李永奖 林瑞新 张力成 杨国敬 蔡春元 周德彪 吴立军
减少疼痛和恢复一个稳定的、良好功能的髋关节是全髋关节置换术最重要的目的。假体安装角度不良将使金属对金属全髋关节置换术产生过多的金属离子，陶瓷对陶瓷全髋置换术也会因为存在边缘撞击而导致陶瓷内衬碎裂和假体松动，其中髋臼杯位置不良影响最大［1］。实际手术中，髋杯外展角可以通过髋臼后上象限骨覆盖来约束，股骨前倾角可以通过股骨髓腔的解剖进行定位，特别是使用生物型假体，在选定的髋臼外展角不理想的情况下可以通过调整合适的髋臼前倾角来潜在地降低术后假体的撞击和脱位［2］。本研究通过计算机模拟全髋关节假体三维可视化运动模型，研究髋臼假体前倾角(anteversion of acetabular，AA)、外展角 (inclination of acetabular，IA)，股骨假体前倾角(femoral anteversion，FA)的相互关系及其与头颈直径比(head－neck ratios，HNR)、颈干角(collodiaphyseal angle，CCD)对髋关节活动安全范围的影响。
材料与方法
1．建立三维人工全髋关节模型:应用MSC．ADAMS View 2003专业软件建立人工全髋关节三维计算机模型。髋臼杯假体采用半球形，臼杯直径48mm，关节面直径与相应假体头直径一致，股骨头假体采用球形，臼杯中心点和股骨头假体中心点重合。假体颈形态呈圆柱形。关节间隙为0。股骨假体头直径为28mm，头颈直径比例分别为 2．00、2．17、2．37、2．61、2.92，颈干角选择 130°与 135°。
2．假体位置和活动方向定义:假定双下肢并足站立时为下肢的中立位，股骨假体柄顺着股骨解剖轴线安装于股骨髓腔中央，并与下肢机械轴线的夹角为7°;髋关节活动的坐标系位于股骨头的中心，向上为Y轴，向右为X轴，向前为Z轴。根据国际生物力学协会推荐的非正交坐标系来描述6个方向的运动，髋关节屈曲－后伸活动围绕X轴线，内收－外展活动围绕Z轴线，内旋－外旋围绕下肢机械轴线［3，4］。本研究中髋关节单一或组合方向的活动范围均从下肢中立位开始计算，至发生臼杯和假体颈撞击时止。
3．活动范围标准和假体安装参数设定:下述4个活动范围条件:髋关节屈曲≥110°、屈曲90°时内旋≥30°、后伸≥30°和中立位外旋≥40°而没有假体撞击被设定为满足日常生活活动度的普通标准;髋关节屈曲和屈曲90°时内旋活动方向与后脱位有关，而后伸和外旋与前脱位有关。而将另外4个活动范围条件:髋关节屈曲≥120°、屈曲90°时内旋≥45°、后伸≥30°和中立位外旋≥40°设定为严格标准;严格标准改变的严格条件主要是增加了关节后方稳定性，而前方稳定性一致［5］。
股骨假体前倾角为假体颈围绕Y轴向前旋转，假体颈长轴与冠状面所成的夹角，分别为 0°、10°、15°、20°、30°;髋臼前倾角为围绕X轴向前旋转，变化范围为0°～70°，髋臼外展角为臼杯从水平线围绕Z轴向上旋转，变化范围为10°～60°，每变化5°重复计算一次满足两组不同髋关节活动标准下，所对应的髋臼前倾角，并在以髋臼外展角为横坐标，髋臼前倾角为纵坐标的坐标系上描点、连线画图进行描述［6］。髋臼杯前倾角和外展角组合的安全范围定义为满足日常活动范围而没有杯颈撞击的面积。
4．统计学方法:采用SAS 6.12统计学软件对数据进行方差分析和直线相关与回归分析。
结 果
由单纯屈曲与屈曲90°内旋髋关节活动所得数据的连线是相似的，是一条负斜率稍微下凹的曲线，代表髋臼杯前倾角的最小临界值，而后伸和外旋髋关节呈向上凸的曲线图，代表髋臼前倾角的最大临界值。不同的假体安装参数，满足两组不同活动标准的计算组合，髋臼位相的安全范围通过计算的数据描点连线得到;研究所得到的安全范围不是Lewinnek所描述的正方形，而是一个似三角形的复杂图形(图1);随着头颈比的增大，髋臼杯安全范围增大;当头颈比为2．00时，严格标准活动度下所允许的最小髋臼外展角＞40°，且对于所有的股骨前倾角，髋臼杯安全范围均非常小，而在外展角35°时则完全缺如;即使在头颈比为2．17时，臼杯所可获得的最小髋臼外展角为33°，且取值范围很有限。
