张泽群，姚雨林，郑潇男，黄新燕，吕征

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094;2.南京医科大学第一附属医院江苏省人民医院骨科，江苏南京 210029）

0 引言

人工全髋关节置换术是关节恢复结构和功能的常用且有效的手段之一。当前世界上每年有近百万人在接受人工全髋关节置换术，全髋关节置换术可以使患者摆脱拐杖，重新恢复行走能力，从而大大地改善患者的生活品质［1-2］。

假体选择、假体安放的位置、下肢等长及髋关节外展张力平衡等是全髋关节置换术成功的关键因素。全髋关节置换术常导致术后双下肢不等长。显著的下肢不等长可明显影响患者步态，引起骨盆倾斜和下腰痛，此外，还可导致术后假体松动。这些会明显降低全髋关节置换术的临床疗效。造成这一现象的原因之一是目前医生在术前只能借助X-ray摄片和关节公司提供的假体模板通过目测的方法进行术前模拟。目前人们正在研究如何科学、精确地选择假体，并将假体安放在最合理的位置，均衡下肢长度，重建髋关节生物力学平衡的方法［3-4，9］。

信息技术的飞速发展、特别是医学影像学的突飞猛进以及计算机图形学技术的不断进步，为开展全髋关节置换术术前数字化测量系统的研究提供了很好的技术保障［5-6］。MediCAD Multimedia公司开发了一款软件Medi-CAD，该软件可以用来对X-ray摄片进行数字化测量。目前，国内还没有开展这方面的研究工作。本文探讨如何运用计算机软件、数据库和图形处理技术实现一个全髋关节置换术前设计的数字化测量平台，帮助医生完成精确、全面的术前设计。

1 术前设计的内涵

1.1 术前设计内容

全髋关节置换手术的疗效与对置入假体的正确选择有关，此外，还与截骨方向、截骨量以及肢体与假体的相互匹配有很大的关系。因此，在临床操作中，术前设计是全髋关节置换术的重要步骤。

全髋关节置换术前设计的主要目的是确定:

1）股骨假体的大小;2）股骨假体在髓腔中的固定点;3）髋臼和股骨假体的正确位置。

因此，术前设计在决定假体型号、髋关节的旋转中心位置、纠正双下肢长度差异及减少手术并发症方面起到关键的作用。

传统的术前设计是通过将透明的胶片假体模板覆盖在患者的X-ray摄片上，医生用假体模板在X-Ray片上进行手工画线或直接凭经验进行目测、分析和估算。由图1可知术前设计的内容以及在术前设计中要确定的关键数据:

1）髋臼杯的尺寸和位置;2）股骨柄的CCD角度、尺寸和位置;3）双侧髂前上棘至内踝尖的距离;4）选择合适的关节假体型号。

通过精确的术前计划，可以对术中相关因素有效控制，预测并控制并发症，提高手术效果。

图1 全髋关节置换术前设计

1.2 传统的术前设计方法的局限

传统方法可以做到将假体安放在真性髋臼中，但无法精确定量控制髋臼旋转中心的偏移;此外，由于胶片模板比例是固定的，X-ray摄片放大率也存在误差，因此，术前难以确定股骨假体的型号。此外，如何在髋关节置换中均衡下肢长度也一直是困扰传统的术前设计方法的难题。

由此可见，传统的术前设计手段的局限性首先体现在无法精确地确定手术所需要的关键数据，其次是不能实现术前设计和术后的结果的数据比对，从而对手术的效果进行客观、精确地分析;最后是无法对术前设计关键数据进行保存和实现分享。

2 数字化测量系统的总体设计

基于全髋关节置换术前设计的现状和实际需求，研究并设计了一个直观且可进行量化测量的数字化测量系统。该系统主要实现了全髋关节置换术前设计的关键功能包括:

