those in the control group (P < 0.05). The acetabular cup abduction angle offset degrees, acetabular cup anteversion offset degrees, and the incidences of complications after replacement were significantly decreased compared with those in the control group (P < 0.05). These results suggest that the effect of computer-aided evaluation in adult acetabular dysplasia after total hip arthroplasty is ideal, and can accurately grasp the true acetabular anatomical characteristics and the corresponding relationship with the prosthesis, so as to help patients to choose the proper acetabulum and acetabular prosthesis and reconstruction ways and improve the biological performance of acetabulum after replacement, with a high clinical value.

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图/表（结果） 5

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性调查分析。

1.2 时间及地点于2015年1月至2015年8月解放军第二军医大学附属长海医院骨关节外科完成。

1.3 对象选取长海医院骨关节外科2015年1月至8月收治的80例成人先天性髋臼发育不良患者资料进行分析，根据Growe分型：Ⅱ型11例，Ⅲ型23例，Ⅳ型6例。患者及家属对治疗方法及护理措施等完全知晓，患者性别、年龄等一般资料无显著性意义(P > 0.05)，具有可比性。

纳入标准：①入选患者均符合成人髋臼发育不良临床诊断标准。②患者符合髋关节置换适应证。患者侧髋部、下腰部等出现加重性疼痛，患者伴有关节功能障碍。③患者对手术治疗方案、置换后镇痛麻醉方案等知情同意^[12-13]，试验得到医院伦理委员会批准。

排除标准：①排除不符合临床诊断标准者。②排除合并严重内科基础疾病，如慢性阻塞性肺气肿、肺心病、恶性心率失常等疾病者。③排除不能顺利完成试验者或拒绝参加此次试验者^[14-15]。

采用随机对照方法将患者80例分为对照组和计算机辅助技术组，对照组40例，男22例，女18例，年龄30.2-78.9 岁，平均(35.7±3.1)岁。根据Growe分型：Ⅱ型1例，Ⅲ型2例，Ⅳ型2例。计算机辅助技术组40例，男21例，女19例，年龄31.2-80.0岁，平均(33.1±2.9)岁。

1.4 材料研究中使用的关节假体为碳纤维强化聚醚醚酮树脂，假体由上海华子新材料科技有限公司订制、提供，碳纤维强化聚醚醚酮树脂(CR-PEEK)。将碳纤维添加入聚醚醚酮树脂所产生材料的杨氏模量非常接近皮质骨，制造出较薄的髋臼假体。这种材料已被用于制造新型的薄的马蹄铁形的髋臼假体，可以在保留骨量的同时还能有效地屈曲，进而避免出现应力遮挡。

1.5 方法

1.5.1 置换前检查采用CT对患者进行置换前扫描，扫描时脊柱中线尽量与扫描床中线保持一致，扫描范围从髂脊顶部到膝关节。确定定位像前后位(AP)后，开始扫描，层距1.0 mm，倾度1∶1；对于原始层厚层距为1.25 mm，重建增量0.6 mm，将扫描获得的数据传送到计算机辅助技术可视化数字软件建立模型^[16-17]。

1.5.2 三维数据的重建及处理 ①将获得的CT图形导入M3D数字化软件中进行三维重建，提取髋臼三维结构参数，

密切观察患者髋臼的发育情况，确定真臼的具体位置。参照Ranawat三角标准，将髋臼假体放置在真臼内，采用计算机辅助技术中的三维重建重建图像对冠状面、矢状面等进行切割(图1)，测量髋臼骨壁厚度^[18-19]。同时，在实体模型下观察髋臼前后壁形态结构，并进行模拟假体植入，在计算机辅助技术下确定臼杯大小和型号，模拟臼杯假体植入，观察骨性覆盖情况^[20-21]。

1.5.3 全髋关节置换入选患者均行全髋关节置换，患者手术过程中保持90°侧卧姿势，髋关节后外侧切口，接触髋周围软组织，充分暴露髋臼及股骨截骨部位。在股骨小粗隆上方做一个长为1.5 cm的切口，取出股骨头，充分暴露髋臼骨性结构，确定患者髋臼发育不良类型、程度等，并与置换前三维重建图像进行对比。根据计算机辅助技术在置换前的评价过程中确定的真臼位置、拟定的臼杯的型号对患者进行结构植入^[22-23]。根据置换前拟定的臼杯假体型号大小以及角度等进行研磨，评估髋臼对臼杯的覆盖情况及稳定性，最后放置真臼杯假体，扩髓后放置置换前拟定的股骨柄假体，并检查患者管关节活动度及其生物性能^[24-25]。

