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学术期刊

全髋关节置换术中骨盆旋转对髋臼假体角度的影响

来源:未知点击:时间:2019-05-28 01:59

  文章转载:中华关节外科杂志(电子版)作者:作者单位:山东大学齐鲁医院(青岛)关节外科;作者:高升焘万连平张鹏杜建春孔杰刘泽淼林均馨纪伟

  全髋关节置换术中髋臼假体的安放角度非常重要,假体位置不良常常会引起术后关节脱位、磨损加重、活动范围受限、假体间撞击等并发症,严重者导致关节翻修,而假体安放位置的准确性与手术操作、骨盆位置有直接关系。目前,广为接受的“髋臼安全区”范围是Lewinnek等在1978年提出的髋臼外展(40±10)°,前倾(15±10)°,超出此范围,术后脱位等风险明显增高。髋臼假体的放置方法主要有解剖标志定位法、器械定位法及计算机导航法等。在髋关节病变中,可能出现髋臼发育异常、骨赘增生、骨质缺损等情况,导致解剖标志不清而误导对髋臼角度的判断。计算机导航具有定位准确等优点,但是价格昂贵难以推广并且存在影像漂移等缺点。因此,手术者广泛采取器械定位法结合临床经验来确定髋臼假体的安置角度。

  Calandruccio等于1987年提出用髋臼轴的概念来描述髋臼角度,髋臼轴即为通过髋臼顶点并垂直于髋臼口平面的直线。在器械定位法中,髋臼假体的定位器即髋臼轴,设定骨盆前平面垂直于地面,矢状面平行于地面,定位器与身体矢状面成角即是髋臼外展角,与冠状面成角为前倾角。在髋关节置换常用的后外侧入路中,患者采取完全侧卧位,骨盆前平面垂直于手术床。但是诸多因素会导致骨盆位置多变。如强直性脊柱炎患者,骨盆会出现后倾改变;而髋关节发育不良患者,骨盆则会前倾。受到患者体型、术中铺无菌单、手术床的水平、骨盆固定器械、腰椎疾病及术中拉钩牵拉等多因素的影响,骨盆可能会出现旋转,且手术者难以判断或者忽视骨盆旋转程度,影响手术者对于身体真实冠状面和矢状面的确定,从而导致实际髋臼角度与术中判断不符合。既往研究表明,后外侧入路侧卧位时,骨盆位置变化会影响对假设平面的判断,导致髋臼实际位置与术中判断不符合。然而,既往研究多集中于骨盆倾斜对髋臼假体的影响,对于骨盆旋转造成的影响研究有限。

  本研究利用医学影像处理系统软件(Minics15.0,Materialise,Britain)重建三维骨盆,确立冠状面、矢状面及髋臼轴,构建三维模型,运用解析几何的方法,计算骨盆旋转对髋臼假体安放角度的影响。研究目的:(1)为骨盆旋转对髋臼角度的影响提供理论依据;(2)明确骨盆旋转对髋臼角度的影响程度,确定在“髋臼安全区”内可以接受的骨盆旋转角度;(3)为手术者更加精确的放置髋臼假体提供决策依据。

  资料与方法

  一、一般资料与CT扫描方法

  健康志愿者一名,男性,21岁,无腰椎及髋关节疾病。采用螺旋CT(SIEMENSBrilliance64,Germany),仰卧位轴向扫描骨盆,扫描参数120KV、300mAs,层厚1mm,扫描范围自髂前上棘至股骨小粗隆下2cm,采集原始DIC0M格式二维图像。

  二、三维图像建立

  将二维骨盆CT图像以DICOM格式导入Minics15.0(Materialise,Britain),建立骨盆三维图像。确定骨盆的矢状面、冠状面及髋臼轴线,根据Murary的定义,将髋臼轴与矢状面成角定义为髋臼外展角,髋臼轴与冠状面向前成角定义为前倾角。按照常规建议髋臼安放角度,采用器械定位法,参考地面,以外展角为45°,前倾角15°安放髋臼假体(图1,2)。