图1 满足两种活动标准的髋臼安装参数依从关系及安全范围
严格标准条件下的安全范围明显小于普通标准条件的，但可以通过增大头颈比来纠正，比如严格标准条件下，头颈比为2．37的髋臼杯安全范围和普通标准条件下，头颈比为2．00的安全范围相似;严格标准条件下头颈比为2．61和普通标准条件下头颈比2．17的安全范围相似，依次类推(图2)。
图2 不同的头颈比对两种不同髋关节活动度要求下髋臼杯安全范围的影响
当头颈比为2．37以及颈干角为130°时，不同的股骨颈前倾角对两种不同髋关节活动度要求下髋臼杯安全范围的影响见图3，可见随着股骨前倾角的增大，髋臼前倾角减小，且髋臼杯安全范围移向髋臼前倾角小的位置;线性回归分析发现髋臼前倾角(Y)与头颈比相对无关，而与股骨前倾角(X)呈负相关(图4)，可见在严格标准条件下，髋臼杯前倾角起始要求高于普通标准，且波动幅度大，同时髋臼杯前倾角对这个优化组合的影响大于股骨前倾角。
统计学分析见图5。髋臼外展角的最小值随着头颈直径比的增大而减小;低的髋臼外展角仅能和小范围的髋臼前倾角相匹配，而高的髋臼外展角可以和较大的髋臼前倾角相组合，非线性回归分析发现可允许髋臼外展角最小值(the minimum allowable inclination of acetabular，IAmin)与股骨前倾角相关性不大，而与头颈比呈非线性关系。
本研究所定义的髋关节活动范围严格标准只是将屈曲从110°增加到120°，屈曲90°内旋30°增大到45°，而后伸以及外旋保持不变，主要是考虑增加髋关节后方稳定性，故最大的髋臼前倾角的临界值在两种活动标准下是不变的，而最小临界值严格标准条件的大于普通标准，因此，严格标准条件下所得到的安全范围不在普通标准获得的安全范围的中心。
图5 颈干角为130°
在髋关节普通标准和严格标准活动范围下，当颈干角从135°移向130°，髋臼杯安全范围移向髋臼前倾角较小的区域，面积也有所减小(图6)。
讨 论
1．本研究设计的特点:在实际的临床应用中，人工髋关节置换的体位常为侧卧位，并根据安装杆和人体纵轴的夹角来判断臼杯安装的前倾角参数，其角度围绕X轴发生变化。同样，本研究中的髋臼前倾角也是围绕X轴发生改变的参数，这样所得到的髋臼前倾角的安装参数更容易指导临床手术和被临床医师所接受，而且骨盆和腰椎的倾斜也可以直接加到预算的髋臼前倾角;髋臼外展角是髋臼轴与矢状面之间的角度，可用安装杆预先调整，因此髋臼手术学定义的安装参数被推荐用来描述术中假体的安装［6］。
正常人的股骨前倾角为12°～15°，但可以从－3°变化到35°，特别是在髋臼发育不良的患者中，股骨前倾角的变化会更大［7］。在采用生物型股骨假体固定时，为了达到最佳的假体压配和抗旋转能力，总是按照原有股骨颈前倾角的方向插入股骨假体，因此股骨假体安装后的前倾角并不总是为理想的15°，这时如果要获得髋关节最大的活动度并防止假体间撞击而产生并发症，就需要相应调整髋臼假体安装，而后者与假体脱位的风险密切相关，在手术中第一假体方向(杯外展角或前倾角)的选择有一个较大的范围，而一旦这个角度确定后，其他位置的依从范围就受到限制。本研究通过对5种不同头颈比，5种不同股骨前倾角，2种不同的颈干角，11种不同臼杯外展角，共550个不同组合在两组不同活动标准的分析，所获得的信息有助于医师术前计划及术中的参考。