1.6 主要观察指标

1.6.1 疗效标准采用Harris评分标准对两组患者临床治疗效果进行评定，总分为100分^[26]。对于得分> 90分为优；得分在80-90分为良；得分在70-79分为中；< 70分为差。

1.6.2 CT测量患者治疗14 d后采用CT测量患者治疗前后外翻角、前倾角髋臼杯前倾角偏移度等指标^[27]。

1.6.3 并发症比较观察两组患者置换后并发症发生率情况。

1.7 统计学分析计量资料用x(_)±s表示，计数资料用百分率表示，采用SPSS 18.0软件对采集到的数据进行分析，组间数据差异的比较采用单因素方差分析和LSD法。P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

成人髋臼发育不良是一种骨科疾病，容易引起髋臼形态结构发生明显的变化。成人髋臼发育不良解剖结构特点：①成人髋臼发育不良造成外倾角较大，并且表现出不规则的骨缺损。对于半脱位者容易形成骨脊，而对于全脱位患者则容易形成假臼^[28]。②成人髋臼发育不良容易造成股骨颈缩短，造成前倾角增大，且形成出现异常，容易向前弯曲。③关节囊增厚，容易与外展肌发生粘连。基于其特殊的结构形态，增加了患者全髋关节置换后假体的选择以及髋臼重建难度。因此，患者置换前应该采取积极有效的措施对患者置换前进行全面评估^[29-30]。

目前，临床上对于成人髋臼发育不良评估方法主要包括：X射线和计算机辅助技术。X射线片虽然能够保证手术的顺利完成，但是该评估方法仅能够为患者提供二维平面信息，并且对于髋臼的三维空间也缺乏了解和认识^[31-32]。近年来，计算机辅助技术在成人髋臼发育不良全髋关节置换中得到应用，且效果理想。此次试验中，计算机辅助技术组优良率显著高于对照组。计算机辅助技术和传统X射线评估方法相比优势较多，通过计算机辅助技术能够对患者置换前计划、术中指导以及置换后锻炼提供参考和依据。计算机辅助技术的运用能够帮助患者在手术过程中实现真臼的重建，恢复到预期的旋转中心，并未患者置换后恢复提供良好的生物力学环境，从而帮助患者恢复髋关节正常的生理功能，能够精确的提取髋臼相关参数，并根据三维CT数据准确评价患者髋关节内部的解剖结构，为患者术中实现真臼重建等提供参考^[33-34]。此次试验中，两组患者治疗前Harris评分差异不显著；计算机辅助技术组治疗后Harris评分显著高于对照组。

计算机辅助技术的运用能够对臼杯假体的植入进行模拟演习，确定其生物学特性。通过计算机辅助技术能够检测不同平面上的数据，确定臼杯的大小及手术的生物性能，如：磨损率、活动度等，选择合适大小直径的股骨头假体，避免患者置换后出现结构植骨的臼杯假体^[35-36]。此外，计算机辅助技术的运用能够将髋臼假体的安放更加精确化、准确化，保证患者手术过程中能够获得良好的骨性覆盖，从而能够提高手术稳定性，降低患者置换后并发症发生率，正确的指导臼杯假体的准确放置^[37-38]。试验中，计算机辅助技术组置换后并发症发生率显著低于对照组。最后，计算机辅助技术的运用能够根据计算结果选择合适的骨侧假体，从不同轴面了解股骨髓腔的雅培情况，使得股骨假体与骨组织更加匹配，提高患者手术治疗效果^[39-40]。此次试验中，两组患者置换后均一期愈合，计算机辅助技术组置换后髋臼假体位置良好，外翻角、前倾角显著大于对照组；计算机辅助技术组髋臼杯外展角偏移度以及髋臼杯前倾角偏移度显著小于对照组。由此看出，计算机辅助技术评价后能够提高患者关节置换后生物性能，患者置换后更加稳定。

综上所述，成人髋臼发育不良全髋关节置换中采用计算机辅助评价效果理想，能够准确的把握真臼解剖特点及与假体的对应关系，帮助患者选择合适的髋臼和假体及髋臼重建方式，提高置换后髋臼的生物性能，具有较高的临床应用价值。

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