杨佩 | 机器人辅助人工全髋关节置换术中及术后测量髋臼角度比较研究

2021
10/09

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中国修复重建外科杂志
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比较机器人辅助人工全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)术中测量与术后基于 X线片及 CT 影像学资料测量的髋臼杯外展角及前倾角差异。


田润,雷雨田,王坤正,杨佩

西安交通大学第二附属医院骨关节外科(西安  710004)

基金项目:国家自然科学基金资助项目(81672173)

通信作者:杨佩,Email:yangpei@vip.163.com


关键词:机器人辅助人工全髋关节置换术;外展角;前倾角;安全区

引用本文:田润,雷雨田,王坤正, 等. 机器人辅助人工全髋关节置换术中及术后测量髋臼角度比较研究. 中国修复重建外科杂志, 2021, 35(10): 1246-1250. doi: 10.7507/1002-1892.202107037


 摘 要


目的    比较机器人辅助人工全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)术中测量与术后基于 X线片及 CT 影像学资料测量的髋臼杯外展角及前倾角差异。


方法    回顾分析 2020 年 5 月—12 月接受机器人辅助THA 的 54 例(54 髋)患者临床资料。其中男 26 例(26 髋),女 28 例(28 髋);年龄 39~71 岁,平均 58.4 岁。身体质量指数 19.2~29.3 kg/m2,平均 25.2 kg/m2。患者均为初次 THA,包括股骨头坏死 31 例、髋关节骨关节炎 12例、股骨颈骨折 8 例、髋关节发育不良 3 例。记录机器人主机系统中术中髋臼杯外展角与前倾角;术后 2~7 d 行髋关节 X 线片及 CT 平扫检查,测量髋臼杯外展角与前倾角。按照 Lewinnek 等的“髋臼安全区”概念,比较术中及术后髋臼杯位于安全区的比例。


结果     手术时间为 57.8~89.2 min,平均 68.3 min;术中出血量 125.0~450.0 mL,平均 204.8 mL。患者住院期间均未发生髋关节脱位、感染等不良事件。术中测量髋臼杯外展角为(40.8±0.6)°,术后为(41.2±2.8)°,差异无统计学意义(t=1.026,P=0.307);术中测量髋臼杯前倾角为(17.6±1.4)°,显著小于术后(23.4±3.8)°,差异有统计学意义(t=10.520,P=0.000)。按照 Lewinnek 等的“髋臼安全区”概念,术中 54 髋(100%)均在安全区范围内,术后 16 髋在安全区范围外,38 髋在安全区范围以内,安全区内比例为70.4%,差异有统计学意义(χ2=18.783,P=0.000)。


结论    机器人辅助 THA 可精确获得术中髋臼杯角度,术中侧卧位下的髋臼杯安置前倾角与术后仰卧位时测量的髋臼杯前倾角偏差较大,需要进一步研究术中髋臼杯安置位置。


正 文


人工全髋关节置换术(total hip arthroplasty, THA)是治疗大多数终末期髋关节疾病的金标准,可有效缓解关节疼痛、恢复关节功能、保持关节稳定性、恢复肢体长度。经过 1 个多世纪的发展, THA 在基础解剖、手术技术、假体设计等方面都取得了巨大进展,但仍有新的问题不断涌现。髋臼假体安放位置是影响 THA 近、远期疗效的重要因素,位置不良可引起假体撞击、脱位、松动,导致髋臼杯受力不均、内衬磨损加剧、周围骨溶解等并发症,出现早期失败[1-2]“髋臼安全区”的概念由Lewinnek 等[3]于 1978 年最早提出,并在相当长一段时间里作为髋臼杯安置的标准。然而越来越多研究提示髋臼杯的安全区并不安全[4]针对髋关节不稳及脱位患者髋臼杯角度的研究发现,大量脱位患者髋臼杯在传统安全区以内,而术后髋臼杯角度异常者绝大部分髋关节并未发生脱位[5]因此,更加深入研究髋臼杯角度,对于更好地理解 THA 手术中髋臼杯的安置位置,提高其近、远期疗效有重要意义。

