研究背景全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)目前已成为骨科最常见的手术之一,其目的是解除患者髋部疼痛、重建运动功能,对老年患者有非常良好的效果。随着生物医用材料研制和医学的迅速发展,以及人们对生活水平、医疗保健、康复水平的要求日益提高,人工关节的需求越来越广泛。但是,对于有髋关节病变的中青年人群来说,常规全髋置换术存在较高的早期翻修率,尤其在那些男性、从事活动量较大的工作、在术后参加体育运动的人群中。而髋关节表面置换在这个问题上具有独特优势:创伤小、术后活动度好、能保留较多股骨侧骨量等。髋关节表面置换早20世纪50年代就开始应用于临床,但是由于手术技术不成熟、易造成股骨颈骨折、聚乙烯臼杯易磨损、假体存活率较低等原因,在相当长的时期并不被看好。而常规全髋关节置换术的中长期结果也不令人满意。近年来,随着材料学的进步和技术细节的改进,髋关节表面置换在临床应用逐渐增多。全髋关节置换手术中假体位置一直是术后关节稳定性的关键因素。传统全髋关节置换中颈干角基本上由假体本身的设计来决定,而髋表面置换则取决于股骨侧假体的内外翻放置。务必要避免柄干角内翻或假体位置过度前倾,否则会引起应力的传导、分布异常,甚至出现股骨颈骨折等并发症。髋臼假体的准确植入与否不仅是保持术后关节稳定的关键因素,而且还对骨盆的骨质溶解、聚乙烯内衬材料的磨损和假体松动产生影响。位置不当除可引发早期脱位,还是疼痛和松动的原因之一。假体置入时使用定位器虽然能够提供一定的定位参考,但目前使用的定位器尚不能达到比较准确的定位要求,仍需术者目测纵轴及矢状轴,存在较大的经验依赖性,往往会带来假性安全感。自计算机辅助设计(computer aided design,CAD)和计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)技术引入医学领域,目前数字医学已成为现代医学的重要组成部分,从而促使医学技术向个性化、精确化、微创化方向快速发展。由于数字化技术的导入,数字医学成像系统及计算机系统可将患者的影像模型化,建立个性化三维图像模型。并应用数字可视技术实现术前准确定位、术中精确导航,从而使手术更加规范,增加了手术的可靠性与安全性,使临床医师处理复杂手术的难题迎刃而解。医学图像重建软件Mimics、Amira等具有功能强大的高级数据可视化系统,利用螺旋CT提供的人体薄层断面清晰图像,通过对一系列的二维图像进行边界识别等分割处理,可重新还原被检物体的三维图像。Imageware为全球四大逆向工程软件之一,具有强大的测量数据处理、误差检测功能、自由曲线曲面编辑功能,能以直觉而快速的方式进行曲线、曲面的建构与调整。可以处理大量的点云数据,根据这些点云构建的曲面具有良好的品质和曲面连续性。快速成型技术(Rapid Prototyping Technology)简称RP技术,集成了现代数控技术、计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)技术、激光技术及材料科学领域的最新成果,不受产品外形复杂程度和曲面所限制,在医学领域应用中最为广泛。打破了传统的解剖结构观察、并创新了手术设计模式。本课题是利用患者术前螺旋CT数据资料,通过三维重建、逆向工程设计、并结合快速成形技术构建出个体化定位导向模板,以指导表面髋关节置换时髋臼及股骨侧假体的安放,为解决临床医学中长期困扰人们的“量身定制”问题提供了有效的方法和制作手段。目的1.依据患者的骨盆螺旋CT影像学资料,探讨利用Amira与Imageware软件并结合髋臼的表面解剖特征,设计定位髋臼假体最佳方位的数字化个性模板。