數(shù)字化及快速成形術(shù)在全髖表面置換假體定位的應(yīng)用研究.pdf

1、全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（total hip arthroplasty，THA）目前已成為骨科最常見的手術(shù)之一，其目的是解除患者髖部疼痛、重建運(yùn)動(dòng)功能，對(duì)老年患者有非常良好的效果。隨著生物醫(yī)用材料研制和醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，以及人們對(duì)生活水平、醫(yī)療保健、康復(fù)水平的要求日益提高，人工關(guān)節(jié)的需求越來(lái)越廣泛。但是，對(duì)于有髖關(guān)節(jié)病變的中青年人群來(lái)說(shuō)，常規(guī)全髖置換術(shù)存在較高的早期翻修率，尤其在那些男性、從事活動(dòng)量較大的工作、在術(shù)后參加體育運(yùn)動(dòng)的人群中。而髖關(guān)節(jié)表

2、面置換在這個(gè)問(wèn)題上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：創(chuàng)傷小、術(shù)后活動(dòng)度好、能保留較多股骨側(cè)骨量等。髖關(guān)節(jié)表面置換早20世紀(jì)50年代就開始應(yīng)用于臨床，但是由于手術(shù)技術(shù)不成熟、易造成股骨頸骨折、聚乙烯臼杯易磨損、假體存活率較低等原因，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期并不被看好。而常規(guī)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的中長(zhǎng)期結(jié)果也不令人滿意。近年來(lái)，隨著材料學(xué)的進(jìn)步和技術(shù)細(xì)節(jié)的改進(jìn)，髖關(guān)節(jié)表面置換在臨床應(yīng)用逐漸增多。 本課題是利用患者術(shù)前螺旋CT數(shù)據(jù)資料，通過(guò)三維重建、逆向工程設(shè)計(jì)、并結(jié)合

3、快速成形技術(shù)構(gòu)建出個(gè)體化定位導(dǎo)向模板，以指導(dǎo)表面髖關(guān)節(jié)置換時(shí)髖臼及股骨側(cè)假體的安放，為解決臨床醫(yī)學(xué)中長(zhǎng)期困擾人們的“量身定制”問(wèn)題提供了有效的方法和制作手段。 目的： 1.依據(jù)患者的骨盆螺旋CT影像學(xué)資料，探討利用Amira與Imageware軟件并結(jié)合髖臼的表面解剖特征，設(shè)計(jì)定位髖臼假體最佳方位的數(shù)字化個(gè)性模板。 2.依據(jù)一側(cè)髖關(guān)節(jié)有病變患者的骨盆螺旋CT影像學(xué)資料，探討利用Amira與Imageware軟件并

4、結(jié)合健側(cè)髖臼及股骨頭特征來(lái)確定患側(cè)髖關(guān)節(jié)正常旋轉(zhuǎn)中心，通過(guò)設(shè)計(jì)患側(cè)髖關(guān)節(jié)假體的數(shù)字化個(gè)性定位模板，以保證置換的表面型假體盡可能恢復(fù)正常解剖位置。 3.根據(jù)設(shè)計(jì)出的數(shù)字化模型利用快速成型技術(shù)制出實(shí)物模型，術(shù)中將模型與髖臼、股骨頭表面相匹配對(duì)假體置入方向進(jìn)行定位，術(shù)后利用X線攝片進(jìn)行測(cè)量觀察，并與常規(guī)法術(shù)中假體定位結(jié)果比較評(píng)價(jià)其定位的精確性。為今后指導(dǎo)表面髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)操作提供依據(jù)。 方法 1.正常髖臼旋轉(zhuǎn)

5、中心及假體方位的確定：收集一例行16排螺旋CT的成人骨盆連續(xù)斷層掃描資料，CT掃描參數(shù)：120kV、200mAs，層厚5mm，矩陣512×512，掃描范圍由髂嵴上緣至坐骨結(jié)節(jié)。將掃描數(shù)據(jù)輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Amira4.1重建軟件，以1mm層距進(jìn)行三維重建，經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后采用表面重建方法SSD（surface shade display）三維重建出完整骨盆的骨骼結(jié)構(gòu)。再根據(jù)不同部分骨骼的不同閾值范圍將一側(cè)髖臼的三維重建模型單獨(dú)提取出

