术中画线法与三维重建术前模拟测量股骨截骨旋转角度对比的体外实验

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3850

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (21): 3349-3353.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3850

• 骨与关节图像与影像 bone and joint imaging • 上一篇下一篇

术中画线法与三维重建术前模拟测量股骨截骨旋转角度对比的体外实验

林天烨1，杨鹏1，熊冰朗2，何晓铭2，颜新昊2，张进3，何伟1，魏秋实1

1广州中医药大学第三附属医院，广东省广州市 510405；2广州中医药大学第一临床医学院，广东省广州市 510080；3广州中医药大学，广东省广州市 510000

收稿日期:2020-07-14 修回日期:2020-07-16 接受日期:2020-08-26 出版日期:2021-07-28 发布日期:2021-01-23
通讯作者: 魏秋实，副主任医师，博士后，博士生导师，广州中医药大学第三附属医院，广东省广州市 510405
作者简介:林天烨，男，1992年生，广东省云浮市人，在读博士，主要从事中西医结合治疗骨伤科疾病研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81873327)，项目负责人：何伟；广东省中医药局科研项目(20191116)，项目负责人：杨鹏

Comparison of preoperative three-dimensional reconstruction simulation and intraoperative drawing of femoral osteotomy to measure rotation angle in vitro

Lin Tianye1, Yang Peng1, Xiong Binglang2, He Xiaoming2, Yan Xinhao2, Zhang Jin3, He Wei1, Wei Qiushi1

1Third Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 2First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China; 3Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510000, Guangdong Province, China

Received:2020-07-14 Revised:2020-07-16 Accepted:2020-08-26 Online:2021-07-28 Published:2021-01-23
Contact: Wei Qiushi, Associate chief physician, MD, Doctoral supervisor, Third Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Lin Tianye, Doctoral candidate, Third Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81873327 (to HW); the Scientific Research Project of Guangdong Provincial Bureau of Traditional Chinese Medicine, No. 20191116 (to YP)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
股骨旋转截骨术：用于髋关节脱位的手术治疗，通过股骨旋转截骨可矫治严重股骨颈前倾畸形，同时通过股骨缩短截骨可使股骨头在无张力下复位，还可做楔形截骨矫正髋外翻或髋内翻畸形。
术前可视化模拟：术前利用计算机图形学和图像处理技术将数据转换成图像在屏幕上显示出来，CT扫描得到的DICOM数据分别导入到Mimics 16.0系统、Geomagic-Studio11系统进行三维重建，通过Solidworks进行术前模拟。

背景：临床上治疗发育性髋关节发育不良股骨颈前倾角增大者常通过股骨上端旋转截骨来实现，而如何术中精准控制旋转角度及位移是手术成功的关键。
目的：对比三维重建术前模拟与术中画线法两种股骨截骨旋转角度测量方法在矫正股骨颈前倾角中的价值。
方法：取正常成人股骨标本进行体外旋转截骨，画线组通过公式计算股骨上端向前及向后各旋转2，4，6，8 mm所得的前倾角(共8组)，然后在股骨标本上完成旋转截骨操作，CT扫描测量术后实际所得前倾角；术前模拟组对完整股骨标本行三维重建，对上述计算所得前倾角，通过Solidworks进行术前模拟股骨截骨旋转至特定角度，测量股骨截骨端表面位移(弧长)，然后根据弧长在股骨标本上进行旋转截骨，CT扫描测量术后实际所得前倾角。将两组术后实际所得股骨颈前倾角与计算所得股骨颈前倾角进行对比分析。
结果与结论：①画线组术后实际测量的前倾角为(8.4±26.2)°，术前计算所得前倾角为(10.3±26.5)°，两者比较差异有显著性意义(P < 0.05)；②术前模拟组术后实际测量的前倾角为(10.4±26.6)°，与术前计算所得前倾角(10.3±26.5)°比较差异无显著性意义(P > 0.05)；③结果表明，三维重建术前模拟与术中画线法指导股骨旋转截骨均能有效纠正过大股骨前倾角，三维重建术前模拟较术中画线法的误差更小，三维重建术前模拟可以使股骨旋转截骨更加精准化、个性化、智能化。

https://orcid.org/0000-0002-0286-5425 (林天烨)