  图1三维重建髋臼前倾角示意图图;2三维重建髋臼外展角示意图

  三、骨盆旋转的定义

  按照Ezoe对骨盆旋转的定义,假设术中骨盆沿身体长轴发生旋转,将骨盆前旋转角度定义为+α,后旋转角度定义为-α(图3)。

  图3侧卧位骨盆旋转示意图

  四、公式推导

  将上述步骤简化成坐标图,设冠状面为C,矢状面为S,髋臼轴为A,骨盆旋转后矢状面为S',C与S垂直,A与C成角为前倾角a=15°,A与S成角为外展角b=45°,骨盆前旋转角度定义为+α,后旋转角度定义为-α。运用解析几何原理,两个向量夹角余弦公式,经过推导,可以得出如下公式:

  图4骨盆旋转几何示意图

  结果

  一、骨盆旋转对外展角的影响

  在以假设髋臼假体外展角45°不变的情况下,随着骨盆的前旋转,其实际外展角呈增大趋势,当骨盆前旋转角度达到20°时,实际外展角β1为50°,达到安全区范围最大阈值。随着骨盆的后旋转,其实际外展角呈减小趋势,当骨盆后旋转角度达到29.47°时,实际外展角β2为30°,达到安全区范围最小阈值。其髋臼实际外展角与骨盆倾斜角度呈的函数关系(图5)。

  图5骨盆旋转与实际外展角的关系

  二、骨盆旋转对前倾角的影响

  在以假设髋臼假体前倾角15°不变的情况下,随着骨盆的前旋转,其实际前倾角呈减小趋势,当骨盆前旋转角度达到13.43°时,实际前倾角β2为5°,达到安全区范围最小阈值。随着骨盆的后旋转,其实际前倾角呈增大趋势,当骨盆后旋转角度达到14.05°时,实际前倾角β1为25°,达到安全区范围最小阈值。其髋臼实际前倾角与骨盆倾斜呈的函数关系(图6)。

  表1骨盆旋转角度与实际髋臼角度变化趋势(°)

  讨论

  全髋关节置换术是治疗髋关节病变晚期的有效手段,关节假体的使用寿命与假体位置尤其是髋臼假体位置密切相关.文献表明,髋臼假体的准确安放可以优化髋关节的生物力学,减少髋关节的脱位、磨损及撞击等的发生。准确的植入可以使假体与宿主骨之间有着最稳定的接触,关节取得最优的活动范围,假体界面间最小的摩擦力,达到最佳的治疗效果。髋臼假体位置不良与术后关节脱位,聚乙烯磨损,关节活动受限,假体间撞击,骨溶解等并发症密切相关。

  Lewinnek等的“髋臼安全区”是基于骨盆前平面平行于身体冠状面为基础通过X线平片计算出的数值,认为髋臼外展角(40±10)°,前倾角(15±10)°的范围内脱位率最低,以后被广泛接受,作为髋臼假体植入角度的标准参考。在常用的器械定位法中,假定骨盆冠状面垂直于手术床,且手术床平行于地面,并没有考虑骨盆的旋转造成的角度差异。在本研究中,骨盆每前旋转5°,导致外展角变化0.24°~1.64°,前倾角变化3.70°~3.69°。每后旋转5°,导致外展角变化2.00°~3.47°,前倾角变化2.61~3.62°。杜学军等应用X线片测量,骨盆每旋转1°,前倾角减小0.73°,并且两者呈线性关系。这和本研究结论有所不同,可能与X线片投照角度及计算误差有关系。本研究推导出两者并非呈线性关系,而是函数关系,并且基于严格解析几何公式推导的结论更为可信。在骨盆前旋转角度达到13.43°时,实际前倾角为5°,前旋转20°时,实际外展角为50°,在骨盆后旋转角度达到14.05°时,实际前倾角为25°,后旋转角度达到29.47°时,实际外展角为30°,均达到安全区范围阈值。因此,在骨盆旋转+13.43°至-14.05°时,髋臼假体角度理论上在“安全区"范围内,旋转超出此范围,髋臼假体角度会超出“安全区”,导致术后并发症发生率增高。