2.依据一侧髋关节有病变患者的骨盆螺旋CT影像学资料,探讨利用Amira与Imageware软件并结合健侧髋臼及股骨头特征来确定患侧髋关节正常旋转中心,通过设计患侧髋关节假体的数字化个性定位模板,以保证置换的表面型假体尽可能恢复正常解剖位置。3.根据设计出的数字化模型利用快速成型技术制出实物模型,术中将模型与髋臼、股骨头表面相匹配对假体置入方向进行定位,术后利用X线摄片进行测量观察,并与常规法术中假体定位结果比较评价其定位的精确性。为今后指导表面髋关节置换手术设计和手术操作提供依据。方法1.正常髋臼旋转中心及假体方位的确定:收集一例行16排螺旋CT的成人骨盆连续断层扫描资料,CT扫描参数:120kV、200mAs,层厚5mm,矩阵512×512,扫描范围由髂嵴上缘至坐骨结节。将扫描数据输入个人计算机的Amira4.1重建软件,以1mm层距进行三维重建,经自动或手动阈值分割后采用表面重建方法SSD(surface shade display)三维重建出完整骨盆的骨骼结构。再根据不同部分骨骼的不同阈值范围将一侧髋臼的三维重建模型单独提取出来,以STL格式保存。将该格式的髋臼模型导入Imageware12.1软件进行分析。(1)提取患侧髋臼表面的月状面部分的点云数据,通过拟合求出最适球体,其球心即为正常的髋臼旋转中心;(2)设定理想的髋臼假体方位为外展角45°、前倾角15°。将球心设为原点,以直立位下过该球心的人体重垂线为基线,先在冠状面向外旋转45°角,再在过此线与冠状面相交的垂面内向前旋转15°,此时线的位置即为髋臼假体的中轴线;(3)提取患侧髋臼表面点云,设定髋臼月状面软骨层厚度为2mm,因软骨组织在CT中成像受限,故需将生成的与髋臼月状面形态一致的曲面向内偏置2mm以保证良好的匹配性。将生成的髋臼曲面与定位中轴线的曲面拟合为一个整体结构,生成数字化定位模板。2.病变髋关节旋转中心及表面髋假体方位的确定:术前均进行16排螺旋CT扫描,扫描范围由髂嵴上缘至股骨中上段,将扫描数据输入个人计算机的Amira4.1软件,以1mm层距进行三维重建,经自动或手动阈值分割后采用表面重建方法SSD构建出完整骨骼结构。再根据不同部分骨骼的不同阈值范围将健侧、患侧髋臼及股骨分别提取出来,以STL格式保存。将该格式不同部位的重建模型均导入Imageware12.1软件进行分析。(1)提取正常侧髋臼、股骨头的球形表面点云,分别拟合出各自最适球体,其球心即为正常的髋臼、股骨头旋转中心。确定出骨盆的镜像平面,利用镜像原理,定位患侧髋臼、股骨头的正常旋转中心;(2)设定理想的髋臼方位为外展角45°、前倾角15°。以直立位下过患侧髋臼旋转中心的人体重垂线为基线、以中心为原点,先在冠状面内向外旋转45°角,再在过此线与冠状面的垂直面内向前旋转15°,此时线的位置即为患侧髋臼假体的中心轴;(3)以患侧股骨头旋转中心为基点、以正常的股骨颈前倾角、颈干角为标准,生成一条通过旋转中心的轴线,即为患侧股骨颈的中轴线。在前倾角平面内,以旋转中心为圆心,将中轴线外展约5～10°,本研究中统一设定理想的假体柄干角为135°,此时线的位置即为股骨假体柄的最佳置入方向;(4)分别提取患侧髋臼、股骨头表面点云,结合各自确定的中轴线位置,将曲面模型与确定中轴线的曲面结构拟合生成各自的数字化定位模型。3.定位模型的临床应用:(1)2008年1月～6月筛选出7例陈旧性股骨颈骨折(5例经颈型、2例头下型)且CT显示髋臼无明显破坏的患者,无其他合并伤及手术禁忌症。术前病程均1年内。其中男3例,女4例,年龄63～71岁。临床表现为髋部疼痛、行走困难。Harris评分26～48分,平均37分。