文章来源：
骨科与临床研究杂志年第卷第4期
文章作者：
杨序程
作者单位：
医院骨科
目的：通过对股骨头半头切除(BMHR)假体三维模板和正常国人股骨匹配程度的研究，探讨BMHR是否适用于国人。
方法：收集行CT检查的正常国人股骨样本。将CT原始数据导入MIMICS软件，重建股骨三维模型，选择最合适的BMHR三维模板的STL格式文件导入，调整模板与股骨匹配至最佳位置，进行以下测量与评估：股骨头直径、股骨颈长度、假体头和假体柄的型号、柄尖-皮质距、股骨出口-粗隆距、危险点与危险层面、冠状面股骨颈宽度、股骨矩最小距离、股骨颈最大内切圆柱体、二维模板测量的安全性计算、假体与股骨匹配情况的综合评估。
结果：例样本中，男64例，女43例，平均年龄41岁。样本平均BMI为4kg/m。假体距离股骨头颈交界处下13～30mm范围内的股骨颈前方皮质最近；现有假体头能覆盖所有样本，部分患者因为髓腔过小没有合适的股骨柄假体与之匹配；术前使用二维模板测量是安全的，但有8%的患者可能出现假体过大；现有的BMHR假体与国人匹配达到良好者占8.%，有7.5%的样本匹配不良。
结论：现有BMHR假体头能满足所有患者，但仍需要有更小型号的股骨柄假体。术中要防止假体柄撞击股骨颈中部的前方皮质。术前使用二维模板测量，术中有假体过大的风险。现有假体与大约8%的国人股骨匹配良好。
髋假体；身体测量；股骨头；股骨颈；图像处理，计算机辅助；体层摄影术，X线计算机
随着全髋关节置换术(totalhiparthroplasty,THA)在我国的逐渐普及，年轻患者逐年增多。因为年轻患者对术后功能恢复要求高，假体使用时间长，对关节置换术是一个挑战。术后长时间的高活动量使年轻患者具有潜在的行翻修手术的可能性。因此，THA术中需要尽量保护骨质及软组织，为可能存在的翻修手术创造条件。关节表面置换对年轻患者来说是较好的选择，但并不适合所有患者，例如年轻并且有严重髋关节炎的患者，往往伴有较大的股骨头前端损害，不适合行表面置换手术，此时股骨头半头切除技术(Birminghammid-headresectiontechnique,BMHR)可能是一种良好的替代选择[1-4]。
BMHR是一种新型的髋关节置换技术，是股骨头表面置换(Birminghamhipresurfacing,BMR)的拓展和延伸。BMHR采用了独特的截骨水平，保留了股骨头的远端部分和股骨颈，不侵入股骨髓腔，相比于传统的THA更能保护骨质，对年轻患者来说是一种较好的选择[1-]。BMHR假体是非水泥型近端承重假体，有3个主要特点：保护骨质、解剖重建股骨和生理性应力传导。大多数短柄假体使用的截骨水平都在股骨头颈交界处及稍远水平，但BMHR截除了通常骨质不良股骨头的近端部分，保护了股骨头的基底部，这些骨质也参与了应力传递。因此，BMHR最大可能地保护了骨质，基本保证了股骨的解剖重建，使股骨承重受力情况接近生理，避免了因应力遮挡产生的一系列问题。BMHR适用于伴有严重骨缺损的股骨头缺血性坏死、股骨颈畸形(如股骨颈外翻和股骨头后倾)、较严重的股骨颈囊性变以及Perthes病等。临床随访证明，BMHR有良好的短中期结果，限于假体的使用年限，尚未有长期的随访结果报道[1-4]。
虽然BMHR已经在国际上成功应用并被证实有良好的临床效果，但目前我国未见BMHR技术的应用报道。不同人种的骨骼解剖结构存在差别，BMHR是否适用于国人尚不明确。本研究使用BMHR三维模板对国人股骨行模拟手术测量，目的在于观察BMHR假体和股骨的匹配情况，明确其能否在国人患者中安全使用。具体而言，包括几个方面：①现有BMHR假体型号是否能覆盖所有国人；②BMHR假体和股骨的匹配情况如何，手术是否安全，术中有何需注意事项；③探索应用于国人的BMHR假体在设计上还可做何改进，比如形状和规格等；④综合评估BMHR假体和股骨的匹配程度并进行分析。
