引用本文： 李董, 張勇, 陳祖慶, 常文舉, 丁海. X線透視下人工全髖關節置換術臼杯假體覆蓋率評估方法研究. 中國修復重建外科雜志, 2024, 38(4): 461-465. doi: 10.7507/1002-1892.202401109 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國修復重建外科雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）是臨床常用的治療晚期髖關節疾病術式，能顯著改善關節功能、減輕疼痛，提高患者生存質量[1-3]。但隨著假體使用年限增加，相關并發癥發生風險會逐漸增加[4-7]，尤其是臼杯假體覆蓋率（以下簡稱“杯覆率”）較差的患者，由于術后難以獲得理想初始穩定性，假體松動概率大大增加[4, 8-11]。理想杯覆率應是在臼杯獲得足夠包容性和初始穩定性的同時，不增加手術難度，也不減少髖臼周圍骨量。目前，主流觀點認為能維持髖臼假體長期生存的最小杯覆率為70%[12-14]，但也有研究結果顯示杯覆率為60%時即可獲得良好療效[15-16]。因此，關節置換時杯覆率的評估對臨床療效具有重要意義。但由于髖臼形狀不規則，邊緣呈波浪形半圓，術中難以準確測量杯覆率。
目前，術中主要采用X線透視下評估杯覆率。但是X線圖像為髖臼二維映射結果，無法準確反映髖臼三維結構，導致結果與實際情況存在差異。有研究表明基于二維圖像測量的杯覆率較實際杯覆率偏低[17-18]，但也有研究得出相反結果[12，14，19]。此外，不同的透視角度和計算方式也會影響測量結果，從而影響術中判斷及操作[19-22]。本課題組改良X線攝片方式，提出了一種新的杯覆率測算方法。本次研究旨在與傳統方法進行比較，探討該改良方法測量的準確性，以期為臨床準確評估杯覆率提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究對象
以2021年10月—2023年10月蚌埠醫科大學第一附屬醫院骨科收治的16例患者作為研究對象，均經CT檢查明確髖臼結構正常。其中，男9例，女7例；年齡32～71歲，平均54.3歲。身高150～182 cm，平均169.1 cm。體質量51.0～86.6 kg，平均63.9 kg。
1.2 THA術后髖臼模型制備
1.2.1 CT掃描
采用日本飛利浦公司Brilliance 64層螺旋CT掃描儀。掃描范圍：L3椎體上緣至恥骨聯合下5 cm；掃描參數：管電壓120 kV，管電流 250 mA，厚度 1.0 mm，層間距 1.0 mm，螺距1.172 mm，旋轉時間0.75 s，矩陣512×512。掃描數據以Dicom式導入Mimics 25.0軟件（Materialise 公司，比利時）行三維重建，重建條件：層厚1.0 mm，層間距50%，閾值300 HU。
1.2.2 模型制備
首先，將16例骨盆CT三維重建數據以Stl格式傳輸入3D打印機（深圳市極光爾沃科技股份有限公司），采用聚乳酸材料打印制作16個正常骨盆模型（左髖8個、右髖8個）。 然后，以前傾15°、外展45° 方向在骨盆模型畫線標記，采用磨銼由小到大逐一打磨髖臼，直至假體外下緣與髖臼外下緣切跡齊平。安裝與髖臼磨銼型號相同的臼杯試模，獲得THA術后髖臼模型（圖1）。本組臼杯直徑為44～58 mm，其中44 mm 2例、46 mm 2例、48 mm 2例、50 mm 4例、52 mm 2例、54 mm 3例、58 mm 1例。因預實驗中X線片透視發現金屬臼杯較厚、圖像難以辨別，故本次實驗模型制備時均采用臼杯試模，以便后期攝片測量。
圖1
THA術后髖臼模型
Figure1.