1）数字化关节假体模板库的构建，方便检索和术前设计中的比对;2）患者资料数据库的构建，方便对患者原始X-ray摄片等资料、术前设计资料和术后资料的检索和保存;3）在X-ray片上直接作图的功能;4）假体模板和X-ray摄片的比对功能;5）测量功能;6）保存和打印功能:保存和打印术前设计的相关文件。

3 系统关键功能的实现

3.1 数据库的构建

术前进行假体型号的选择需要将关节公司的关节假体模板在患者的X-ray摄片上进行比对。软件采用Microsoft Access2003构建了患者资料数据库（图2a）和关节假体数字化模板数据库（图2b）。数据库资料录入前需要做一些前期的准备。首先，采用计算机扫描的方式将患者的X-ray摄片和关节假体胶片模板进行数字化处理。为了便于运用快速的算法存储与读取，同时也节省存储空间，在图片存储中将数字化的图片转化成长二进制数。然后，应用软件的数据库模块可将患者的文字和X-ray摄片资料、关节假体模板的图片资料录入相应的数据库中。

图2 数据库界面

3.2 测绘工具

测绘是术前设计中的一项主要内容。为了分析患者的X-ray摄片，测量患者的双下肢长度和髋臼的旋转中心，确定截骨位置，便于在术中精确放置关节假体，以获得最佳关节稳定性，在软件设计中设计的关键功能之一就是测绘功能。系统中设计的测绘功能如图3所示。

图3 测绘工具模块

测绘功能模块涵盖了测量、绘图、调整和标准线四个子功能。运用这些功能就可以在术前测定双下肢长度差异、髋臼旋转中心以及选择假体型号。

3.3 调整功能

调整功能是为了实现关节假体型号的选择而设计的。在选择关节假体型号时需要将假体模板图在患者的X-ray摄片上比对。实现假体图与X-ray摄片图的比对，必须能够方便地在窗体内对假体模板图进行平移和旋转。由于在比对的过程中存在X-ray摄片的比例和关节假体模板的比例不同这种情况。因此，除了要完成平移和旋转的转换外，还要校正假体模板的比例和患者X-ray摄片比例，保证两个图片是在相同的尺度下比对。设计者可以任意选择一个图片的比例尺，对图形的比例进行校正。本软件采用了式（1）来解决假体模板图的实时平移、旋转以及校正功能。

此外，为了更好的实现两幅图片的对比，需要对图片的颜色和亮度进行适当的调整。考虑到每个人对不同颜色的感官不同，软件设计时加入了图片色彩的算法。软件界面上采用了人们所能接受的直观的表示方式，即:色相，色度，亮度来进行处理。软件依据计算机图形学的基本理论，采用了式（2）将图片的色彩信息R、G、B转换成H（色相）、S（色度）、L（亮度）。

图4中显示了这些功能在窗体中的表现形式。界面上提供的选择性列表中给出了常用的显示比例。此外，还设计了比例、旋转和色相、色度和亮度的移动滑条，通过滑条可以非常方便地完成缩放、旋转以及图片色彩的调整。移动功能只需直接点击假体模板图片，按住鼠标左键就可以非常方便地将假体移动到患侧关节的位置进行比对。

图4 测绘工具

为了解决图像平移、旋转过程中的流畅性，更好地满足假体和X－ray对比要求。这部分功能开发采用了dev c++软件，编写了基于式（1）和式（2）的动态链接库，旨在提高运算能力和运算速度，最后将该动态链接库集成到测量系统平台。

3.4 测量和绘图功能

测量功能的设计是为了配合术前测量双下肢长度、髋臼中心、外展角以及截骨位置。图4中最左侧是本系统设计的用于测量和绘图的工具条。图5（a），（b），（c）是本软件中的三种测量功能的图示的结果。

图5 测绘功能

在图5（d），（e），（f），（g）中可以看到本软件的4个绘图功能:直线、圆、点和矩形。对于直线、圆和矩形的绘图功能系统还提供了线形和颜色的选择功能。通过在患者的X-ray摄片上绘图，再采用测量工具进行测量就可以非常方便地进行术前的设计。