资料与方法
N
一、研究设计
本研究为前瞻性研究。
二、样本收集
从年1月至年1月，医院招募健康志愿者例，收集行CT扫描的正常股骨的容积性数据。纳入标准：①年龄0～70岁；②自愿签署知情同意书。排除标准：①髋臼发育不良、股骨骨折、股骨肿瘤、既往手术史及其他影响股骨形态的全身性疾病；②CT扫描范围不够。
三、三维模型建立
所有样本均在同一台64排螺旋CT(Toshiba公司，日本)机上进行扫描，扫描时患者取仰卧位，双髋和双膝尽量伸直，下肢贴近检查台，使下肢保持中立位且力线尽量平行于检查台面，扫描范围至少包括髂骨翼到小转子下10cm，层厚1mm。
将股骨CT的容积性数据导入医学图像处理软件MIMICS10.0(Materialize公司，比利时)，重建股骨三维模型。MIMICS10.0软件提供了4个窗口，分别是股骨的冠状面、矢状面、横断面界面以及三维模型界面。股骨样本在统一定义的体位下进行测量，此体位的冠状面是由股骨颈的解剖轴和股骨干的解剖轴决定的，同时股骨颈的解剖轴也是三维坐标系的Y轴(图1)。
BMHR假体分为股骨头和股骨柄个部分，均为STL格式文件。假体有不同型号，假体股骨头直径从38mm到58mm，每个邻近型号之间直径相差mm，共11种型号。假体柄型号从1号到5号共有5种。将BMHR假体的STL文件导入MIMICS10.0软件并调整至与股骨匹配最佳后进行观察和测量。
四、模板测量
BMHR二维模板的测量见图。选择合适的假体型号平放于髋关节X线正位片上，保证假体股骨头的下内侧点(a)和股骨内侧头颈交界处重叠，调整假体方位使得假体柄的轴线和股骨颈解剖轴基本重叠或稍外展。假体柄宽度约占股骨颈宽度的1/，柄的任何位置均不能触及股骨颈皮质或股骨矩，也不能触及干骺端外侧骨皮质。这样做的目的是防止矢状面上假体尺寸超过股骨颈尺寸。如果不能确定两种型号的柄哪种更合适时，应选择较小的型号。
图1MIMICS10.0软件提供的4个界面
图BMHR模板测量示意图A二维模板测量B三维模板测量
BMHR三维模版的测量：首先用MIMICS10.0软件的CAD功能模拟出一个球体，不断调整球体的位置和直径，使其表面在3个截面中都显示最贴近股骨头边缘，定义此球体为股骨头的最佳模拟球体，此球体的直径定义为股骨头的直径。然后根据股骨头直径导入BMHR假体头的STL文件，调整至最佳位置(图3)。假体头大小合适且方位最佳的标准是其各个角度的下方边缘均能与头颈交界点很好地匹配。
之后将假体柄的STL文件导入，调整其位置和方向，使得假体柄头端与股骨头假体基本吻合。根据BMHR假体的设计，1种股骨头假体只能对应1种或种股骨柄假体。假体柄在任何层面都不应超过股骨颈皮质和股骨矩，也不能撞击干骺端外侧骨皮质(图)。若假体大小不合适，则根据实际情况选择大一号或者小一号假体重新导入。
确定假体模板的型号并调整好方位后进行观察与测量，本研究设计了以下参数来评估BMHR假体与国人股骨的匹配情况。
1.股骨头直径：股骨头最佳模拟球的直径。
.股骨颈长度：股骨颈解剖轴方向上股骨头中心到股骨外侧骨皮质的距离。
3.假体头和假体柄的型号。
4.柄尖-皮质距：解剖轴上假体柄尖端到干外侧骨皮质的距离(图3)。
5.出口-转子距：柄体延长线相对应的股骨出口点到大转子尖端的水平距离(图3)。
6.危险点与危险层面：股骨柄上有一处离股骨皮质最近，发生假体柄和股骨皮质撞击的可能性最大，这一点被定义为危险点，这一层面为危险层面。在此平面内，测量前(A)、后(P)、上(S)、下(I)4个方向股骨柄与骨皮质的距离，记录接触面距离头颈交界平面的距离(图3)。
图3BMHR三维模版测量各参数示意图