  骨盆位置的改变对全髋关节置换术后髋臼角度的影响已为许多学者认识并进行相关研究。骨盆在术中位置的改变共有三个方向,骨盆沿冠状轴发生的旋转称为前后倾,沿失状轴发生的旋转称为内收外展,沿身体纵轴发生的旋转称为前后旋转。Dorr等通过导航分析骨盆每前倾1°会导致髋臼前倾角减少0.8°,每后倾1°前倾角增加0.7°。Sato等利用髋关节假体模型模拟出当骨盆后倾20°时会导致前方不稳并且减少髋臼的外展角。然而,目前对骨盆沿纵轴旋转对髋臼角度的影响缺乏相关研究,并且缺乏术前术中对骨盆旋转的判断方法。Tannast等认为使用传统方法定位髋臼假体时,导致位置不良的主要原因是手术中对骨盆的位置较难准确的判断。侧卧位后外侧入路进行全髋关节置换手术时,为显露髋臼而进行的拉钩牵拉,患者的体型,手术床的水平,腰椎病变及侧卧位时骨盆固定支架的放置,均可能导致骨盆出现不同程度的旋转。故为了准确安放髋臼假体,术中需要考虑骨盆的旋转程度。因此,手术医生在放置髋臼假体时,不能仅仅依靠导向器械定位,还应该参考解剖标志,排除可能导致骨盆旋转的因素,综合考虑,才能取得满意的假体位置。另外,通过术中拍摄X线片或C型臂透视,检验并校正骨盆旋转,虽然操作较为复杂且局限,但对于精确的安放髋臼假体仍有一定临床意义。当前,快速成型技术及3D打印也为更好的术前设计提供了便利,有利于髋臼假体位置的正确安放。

  骨盆的位置很大程度上受到脊柱曲度变化的影响。在强直性脊柱炎患者中,腰椎后凸旋转畸形导致骨盆旋转,对髋臼假体位置的准确放置造成困难。在术前设计中需要脊柱-骨盆的全长位X线片,确定正确的身体纵轴线,以身体轴线为标准确定髋臼的外展及前倾角。然而,术中体位摆放等诸多因素的影响,精确的放置髋臼杯仍是较困难的事情。本研究中,只要控制骨盆旋转在+13.43°至-14.05°之间,器械定位法仍能将髋臼杯放置在安全区范围内。

  手术者对于髋臼假体角度与骨盆旋转的关系要有三维空间概念,明确手术学髋臼外展角、前倾角的参考平面。Dorr等研究表明,如果忽视骨盆位置的改变,即是使用导航技术并参考骨盆前平面来安放髋臼假体,仍然会存在脱位、磨损等风险。Kanazawa等认为,在侧卧位全髋关节置换手术中,骨盆可能出现各方向改变,骨盆倾斜直接导致髋臼假体位置改变,需要改进器械及骨盆固定方式。McCarthy等的研究表明,在全髋关节置换术中,为避免髋臼撞击,髋臼假体实际置入角度比先前公认的范围要小,建议不同患者个体化设计髋臼假体置入角度。在标准侧卧位时,常规假设手术床平面平行地面,身体冠状面垂直手术床,髋臼定位器即以手术床平面为参考矢状面进行位置的判断,但是这一方法容易忽视骨盆位置改变对髋臼角度的影响而导致误判。因此,全髋关节置换术中,应该重视骨盆的位置并以预判对髋臼角度的影响。

  本研究证实骨盆旋转对髋臼假体角度有相当的影响,随着骨盆旋转,外展角呈增大趋势,前倾角呈减小趋势,反之亦然。骨盆旋转与外展角、前倾角变化非线性关系,而呈函数关系。在预设髋臼杯外展角45°,前倾角15°时,骨盆旋转+13.43°至-14.05°时髋臼假体角度仍然会在安全区内。手术者需要充分理解骨盆旋转和髋臼位置变化的关系。对于术前及术中如何判断骨盆旋转及如何矫正骨盆旋转对髋臼的影响,本研究缺乏具体指导措施。骨盆旋转对髋关节假体长期影响有待于进一步研究证实,期待日后进一步研究完善。

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