基于三維數(shù)據(jù)的術(shù)前計(jì)劃指導(dǎo)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)髖臼假體植入的準(zhǔn)確性分析*

魏強(qiáng)徐耀增朱鋒李榮群周志勇戴亞康周軍**

（1.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科，江蘇蘇州215006；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州215163）

精確的術(shù)前計(jì)劃是全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（total hip arthroplasty,THA）獲得成功的重要基礎(chǔ)[1,2]。它有助于減少假體不穩(wěn)定、下肢不等長(zhǎng)、假體周圍骨折、假體松動(dòng)和骨量丟失等術(shù)中和術(shù)后并發(fā)癥[2]。

目前臨床上多采用膠片模板法和數(shù)字模板法進(jìn)行術(shù)前髖臼假體的預(yù)測(cè)[3-5]。但是，這兩種方法都是基于二維數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法，由于受X線片放大率、投照體位等因素的影響，其準(zhǔn)確性難以保證[6]。Petretta等[7]對(duì)260例髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis,OA）患者進(jìn)行THA術(shù)前計(jì)劃，結(jié)果顯示無論是數(shù)字模板法，還是基于數(shù)字圖像的膠片模板法，其髖臼型號(hào)預(yù)測(cè)的完全符合率均僅為28%。Zhao等[8]對(duì)41例CroweⅡ、Ⅲ型髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良（Developmental Dysplasia of Hip,DDH）患者采用數(shù)字模板法預(yù)測(cè)臼杯型號(hào)，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率僅為5%。

盡管有多種影像學(xué)檢查可用于反映髖臼的形態(tài)，但基于CT三維圖像進(jìn)行的測(cè)量是目前反映關(guān)節(jié)置換相關(guān)的髖臼參數(shù)的最主要方法，可以提高手術(shù)中假體安放的準(zhǔn)確性[9]。曾羿等[10]利用Mimics軟件對(duì)20例CroweⅣ型DDH患者進(jìn)行髖臼的術(shù)前計(jì)劃，結(jié)果預(yù)測(cè)髖臼的完全準(zhǔn)確性為70%，在一個(gè)型號(hào)內(nèi)的符合率為100%，具有較高的準(zhǔn)確性。Sariali等[11]對(duì)223例髖關(guān)節(jié)OA患者采用Hip-PLAN三維軟件進(jìn)行THA術(shù)前計(jì)劃，結(jié)果顯示臼杯的完全符合率高達(dá)86%。目前報(bào)道的THA三維術(shù)前計(jì)劃大多針對(duì)單一疾病，如髖關(guān)節(jié)OA或DDH，而很少有學(xué)者采用CT薄層掃描數(shù)據(jù)對(duì)適用于THA的多種髖部疾病進(jìn)行三維術(shù)前計(jì)劃。本研究應(yīng)用CT三維成像技術(shù)，對(duì)擬接受初次THA患者的髖關(guān)節(jié)進(jìn)行CT薄層掃描（層厚0.625 mm），利用Mimics軟件對(duì)上述患者的髖部CT薄層數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成髖部三維模型；利用Rhinoceros 4.0軟件行臼杯模擬，生成180°半球型三維CAD髖臼杯模型；在三維模型上進(jìn)行模擬髖臼假體安放，預(yù)測(cè)臼杯大小、臼杯外展角、旋轉(zhuǎn)中心位置，預(yù)測(cè)結(jié)果與術(shù)后實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較。以評(píng)估基于三維數(shù)據(jù)的術(shù)前計(jì)劃指導(dǎo)THA髖臼假體植入的準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

納入標(biāo)準(zhǔn)：診斷為髖關(guān)節(jié)OA、股骨頭無菌性壞死、DDH擬接受初次生物型THA的患者；術(shù)前檢查無明確THA禁忌證；簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：因其他疾病擬行THA的患者；未能征得患者知情同意。

依據(jù)上述納入與排除標(biāo)準(zhǔn)，共納入2016年10月至2017年5月擬接受初次生物型THA的患者20例共20髖。其中男7例，女13例，年齡平均（61.3±10.2）歲。體重指數(shù)20.0～30.1 kg/m2，平均（24.2±3.3）kg/m2；右側(cè)6例，左側(cè)14例。6例診斷為髖關(guān)節(jié)OA；5例診斷為股骨頭壞死；9例診斷為DDH。所有手術(shù)均由同一位高年資關(guān)節(jié)外科醫(yī)生完成，手術(shù)入路采用后外側(cè)入路者13例，SuperPATH入路者4例，外側(cè)入路（改良Hardinge入路）者3例。所有患者術(shù)前均行髖部CT薄層掃描檢查。髖臼假體選擇Zimmer公司的Continuum 3孔髖臼杯10例，Wright公司的LINEAGE 3孔髖臼杯10例，均為生物型髖臼杯系統(tǒng)。

