机器人辅助全髋关节置换术是否更利于恢复 髋和股骨解剖结构?

2017-10-25   文章来源:译者:广西数字医学与3D打印临床医学研究中心 黄琛慧 上海交通大学生物医学工程院 蔡宗远    点击量:175 我要说

来源:THE INTERNATIONAL JOURNAL OF MEDICAL ROBOTICS AND COMPUTER ASSISTED SURGERY ,v.12, no.2, 2016 June, p.288(8) (ISSN: 1478-5951)

作者:Tsung-Yuan Tsai,Dimitris Dimitriou,Jing-Sheng Li,Young-Min Kwon

研究机构:Department of Orthopedic Surgery,Massachusetts General Hospital,Harvard Medical School, Boston MA, USA

一、前言

全髋关节置换术(THA)中组件错位或对齐不良会导致一些不良反应,如髋关节撞击症、加速假体磨损或断裂、关节边缘负荷、脱位、假体周围骨溶解和二次手术。虽然目前已经限定了髋臼杯角度和髋股骨整体前倾角的安全区,但是THA中组件最优位置和髋臼杯角度安全区范围仍然存在争议。

为了优化髋臼杯和股骨干的位置,各类导航手术被广泛应用于临床并被证实可有效提高组件植入位置的精度。导航THA可成功地降低安全区外的例数;但是一些研究报道,机器人辅助THA和传统徒手THA对比,临床效应无显著提高。全髋置换术(THA)能够为严重髋关节炎、股骨头缺血性坏死和其他髋关节疾病的患者恢复髋关节解剖结构和功能。因此,重建髋关节解剖结构的内容包括前倾角、髋关节中心位置、股骨头中心和下肢长度,这些对髋关节功能至关重要。目前对机器人辅助THA是否能更好的重建髋关节三维角度和位置尚不明确。因此本文通过量化比较植入的髋关节与健侧髋关节的差异的方法来判断机器人辅助THA是否优于传统徒手THA。

二、材料与方法

2.1病例

26名单侧髋关节炎终末期的患者(男9女17)入组本研究。12例接受机器人辅助THA(Robotic Arm Interative Orthopedic System; MAKOplasty® total hip application;MAKO ™ Surgical Corp., Fort Lauderdale, FL, USA),14例接受传统徒手THA。在徒手THA组,髋臼杯植入采用可根据患者骨盆和手术台情况提供髋臼杯的外展和前倾的固定位置参考的引导装置。机器人辅助THA组采用植入 Linear® 假体 (DJOSurgical, Encore Medical, Austin, TX, USA),传统THA组植入Trilogy® Acetabular Hip System 或者Zimmer® M/L Taper Hip Prosthesis(Zimmer, Warsaw, IN, USA)。机器人辅助THA组的假体规格为髋臼杯和股骨头半径50-56和32-40mm;传统THA组的假体规格为髋臼杯和股骨头半径50-56和32-40mm。所有THA均采用非约束型无骨水泥金属聚乙烯假体和后侧入路术式。两组患者的性别、手术左右侧、年龄、身体质量指数、髋臼杯半径和股骨头半径均无统计学差异。所有入组的患者均无髋关节发育不良、脱位或半脱位或手术并发症历史。

2.2基于CT的3D建模和镜像

所有患者进行髋关节CT扫描,使用64排螺旋CT(德国西门子),扫描范围为第5腰椎至股骨中部,以重建髋臼杯,股骨干,股骨和髂骨(图1a)。健侧髋关节模型沿着矢状面镜像生成新模型并采用点-面方法与患侧髋部对齐(图2b)。对镜像模型和患侧的三维偏移分析表明,髂骨和股骨的平均数±标准差分别为0.97±0.19和0.59±0.19mm。

