三维重建技术分析研究全髋置换术是否恢复​原有髋关节解剖结构

2017-11-28   文章来源:译者:梁俊杰 广西数字医学与3D打印临床医学研究中心    点击量:88 我要说

来源International Orthopaedics, 2014 Aug; 38(8): 1577–1583.

作者Tsung-Yuan Tsai , Dimitris Dimitriou, Guoan Li ,Young-Min Kwon

研究机构:Bioengineering Laboratory, Department of Orthopaedic Surgery,Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School, Boston, MA, USA

摘要

目的:髋关节假体放置的角度和位置,是影响髋关节功能恢复的重要因素。但是,在使用X线和二维CT技术测量时,受到患者体位改变的影响。本研究通过使用三维CT技术, 探讨目前全髋关节置换术是否恢复原有髋关节几何形态。

方法:14名已进行了单侧全髋关节置换的患者,接受三维CT扫描重建髋关节。通过将健侧髋关节镜像反射至患侧,比较双侧髋关节在几何形态结构上的差异。

结果:本研究表明此次单侧髋关节置换的患者,患侧综合髋关节前倾角(联合臼杯和股骨假体前倾角)和髋关节垂直偏移量分别增加25.3°±29.3°(从−25.7°至 55.9°, p=0.003) ,以及4.1±4.7 mm (从−7.1至9.8 mm, p=0.009)。

结论:本研究的数据表明在单侧髋关节置换的病患中,相对于健康侧来说,患侧髋关节的解剖参数在手术后并没有被恢复。

1、前言:全髋置换术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功能。其中全髋关节置换的重要手术目的是解决髋关节退变带来的不便。髋臼杯和股骨柄放置的角度和位置直接影响重建髋关节面的负载情况,以及周围组织结构的受力表现。假体错位或放置偏差大,将导致一系列并发症,例如髋臼撞击综合征、脱位、加速假体磨损和断裂、周围骨组织溶解、造成假体边缘负载,以及增高血液中金属浓度。恢复髋关节生理角度和位置(如原有髋关节前倾角、股骨头中心的位置和患肢长度)对改善髋关节功能起到至关重要的作用。

之前文献报道通过X线和二维CT测量全髋置换术后髋臼杯角度与位置。Lewinnek等学者提出臼杯的角度如果在一个安全范围内,可减少脱位的发生率。臼杯如果偏上外侧,导致髋关节受力明显增加和假体磨损加快。目前,有学者提出改善组合后的前倾角(结合臼杯和股骨假体的前倾角)能够降低全髋置换术后脱位的发生率。而且,股骨偏心距的差异与全髋置换术后效果不理想密切相关。但是,目前由于没有数据资料比较健侧和全髋置换后的股骨、髋臼的三维角度和位置,所以全髋关节置换术是否能够恢复患肢原有的三维生物几何角度和位置,仍然未知。

本实验的目的是通过CT扫描和三维建模技术,测量已进行单侧全髋置换病人的髋关节,与健侧髋关节之间角度和位置的差异,探讨目前全髋关节置换术是否恢复原有的生物解剖。

2、对象和方法

2.1病例

14名髋关节骨性关节炎的患者,其中7名男性,6名女性。均已行单侧全髋置换术。所有纳入患者均使用捷迈非骨水泥型髋臼杯,耐受高交联聚乙烯内衬,ML柄和钴铬钼合金股骨头(捷迈公司)。臼杯和股骨头规格分别为50-56mm,32-36mm。患者平均年龄为58.5岁(±7.0,范围47-70岁)。平均身高、体重分别为168.9cm(±8.4,范围157.5-185.4cm)、86.6kg(±14.3,59.9-103.0kg)。其中平均体脂比为29.4(±3.6,范围20.7-31.8)。术后平均随访时间为16.5个月(±13.3,范围6-39个月)。所选患者术后无脱位、半脱位或者其他外科并发症。

2.2三维CT重建模型与镜像反射技术

根据上文提及签订的研究方法协议,每个患者都行CT扫描(64排,西门子,德国),部位从第五腰椎到股骨中段,这样能够获取臼杯杯面、股骨柄、股骨和髋骨(髂骨、坐骨、耻骨)(图1)。为了比较全髋关节置换术和对侧髋关节的解剖测量方法,根据矢状面镜面反射对侧髋骨和股骨的表面模型。然后用迭代最近点法将镜像模型与患侧股骨和髋关节对准。对镜像模型和患侧的三维偏移分析表明,股骨距的平均±标准差为0.98±0.24 mm,股骨近端0.69±0.26 mm。

2.3髋臼和股骨的角度/位置测量

骨盆前平面作为骨盆坐标系的y-z平面,z轴与内外轴平行(图2)。为测量配准后的髋关节和患侧管关节的臼杯角度,通过数字化技术,在髋臼杯边缘均匀分布30个点。并通过三维平面确定各骨与假体杯口平面。髋臼解剖前倾角的定义是在水平位上,最贴合臼杯口的平面与矢状面之间的角度。髋臼外展角定义是在冠状面上,臼杯平面与横切面形成的夹角。股骨颈轴定义是股骨颈中段截面的中心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。原有生理股骨旋转中心是股骨头中心。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,可看作是臼杯的偏移,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。

3.统计学分析

两侧(髋臼外展角、臼杯前倾角、股骨前倾角、颈干角和髋关节旋转中心)的差异均通过解剖轴进行测量。两侧各自的平均值、均差和范围也经计算。为显示整体角度和位置差异的变化量大小,本实验也同样计算患者之间的均方根误差。K-S检验得出本实验变量为非正态分布。通过秩和检验检测测量差异是否起因于一个连续的、零位对称分布。取P<0.05。