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

关键词: 骨, 画线法, 发育性髋关节发育不良, 股骨截骨, 前倾角, 脱位, 三维CT, 术前模拟

Abstract: BACKGROUND: Clinical treatment of the increased anteversion angle of the femoral neck in developmental dysplasia of the hip is often achieved by rotating osteotomy at the upper end of the femur, and how to accurately control the rotation angle and displacement during the operation is the key to the success of the operation.
OBJECTIVE: To compare the value of two femoral osteotomy rotation angle measurement methods in the correction of the anteversion angle of the femoral neck by three-dimensional reconstruction simulation before operation and intraoperative line drawing.
METHODS: Normal adult femur specimens were taken for external rotation osteotomy. In the line drawing group, formulas were used to calculate the anterior inclination angle of the upper end of the femur by 2, 4, 6, and 8 mm (total 8 groups). The rotation osteotomy operation was completed. CT scan was used to measure the actual postoperative anteversion angle. In the preoperative simulation group, three-dimensional reconstruction of the intact femoral specimen was performed, and the calculated anteversion angle was performed by Solidworks to simulate the femoral osteotomy rotation to a specific angle before surgery. The surface displacement (arc length) of the femoral osteotomy end was measured, and then a rotary osteotomy was performed on the femoral specimen according to the arc length. The actual anteversion angle obtained after the CT scan was measured. The actual postoperative femoral neck anteversion angle and the calculated femoral neck anteversion angle were compared and analyzed in both groups.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The actual measured anteversion angle after the line drawing group was (8.4±26.2)°, and the calculated preoperative anteversion angle was (10.3±26.5)°; there was a significant difference between the two (P < 0.05). (2) The actual measured anteversion angle in the preoperative simulation group was (10.4±26.6)°, which was not significantly different from the calculated preoperative anteversion angle (10.3±26.5)° (P > 0.05). (3) The results showed that three-dimensional reconstruction pre-simulation and intraoperative line-drawing method to guide femoral rotation osteotomy can effectively correct the excessive femoral anteversion angle. The preoperative simulation of three-dimensional reconstruction has smaller errors than the intraoperative line-drawing method. The preoperative simulation of three-dimensional reconstruction can make the femoral rotation osteotomy more precise, personalized and intelligent.

Key words: bone, line drawing method, developmental hip dysplasia, femoral osteotomy, anteversion, dislocation, three-dimensional CT, preoperative simulation

中图分类号:

林天烨, 杨鹏, 熊冰朗, 何晓铭, 颜新昊, 张进, 何伟, 魏秋实. 术中画线法与三维重建术前模拟测量股骨截骨旋转角度对比的体外实验[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(21): 3349-3353.

Lin Tianye, Yang Peng, Xiong Binglang, He Xiaoming, Yan Xinhao, Zhang Jin, He Wei, Wei Qiushi . Comparison of preoperative three-dimensional reconstruction simulation and intraoperative drawing of femoral osteotomy to measure rotation angle in vitro [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(21): 3349-3353.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

发育性髋关节发育不良(developmental dislocation of the hip，DDH)是常见的髋关节形态、位置异常疾病，轻者可以导致髋关节不稳，重者可致髋关节脱位甚者不可复位[1]。相关数据显示，国内DDH发病率为0.9%-3%，男女比率为1∶(5-7)[2]。目前造成DDH的病因尚未明确，可能与胎儿发育环境、儿童培育环境、关节囊及韧带的松弛、内分泌影响、遗传等相关[3]。研究显示，DDH仍然是成人发展为髋关节炎及行髋关节置换的主要原因[4]，因此对DDH的早期干预是预防髋关节疼痛出现、改善髋关节功能、延迟甚至避免关节置换的有效措施[5]。DDH病理改变比较复杂，既有骨性改变也有软组织改变，髋臼浅小、覆盖不足、髋臼角增大、股骨近端改变等都是常见的DDH骨性改变。其中股骨颈前倾角增大是常见的DDH股骨近端改变，纠正增大的股骨颈前倾角是恢复髋关节正常生物应力的关键，也是治疗DDH脱位的重要方法。因此，临床上治疗DDH患者股骨颈前倾角增大者常通过股骨上端旋转截骨来实现。然而，如何术中精准控制旋转角度及位移是手术成功的关键，常用的方法有“手摸心会”法、画线法、量角法等，目前尚无统一标准[6]。随着数字骨科技术的发展，术前三维重建模拟手术越来越受到临床骨科医师的重视。模拟手术不仅可以精准、有效指导手术的开展，还可以缩短手术时间、减少手术创伤[7]。此次研究通过体外实验比较三维重建术前模拟与术中画线法两种股骨截骨旋转角度测量方法在矫正股骨颈前倾角中的价值，为股骨近端旋转截骨治疗DDH脱位的精准角度及弧长的测量提供依据，进而科学设计手术方案并指导完成手术，以期为临床操作提供有效参考。
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