图1,(a)基于CT图像的髋部三维重建,包括髋臼杯,股骨干,股骨和髂骨。左右髂前上棘和耻骨联合构成骨盆前平面。(b)健侧髋部的模型生成患侧的镜像模型并对齐。

2.3髋臼和股骨角度、位置的测量

骨盆坐标系的原点位于两侧髂前上棘连线的中点,x轴垂直于骨盆前平面;X,Y和Z轴分别向前、上方和右侧(图2a)。

将均匀分布在髋臼杯边缘上的30个点数字化并在三维空间上对齐,用于确定骨质的和植入的髋臼杯开口平面。测量髋臼解剖参数、拟合的髋臼杯前倾角和外展角。正常人体髓臼窝近似于半球凹形,直立时其入口平面向 外、向前和向下。一般称向外下倾斜的角度为外展角,向前倾斜的角度为前倾角。拟合的髋臼杯开口平面与水平面的夹角为外展角,与矢状面的夹角为前倾角(图2b)。计算THA植入的髋关节外展角、前倾角与健侧生成的镜像模型的差异。股骨颈轴是股骨颈中段横切面的中心点与股骨头中心的连线。股骨颈轴投射在横截面和冠状面测量健侧与患侧股骨前倾角、颈干角的差异。臼杯与健侧髋臼的前倾角和外展角同样进行计算。

本实验同样测量两侧骨盆和股骨的髋关节旋转中心。最贴合髋臼窝平面运动的球心即是原有生理骨盆旋转中心。股骨头中心是原有生理股骨旋转中心(图2c)。对于全髋置换的患者来讲,患侧的髋关节旋转中心是最贴合股骨头运动球面的中心。健侧和患侧骨盆髋关节旋转中心两者在骨盆坐标系中投影的差异,看作是臼杯的偏移,例如臼杯的内移、外移以及垂直高度的改变。测量患侧与健侧股骨旋转中心的指标,为股骨前后偏移,股骨垂直高度(向上或向下)偏移以及股骨水平位(内外侧)偏移。将假体的变量相结合,计算出术后髋关节的人工假体表面的角度和位置,从而与健侧相比较。通过前后位、上下、内外方向来陈述整体前倾角、外展角和平移的变化。

图2.a骨盆坐标系的原点位于两侧髂前上棘连线的中点,x轴垂直于骨盆前平面;X,Y和Z轴分别向前、上方和右侧。b 臼杯外展角和前倾角示意图。c 股骨坐标系原点为股骨头中心点,Y轴平行于股骨干。计算股骨颈角度的差异,红色虚线和黄色实线分别表示植入的股骨颈轴和健侧股骨颈轴。d X轴垂直于股骨干轴线与原点构成的平面,计算健侧和患侧股骨前倾角。

三、统计方法

计算机器人辅助THA组和传统徒手THA组中每一例患者健侧和患侧髋臼杯外展角、倾斜角、股骨前倾角、颈干角、髋旋转中心位置的差异[中间值、平均值、标准差和变化幅度(最小-最大)],采用Wilcoxon signed秩检验来检验各组中这些差异有无统计学意义。显著性水平为α= 0.05。计算均方根误差来描述差异变化幅度。

四、结果

4.1髋臼杯角度和安全区

健侧髋臼杯前倾角和外展角为17.6±6.1°(范围7.5–35.9°)和52.2±2.8°(范围 47.0–57.6°)。传统徒手THA组髋臼杯前倾角和外展角分别为24.5±17.4°(范围7.7–50.1°) 和 42.2±6.7°(范围34.0–56.8°) ,机器人辅助THA组22.8±5.1°(范围 17.5–33.1°) 和35.4±4.4°(范围30.7–43.0°) (图3)。健侧髋臼杯的前倾角有92%(24/26)的处于Lewinnek 安全区,而外展角仅有 31% (8/26)在Lewinnek 安全区。健侧髋臼杯的角度,即前倾角和外展角都处于Lewinnek 安全区有27% (7/26)。无任何一例(0/26)健侧髋臼杯的角度完全处于 Callanan 安全区。(图3)。机器人辅助THA组的髋臼杯有75% (9/12) 在 Lewinnek 安全区和Callanan安全区,而传统徒手THA组仅有36% (5/14) 。