Acetabular model after THA
1.3 杯覆率測量方法
1.3.1 改良測量法
將THA術后髖臼模型以正位置于手術床，使用德國西門子公司C臂X線機正位攝片。髖臼假體未被覆蓋區域大致呈梭形弧面，當與攝片角度垂直時其骨邊界在二維圖像上呈一條直線；臼杯的圓形杯口在傾斜角度下投影為橢圓形。當臼杯未被覆蓋區域與杯口投影的橢圓形長軸平行時，即可測得假體未被覆蓋區域的骨邊界最大長度。
調整C臂X線機角度，首先沿矢狀面向尾側旋轉，直至假體未被覆蓋區域的骨邊界在投影圖像上呈一條直線（FG，圖2a）；進一步以相同方向旋轉X線機，至假體未被覆蓋區域的骨邊界投影直線（FG）與臼杯長軸（DE，圖2b）平行，記錄此時FG長度（L），并參照以下弧長轉換公式計算對應弧長（L弧長）。
圖2
改良測量方法X線片中各參考結構示意圖
a. FG；b. DE； c. AC
Figure2. Schematic diagram of reference structures on X-ray films in the modified methoda. FG; b. DE; c. AC
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其中，r為臼杯半徑，L°為L弧長對應角度。
再沿著橢圓形杯口的短軸（AC，圖2c）在冠狀面向健側旋轉C臂X線機，使A、B兩點重合（B點為線AC與線FG交點）后，繼續沿相同方向旋轉直至B、C兩點重合。C臂X線機旋轉至B、C兩點重合所需角度即為假體未被覆蓋區域寬度對應角度（H°），并參照以下公式基于寬度對應角度（H°）轉換為對應弧長（H弧長）。
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將假體未被覆蓋區域視為一個三角形，利用上述長度、寬度可以計算該區域面積（此面積較實際面積小）；通過臼杯直徑可計算假體表面積（S）；即杯覆率=（假體表面積?假體未被覆蓋區域面積）/假體表面積×100%。由于假體未被覆蓋區域為弧面，通過X線片測量結果為二維數據，根據相應假體半徑將二維數據轉換為三維數據。因此計算過程長度和寬度均轉換為弧長，聯合三角形面積公式，代入H弧長、L弧長 得到假體未被覆蓋區域面積，公式如下：
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最終得出杯覆率計算公式，如下：
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1.3.2 傳統基于正位X線片測量法
參照Kim等[23]提出的測量方法，于置換術后骨盆正位X線片，定位臼杯中心點（O點）、經過臼杯直徑直線（BC）、臼杯外緣與髂骨接觸點（A點），∠AOC即為假體未被覆蓋區域角度。杯覆率 =（180°?∠AOC）/180°×100%。見圖3。
圖3
基于骨盆正位X線片測量杯覆率
Figure3.
Measurement of cup coverage rate based on anteroposterior X-ray film of pelvis
1.3.3 基于骨盆模型測量
取THA術后髖臼模型，將5.0 g牙科紅蠟按壓在假體未被覆蓋區域表面（圖4a），即為假體未被覆蓋區域模型。取下該模型并使用3D掃描儀（Ein Scan-pro 先臨三維科技股份有限公司）掃描，獲得數據以STL格式導出，采用Geomagic Studio軟件（Geomagic公司，美國）生成假體未被覆蓋區域表面三維模型（圖4b），自動計算其面積。按照以下公式計算實際杯覆率：杯覆率=（假體表面積?假體未被覆蓋區域面積）/假體表面積×100%。
圖4
基于骨盆模型測量杯覆率
a. 制作假體未被覆蓋區域模型；b. 未被覆蓋區域表面三維模型
Figure4. Measurement of cup coverage rate based on pelvic modela. Model of the uncovered area of the prosthesis; b. Three-dimensional model of the surface of the uncovered area
1.4 統計學方法
采用SPSS26.0統計軟件進行分析。計量資料經正態性檢驗，均符合正態分布，以均數±標準差表示。3種方式測量杯覆率比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗。檢驗水準取雙側α=0.05。基于改良測量方法，對假體未被覆蓋區域面積與寬度、長度關系進行多重線性回歸分析，寬度及長度以L° 與H° 表示。
2 結果
傳統方法、改良方法以及實際測量的杯覆率分別為78.22%±3.36%、86.74%±3.61%、89.62%±2.62%，兩兩比較差異均有統計學意義（P<0.05）。多重線性回歸分析結果示，寬度、長度均與假體未被覆蓋區域面積成正線性關系，回歸方程：假體未被覆蓋區域面積=?21.192+0.248×寬度+0.140×長度，決定系數R2=0.857，P<0.001。見表1。
表1
假體未被覆蓋區域面積與寬度、長度關系的多重線性回歸分析結果
Table1.