材料方法

1.1 设计体外对比实验。
1.2 时间及地点实验于2019年10月至2020年1月在广州中医药大学完成。
1.3 材料由广州中医药大学人体解剖学教研室提供成人尸体股骨标本1只，经放射线透视证实标本无病理性改变，标本外观完整，软组织剔除干净。标本性别、年龄、民族、国籍不详。该实验方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和广州中医药大学第一附属医院对研究的相关伦理要求(医院伦理批件号批号：JY[2019]061)。
直接测量设备：游标卡尺(精度0.2 mm，上海量具厂)，直尺，角尺。
三维重建设备：Siemens CT机，PRE-SIONTM 650工作站、IBM PC。
软件：三维建模软件Mimics 16.0 (Materialise公司)，模型处理子模块3-Magic、分析软件Geomagic12.0与Solidworks 2014。
1.4 实验方法
1.4.1 画线组根据文献[6]报道的方法在股骨小转子下方约2.0 cm 处标记截骨线以及近端旋转截骨参照线；经CT扫描测量术前股骨前倾角为10.3°，手术缝线绕截骨处一周，测量截骨处股骨干周径C=79.3 mm，计算旋转截骨度数α，对应弧长X，计算公式：X=α/360°×C，术后前倾角=10.3°±α(此实验股骨上端设定向前或向后旋转)。使用线距在一股骨截骨标记处进行截骨，把股骨上端向前、后分别旋转(弧长X)2，4，6，8 mm，共8组(a、b、c、d、e、f、g和 h组)。每次旋转后把股骨上下端固定，并进行CT扫描，然后导入Mimics 16.0软件进行三维重建并测量术后前倾角，对比实际旋转所得的术后前倾角β和计算所得术后前倾角γ(图1)。

1.4.2 术前模拟组在股骨未截骨直接进行CT扫描，生成的图像文件保存为DICOM格式，CT扫描得到的DICOM数据分别导入到Mimics 16.0系统、Geomagic-Studio11系统进行三维重建。通过Solidworks 2014软件在股骨小转子下方约2 cm处进行模拟截骨(在截骨处上、下端进行标记)，并根据8组上述计算所得术后前倾角γ，把股骨上端向前、后分布旋转至术后所得计算的前倾角γ，然后此处测量每组对应的截骨处的弧长Y。在股骨标本上截骨把股骨上端向前、后分别旋转弧长Y，共8组(A、B、C、D、E、F、G和H)。每次旋转后把股骨上下端固定，并进行CT扫描，然后导入Mimics 16.0软件进行三维重建并测量术后前倾角，对比实际旋转所得的术后前倾角δ和计算所得术后前倾角γ(图2)。

1.5 主要观察指标两组术后实际所得股骨颈前倾角与计算所得股骨颈前倾角。
1.6 统计学分析采用SPSS 20.0 软件进行统计分析，计量资料采用x±s或中位数(可信区间)来表示，两组间比较采用配对t 检验(正态分布数据)或秩和检验(非常态分布数据)，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

