三维重建结合快速成形术制作模板定位髋臼假体的临床应用

【摘要】  ［目的］利用三维重建、逆向工程设计方法、并结合快速成形技术为髋关节置换中髋臼假体植入提供一种精确定位的个体化设计方案。［方法］筛选出6例单侧股骨头坏死患者，收集CT扫描数据。将原始Dicom格式数据导入Amira 3.1软件，三维重建髋关节模型，以STL格式保存，导入Imageware 12.0软件，确定病变侧的正常髋臼旋转中心，设计出假体的最佳固定方向即中心轴，并提取髋臼表面解剖学形态。将二者结合，拟合成定位模板。再利用快速成形技术生成实物模型，术中将模型与髋臼凹面相匹配对假体置入方向进行定位。［结果］测量术后标准髋关节前后位片，髋臼假体外展角(46.00±2.49)°、前倾角(15.68±2.85)°，显示假体位置均达到预期定位效果。［结论］术前设计、构建的定位模板可以对髋臼假体植入精确定位，避免术中操作误差。

【关键词】  三维重建; 髋臼; 定位; 模板

Clinical application of template designed by threedimensional reconstruction and rapid prototyping in locating acetabular prosthesis∥DU Hao,ZHAO Zhiliang,GAN Fusheng,et al.Department of Orthopaedic and Traumatology,Nanfang Hospital,Nanfang Medical University,Guangzhou 510515,China

    Abstract：［Objective］To provide a precise individualized design proposal for locating acetabular prosthesis by means of 3D reconstruction,reverse engineering software and rapid prototyping technology.［Method］3D CT scan pelvis image data were obtained from six patients,which displayed osteonecrosis of femoral head on one side.The data were transferred via a DICOM network into a computer workstation.A 3D model of hip was reconstructed using Amira 3.1 software,and saved in STL format.Then the 3D model was imported into Imageware 12.0 software.The normal hip joint centre of abnormal side was determined and the best orientation of the prosthesis (which was central axial ray of acetabula) was defined using reverse engineering.Locating template was designed according to the anatomic features of the acetabula and the central axial ray.Entity model was produced by rapid prototyping technology.The orientation of the prosthesis was located by matching the model to acetabular concavity at operation.［Result］By measuring postoperative standard hip anteroposterior film,the abduction angle of acetabular prosthesis was (46.00±2.49)° and the anteversion angle was (15.68±2.85)°.The expected result was obtained.［Conclusion］The navigation template designed and constructed preoperatively can provide precise location for acetabular prosthesis and avoid procedural errors at operation.

    Key words：threedimensional reconstruction;  acetabula;  location;  template

     髋臼假体的准确定位一直是临床研究的热点及难点。传统的术中定位技术存在明显缺陷，而近10年来兴起的手术导航系统是也因设备昂贵、过程复杂、学习曲线长等原因，难以广泛推广。作者利用患者术前CT数据，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，能有效简化术中操作，确保髋臼假体的准确植入。

    1  资料与方法

    1.1  一般资料

    自2008年1～6月筛选单侧股骨头坏死患者6例，其中男4例,女2例。年龄55～72岁。无其他合并疾病及手术禁忌证。术前病程均1 年内。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分，平均30分。

    1.2  制作个体化定位模板

    1.2.1  数据获取  收集术前骨盆连续断层螺旋CT扫描数据。扫描条件：电压120 kv，层厚1.3 mm，矩阵 512×512。

    1.2.2  三维重建  将扫描Dicom格式图像导入Amira 3.1软件，采用表面遮盖显示法进行三维表面重建，然后将重建的髋关节模型以.stl格式保存。

    1.2.3  髋臼假体定位导向模板的设计  将.stl格式的髋关节模型导入Imageware1 2.1软件进行分析：（1）提取正常侧髋臼的表面点云，通过拟合出最适球体，其球心即为正常的髋臼旋转中心（图1）。再利用镜像原理，确定出患侧髋臼旋转中心（图2）；（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（图3）；（3）提取患侧髋臼表面点云，结合确定的中轴线位置，将与髋臼形态结构一致的曲面模型与确定中轴线的曲面结构拟合生成定位模型（图4），保存为.igs格式。

    1.2.4  模型加工  将.igs格式的定位模型导入Rapid Form 2004软件，快速成型机生成模型。

    1.3  临床应用

    采用常规后外侧切口进入髋关节,使股骨头脱位，截去股骨头，清理髋臼窝内的软组织及其周围的关节囊。将髋臼窝清晰暴露，可见表面软骨层已基本破坏。在进行髋臼表面处理前，将生成的定位模型与髋臼表面形态结构完全贴合，沿中空的中轴线定位通道置入3.0 mm克氏针，即为髋臼假体的中心轴（图5）。因此，假体置入时应保证其底部平面与克氏针的垂面相平行。用电刀在髋臼缘与中轴线垂面的相交处标记三点，作为假体植入时的定位标志（图6）。去除定位的克氏针，常规处理髋臼面，选择合适假体，调整假体置入方位，使其底部平面与所标记三点的平面相平行，固定好后直接锤击打入假体。

