張澤群，姚雨林，鄭瀟男，黃新燕，呂征

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094;2.南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院江蘇省人民醫(yī)院骨科，江蘇南京 210029）

0 引言

人工全髖關節(jié)置換術是關節(jié)恢復結構和功能的常用且有效的手段之一。當前世界上每年有近百萬人在接受人工全髖關節(jié)置換術，全髖關節(jié)置換術可以使患者擺脫拐杖，重新恢復行走能力，從而大大地改善患者的生活品質［1-2］。

假體選擇、假體安放的位置、下肢等長及髖關節(jié)外展張力平衡等是全髖關節(jié)置換術成功的關鍵因素。全髖關節(jié)置換術常導致術后雙下肢不等長。顯著的下肢不等長可明顯影響患者步態(tài)，引起骨盆傾斜和下腰痛，此外，還可導致術后假體松動。這些會明顯降低全髖關節(jié)置換術的臨床療效。造成這一現(xiàn)象的原因之一是目前醫(yī)生在術前只能借助X-ray攝片和關節(jié)公司提供的假體模板通過目測的方法進行術前模擬。目前人們正在研究如何科學、精確地選擇假體，并將假體安放在最合理的位置，均衡下肢長度，重建髖關節(jié)生物力學平衡的方法［3-4，9］。

信息技術的飛速發(fā)展、特別是醫(yī)學影像學的突飛猛進以及計算機圖形學技術的不斷進步，為開展全髖關節(jié)置換術術前數(shù)字化測量系統(tǒng)的研究提供了很好的技術保障［5-6］。MediCAD Multimedia公司開發(fā)了一款軟件Medi-CAD，該軟件可以用來對X-ray攝片進行數(shù)字化測量。目前，國內還沒有開展這方面的研究工作。本文探討如何運用計算機軟件、數(shù)據(jù)庫和圖形處理技術實現(xiàn)一個全髖關節(jié)置換術前設計的數(shù)字化測量平臺，幫助醫(yī)生完成精確、全面的術前設計。

1 術前設計的內涵

1.1 術前設計內容

全髖關節(jié)置換手術的療效與對置入假體的正確選擇有關，此外，還與截骨方向、截骨量以及肢體與假體的相互匹配有很大的關系。因此，在臨床操作中，術前設計是全髖關節(jié)置換術的重要步驟。

全髖關節(jié)置換術前設計的主要目的是確定:

1）股骨假體的大小;2）股骨假體在髓腔中的固定點;3）髖臼和股骨假體的正確位置。

因此，術前設計在決定假體型號、髖關節(jié)的旋轉中心位置、糾正雙下肢長度差異及減少手術并發(fā)癥方面起到關鍵的作用。

傳統(tǒng)的術前設計是通過將透明的膠片假體模板覆蓋在患者的X-ray攝片上，醫(yī)生用假體模板在X-Ray片上進行手工畫線或直接憑經驗進行目測、分析和估算。由圖1可知術前設計的內容以及在術前設計中要確定的關鍵數(shù)據(jù):

1）髖臼杯的尺寸和位置;2）股骨柄的CCD角度、尺寸和位置;3）雙側髂前上棘至內踝尖的距離;4）選擇合適的關節(jié)假體型號。

通過精確的術前計劃，可以對術中相關因素有效控制，預測并控制并發(fā)癥，提高手術效果。

圖1 全髖關節(jié)置換術前設計

1.2 傳統(tǒng)的術前設計方法的局限

傳統(tǒng)方法可以做到將假體安放在真性髖臼中，但無法精確定量控制髖臼旋轉中心的偏移;此外，由于膠片模板比例是固定的，X-ray攝片放大率也存在誤差，因此，術前難以確定股骨假體的型號。此外，如何在髖關節(jié)置換中均衡下肢長度也一直是困擾傳統(tǒng)的術前設計方法的難題。