2．假体安装参数与髋关节活动范围:文献报道的杯颈安装参数有很大的差异，Kunner等半球形的几何实验表明了杯于外展35°～45°及前倾0°～10°时股骨有最大的旋转范围，而当髋关节屈曲＞60°，杯外展＞45°和前倾20°时，股骨的内外旋活动明显受到限制。D'Lima等［2］用一个计算机模型观察了臼杯与股骨假体位置和不同头颈直径比对髋关节活动的影响，他展示了臼杯外展角在45°～55°之间，配合合适的臼杯和颈前倾角可获得最大的活动度，但没有对两者的最佳组合关系进行描述，也没有阐述臼杯最小外展角与头颈直径比的关系。本研究所得到的臼杯安全范围与他展示的安全范围在大小有所不同，但对图形的形状和位置是相似的，两个安全范围均表现出随着外展角的增大，髋臼前倾角取值范围增大。
本研究表明颈干角为130°时，随着股骨前倾角的增大，髋臼前倾角减小，且髋臼杯安全范围移向臼髋臼前倾角小的区域，满足普通活动标准和严格活动标准的髋臼前倾角(Y)与股骨前倾角(X)最佳组合呈线性关系，分别为:Y1= －0．8164X1+41．914(r2=0．9988)，Y2= －0．8028X2+47．094(r2=0．9998)，从这个公式可以说明在固定的髋臼外展角下，髋臼前倾角比股骨前倾角对这组合影响更大。然而，这个优化组合关系式并没有保证杯颈位置在安全范围内，临床上共识的杯后倾应该被避免，但在理论上，当选择一个足够大头颈直径比与颈前倾角时，后倾的杯也可以满足髋关节活动度需要，因此，从理论上讲，不管杯颈位置是否在安全区，满足所有活动范围标准不仅依赖于杯颈位置，还依赖于头颈直径比。
3．股骨假体颈干角、头颈直径比与髋臼杯位相安全范围:当颈干角从135°移向130°，杯安全范围移向髋臼前倾角较小的区域，面积也有所减小，在保持颈前倾角不变的情况下，杯前倾角随着颈干角的减小而变小，而髋臼外展角变大。Widmer和Majewski研究发现，股骨假体理想颈干角应该在125°～131°，且随着颈干角增大，髋臼的外展角逐渐变小，这与本研究得到的结论一致。
对于一个固定头颈比的髋关节假体，臼杯安全范围完全依赖于活动标准如何定义，越严格的活动标准，安全范围越小;本研究发现，可以通过增大头颈比来扩大那些术后需要更高髋关节活动度的髋臼杯安全范围。由于人类对髋关节屈曲活动的要求远高于其他方向的活动，所以人工髋关节置换术后的假体活动度应该是在满足其他方向活动度的要求后尽可能地增加髋关节的屈曲活动度以及髋关节的稳定性，故本研究定义了两种不同的活动标准，但严格标准的活动度只是在屈曲和屈曲90°内旋方向增加，因此严格标准条件的安全范围并不在普通标准的中心，也没有会聚的现象。严格标准可用于那些术后需要更大屈曲和屈曲90°内旋的患者，同时本研究发现在髋关节屈曲、内收、内旋风险动作造成髋关节假体后脱位的位置是在髋臼的后下方，因此，临床上为预防后外侧入路的全髋关节置换术后假体后脱位而将聚乙烯内衬后高边置于后上方(左侧2点，右侧10点)是有争议的，笔者认为应该置于后下方(左侧4点，右侧8点)。
全髋术后假体的撞击决定了假体运动的最后位置以及理论最大活动度。随着头颈比的增大，髋臼杯安全范围增加。临床上，髋臼外展角通常由于骨的包容而受到限制，而推荐的角度为41°。本研究发现当头颈直径比＜2．37时，髋臼前倾角的范围缺如或很小，且本研究所指定的髋关节活动范围是假体的活动范围，大于实际的髋关节活动范围，因此，建议选择头颈比＞2．37假体，而选择一个更大头颈比假体，比如2．61、2．92时，可以扩大医生在安放假体时无法完全避免误差的可允许范围。非线性回归分析表明可允许的髋臼外展角最小值和头颈直径比呈非线性关系，颈干角为130°，满足普通标准条件与严格标准条件下，可允许的最小髋臼外展角(IAmin)与头颈比(HNR)呈非线性关系分别为:IAmin'1=168.(r2=0.9985)，IAmin'2=213.(r2=0．996)，因此对于本研究头颈比范围内的特定假体，术前可用此关系式来评估可允许的髋臼最小外展角。