4.结果

4.1 三维重建下臼杯和股骨前倾角角度差异

健侧髋臼前倾角和外展角的中位数分别20.4°(SD=5.7,9.2°-29.4°),52.3°(SD=2.7,48.4°- 57.6°)。健侧的髋臼前倾角和外展角中位数分别是37.3°(SD=21.0,-10.1°- 58.7°),40.0°(SD=6.7,34.0°-56.8°)。患侧的髋臼前倾角显著增加12.3°±18.3°(如图3,p=0.049)。相比健侧,患侧髋臼外展角度减少10.2°±6.8°(p<0.001)。患侧股骨前倾角显著增加11.4°±11.9°(表1,p=0.003)。患侧颈干角增加1.0°±7.2(表1,p=0.463)°。结合所有患侧测量数据,整体前倾角增加23.5°±23.6°(表1,p=0.003)。整体外展角增加9.2°±9.6°(表1,p=0.003)。

4.2三维重建下臼杯和股骨位置差异

全髋置换与健侧髋关节髋臼位置的差异没有统计学意义(表2所示)。臼杯在各个方向平均偏移<2mm,范围由-6至6mm(表2所示)。另一方面,患侧股骨水平和垂直偏移分别平均增加2.2±4.9mm(-4.8至15.1),4.2±5.1mm(-2.5至12.6)(p=0.153;0.025,如表2所示)。考虑到全髋置换术后臼杯和股骨柄的的位置,患肢的长度明显平均增加4.1±4.7mm(-7.1至9.8,p=0.009,表2 所示)。

5.讨论

改善假体角度,股骨柄偏移方向和恢复患肢长度与全髋置换术满意疗效紧密相关。然而,通常术后测量假体角度与方向是基于X线和二维CT,这两种技术在拍摄过程中往往收到患者髋关节旋转和骨盆倾斜的影响。本实验是首先使用准确度高和经验证的三维重建CT技术,测量单侧全髋置换与健侧两者髋关节之间的角度和位置。本实验结果显示,全髋置换的患者整体髋关节前倾角和股骨垂直偏移均比健侧增加。这提示全髋置换术后并没完全恢复原有髋关节的角度和位置。通常使用前后位X线片测量骨盆,股骨水平方向的偏移会偏小。二维CT技术可能较难选择适合的层面和可重复利用的生理标志点。CT三维重建模型和镜像反射技术在拍摄过程中,不受髋关节旋转和骨盆倾斜的影响。镜像反射和表面配准技术能够量化两侧几何形态的局部差异,并且不受骶髂关节运动和患者体位的影响。因此CT三维重建和镜像反射技术能够准确计算两侧的不对称性。

本实验单侧全髋置换的患者有12.3°(-27.1°至34.4°)的臼杯前倾角,11.4°(-10.6°至27°)的股骨前倾角,均比之前文献报道的大。尽管实验结果趋势大致相同,但其中本实验中数据差异较大,可能与不同精准度的测量方法有关。本实验结果还显示整体前倾角较对侧增加23.5°(-25.7°至55.9°)。这意味患侧髋关节较对侧内旋平均增加23.8°,股骨内收平均增加8.2°,会增加髋臼撞击的可能性。本实验结果显示患肢长度增加与股骨垂直偏移量相关。

本实验不足有四点:

1.实验对象均使用相同单一的全髋置换假体,股骨柄均为非骨水泥型,这类型结构与股骨近端解剖接近,导致股骨柄的方向调整受到一定限制。

2.每个患者的假体放置要求可能均有差异。但是在外科手术中,假体放置都必需遵循该手术的“安全区域”,因为这是全髋置换的一个重要环节。而且本实验的研究对象没有一例是髋关节病理性解剖结构,例如髋关节发育不良,这类患者由于术中髋臼和股骨的形态和周围骨存量多少,来改变原先假体放置的方案。

3.患者髋关节表面模型的建立,是在平卧位下扫描完成的。骨盆静止状态或许跟站立位时有差异,由于骶髂关节在重力下维持平衡,这或许会影响骨盆坐标系的建立。但是由于本实验单独研究髋关节,所以数据不受患者体位影响。

4.由于有些患者考虑CT的辐射副作用,不同意参加本实验研究,导致本实验患者数量过少。

总之,这是首次报道使用CT三维建模和镜像技术量化单侧THA术后患者两侧髋关节的位置和角度的变异,从而评估THA是否恢复髋关节原有立体解剖结构。本研究表明联合前倾角显著增加,可达23.3°(23.6°)。THA术后患肢增长主要取决股骨假肢的垂直偏移大小。本实验数据表明THA术后并没有完全恢复原有髋关节生物解剖角度和位置。下一步研究的方向为研究THA术后的患者髋关节生物结构恢复程度与关节功能运动两者的相关性。

图1.(a) 通过CT扫描数据三维重建金髋关节、股骨、臼杯和股骨干模型。(b) 将模型划分为健侧与患侧。(c)基于矢状面,建立健侧镜像反射模型。(d) 将健侧镜像髋骨、股骨模型与患侧髋骨、股骨剩余部分最佳配准。

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。

图3.患侧臼杯(红色标记)与健侧髋臼(蓝色标记)的前倾角和外展角。每例患者对应各自标记点,通过标记点测量其两侧髋关节前倾角和外展角。

表1. THA患侧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。表中列出中位数, 平均值 (Avg), 标准差 (SD), 最小值(Min) 和最大值(Max)。每一列的图形表示角度正、负偏差影响。*代表具有统计学意义。

表2 THA患侧髋关节和健侧在髋臼杯位置、股骨干位置、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)。每一列的图形表示正、负方向偏差影响。A/P (前/后),M/L(内/外),S/L(上/下)。*代表具有统计学意义。

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