Multiple linear regression analysis of correlation between the width and length and the uncovered area of the prosthesis
3 討論
THA術中如何安置臼杯假體，使之接近解剖位置且保證有足夠宿主骨覆蓋，是確保假體長期生存的關鍵[24-25]。杯覆率是一個重要指標，術者通過該指標可以判斷臼杯是否需要植骨或其他方式以增加覆蓋，并預測假體生存率[26-27]。目前已有多種基于X線片的杯覆率測量方式，但髖臼周圍解剖結構復雜，僅依靠骨盆正位X線片來評估杯覆率遠遠不夠[23]。基于正位X線片測得的杯覆率受多種因素影響，除了與假體未被覆蓋區域大小、形狀及位置相關外，還與骨盆矢狀傾斜角度相關[18，28]，因此需要更準確的攝片和計算方式。雖然CT圖像可以獲得較準確杯覆率，但是目前大部分醫院由于設備限制，術中檢查難以實現；術后CT檢查存在金屬偽影，加之輻射量較大、費用較高，與操作簡便、費用較低、輻射影響小的X線片相比，也無法成為THA術后首選檢查方法。因此，探索可以在X線片上進行準確評估杯覆率方法具有重要意義。
髖臼及周圍結構為復雜三維立體圖形，三維圖形由二維圖形疊加而來，且在不同角度下拍攝的圖形均有所不同，因此一張X線片圖像很難反映真實情況。我們擬引入一個新的校準依據來確保拍攝的臼杯假體未被覆蓋區域圖像與實際情況相同。由于臼杯圓形杯口傾斜時在X線片呈橢圓形，不同攝片角度下橢圓形長軸位置不同，而兩條直線可以確定一個平面，當這兩條直線平行時其所在平面可以正對拍攝方向。因此我們拍攝杯口投影的橢圓形長軸（DE）與假體未被覆蓋區域骨邊界直線（FG）平行圖像，并測量FG長度。沿杯口投影橢圓形的短軸（AC）方向旋轉C臂X線機，當B、C兩點重合時所旋轉角度即為假體未被覆蓋區域寬度對應角度。利用長度和寬度兩個參數可以得到假體未被覆蓋區域面積，但如果對假體未被覆蓋區域進行準確計算，其過程過分復雜，因此我們將計算方式簡化，將三維弧面形假體未被覆蓋區域展平簡化視為平面三角形。
本研究結果顯示改良方法測量的杯覆率尚未達基于模型的實際測量結果，但高于傳統正位X線片測量結果，提示改良測量法可以幫助術者在THA術中較準確地評估杯覆率。同時，本研究以改良方法中寬度、長度作為自變量，假體未被覆蓋區域面積作為因變量，進行多重線性回歸分析。結果顯示，寬度、長度均與假體未被覆蓋區域面積成正線性關系，其中寬度對假體未被覆蓋區域面積的貢獻度大于長度，提示其可以作為參考，幫助術者在術中評估臼杯假體覆蓋范圍。
綜上述，采用改良杯覆率測量方法在THA術中可以較準確展示臼杯未被覆蓋區域形狀，而未被覆蓋區域寬度可以作為判斷杯覆率的有效參數。本研究局限性：① 研究使用的模型數據均來自成人正常髖臼，與接受THA治療的患者髖臼存在差異；② 樣本量有限，髖臼結構存在個體差異，且骨質量與密度也會對測量結果產生影響；③ 研究采用臼杯試模進行模型制備。針對以上情況，我們將擴大樣本、選用髖臼骨缺損較為嚴重的先天性髖關節發育不良患者骨盆數據作為模型，進一步驗證該測量方法的準確性。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道
倫理聲明 研究方案經蚌埠醫科大學第一附屬醫院臨床醫學研究倫理委員會批準（2023YJS180）