1.2 設(shè)備和軟件

Brilliance iCT 256層CT（飛利浦）；2T移動(dòng)硬盤（美國Seagate Technology Cor）；醫(yī)學(xué)三維重建軟件：Mimics 17.0軟件（比利時(shí)Mater ialise）；Rhinoceros 4.0軟件（美國Robert McNeel）。

1.3 研究方法

1.3.1 CT數(shù)據(jù)采集：患者取仰臥位，雙下肢內(nèi)旋15°。掃描范圍：髂前上棘至股骨近端1/3。采用飛利浦CT進(jìn)行薄層掃描，掃描參數(shù)：電壓120 kV，電流320 mA，矩陣512×512，掃描層厚0.625 mm。所有CT薄層掃描數(shù)據(jù)均以DICOM格式導(dǎo)出，存儲(chǔ)于移動(dòng)硬盤。

1.3.2 骨盆三維重建：將移動(dòng)硬盤上的數(shù)據(jù)導(dǎo)入個(gè)人計(jì)算機(jī)，采用Mimics 17.0軟件進(jìn)行骨盆三維圖像重建。Mimics軟件進(jìn)行圖像分割的基礎(chǔ)是基于不同的組織具有不同的灰度值，通過灰度值的差別來將不同的組織分開。選擇合適的圖像閾值進(jìn)行分割是三維重建的基礎(chǔ)，閾值選擇過髙，骨組織缺失過多，影響重建仿真度，閾值選擇過低，影響模型微細(xì)結(jié)構(gòu)觀察。根據(jù)在CT圖像中選擇骨組織的經(jīng)驗(yàn)方法，將最低閾值放在皮質(zhì)骨峰的1/3處，自動(dòng)選定骨骼的原始蒙罩。利用區(qū)域增長(zhǎng)功能選定骨盆，分離去掉離散的體素。再利用蒙版編輯功能消除股骨部分，分離出獨(dú)立的骨盆蒙版，計(jì)算骨盆三維模型。對(duì)CT閾值差別所導(dǎo)致的骨盆微小空洞未完全加以修復(fù)。重建的三維模型在Mimics三維模型窗口顯示，模型直觀逼真，仿真度高，可視化效果好。在此界面內(nèi)，可對(duì)模型進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小觀察（圖1）。

1.3.3 臼杯設(shè)計(jì)及模擬植入：利用Rhinoceros 4.0軟件進(jìn)行臼杯模擬，設(shè)計(jì)生成180°半球型三維CAD髖臼杯模型。臼杯最小外徑42 mm，最大外徑70 mm，壁厚3 mm，相鄰型號(hào)間以外徑2 mm遞增，共15個(gè)型號(hào)。以“STL”格式保存并導(dǎo)入Mimics 17.0軟件，作為后期手術(shù)模擬的臼杯模型（圖2）。設(shè)計(jì)的臼杯模型與使用的Continuum 3孔髖臼杯和LINEAGE 3孔髖臼杯外形相似，用于模擬術(shù)中臼杯的植入。

1.3.4 術(shù)前模擬與術(shù)后實(shí)際結(jié)果測(cè)量：在軟件中將臼杯模型植入三維骨盆的髖臼處，模擬髖臼重建。臼杯模型基準(zhǔn)植入角度為外展45°、前傾15°，選擇合適的臼杯型號(hào)，通過平移和旋轉(zhuǎn)的方法同步調(diào)節(jié)臼杯的位置和型號(hào)，使臼杯盡可能與髖臼前后柱骨質(zhì)最大程度地貼合。確定臼杯的位置和型號(hào)后，作一與臼杯完全匹配的圓形，圓心即為髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心（圖3），進(jìn)一步測(cè)量旋轉(zhuǎn)中心位置。先確定通過旋轉(zhuǎn)中心的冠狀面，利用該冠狀面內(nèi)雙側(cè)恥骨最內(nèi)側(cè)兩點(diǎn)連線及其中垂線建立二維坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)中心到橫坐標(biāo)X軸和縱坐標(biāo)Y軸的垂直距離即為臼杯的垂直和水平距離（圖4A）。在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)中心的冠狀面上，臼杯上、下緣連線與雙側(cè)恥骨最內(nèi)側(cè)兩點(diǎn)連線的夾角為臼杯外展角。將Mimics軟件預(yù)測(cè)的髖臼型號(hào)、臼杯外展角、旋轉(zhuǎn)中心位置與術(shù)后實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較。髖臼旋轉(zhuǎn)中心位置的術(shù)后實(shí)際結(jié)果根據(jù)CT橫斷面圖像進(jìn)行測(cè)量（圖4B）。