不同体位下髋臼杯角度会发生变化。目前,大部分医生仍然习惯于患者侧卧位下经后外侧入路行 THA。既往研究发现,与仰卧位相比,患者侧卧位及平卧位时的骨盆倾斜度会发生变化,直接影响髋臼杯角度测量结果[6]。因此,有可能出现术中凭经验或相关辅助定位获得的髋臼杯角度与术后仰卧位时髋臼杯角度有偏差。然而,由于术中无法精确获得髋臼杯安置角度,使得相关研究结论缺乏说服力。近年来,机器人辅助关节置换获得了长足发展,机器人辅助 THA 利用术前髋关节 CT 平扫及术中空间定位,可以精确获得术中髋臼杯角度。术后髋臼杯角度测量方法较多,但目前认为基于术后髋关节 CT 平扫获得的髋臼杯角度相对较为准确[7]。现回顾分析 2020 年 5 月—12 月于我院接受机器人辅助 THA 的 54 例(54 髋)患者临床资料,对术中及术后测量的髋臼杯角度进行比较,旨在为术中机器人辅助髋臼假体安置提供更多依据。报告如下。


1

临 床 资 料


1.1    一般资料

本组男 26 例(26 髋),女 28 例(28 髋);年龄39~71 岁,平均 58.4 岁。左髋 24 例,右髋 30 例。身体质量指数 19.2~29.3 kg/m2,平均 25.2 kg/m2。患者均为初次 THA,包括股骨头坏死 31 例、髋关节骨关节炎 12 例、股骨颈骨折 8 例、髋关节发育不良 3 例。

 1.2    手术方法

所有患者手术均由同一组医师完成,均选择BE-1 生物型陶瓷对聚乙烯假体(北京春立正达医疗器械股份有限公司)。用“键嘉”机器人系统(杭州键嘉机器人有限公司)获取患者术前髋关节 CT平扫(层厚 0.625 mm,扫描范围为髂前上嵴上方5 cm 至膝关节关节线上方 5 cm)数据后,对髋臼杯安置位置进行个性化设计。

患者于静吸复合全麻下取侧卧位,行后外侧入路,于髂前上棘上方 5 cm 处经皮安置骨盆反射矩阵;沿手术入路暴露髋关节囊并部分切除后,脱位髋关节,常规截骨后,股骨扩髓准备;充分暴露髋臼至髋臼缘外 1 cm 处,手持反射矩阵与髋臼采点,行髋臼注册;注册完成后进行验证,确保注册误差<0.5 mm;注册完成后推入机械臂,定线、限深模式下行髋臼磨锉至术前规划深度;移除髋臼锉,在机器人辅助下安装髋臼杯,并保存此时操作台显示的外展角和前倾角。常规安装股骨侧假体,术中测试髋关节稳定无误,关节周围及肌肉内注射“鸡尾酒”(罗哌卡因注射液 25 mg+地塞米松注射液5 mg+酮铬酸氨丁三醇 5 mg,用生理盐水稀释至50 mL),缝合外旋肌群后逐层缝合组织,关节腔内注射 0.01 g/mL 氨甲环酸 100 mL。

1.3    观测指标

记录机器人主机系统中显示的患者术中髋臼杯外展角与前倾角。术后 2~7 d 行髋关节 X 线片及 CT 平扫检查,获得术后髋臼杯外展角与前倾角。其中,由 1 名非骨科专业的影像科医生在PACS 影像工作站利用数字化工具基于 X 线片测量髋臼杯外展角,基于髋关节 CT 测量髋臼杯前倾角,测量方法参考文献[8]。各轴线长度精确至0.01 mm,每个指标测量 3 次,取均值。按照Lewinnek 等[3]的“髋臼安全区”概念 [外展角(40±10)°,前倾角(15±10)°],比较术中及术后髋臼杯位于安全区的比例。