作者貢獻聲明 李董、丁海：研究設計；李董：研究實施、文章撰寫；張勇、陳祖慶、常文舉：數據收集整理及統計分析；丁海：經費支持
人工全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）是臨床常用的治療晚期髖關節疾病術式，能顯著改善關節功能、減輕疼痛，提高患者生存質量[1-3]。但隨著假體使用年限增加，相關并發癥發生風險會逐漸增加[4-7]，尤其是臼杯假體覆蓋率（以下簡稱“杯覆率”）較差的患者，由于術后難以獲得理想初始穩定性，假體松動概率大大增加[4, 8-11]。理想杯覆率應是在臼杯獲得足夠包容性和初始穩定性的同時，不增加手術難度，也不減少髖臼周圍骨量。目前，主流觀點認為能維持髖臼假體長期生存的最小杯覆率為70%[12-14]，但也有研究結果顯示杯覆率為60%時即可獲得良好療效[15-16]。因此，關節置換時杯覆率的評估對臨床療效具有重要意義。但由于髖臼形狀不規則，邊緣呈波浪形半圓，術中難以準確測量杯覆率。
目前，術中主要采用X線透視下評估杯覆率。但是X線圖像為髖臼二維映射結果，無法準確反映髖臼三維結構，導致結果與實際情況存在差異。有研究表明基于二維圖像測量的杯覆率較實際杯覆率偏低[17-18]，但也有研究得出相反結果[12，14，19]。此外，不同的透視角度和計算方式也會影響測量結果，從而影響術中判斷及操作[19-22]。本課題組改良X線攝片方式，提出了一種新的杯覆率測算方法。本次研究旨在與傳統方法進行比較，探討該改良方法測量的準確性，以期為臨床準確評估杯覆率提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究對象
以2021年10月—2023年10月蚌埠醫科大學第一附屬醫院骨科收治的16例患者作為研究對象，均經CT檢查明確髖臼結構正常。其中，男9例，女7例；年齡32～71歲，平均54.3歲。身高150～182 cm，平均169.1 cm。體質量51.0～86.6 kg，平均63.9 kg。
1.2 THA術后髖臼模型制備
1.2.1 CT掃描
采用日本飛利浦公司Brilliance 64層螺旋CT掃描儀。掃描范圍：L3椎體上緣至恥骨聯合下5 cm；掃描參數：管電壓120 kV，管電流 250 mA，厚度 1.0 mm，層間距 1.0 mm，螺距1.172 mm，旋轉時間0.75 s，矩陣512×512。掃描數據以Dicom式導入Mimics 25.0軟件（Materialise 公司，比利時）行三維重建，重建條件：層厚1.0 mm，層間距50%，閾值300 HU。
1.2.2 模型制備
首先，將16例骨盆CT三維重建數據以Stl格式傳輸入3D打印機（深圳市極光爾沃科技股份有限公司），采用聚乳酸材料打印制作16個正常骨盆模型（左髖8個、右髖8個）。 然后，以前傾15°、外展45° 方向在骨盆模型畫線標記，采用磨銼由小到大逐一打磨髖臼，直至假體外下緣與髖臼外下緣切跡齊平。安裝與髖臼磨銼型號相同的臼杯試模，獲得THA術后髖臼模型（圖1）。本組臼杯直徑為44～58 mm，其中44 mm 2例、46 mm 2例、48 mm 2例、50 mm 4例、52 mm 2例、54 mm 3例、58 mm 1例。因預實驗中X線片透視發現金屬臼杯較厚、圖像難以辨別，故本次實驗模型制備時均采用臼杯試模，以便后期攝片測量。
圖1
THA術后髖臼模型
Figure1.