3.5 标准线

标准线是测量的基准线，根据术前设计的实际需求，通常有4条标准线，如图4窗体中所示。这4条标准线分别是:坐骨结节连线、小粗隆连线、髋臼顶连线和骨盆的纵轴线。系统中的标准线可以根据需要非常方便地沿着其中的一个坐标方向平移。这4条标准线作为测量的基准线，方便医生在进行术前设计的时候能够快速地对患者的X-ray摄片中的关键位置进行定位。同时，也便于以此为参照基准测量健侧关节旋转中心、旋转中心到基准线以及泪滴的距离。而且可以根据设计的不同阶段的实际需要选择显示或不显示4条标准线。

4 应用实例

4.1 临床资料

患者为男，年龄64岁。标准的骨盆正位X-ray片。患者平卧位，髋关节内旋15°。

4.2 方法

应用本软件将X-ray导入到系统中。比对摄片的比例。从两侧坐骨结节或闭孔下缘的连线为水平参考线，通过趾骨联合的该线的垂直线为垂直参考线。确定髋关节旋转中心，测量相关生物力学参数和双下肢长度差值。髋臼假体的上缘安放于髋臼的外上缘，内侧缘靠近髂坐线，下缘位于泪滴下缘的水平。选择与股骨髓腔轮廓最匹配的假体型号。调整股骨柄的位置，确定截骨高度并选择合适的颈长，以恢复双下肢等长，同时注意恢复外展肌肌肉杠杆力臂（图6）。

图6 应用实例

5 结论

针对全髋关节置换术前设计的临床实际需求，开发了一个数字化的术前设计系统。该系统实现了:

1）患者数据和关节假体模板数据的储存;2）关节假体型号的比对和选择;3）关节手术所需关键数据的术前测量;4）关节置换术后的比较和评判。

该软件的开发为临床医生进行精确、直观的术前准备提供了一个数字化的平台。该系统除了可以减少传统胶片模板测量中因X-ray摄片放大率不一致所造成的误差，还可以为术中假体的精确、优化选择提供更多帮助。

［1］凌遵龙，周友龙，等.计算机辅助人工髋关节关节置换术前规划系统及应用［J］.中国现代医生，2011，49（16）:119-120.

［2］吴峻松，凌玲，王成焘.定做式人工髋关节设计与加工中股骨轮廓提取方法［J］.机械设计与研究，1998（4）:53-54.

［3］马如宇，何毓珏，薛文东，等.基于X光片的定制型人工髋关节股骨侧假体设计［J］.生物医学工程学杂志，2004，21（4）:666-669.

［4］李程，裴福兴，杨静，等.计算机导航全膝关节置换系统的初步临床应用［J］.中国矫形外科，2006，14（1）:25-28.

［5］黄孝敏，姚振强，王成焘.同时利用X线片和CT片进行股骨假体三维设计的构思［J］.上海交通大学学报，1997，31（12）:95-98.

［6］胡鑫，习俊通，金烨，等.一种髋关节计算机辅助建模新方法的研究［J］.生物医学工程，2004，21（5）:828-831.

［7］M.Naito，K.Ogata，I.Asayama.Intraperative limb length measurement in total hip arthroplasty［J］，International Orthopaedics，1999，23:31-33.

［8］聂茂，黄伟，等.全髋关节置换术前模板测量的准确性分析［J］.中华创伤杂志，2009，25（8）:705-708.

［9］刘明，李佩佳等.计算机辅助术前计划在全髋关节置换术中的应用［J］.中华外科，2008，46（3）:203-205.

［10］lorio R，Siegel J，et al.A comparison of acetate vs digital templating for preoperative planning of total hip arthrolasty:is digital templating accurate and safe?J Arthroplasty，2009，24（2）:175-179.