    1.4  影像学评估

    术后摄髋关节前后位X线片，利用photoshop软件测量功能进行分析。测量指标如下：(1)髋臼外展角：两坐骨结节最低连线与臼杯金属缘长轴之间的夹角（图7）；(2) 髋臼前倾角：髋臼中心轴与冠状面投影之间的夹角。在前后位X线片上髋臼杯外缘在冠状面上投影形成一个椭圆，最大直径设为D，其上1／5处标记为M点，A点为经M点垂直于最大直径的直线与椭圆的相交点，P为M点至弧上A点的距离，前倾角公式为：a=sin-1（P/0.4D)［1］（图8）。

    1.5  统计学处理

    应用SPSS 11.0统计学软件进行处理。数据呈正态分布，以均数±标准差形式表示，采用两样本均数的t检验对2种方法置入的假体角度进行比较。检验水准为双侧α=0.05。

    2  结  果

    利用术后髋关节前后位X线片测量髋臼假体的外展角及前倾角，结果显示均达到术前设计要求（表1）。

    收集既往由本研究中术者在近半年内利用器械定位法进行全髋置换患者的术后髋关节前后位X线片10例，由同一操作者进行测量，分别对两组外展角、前倾角的测量结果进行比较，显示二者间差异均有统计学意义（P＜0.05，表2）。 表1  测量术后髋关节前后位X片的髋臼假体角度假体角度患者1患者2患者3患者4患者5患者6均数表2  模板定位与器械定位术后假体角度的比较

    3  讨  论

    随着全髋关节置换术的广泛开展，普遍认识到假体的准确植入是THA 成功的关键。近年来骨水泥技术和生物式固定技术等发展很快,使得人工全髋关节置换术的并发症明显减少。目前关于手术精确度方面的研究还相对较少，而假体的安放位置及髋周软组织张力的平衡都是由手术技术决定［2］。另外，临床上评价人工关节功能和使用寿命的指标，例如步态、稳定性、磨损、松动、骨溶解等，也都取决于所植入假体的位置和方向。而髋臼假体方位更是决定手术成败的关键。

    3.1  传统定位法

    传统方法是依靠髋臼定位器及经验目测定位，主要存在以下几方面缺陷：（1）在手术台上很难精确地判断出骨盆的准确方位，且操作过程中可引起骨盆位置的变动；（2）术者主观上目测的误差，会造成髋臼假体置入后的外翻角、前倾角与患者髋臼原生理角度之间出现较大偏差；（3）髋臼定位器虽能提供一定的位置参照，但常给术者带来安全假象，特别是当其未能将髋臼试模牢固地安放在髋臼骨床上时；（4）由于术中切口暴露的限制及缺乏可靠的定位标志，术者很难判断髋臼假体的位置和方向是否准确［3］。

    图1  拟合最适球体，确定健侧髋臼旋转中心  图2  确定患侧髋臼旋转中心  图3  确定患侧髋臼假体的中心轴（线1为通过髋臼旋转中心的人体重垂线，线2为外旋45°位置，线3为再向前旋转15°位置）  图4  设计成定位模型  图5  利用模型定位  图6  标记三点确定定位平面  图7  假体外展角测量  图8  假体前倾角测量

    3.2  计算机辅助下导航定位

    手术导航系统是近10年来出现的计算机辅助外科手术的新技术。它将多种高新技术与计算机技术相结合应用于外科手术，主要是将患者术前或术中影像数据与手术床上患者解剖结构准确对应，术中跟踪手术器械的位置对手术进行实时的导航。在计算机上，外科医生可以看到髋臼假体中心相对于原有髋臼中心的位置，可一步到位地完成假体植入，最大限度地减少手术重复步骤，对假体进行精确、可靠定位［4］。此技术目前虽取得较为满意的结果，但还存有许多不足之处：（1）患者必须行术前CT或术中X线多方位透视；（2）术中进行影像数据和患者解剖结构对应匹配，过程复杂，使手术时间延长；（3）增加了患者和医师在X线下暴露的时间；（4）费用昂贵、人为或系统错误风险高、学习曲线长等［3］均是限制其推广的主要问题。