圖1 Mimics 17.0軟件生成的患者骨盆三維圖像

圖2 導(dǎo)入Mimics 17.0軟件后的臼杯模型

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 17.0軟件（SPPS，美國）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，術(shù)前測(cè)量和實(shí)際的臼杯外展角、旋轉(zhuǎn)中心水平距離和垂直距離之間的差異采用配對(duì)設(shè)計(jì)資料t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α值取雙側(cè)0.05。

2 結(jié)果

2.1 臼杯型號(hào)

采用計(jì)算機(jī)三維方法預(yù)測(cè)的臼杯大小為46～54 mm，平均（50.50±1.88）mm；術(shù)后實(shí)際植入的臼杯大小為46～54 mm，平均（50.40±1.85）mm。3例患者術(shù)前預(yù)測(cè)型號(hào)與術(shù)后實(shí)際使用型號(hào)不一致，相差均為1個(gè)型號(hào)（2 mm）。術(shù)前預(yù)測(cè)型號(hào)與術(shù)后實(shí)際大小差異為0～2 mm，平均（0.30±0.71）mm。

2.2 臼杯外展角和旋轉(zhuǎn)中心

與實(shí)際的臼杯外展角相比，術(shù)前預(yù)測(cè)的臼杯外展角總體上偏小，差異為 0.05°～4.03°，平均 1.71°±1.34°。與實(shí)際的髖臼旋轉(zhuǎn)中心相比，術(shù)前預(yù)測(cè)的旋轉(zhuǎn)中心在水平方向相差0.55～4.06 mm，平均（1.48±0.92）mm；在垂直方向相差 0.20～8.21 mm，平均（2.46±2.38）mm。上述指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

3 討論

3.1 THA二維模板法術(shù)前計(jì)劃的局限性

THA術(shù)前計(jì)劃以往最常采用傳統(tǒng)的膠片模板法。隨著數(shù)字影像的進(jìn)步，數(shù)字模板法在THA術(shù)前計(jì)劃中也得到廣泛應(yīng)用。但無論是膠片模板法，還是數(shù)字模板法，亦或是基于數(shù)字圖像的膠片模板法，其本質(zhì)都是傳統(tǒng)的二維模板法，缺乏三維空間信息及多重骨組織區(qū)分能力，受到多種因素的影響。為保證模板測(cè)量的準(zhǔn)確性，X線片的放大率應(yīng)符合模板測(cè)量的要求。常用的膠片模板的放大率一般為115%或120%，理論上，相應(yīng)的X線片的放大率也必須是115%或120%。但是在臨床實(shí)際應(yīng)用中，X線片的放大率難以絕對(duì)統(tǒng)一，從而導(dǎo)致無論是膠片模板還是數(shù)字模板，其測(cè)量結(jié)果與人體實(shí)際測(cè)量結(jié)果均存在誤差，影響了這兩種術(shù)前計(jì)劃方法的實(shí)際效果。如Unnanuntana等[12]對(duì)108例接受THA的患者使用膠片模板法預(yù)測(cè)臼杯型號(hào)，其完全符合率僅為42%。Petretta等[7]在對(duì)260例患者進(jìn)行基于數(shù)字圖像的膠片模板法和數(shù)字模板法術(shù)前計(jì)劃比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者預(yù)測(cè)臼杯的完全符合率僅為28%，相差一個(gè)型號(hào)內(nèi)的符合率分別為77%和70%。

圖3 通過Mimics軟件模擬THA術(shù)中臼杯植入

圖4 確定旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)后，測(cè)量旋轉(zhuǎn)中心位置

表 1 基于三維重建圖像術(shù)前預(yù)測(cè)的臼杯外展角和旋轉(zhuǎn)中心與術(shù)后實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較（ x±s,n=20）

3.2 基于CT三維重建圖像的術(shù)前計(jì)劃的優(yōu)勢(shì)