图3.健侧髋臼杯(蓝色图标)和患侧植入的髋臼杯(红色图标)的外展角和前倾角。(a)为机器人辅助THA组,(b)为传统徒手THA组:每一例患者均测量健侧和患侧的髋臼杯角度,用同一种图案标记;黑色方框代表 Lewinnek安全区,绿色阴影代表 Callanan安全区。

图3.健侧髋臼杯(蓝色图标)和患侧植入的髋臼杯(红色图标)的外展角和前倾角。(a)为机器人辅助THA组,(b)为传统徒手THA组:每一例患者均测量健侧和患侧的髋臼杯角度,用同一种图案标记;黑色方框代表Lewinnek安全区,绿色阴影代表 Callanan安全区。

4.2髋臼和股骨在三维角度上的差异

徒手THA组患侧与健侧对比(表1):植入的髋臼杯前倾角比健侧显著增加12.1±18.3°(p=0.049),外展角减少10.2±6.8° (p<0.001),患侧股骨前倾角 增加11.4±11.9°(Table 2; p=0.003),颈干角增加 1.0±7.2°。对整个髋部结构,患侧的整体前倾角显著增加 23.5±23.6°(p=0.003),联合外展角增加 9.2±9.6° ( p=0.009).

机器人辅助THA组患侧与健侧对比(表1):植入的髋臼杯前倾角比健侧显著增加12.2±11.1° (p=0.005),外展角减少 16.5±6.0° (p<0.001),患侧股骨前倾角增加 7.0±10.5°(Table 2; p=0.003),颈干角增加0.4±6.9°。对整个髋部结构,患侧的整体前倾角显著增加 19.1±11.7°(p<0.001),联合外展角增加 16.9±11.7° (p=0.001).机器人辅助THA组植入的各组件角度的差异显著低于徒手THA组。

4.3髋臼和股骨在三维位置上的差异

徒手THA组患侧股骨位置对比健侧在垂直方向提高 4.2±5.1mm (p=0.025),下肢增长 4.0±4.7mm (表2,p=0.009) 。与之相反,机器人辅助THA组患侧与健侧在股骨位置和下肢长度无明显差异。徒手THA组和机器人辅助THA组中,两侧髋臼杯位置无显著差异(表2)。两组患侧与健侧股骨旋转中心变化幅度均大于髋臼杯旋转中心变化幅度。机器人辅助THA组患侧和健侧髋的位置和角度差异变化幅度小于徒手THA组。

4.4两侧髋位移和角度的均方根误差

机器人辅助THA组健侧与患侧股骨和髋臼杯位移和角度的均方根误差小于徒手THA组,但不包括髋臼杯垂直位移、外展角和髋外展角。徒手THA组和机器人辅助THA组整体前倾角均方根误差分别为 32.7°和22.2° ,整体外展角分别为 20.3° and 13.1°(图4)。

五、结论

THA后植入的髋关节与健侧解剖结构难免有差异,但是机器人辅助THAs比传统THA可以在髋关节角度和位置上提供更高的精度和准确性。因此机器人辅助THA对恢复解剖结构比传统THA更具有潜在优势。

本文有2点不足/局限之处:一是手术都采用后侧入路术式,但是不同的手术步骤可能会导致植入组件的位置差异;二是虽然植入的髋臼杯和股骨头半径一致(50-56和32-40mm),但是不同品牌的植入物在组件位置上可能存在差异。

表1.THA植入髋关节和健侧在髋臼杯角度、股骨干角度、整体髋的角度上的差异

表2.THA植入髋关节和健侧在髋臼杯位置、股骨头位置、整体髋的位置上的差异

表中列出中位数, 平均值 (Avg), 标准差 (SD), 最小值(Min) 和最大值(Max) . 下方的图形表示位移的正负方向

图4.机器人辅助THA组和徒手THA组患者两侧髋位移和角度的均方根误差。“Cup”-髋臼杯,“Stem”-股骨干,“Hip”-整体髋部。深浅颜色分别代表徒手THA组和机器人辅助THA组。A/P前后位移,S/I上下位移,L/M内外侧位移。Ante/Retro前倾/后倾,Add/Abd外展/内收。

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