理论上，对于一个术后髋关节活动度要求不高的患者来说，选择一个小的头颈直径比假体也是可以的，但是，考虑到手术台上骨盆位置的不稳定和安放杯颈时的误差，卧位、坐位及站立位姿势骨盆位置的变化，骨盆位置及腰椎曲度随着年龄增长的改变，髋关节假体位置一直处于变化中，因此，选择大的没有假体撞击的髋关节活动度对于短期及长期的临床疗效是至关重要的。大的头颈直径比有一个大的髋臼杯位相安全范围，提供了良好的髋关节活动度，满足本研究条件下，认为选择头颈直径比＞2．37是合适的。
4．影响髋关节活动范围的其他因素:本研究是在一个非常理想的情况下采用计算机模拟，通过分析不同假体安装参数、股骨假体颈干角和头颈比，来评估髋关节活动范围的影响因素，影响因素还包括很多因素，如杯的包容、假体与骨或软组织间的撞击、患者术前骨骼畸形和术后康复等。
计算机辅助矫形手术使得假体能按照术前计划的位置进行安装，当然，手术程序也可能改变，只要股骨试模首先安装的话，然后髋臼假体相对应进行定位，实际手术中，假体也是按照试模所测的方向进行最后的安装，通过本研究发现杯位置对髋关节活动范围的影响比颈位置大，因此，臼杯应该根据一个给定的股骨假体位置进行更加准确的调整。
1 Widmer KH，Zurfluh B．Compliant positioning of total hip components for optimal range of motion［J］．J Orthop Res，2004，22(4):815 －821
2 D'Lima DD，Urquhart AG，Buehler KO，et al．The effect of the orientation of theacetabuar and femoral components on the range of motion of the hip at different head － neck ratios［J］．J Bone Joint Surg Am，2000，82(3):315 －321
3 Li YJ，Yang GJ，Zhang LC，et al．Influences of head/neck ratio and femoral antetorsion on the safe－zone of operative acetabular orientations in total hip arthroplasty［J］．Chin JTraumatol(English Edition)，2010，13(4):206 －211
4 Wu G，Siegler S，Allard P，et al．ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion－Part 1:ankle，hip，and spine．International Society of Biomechanics［J］．JBiomech．2002，35(4):543 － 548
5 Yoshimine F．The safe－zones for combined cup and neck anteversions that fulfill the essential range of motion and their optimum combination in total hip replacements［J］．J Biomech 2006，39(7):1315 －1323
6 Murry DW．The definition and measurement of acetabular orientation［J］．J Bone Joint Surg Br，1993，75(2):228 －232
7 邵俊杰，张先龙，季文婷，等．髋关节假体安装参数的计算机模拟研究［J］．中华骨科杂志，2008，28(7):552－556