1.4    统计学方法

采用 SPSS22.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示,组间比较采用配对 t 检验;计数资料比较采用 χ2 检验或 Fisher 确切概率法;检验水准 α=0.05。


2

结 果


本组手术时间为 57.8~89.2 min,平均 68.3 min;术中出血量 125.0~450.0 mL,平均 204.8 mL。患者住院期间均未发生髋关节脱位、感染等不良事件。术中测量髋臼杯外展角为(40.8±0.6)°,术后为(41.2± 2.8)°,差异无统计学意义(t=1.026, P=0.307);术中测量髋臼杯前倾角为(17.6±1.4)°,显著小于术后(23.4±3.8)°,差异有统计学意义(t=10.520,P=0.000)。按照 Lewinnek 等[3]的“髋臼安全区”概念,术中 54 髋(100%)均在安全区范围内,术后 16 髋(29.6%)在安全区范围外,38 髋(70.4%)在安全范围内,差异有统计学意义(χ2= 18.783,P=0.000)。见图 1。


 

图 1     患者,女,61 岁,左侧股骨颈骨折     a. 术中医生及机器人站位示意图;b. 术中行髋臼注册;c. 术中安置髋臼杯后测量髋臼杯外展角为 41.1°,前倾角为 11.6°;d、e. 术后第 3 天髋关节 X 线片及 CT 平扫示髋臼杯外展角为 41.5°,前倾角为 19.8°


3

讨 论


THA 术中髋臼假体位置是获得稳定髋关节的重要条件。目前,髋臼杯位置评价指标有多种,包括外展角、前倾角、髋臼杯深度、髋臼杯高度、髋臼杯覆盖及偏心距等。在这些因素中,髋臼杯外展角与前倾角在临床中应用最为广泛,与术后假体撞击、脱位和关节不稳定直接相关,对髋关节生物力学的稳定起着重要作用。目前,Lewinnek 安全区的概念仍然是指导临床髋臼杯安置的重要原则。然而,越来越多研究提出,单纯的髋臼安全区概念并不能帮助我们获得一个绝对稳定的髋关节,大部分脱位的髋关节仍然处于安全区内。Abdel 等[9]对9 784 例初次 THA 患者进行随访,随访期间有 206例髋关节出现脱位,进一步研究发现,有 58% 脱位患者其外展角及前倾角在安全区内。Amlie 等[10]对2 572 例后外侧入路 THA 患者进行随访后获得了类似结论。因此,有必要对术中髋臼杯的位置进行进一步研究。

目前,髋臼杯外展角及前倾角的测量主要基于术后髋关节正位 X 线片及髋关节 CT 平扫图像。髋关节 CT 平扫是目前测量髋臼杯前倾角的金标准。然而,由于患者术中与术后检查体位的变化,术后测量的髋臼杯角度并不能准确评估术中髋臼杯位置。既往临床操作中,手术医生通常利用解剖标志或假体配套器械来估计髋臼杯角度,这种依赖经验或者器械的方法无法获得精确的外展角与前倾角,使得针对术中髋臼杯角度的相关研究无法取得信服的结果。机器人辅助技术的出现,让操作者可以准确获得术中髋臼杯角度。本研究纳入了 54 例行机器人辅助 THA 的患者,术中利用机器人定位髋臼杯,术后于髋关节 X 线片及 CT 平扫图像上测量髋臼杯外展角、前倾角。比较结果显示,术中机器人定位外展角与术后髋关节 X 线片测量外展角之间差异无统计学意义(P>0.05);而术后前倾角显著大于术中前倾角(P<0.05)。由于前倾角的变化,术后有 16 髋不在 Lewinnek 安全区内,术中与术后安全区比例也存在显著差异(P<0.05)。