由此可見，傳統(tǒng)的術前設計手段的局限性首先體現(xiàn)在無法精確地確定手術所需要的關鍵數(shù)據(jù)，其次是不能實現(xiàn)術前設計和術后的結果的數(shù)據(jù)比對，從而對手術的效果進行客觀、精確地分析;最后是無法對術前設計關鍵數(shù)據(jù)進行保存和實現(xiàn)分享。

2 數(shù)字化測量系統(tǒng)的總體設計

基于全髖關節(jié)置換術前設計的現(xiàn)狀和實際需求，研究并設計了一個直觀且可進行量化測量的數(shù)字化測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)了全髖關節(jié)置換術前設計的關鍵功能包括:

1）數(shù)字化關節(jié)假體模板庫的構建，方便檢索和術前設計中的比對;2）患者資料數(shù)據(jù)庫的構建，方便對患者原始X-ray攝片等資料、術前設計資料和術后資料的檢索和保存;3）在X-ray片上直接作圖的功能;4）假體模板和X-ray攝片的比對功能;5）測量功能;6）保存和打印功能:保存和打印術前設計的相關文件。

3 系統(tǒng)關鍵功能的實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫的構建

術前進行假體型號的選擇需要將關節(jié)公司的關節(jié)假體模板在患者的X-ray攝片上進行比對。軟件采用Microsoft Access2003構建了患者資料數(shù)據(jù)庫（圖2a）和關節(jié)假體數(shù)字化模板數(shù)據(jù)庫（圖2b）。數(shù)據(jù)庫資料錄入前需要做一些前期的準備。首先，采用計算機掃描的方式將患者的X-ray攝片和關節(jié)假體膠片模板進行數(shù)字化處理。為了便于運用快速的算法存儲與讀取，同時也節(jié)省存儲空間，在圖片存儲中將數(shù)字化的圖片轉化成長二進制數(shù)。然后，應用軟件的數(shù)據(jù)庫模塊可將患者的文字和X-ray攝片資料、關節(jié)假體模板的圖片資料錄入相應的數(shù)據(jù)庫中。

圖2 數(shù)據(jù)庫界面

3.2 測繪工具

測繪是術前設計中的一項主要內容。為了分析患者的X-ray攝片，測量患者的雙下肢長度和髖臼的旋轉中心，確定截骨位置，便于在術中精確放置關節(jié)假體，以獲得最佳關節(jié)穩(wěn)定性，在軟件設計中設計的關鍵功能之一就是測繪功能。系統(tǒng)中設計的測繪功能如圖3所示。

圖3 測繪工具模塊

測繪功能模塊涵蓋了測量、繪圖、調整和標準線四個子功能。運用這些功能就可以在術前測定雙下肢長度差異、髖臼旋轉中心以及選擇假體型號。

3.3 調整功能

調整功能是為了實現(xiàn)關節(jié)假體型號的選擇而設計的。在選擇關節(jié)假體型號時需要將假體模板圖在患者的X-ray攝片上比對。實現(xiàn)假體圖與X-ray攝片圖的比對，必須能夠方便地在窗體內對假體模板圖進行平移和旋轉。由于在比對的過程中存在X-ray攝片的比例和關節(jié)假體模板的比例不同這種情況。因此，除了要完成平移和旋轉的轉換外，還要校正假體模板的比例和患者X-ray攝片比例，保證兩個圖片是在相同的尺度下比對。設計者可以任意選擇一個圖片的比例尺，對圖形的比例進行校正。本軟件采用了式（1）來解決假體模板圖的實時平移、旋轉以及校正功能。

此外，為了更好的實現(xiàn)兩幅圖片的對比，需要對圖片的顏色和亮度進行適當?shù)恼{整。考慮到每個人對不同顏色的感官不同，軟件設計時加入了圖片色彩的算法。軟件界面上采用了人們所能接受的直觀的表示方式，即:色相，色度，亮度來進行處理。軟件依據(jù)計算機圖形學的基本理論，采用了式（2）將圖片的色彩信息R、G、B轉換成H（色相）、S（色度）、L（亮度）。