(2)2008年1月～11月筛选6例单侧髋关节有病变需行关节置换的患者,其中男4例,女2例。年龄30～60岁。无其他合并疾病及手术禁忌症。临床表现为髋部疼痛,行走困难,影响工作和生活。Harris评分22～43,平均30分。术前均进行16排螺旋CT扫描,第(1)组患者扫描范围为髂嵴上缘至坐骨结节,为便于进行髋臼假体角度的测量,本组采用常规全髋关节假体置换,只需设计髋臼假体的定位模型;第(2)组患者扫描范围为髂嵴上缘至股骨中上段,本组采用全髋表面型假体置换。根据不同患者的数据资料分别设计出各自的个性化定位模板,以.igs格式导入RapidForm2004软件,快速成型机生成模型。术中通过将定位模型与髋臼、股骨头表面形态结构准确贴合即可确定假体的放置位置。术后拍摄患侧髋关节标准位X线片,进行影像学数据测量。收集同期由同一位主任医师术中以常规法完成关节假体定位的类似病例,术前均以髋臼前倾角15°、外展角45°、柄干角135°为预定目标值,对术后X线片结果进行影像学数据测量,分析两组数据进行评估。结果1.利用软件Amira4.1可三维重建出真实的数字化骨盆模型;利用软件imageware12.1进行分析,可在数字化三维骨盆模型上确定出正常髋臼的旋转中心;并可根据设定的假体外展角、前倾角确定其中轴线,即假体的位置;结合髋臼表面形态特征及假体中轴线位置即可设计出髋臼假体的定位模板;通过对数字化模型不同角度的旋转观察,定位模板与髋臼凹表面吻合良好,符合正常生理解剖位置。2.利用数字化骨盆模型及软件imageware12.1,根据镜像原理,通过确定正常侧髋臼、股骨头旋转中心可重建出患侧髋臼、股骨头的正常旋转中心;再根据设定的髋臼假体外展、前倾角度及股骨头表面假体的柄干角、前倾角确定各自假体的中轴线;结合患侧髋臼及股骨头的表面形态特征及各自假体的中轴线位置即可设计出患侧髋臼、股骨头表面型假体的定位模板,使患侧髋关节置换后恢复正常解剖位置。3.收集临床数据资料,应用SPSS13.0统计学软件进行处理。各组数据均呈正态分布,计量资料以均数±标准差表示,检验水准为双侧α＝0.05。各组数据与假体不同方位角的设定标准值比较采用单样本t检验,结果显示常规定位法在髋臼假体外展角、前倾角、股骨侧假体柄干角与设定的对应标准值之间差异均有统计学意义(依次对应为t＝2.840,P＝0.019;t＝4.157,P＝0.002;t＝2.700,P＝0.043)。而模板定位法在上述三种角度与对应的标准值之间差异均无统计学意义(依次对应为t＝1.700,P＝0.127;t＝2.184,P＝0.072;t＝0.768,P＝0.477)。采用独立样本t检验对常规法定位组与模板法定位组的数据进行比较,结果显示二者在对髋臼假体外展角、前倾角、股骨侧假体柄干角定位的结果之间差异均有统计学意义(依次对应为t＝2.912,P＝0.011;t＝2.486,P＝0.025;t＝2.707,P＝0.022)。因此,在全髋关节表面置换对髋臼假体外展角、前倾角、股骨侧假体柄干角定位中,采用常规定位法结果误差较大,而使用术前设计的个性化模板则定位准确,可达到预期结果,效果优于前者。结论1.应用Amira及Imageware软件对螺旋CT扫描图像进行三维构建、分析,可设计出正常髋臼假体的数字化个性定位模板。2.应用Amira及Imageware软件,根据三维重建的数字化骨盆模型,可构建出病变髋关节行表面髋置换时定位假体的数字化个性模板。3.临床应用结果表明术前设计、构建及利用快速成形技术制作的个性化假体定位模板可对不同患者表面髋关节假体的植入精确定位,达到预期效果。同时能简化术中操作,避免了因主、客观因素造成的误差。