体位变化引起髋臼杯角度变化已有较多研究。目前认为,体位变化会引起脊柱与骨盆的角度变化,进而对外展角和前倾角带来不同影响。骨盆前旋将导致髋臼杯外展角增大,前倾角减小;相反,骨盆后旋则导致髋臼杯外展角减小,前倾角增大[11]。此外,骨盆在冠状位的左右倾斜仅对外展角产生影响,而对前倾角影响较小。Wan 等[12]对 619例患者仰卧位下骨盆倾斜度进行研究发现,40.4%骨盆存在后倾 1°~9°,33.6% 骨盆存在前倾 1°~9°, 12.6% 骨盆后倾 10°~25°,4.8% 骨盆前倾 10°~20°,仅 8.6% 骨盆无倾斜。然而,既往对骨盆的研究多基于三维有限元或术后影像学研究,没有准确的术中数据。本研究结果提示,患者由术中侧卧位向术后仰卧位改变时,髋臼杯外展角无显著变化,而前倾角则显著增大。由于外展角受髋臼前后倾及侧倾等多个因素影响,且不同的腰椎曲度下,骨盆可出现前倾、后倾等多种变化,综合因素可能导致外展角无显著差异;而前倾角主要受骨盆前后倾影响,导致术中及术后前倾角差异较大。此外,平卧位与站立位时髋臼杯角度同样存在较大变化。Au等[13]对 30 例初次 THA 患者进行研究后发现,尽管仰卧位时所有髋臼均在安全区内,但站立位时有 16例髋臼不在安全区内,髋臼杯外展角、前倾角均增大。因此,有必要对侧卧位、平卧位、仰卧位下髋臼杯角度的变化深入研究。

机器人的不断发展,让精准手术成为可能。已有不同研究报道了机器人辅助关节置换可以获得良好的中期效果,但机器人手术并未解决髋关节不稳的问题[14-15]。Perets 等[16]发现,机器人辅助 THA术后髋关节脱位等并发症发生率与传统手术差异无统计学意义。一项最新荟萃分析发现,与传统手术相比,机器人辅助 THA 可以获得更好的早期髋关节功能,但不能改善假体在体率[17]。尽管更加精确的髋臼杯安置并未带来更好的临床效果,但由于机器人辅助操作过程是可量化的,所有操作参数都可通过数字保存,通过分析这些量化的操作过程,使得手术操作不断进步成为可能。因此,即使目前并无确定证据支持机器人辅助 THA 优于传统手术,但该技术可不断改进,具有优于传统手术的潜能。

本研究不足:首先,术中对髋臼杯外展角及前倾角的测量依赖于机器人算法,本研究结论是否源于算法的误差尚未可知;其次,随访时间较短,尚无法获悉研究中出现的角度偏差是否会对髋关节功能、早期脱位率及中远期假体寿命产生影响;再次,术后影像学检查为平卧位 X 线片与 CT,缺乏站立位影像学检查;最后,纳入病例较少,需要大样本数据观察。

综上述,机器人辅助 THA 可以帮助术者获得术中的髋臼杯位置数据,但术中与术后髋臼杯角度之间存在较大差异。因此,如何利用机器人辅助THA 获得一更加稳定的髋关节,仍需要更多研究明确。


通讯作者



杨佩,主任医师,副教授,博士研究生导师。现任中华医学会骨科学分会关节外科学组委员、中华医学会骨科学分会青年委员会委员、中华医学会骨科学分会青年委员会关节外科学组副组长、中国医师协会骨科医师分会关节外科专家工作委员会委员、中国医师协会骨科医师分会髋关节工作委员会(CHS)委员、亚洲人工关节学会(AISA)中国部执行委员、陕西省骨与关节学会副会长。


第一作者



田润,医学博士,副研究员。担任中国医师协会关节外科学组委员、中国医师协会髋关节学组委员、中国修复重建外科学会骨坏死学组委员、陕西省骨与关节学会快速康复学组委员、陕西省骨与关节学会骨肿瘤分会委员。


参考文献:



   
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关键词:
髋关节置换术,机器人,髋臼杯,髋关节,安全区,骨盆,外展

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