Acetabular model after THA
1.3 杯覆率測量方法
1.3.1 改良測量法
將THA術后髖臼模型以正位置于手術床，使用德國西門子公司C臂X線機正位攝片。髖臼假體未被覆蓋區域大致呈梭形弧面，當與攝片角度垂直時其骨邊界在二維圖像上呈一條直線；臼杯的圓形杯口在傾斜角度下投影為橢圓形。當臼杯未被覆蓋區域與杯口投影的橢圓形長軸平行時，即可測得假體未被覆蓋區域的骨邊界最大長度。
調整C臂X線機角度，首先沿矢狀面向尾側旋轉，直至假體未被覆蓋區域的骨邊界在投影圖像上呈一條直線（FG，圖2a）；進一步以相同方向旋轉X線機，至假體未被覆蓋區域的骨邊界投影直線（FG）與臼杯長軸（DE，圖2b）平行，記錄此時FG長度（L），并參照以下弧長轉換公式計算對應弧長（L弧長）。
圖2
改良測量方法X線片中各參考結構示意圖
a. FG；b. DE； c. AC
Figure2. Schematic diagram of reference structures on X-ray films in the modified methoda. FG; b. DE; c. AC
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其中，r為臼杯半徑，L°為L弧長對應角度。
再沿著橢圓形杯口的短軸（AC，圖2c）在冠狀面向健側旋轉C臂X線機，使A、B兩點重合（B點為線AC與線FG交點）后，繼續沿相同方向旋轉直至B、C兩點重合。C臂X線機旋轉至B、C兩點重合所需角度即為假體未被覆蓋區域寬度對應角度（H°），并參照以下公式基于寬度對應角度（H°）轉換為對應弧長（H弧長）。
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將假體未被覆蓋區域視為一個三角形，利用上述長度、寬度可以計算該區域面積（此面積較實際面積小）；通過臼杯直徑可計算假體表面積（S）；即杯覆率=（假體表面積?假體未被覆蓋區域面積）/假體表面積×100%。由于假體未被覆蓋區域為弧面，通過X線片測量結果為二維數據，根據相應假體半徑將二維數據轉換為三維數據。因此計算過程長度和寬度均轉換為弧長，聯合三角形面積公式，代入H弧長、L弧長 得到假體未被覆蓋區域面積，公式如下：
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最終得出杯覆率計算公式，如下：
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1.3.2 傳統基于正位X線片測量法
參照Kim等[23]提出的測量方法，于置換術后骨盆正位X線片，定位臼杯中心點（O點）、經過臼杯直徑直線（BC）、臼杯外緣與髂骨接觸點（A點），∠AOC即為假體未被覆蓋區域角度。杯覆率 =（180°?∠AOC）/180°×100%。見圖3。
圖3
基于骨盆正位X線片測量杯覆率
Figure3.
Measurement of cup coverage rate based on anteroposterior X-ray film of pelvis
1.3.3 基于骨盆模型測量
取THA術后髖臼模型，將5.0 g牙科紅蠟按壓在假體未被覆蓋區域表面（圖4a），即為假體未被覆蓋區域模型。取下該模型并使用3D掃描儀（Ein Scan-pro 先臨三維科技股份有限公司）掃描，獲得數據以STL格式導出，采用Geomagic Studio軟件（Geomagic公司，美國）生成假體未被覆蓋區域表面三維模型（圖4b），自動計算其面積。按照以下公式計算實際杯覆率：杯覆率=（假體表面積?假體未被覆蓋區域面積）/假體表面積×100%。
圖4
基于骨盆模型測量杯覆率
a. 制作假體未被覆蓋區域模型；b. 未被覆蓋區域表面三維模型
Figure4. Measurement of cup coverage rate based on pelvic modela. Model of the uncovered area of the prosthesis; b. Three-dimensional model of the surface of the uncovered area
1.4 統計學方法
采用SPSS26.0統計軟件進行分析。計量資料經正態性檢驗，均符合正態分布，以均數±標準差表示。3種方式測量杯覆率比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗。檢驗水準取雙側α=0.05。基于改良測量方法，對假體未被覆蓋區域面積與寬度、長度關系進行多重線性回歸分析，寬度及長度以L° 與H° 表示。
2 結果
傳統方法、改良方法以及實際測量的杯覆率分別為78.22%±3.36%、86.74%±3.61%、89.62%±2.62%，兩兩比較差異均有統計學意義（P<0.05）。多重線性回歸分析結果示，寬度、長度均與假體未被覆蓋區域面積成正線性關系，回歸方程：假體未被覆蓋區域面積=?21.192+0.248×寬度+0.140×長度，決定系數R2=0.857，P<0.001。見表1。
表1
假體未被覆蓋區域面積與寬度、長度關系的多重線性回歸分析結果
Table1.