    3.3  定位模板的设计、制作及应用

    本研究是利用患者术前CT数据，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，为解决临床医学中长期困扰人们的“量身定作”问题提供了有效的方法和制作手段：（1）三维重建(threedimensional reconstruction)是通过对一系列的二维图像进行边界识别等分割处理，重新还原被检物体的三维图像，能够在数字化虚拟环境下还原其解剖学结构特征，使数字化的解剖模型在计算机环境下实现三维动态可视化，可使临床医师直观地了解病变在三维立体空间的实际大小、形态、位置及周围组织的立体解剖关系，使手术模拟和手术方案的制订更加精确，具有很强的临床实用性。（2）逆向工程(reverse engineering，RE) 又称反求工程，是指对存在的实物模型或零件进行测量，根据测量数据重构出实物的计算机辅助设计（computer aided design，CAD）模型并通过加工复现实物的一个过程，重构的模型可以全面反映原实物的几何特征。逆向工程是机械设计与制造应用领域的一个重要分支，在产品的设计和开发中利用逆向工程可以极大地缩短产品的开发周期和开发费用，已在医学领域得到广泛应用。可利用CT、MRI等设备采集人体器官、骨骼、关节等部位的外形数据，重建三维数据化模型［5］。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。（3）快速成型技术(rapid prototyping technology，RP)，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。本研究中采用的SLA激光成型又称为光固化立体造型，是以光敏树脂为原料，制出的产品韧性好、精度高、误差可控制在±0.05 mm，且不受产品外形复杂程度和曲面所限制，在医学领域应用最为广泛。应用主要在于医疗诊断和外科手术规划，能有效地提高诊断与手术水平、缩短时间、节省费用［6］。

    在髋臼假体安放中，最重要的是使重建的髋臼中心与健侧对称。本研究所选病例为单侧股骨头坏死患者，考虑到病变侧关节的破坏，无法确定出髋臼正常的旋转中心，作者利用三维重建模型，先在正常侧确定出旋转中心，再通过镜像原理，在患侧确定出正常的旋转中心位置，将髋臼旋转中心恢复至正常,可使术后假体与骨质、骨水泥以及髋关节周围软组织内应力分布更趋于生理状态,从而提高临床疗效［7］。适当的髋臼角度,可以避免髋关节撞击征、脱位的发生,维持人工关节的活动度和稳定性。Barrack［8］研究表明前倾角在10°～20°、外展角在45°～55°之间能最大限度地减少撞击和脱位，维持关节的稳定性。综合国内外研究结果，本文中设定理想的髋臼外展角为45°、前倾角为15°。

    此法良好地重建出患侧髋臼的正常旋转中心。定位模板完全以髋臼表面的局部特征依据，彻底摆脱了使用定位器时体位改变对假体定位造成误差的影响，解决了定位要依靠术者经验及受体位变化影响的问题，而且，通过术前预先设定好的髋臼外展角、前倾角，能使术后疗效更好得达到预期效果。另外，对于许多尚未引进手术导航系统的中小型医院以及在髋关节置换方面无丰富经验的年轻医师来说，使用该定位模板安全、简便，对假体的定位准确、可靠；无须对关节周围软组织作过多剥离，减小手术窗口及简化手术操作；缩短人工全髋关节置换术的学习曲线， 提高手术效果，临床初步应用取得了满意疗效。

    当然，也存在一些不足之处。首先，要求对软件的熟练应用使其在临床医生中难以广泛推广；其次，模型的制作需要与具备快速成形机的公司建立长期、默契的合作关系，这也需要一个时间过程。目前本研究处在初步阶段，尚需大量临床病例的验证，并进行长期的术后随访观察。

【参考文献】
  ［1］ Pradhan R.Planar anteversion of the acetabular cup as determined from plain anteroposterior radiographs［Ｊ］.J Bone Joint Surg(Br),1999,81:431-435.

［2］ 王海堂,刘万军,刘克贵,等.人工髋关节置换术中的软组织平衡问题［J］.中国矫形外科杂志,2007,15:231-232.

［3］ Noble PC,Sugano N,Johnston JD,et al.Computer simulation: how can it help the surgeon optimize implant position［J］.Clin Orthop Relat Res,2003:242-252.

［4］ Romanowski JR,Swank ML.Imageless navigation in hip resurfacing: avoiding component malposition during the surgeon learning curve［Ｊ］.J Bone Joint Surg(Am),2008,3:65-70.

［5］ 黄雪梅,林艳萍,王成焘.基于逆向工程的个性化人工膝关节CAD建模［J］.机械设计与研究,2004,20:81-82.

［6］ Girod S,Teschner M,Schrell U,et al.Computeraided 3-D simulation and prediction of craniofacial surgery: a new approach［J］.J Maxillofac Surg,2001,29:156-158.

［7］ 张 翀，郭开今,辛 兵,等.全髋关节置换术髋臼旋转中心的回顾性研究［J］.中国矫形外科杂志,2006,14:1391-1392.

［8］ Barrack RL.Dislocation after total hip arthroplasty: implant design and orientation［J］.J Acad Orthop Surg(Am),2003,11:89-99.

作者单位：1.南方医科大学南方医院创伤骨科，广州 510515；2.阜阳市人民医院，安徽 236003