圖4中顯示了這些功能在窗體中的表現(xiàn)形式。界面上提供的選擇性列表中給出了常用的顯示比例。此外，還設計了比例、旋轉和色相、色度和亮度的移動滑條，通過滑條可以非常方便地完成縮放、旋轉以及圖片色彩的調整。移動功能只需直接點擊假體模板圖片，按住鼠標左鍵就可以非常方便地將假體移動到患側關節(jié)的位置進行比對。

圖4 測繪工具

為了解決圖像平移、旋轉過程中的流暢性，更好地滿足假體和X－ray對比要求。這部分功能開發(fā)采用了dev c++軟件，編寫了基于式（1）和式（2）的動態(tài)鏈接庫，旨在提高運算能力和運算速度，最后將該動態(tài)鏈接庫集成到測量系統(tǒng)平臺。

3.4 測量和繪圖功能

測量功能的設計是為了配合術前測量雙下肢長度、髖臼中心、外展角以及截骨位置。圖4中最左側是本系統(tǒng)設計的用于測量和繪圖的工具條。圖5（a），（b），（c）是本軟件中的三種測量功能的圖示的結果。

圖5 測繪功能

在圖5（d），（e），（f），（g）中可以看到本軟件的4個繪圖功能:直線、圓、點和矩形。對于直線、圓和矩形的繪圖功能系統(tǒng)還提供了線形和顏色的選擇功能。通過在患者的X-ray攝片上繪圖，再采用測量工具進行測量就可以非常方便地進行術前的設計。

3.5 標準線

標準線是測量的基準線，根據(jù)術前設計的實際需求，通常有4條標準線，如圖4窗體中所示。這4條標準線分別是:坐骨結節(jié)連線、小粗隆連線、髖臼頂連線和骨盆的縱軸線。系統(tǒng)中的標準線可以根據(jù)需要非常方便地沿著其中的一個坐標方向平移。這4條標準線作為測量的基準線，方便醫(yī)生在進行術前設計的時候能夠快速地對患者的X-ray攝片中的關鍵位置進行定位。同時，也便于以此為參照基準測量健側關節(jié)旋轉中心、旋轉中心到基準線以及淚滴的距離。而且可以根據(jù)設計的不同階段的實際需要選擇顯示或不顯示4條標準線。

4 應用實例

4.1 臨床資料

患者為男，年齡64歲。標準的骨盆正位X-ray片?；颊咂脚P位，髖關節(jié)內旋15°。

4.2 方法

應用本軟件將X-ray導入到系統(tǒng)中。比對攝片的比例。從兩側坐骨結節(jié)或閉孔下緣的連線為水平參考線，通過趾骨聯(lián)合的該線的垂直線為垂直參考線。確定髖關節(jié)旋轉中心，測量相關生物力學參數(shù)和雙下肢長度差值。髖臼假體的上緣安放于髖臼的外上緣，內側緣靠近髂坐線，下緣位于淚滴下緣的水平。選擇與股骨髓腔輪廓最匹配的假體型號。調整股骨柄的位置，確定截骨高度并選擇合適的頸長，以恢復雙下肢等長，同時注意恢復外展肌肌肉杠桿力臂（圖6）。

圖6 應用實例

5 結論

針對全髖關節(jié)置換術前設計的臨床實際需求，開發(fā)了一個數(shù)字化的術前設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了:

1）患者數(shù)據(jù)和關節(jié)假體模板數(shù)據(jù)的儲存;2）關節(jié)假體型號的比對和選擇;3）關節(jié)手術所需關鍵數(shù)據(jù)的術前測量;4）關節(jié)置換術后的比較和評判。

該軟件的開發(fā)為臨床醫(yī)生進行精確、直觀的術前準備提供了一個數(shù)字化的平臺。該系統(tǒng)除了可以減少傳統(tǒng)膠片模板測量中因X-ray攝片放大率不一致所造成的誤差，還可以為術中假體的精確、優(yōu)化選擇提供更多幫助。

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