6、來(lái)，以STL格式保存。將該格式的髖臼模型導(dǎo)入Imageware12.1軟件進(jìn)行分析。（1）提取患側(cè)髖臼表面的月狀面部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)擬合求出最適球體，其球心即為正常的髖臼旋轉(zhuǎn)中心；（2）設(shè)定理想的髖臼假體方位為外展角45°、前傾角15°。將球心設(shè)為原點(diǎn)，以直立位下過(guò)該球心的人體重垂線為基線，先在冠狀面向外旋轉(zhuǎn)45°角，再在過(guò)此線與冠狀面相交的垂面內(nèi)向前旋轉(zhuǎn)15°，此時(shí)線的位置即為髖臼假體的中軸線；（3）提取患側(cè)髖臼表面點(diǎn)云，設(shè)定髖臼月

7、狀面軟骨層厚度為2mm，因軟骨組織在CT中成像受限，故需將生成的與髖臼月狀面形態(tài)一致的曲面向內(nèi)偏置2mm以保證良好的匹配性。將生成的髖臼曲面與定位中軸線的曲面擬合為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，生成數(shù)字化定位模板。 2.病變髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心及表面髖假體方位的確定：術(shù)前均進(jìn)行16排螺旋CT掃描，掃描范圍由髂嵴上緣至股骨中上段，將掃描數(shù)據(jù)輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Amira4.1軟件，以1mm層距進(jìn)行三維重建，經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后采用表面重建方法SSD構(gòu)建出

8、完整骨骼結(jié)構(gòu)。再根據(jù)不同部分骨骼的不同閾值范圍將健側(cè)、患側(cè)髖臼及股骨分別提取出來(lái)，以STL格式保存。將該格式不同部位的重建模型均導(dǎo)入Imageware12.1軟件進(jìn)行分析。（1）提取正常側(cè)髖臼、股骨頭的球形表面點(diǎn)云，分別擬合出各自最適球體，其球心即為正常的髖臼、股骨頭旋轉(zhuǎn)中心。確定出骨盆的鏡像平面，利用鏡像原理，定位患側(cè)髖臼、股骨頭的正常旋轉(zhuǎn)中心；（2）設(shè)定理想的髖臼方位為外展角45°、前傾角15°。以直立位下過(guò)患側(cè)髖臼旋轉(zhuǎn)中心的人體重

9、垂線為基線、以中心為原點(diǎn)，先在冠狀面內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)45°角，再在過(guò)此線與冠狀面的垂直面內(nèi)向前旋轉(zhuǎn)15°，此時(shí)線的位置即為患側(cè)髖臼假體的中心軸；（3）以患側(cè)股骨頭旋轉(zhuǎn)中心為基點(diǎn)、以正常的股骨頸前傾角、頸干角為標(biāo)準(zhǔn)，生成一條通過(guò)旋轉(zhuǎn)中心的軸線，即為患側(cè)股骨頸的中軸線。在前傾角平面內(nèi)，以旋轉(zhuǎn)中心為圓心，將中軸線外展約5～10°，本研究中統(tǒng)一設(shè)定理想的假體柄干角為135°，此時(shí)線的位置即為股骨假體柄的最佳置入方向；（4）分別提取患側(cè)髖臼、股骨頭表面

10、點(diǎn)云，結(jié)合各自確定的中軸線位置，將曲面模型與確定中軸線的曲面結(jié)構(gòu)擬合生成各自的數(shù)字化定位模型。 3.定位模型的臨床應(yīng)用：（1）2008年1月～6月篩選出7例陳舊性股骨頸骨折（5例經(jīng)頸型、2例頭下型）且CT顯示髖臼無(wú)明顯破壞的患者，無(wú)其他合并傷及手術(shù)禁忌癥。術(shù)前病程均1年內(nèi)。其中男3例，女4例，年齡63～71歲。臨床表現(xiàn)為髖部疼痛、行走困難。Harris評(píng)分26～48分，平均37分。（2）2008年1月～11月篩選6例單側(cè)髖關(guān)節(jié)有

11、病變需行關(guān)節(jié)置換的患者，其中男4例，女2例。年齡30～60歲。無(wú)其他合并疾病及手術(shù)禁忌癥。臨床表現(xiàn)為髖部疼痛，行走困難，影響工作和生活。Harris評(píng)分22～43，平均30分。術(shù)前均進(jìn)行16排螺旋CT掃描，第（1）組患者掃描范圍為髂嵴上緣至坐骨結(jié)節(jié)，為便于進(jìn)行髖臼假體角度的測(cè)量，本組采用常規(guī)全髖關(guān)節(jié)假體置換，只需設(shè)計(jì)髖臼假體的定位模型；第（2）組患者掃描范圍為髂嵴上緣至股骨中上段，本組采用全髖表面型假體置換。根據(jù)不同患者的數(shù)據(jù)資料分別設(shè)