CT掃描被認(rèn)為能夠較X線片更確切地反應(yīng)髖臼的相關(guān)解剖學(xué)形態(tài)[13]。Lattanzi等[14]介紹了一款基于三維CT的術(shù)前模板測(cè)量軟件Hip-Op，能根據(jù)三維CT數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的描述髖關(guān)節(jié)解剖的內(nèi)部特征，并在三維空間內(nèi)選擇最佳匹配的假體尺寸及植入位置，通過分析模塊計(jì)算出假體匹配的水平。Viceconti等[15]利用Hip-Op三維軟件對(duì)30例接受THA的患者進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃，結(jié)果顯示65.5%的患者臼杯與術(shù)中使用的完全一致，在一個(gè)型號(hào)內(nèi)的臼杯符合率為93.1%。Sariali等[16]進(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)于THA術(shù)前計(jì)劃的的隨機(jī)對(duì)照研究顯示，利用HIP-PLAN三維軟件對(duì)30例髖關(guān)節(jié)OA患者進(jìn)行THA術(shù)前計(jì)劃，預(yù)測(cè)臼杯的完全符合率為96%，而采用傳統(tǒng)二維模板預(yù)測(cè)臼杯的完全符合率僅為43%。曾羿等[10]利用Mimics軟件對(duì)20例CroweⅣ型DDH患者進(jìn)行THA術(shù)前計(jì)劃，結(jié)果預(yù)測(cè)髖臼的完全準(zhǔn)確性為70%，在一個(gè)型號(hào)內(nèi)的符合率為100%，具有較高的準(zhǔn)確性。Inoue等[17]利用ZedHip三維軟件對(duì)65例DDH患者進(jìn)行THA術(shù)前計(jì)劃，結(jié)果提示92%的臼杯型號(hào)與術(shù)中所使用的完全一致。本研究根據(jù)采集的髖部CT薄層掃描數(shù)據(jù)，利用Mimics軟件生成髖部的三維數(shù)據(jù)模型，利用Rhinoceros 4.0軟件行臼杯模擬，生成180°半球型三維CAD髖臼杯模型；在三維模型上進(jìn)行模擬髖臼假體安放。結(jié)果預(yù)測(cè)臼杯的完全符合率為85%，相差一個(gè)型號(hào)內(nèi)的臼杯預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為100%。預(yù)測(cè)的髖臼假體的外展角和旋轉(zhuǎn)中心的位置與術(shù)后實(shí)際測(cè)量結(jié)果無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。本研究的有關(guān)結(jié)果與上述學(xué)者的結(jié)果均證明了基于CT三維重建圖像的術(shù)前計(jì)劃的前景和價(jià)值。本研究中臼杯型號(hào)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性略高于Viceconti等[15]的結(jié)果，可能的原因是本研究采用了CT薄層掃描數(shù)據(jù)（本研究層厚0.625 mm，后者層厚為3～5 mm），在重建髖部三維圖像上精確性更高，提高了臼杯預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。且本研究納入的患者既包括髖關(guān)節(jié)OA，也包括了股骨頭壞死和DDH等多種適用于THA的髖部疾病，在臨床推廣性上相對(duì)較高。

綜上，精確的術(shù)前計(jì)劃是THA的重要步驟，有利于重建髖關(guān)節(jié)的正常結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)手術(shù)操作有重要指導(dǎo)價(jià)值。本研究提示，采用基于三維數(shù)據(jù)的術(shù)前計(jì)劃進(jìn)行預(yù)測(cè)，能提高THA術(shù)中臼杯型號(hào)選擇和植入位置的準(zhǔn)確性。未來三維術(shù)前計(jì)劃在臨床的進(jìn)一步推廣，還需要不斷優(yōu)化CT掃描方法，簡(jiǎn)化三維模擬操作，節(jié)省時(shí)間和成本。

本研究仍存在一定局限性：①本研究納入的病例數(shù)相對(duì)較少，今后需要增加樣本量提高研究的論證強(qiáng)度和可重復(fù)性。②本研究依照傳統(tǒng)二維模板法術(shù)前計(jì)劃評(píng)價(jià)的慣例，將術(shù)中實(shí)際使用的臼杯型號(hào)作為和該髖臼匹配的最佳臼杯型號(hào)，并進(jìn)而判斷基于CT三維重建圖像術(shù)前計(jì)劃預(yù)測(cè)臼杯型號(hào)方面的準(zhǔn)確性，是否合適，有待商榷。③本研究雖然為前瞻性研究，但缺乏對(duì)照組，論證強(qiáng)度有所降低。④由于本研究中近半數(shù)患者為DDH患者，骨盆多存在旋轉(zhuǎn)畸形和傾斜，因此未考慮在水平軸位對(duì)髖臼假體的前傾角進(jìn)行測(cè)量和分析。⑤本研究所使用的Mimics和Rhinoceros軟件與國外報(bào)道的術(shù)前計(jì)劃軟件如Hip-PLAN和ZedHip有一定的區(qū)別。需要先利用Rhinoceros軟件設(shè)計(jì)出髖臼臼杯假體的模板，然后導(dǎo)入Mimics軟件，進(jìn)行臼杯植入的模擬和測(cè)量，過程較為繁瑣，臨床醫(yī)生熟練使用該方法有一定的學(xué)習(xí)曲線。

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