髋关节的稳定与良好的髋臼覆盖率、形态正常的股骨近端及强大髋周韧带及肌肉等因素相关。当DDH患者发生脱位后，头-臼关系失常，髋关节应力传导亦出现异常，股骨头颈部失去髋臼前方的压力限制，而髂骨翼压迫股骨头后方使其向前旋转，导致股骨前倾的塑形因失去正常力学环境而产生轴面外旋；因此，临床观察发现多数DDH患者出现股骨颈前倾角增大，增大的股骨颈前倾角导致人体与股骨负重力学出现扭矩，而引起应力集中，使髋关节处于失稳的状态[8]。在手术治疗DDH脱位时，如果单纯的增加髋臼覆盖率，没有把股骨颈前倾角减小至正常范围内，头-臼不匹配致使髋关节集中，进而导致髋臼指数逐步增大，可引起髋关节反复脱位[9]，因此治疗DDH应该同时联合股骨选择截骨以纠正增大的股骨颈前倾角。研究发现骨盆Salter截骨联合股骨截骨治疗儿童DDH脱位是安全、有效的[10-12]。合理的手术指征、规范的筛选患者可以保证手术的成功率。研究认为，当股骨前倾角> 45°需要进行股骨旋转截骨纠正[13]。Wolf 定律指出骨的结构与功能是密切关联的，骨结构改变后其相应的功能也会随之而改变[14-15]。因此，也不能过大的对股骨颈前倾角进行纠正，过大的纠正术后可能会出现外旋步态及股骨颈后倾等步态，应以健侧作为参考，把股骨颈前倾角控制在15°-25°[16]。因此，术中如何精准控制旋转角度及位移是手术成功的关键。
目前，对于术中如何控制旋转角度的方法主要有“手摸心会”法、量角法、画线法等，“手摸心会”法主要是经验丰富的手术医生根据术前的估计术中凭借经验对股骨上端进行旋转，此方法误差范围较大且不适于临床推广。量角法主要是通过股骨远、近端分别打入一枚克氏针，要求此两枚克氏针必须要在一个同心圆上(术中透视股骨正侧位针尖均要在中心位置)，通过测量并控制两枚克氏针夹角来实现术中对股骨颈前倾角的控制[6]。此方法可以在一定范围内控制旋转截骨时对股骨颈前倾角的影响，然而，实际手术进行克氏针透视时难以将两枚克氏针刚好交于截骨面圆心，此时不仅会增加旋转对股骨颈前倾角的影响，反复对克氏针进行调整亦会增加对患儿骨质的创伤、增加手术时间。画线法是一个简单、方便、有效的控制旋转截骨对股骨颈前倾角的方法。实验通过画线法计算在股骨标本上进行旋转截骨，经CT扫描测量股骨颈前倾角，结果发现实际测量所得的股骨颈前倾角与计算所得的股骨颈前倾角相比差异有统计学意义，实际测量所得的要小。考虑原因为此方法是把股骨截骨端看作为圆形，实际股骨小转子下1.0-2.0 cm处为椭圆形，所以通过公式计算指导下的旋转截骨后股骨颈前倾角要比术前预计的小。
计算机技术的高速发展给骨科带来了重大的机遇与挑战。数字骨科是通过计算机技术与骨科相结合的一门应用学科，不仅可以在疾病诊疗当中进行模拟分析，还可以设计出智能化、个性化、微创化的骨科手术[17-19]。骨的形态结构复杂，二维图像资料不利于骨科医师对疾病的立体化认识，且难以在骨科同道中进行广泛交流[20-21]。对于复杂的髋关节手术而言，手术部位毗邻重要的结构组织，手术操作空间有限，术中的多次C臂机透视使医患辐射伤害显著增加[22]，因此数字骨科的合理运用不仅可以对疾病有直观的认识，也有利于骨科手术的进行。术前模拟操作可以早期发现手术关键区域及评估手术难度，有利于科学设定手术方案及做好备选方案[23-25]。王宏等[26]在三维CT模拟手术(骨盆三联截骨术+股骨截骨术)指导下治疗20例大龄DDH患儿，结果发现与传统手术相比术前模拟组疗效更好，术前模拟组术中可以做到精确截骨及准确调整旋转角度，使治疗更加个体化。实验通过CT扫描所得数据进行三维重建，提前计算好设定旋转截骨术后的股骨颈前倾角，然后在Solidworks 2014软件上进行手术模拟，通过术前模拟所得的旋转弧长在股骨标本上进行操作，结果发现实际所得的股骨颈前倾角与计算所得的股骨颈前倾角相比差异无统计学意义，说明经术前模拟操作可以提高对旋转截骨角度及弧长的控制，有效获得预期的股骨颈前倾角。
综上所述，三维重建术前模拟与术中画线法指导的股骨旋转截骨均能有效纠正过大股骨前倾角，三维重建术前模拟比术中画线法的误差更小，三维重建术前模拟可以使股骨旋转截骨更加精准化、个性化、智能化。实验不足之处：使用股骨标本较少，可能存在个体差异；且属于体外实验，所得结论仍需要大量临床病例进行验证。
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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