12、計(jì)出各自的個(gè)性化定位模板，以.igs格式導(dǎo)入RapidForm2004軟件，快速成型機(jī)生成模型。術(shù)中通過(guò)將定位模型與髖臼、股骨頭表面形態(tài)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確貼合即可確定假體的放置位置。術(shù)后拍攝患側(cè)髖關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)位X線片，進(jìn)行影像學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量。收集同期由同一位主任醫(yī)師術(shù)中以常規(guī)法完成關(guān)節(jié)假體定位的類似病例，術(shù)前均以髖臼前傾角15°、外展角45°、柄干角135°為預(yù)定目標(biāo)值，對(duì)術(shù)后X線片結(jié)果進(jìn)行影像學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量，分析兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。 結(jié)果 1

13、.利用軟件Amira4.1可三維重建出真實(shí)的數(shù)字化骨盆模型；利用軟件imageware12.1進(jìn)行分析，可在數(shù)字化三維骨盆模型上確定出正常髖臼的旋轉(zhuǎn)中心；并可根據(jù)設(shè)定的假體外展角、前傾角確定其中軸線，即假體的位置；結(jié)合髖臼表面形態(tài)特征及假體中軸線位置即可設(shè)計(jì)出髖臼假體的定位模板；通過(guò)對(duì)數(shù)字化模型不同角度的旋轉(zhuǎn)觀察，定位模板與髖臼凹表面吻合良好，符合正常生理解剖位置。 2.利用數(shù)字化骨盆模型及軟件imageware12.1，根據(jù)鏡

14、像原理，通過(guò)確定正常側(cè)髖臼、股骨頭旋轉(zhuǎn)中心可重建出患側(cè)髖臼、股骨頭的正常旋轉(zhuǎn)中心；再根據(jù)設(shè)定的髖臼假體外展、前傾角度及股骨頭表面假體的柄干角、前傾角確定各自假體的中軸線；結(jié)合患側(cè)髖臼及股骨頭的表面形態(tài)特征及各自假體的中軸線位置即可設(shè)計(jì)出患側(cè)髖臼、股骨頭表面型假體的定位模板，使患側(cè)髖關(guān)節(jié)置換后恢復(fù)正常解剖位置。 3.收集臨床數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行處理。各組數(shù)據(jù)均呈正態(tài)分布，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，檢驗(yàn)水準(zhǔn)

15、為雙側(cè)α＝0.05。各組數(shù)據(jù)與假體不同方位角的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值比較采用單樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示常規(guī)定位法在髖臼假體外展角、前傾角、股骨側(cè)假體柄干角與設(shè)定的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值之間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（依次對(duì)應(yīng)為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種角度與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值之間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（依次對(duì)應(yīng)為t=1.700，P=0.127； t=2.184，P=0.072； t=0

16、.768，P=0.477）。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)常規(guī)法定位組與模板法定位組的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示二者在對(duì)髖臼假體外展角、前傾角、股骨側(cè)假體柄干角定位的結(jié)果之間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（依次對(duì)應(yīng)為t=2.912，P=0.011；t=2.486，P=0.025； t=2.707，P=0.022）。因此，在全髖關(guān)節(jié)表面置換對(duì)髖臼假體外展角、前傾角、股骨側(cè)假體柄干角定位中，采用常規(guī)定位法結(jié)果誤差較大，而使用術(shù)前設(shè)計(jì)的個(gè)性化模板則定位準(zhǔn)確，可達(dá)到預(yù)期

17、結(jié)果，效果優(yōu)于前者。 結(jié)論 1.應(yīng)用Amira及Imageware軟件對(duì)螺旋CT掃描圖像進(jìn)行三維構(gòu)建、分析，可設(shè)計(jì)出正常髖臼假體的數(shù)字化個(gè)性定位模板。 2.應(yīng)用Amira及Imageware軟件，根據(jù)三維重建的數(shù)字化骨盆模型，可構(gòu)建出病變髖關(guān)節(jié)行表面髖置換時(shí)定位假體的數(shù)字化個(gè)性模板。 3.臨床應(yīng)用結(jié)果表明術(shù)前設(shè)計(jì)、構(gòu)建及利用快速成形技術(shù)制作的個(gè)性化假體定位模板可對(duì)不同患者表面髖關(guān)節(jié)假體的植入精確定位，達(dá)到