Multiple linear regression analysis of correlation between the width and length and the uncovered area of the prosthesis
3 討論
THA術中如何安置臼杯假體，使之接近解剖位置且保證有足夠宿主骨覆蓋，是確保假體長期生存的關鍵[24-25]。杯覆率是一個重要指標，術者通過該指標可以判斷臼杯是否需要植骨或其他方式以增加覆蓋，并預測假體生存率[26-27]。目前已有多種基于X線片的杯覆率測量方式，但髖臼周圍解剖結構復雜，僅依靠骨盆正位X線片來評估杯覆率遠遠不夠[23]。基于正位X線片測得的杯覆率受多種因素影響，除了與假體未被覆蓋區域大小、形狀及位置相關外，還與骨盆矢狀傾斜角度相關[18，28]，因此需要更準確的攝片和計算方式。雖然CT圖像可以獲得較準確杯覆率，但是目前大部分醫院由于設備限制，術中檢查難以實現；術后CT檢查存在金屬偽影，加之輻射量較大、費用較高，與操作簡便、費用較低、輻射影響小的X線片相比，也無法成為THA術后首選檢查方法。因此，探索可以在X線片上進行準確評估杯覆率方法具有重要意義。
髖臼及周圍結構為復雜三維立體圖形，三維圖形由二維圖形疊加而來，且在不同角度下拍攝的圖形均有所不同，因此一張X線片圖像很難反映真實情況。我們擬引入一個新的校準依據來確保拍攝的臼杯假體未被覆蓋區域圖像與實際情況相同。由于臼杯圓形杯口傾斜時在X線片呈橢圓形，不同攝片角度下橢圓形長軸位置不同，而兩條直線可以確定一個平面，當這兩條直線平行時其所在平面可以正對拍攝方向。因此我們拍攝杯口投影的橢圓形長軸（DE）與假體未被覆蓋區域骨邊界直線（FG）平行圖像，并測量FG長度。沿杯口投影橢圓形的短軸（AC）方向旋轉C臂X線機，當B、C兩點重合時所旋轉角度即為假體未被覆蓋區域寬度對應角度。利用長度和寬度兩個參數可以得到假體未被覆蓋區域面積，但如果對假體未被覆蓋區域進行準確計算，其過程過分復雜，因此我們將計算方式簡化，將三維弧面形假體未被覆蓋區域展平簡化視為平面三角形。
本研究結果顯示改良方法測量的杯覆率尚未達基于模型的實際測量結果，但高于傳統正位X線片測量結果，提示改良測量法可以幫助術者在THA術中較準確地評估杯覆率。同時，本研究以改良方法中寬度、長度作為自變量，假體未被覆蓋區域面積作為因變量，進行多重線性回歸分析。結果顯示，寬度、長度均與假體未被覆蓋區域面積成正線性關系，其中寬度對假體未被覆蓋區域面積的貢獻度大于長度，提示其可以作為參考，幫助術者在術中評估臼杯假體覆蓋范圍。
綜上述，采用改良杯覆率測量方法在THA術中可以較準確展示臼杯未被覆蓋區域形狀，而未被覆蓋區域寬度可以作為判斷杯覆率的有效參數。本研究局限性：① 研究使用的模型數據均來自成人正常髖臼，與接受THA治療的患者髖臼存在差異；② 樣本量有限，髖臼結構存在個體差異，且骨質量與密度也會對測量結果產生影響；③ 研究采用臼杯試模進行模型制備。針對以上情況，我們將擴大樣本、選用髖臼骨缺損較為嚴重的先天性髖關節發育不良患者骨盆數據作為模型，進一步驗證該測量方法的準確性。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道
倫理聲明 研究方案經蚌埠醫科大學第一附屬醫院臨床醫學研究倫理委員會批準（2023YJS180）
作者貢獻聲明 李董、丁海：研究設計；李董：研究實施、文章撰寫；張勇、陳祖慶、常文舉：數據收集整理及統計分析；丁海：經費支持