7.冠状面颈宽度：冠状面内股骨颈最狭窄部位的宽度(含皮质)。
8.股骨矩最小距离：假体柄表面到股骨矩的最小距离。
9.股骨颈最大内切圆柱体：此圆柱体是可以完全通过股骨颈并与股骨颈内皮质骨相切的最大圆柱体，测量其直径，合适的BMHR假体柄直径须小于该圆柱体的直径。
10.二维模板测量的安全性计算：用二维模板在X线片上行术前测量时假体柄直径约为股骨颈宽度的1/，但此时假体柄直径有可能超过股骨颈髓腔的前后径，术中磨锉或假体打入时股骨颈有被穿透或撑破的风险。冠状面内股骨颈最窄部位的宽度，相当于X线平片中股骨颈峡部宽度。若最大内切圆柱体的直径小于此宽度的1/，说明假体柄过粗，磨锉或假体柄打入时股骨颈有穿透或被撑破的风险，通过精细的测量能得知该事件发生的概率。
11.假体与股骨匹配情况的综合评估：合适的BMHR假体应与股骨头颈交界部位匹配良好，即假体柄不超过任何层面的股骨颈宽度，不和股骨颈外侧皮质发生撞击。假体柄的大小基本合适，基本位于髓腔中间，但与股骨皮质最小距离mm时为匹配中等。有以下情况发生的为匹配不良：假体不能良好固定于头颈交界处；假体尺寸超过股骨颈髓腔或与干骺端外侧皮质发生撞击。
四、统计学处理方法
使用SPSS15.0(SPSS公司，美国)软件对数据进行统计学处理。每项参数变量都用ShapiroWilkW检测方法检测是否符合正态分布。对于符合正态分布的参数，采用两个独立样本的t检验检测男女样本之间的差异，用χ检验假体模板在男、女样本间匹配程度的差异。P0.01为差异有统计学意义。
结果
N
本研究共纳入例满足条件的股骨样本，其中男64例，女43例，平均年龄41岁(0～70岁)，样本平均BMI为4kg/m。
一、各参数测量结果及男女样本间差异
正常人股骨头平均直径为47.0mm，股骨颈平均长度为66.7mm，冠状面上股骨颈最窄处的平均宽度为31.0mm。大体来看，股骨柄尖端到股骨外侧皮质距离13.8mm。危险平面距离头颈交界处平均为0.6mm，约在股骨颈中下部。在此层面中股骨柄离前方股骨皮质距离最近，平均.4mm，离后方皮质距离平均为3.5mm，与股骨上、下皮质骨的平均距离分别为7.7mm和17.7mm。股骨柄与股骨矩的平均最小距离为3.3mm。比较男、女样本的测量结果发现，股骨头直径、股骨颈长度、出口-转子距、A-皮质最小距、R-皮质最小距、冠状面股骨颈宽以及平均最大内切圆柱体直径间差异均有统计学意义(表1)。
表1BMHR测量各参数结果
注：*差异有统计学意义
二、最大内切圆柱体的直径分布
使用Kolmogorov-Smirnov(a)方法进行检验，最大内切圆柱体的直径符合正态分布(图4)。95%的人群最大内切圆柱体直径在16.1～4.3mm；99%的人群最大内切圆柱体直径在14.0～6.4mm。
三、假体适用情况
股骨头假体：40，4，44和46号4种股骨头假体适用者最多，达到了总量的88.8%，其中男性适用最多的是4，44和46号股骨头假体，占其总量的87.5%，无男性适用40号及以下的股骨头假体；女性适用最多的是40和4号股骨头假体，占其总量的81.4%，未发现适用46号及以上股骨头女性(表)。
股骨柄假体：股骨柄假体的适用型号更为集中，基本上都是1，和3号股骨柄假体，占总量的99.1%。其中男性适用1～4号股骨柄假体，其中号股骨柄假体适用者最多，只有1名男性适用4号股骨柄假体；女性全部适用1号和号股骨柄假体，其中1号股骨柄假体适用者占79%(表)。
图4最大内切圆柱体直径分布示意图
表假体适用情况
四、危险点和危险层面
从散点图中可以发现，危险层面大多位于距离股骨头颈交界处13～30mm区域内，平均距离头颈交界处0.6mm，也几乎处于假体柄的中间(图5)。假体柄与股骨皮质骨的距离大多在1～4mm之间。用KolmogorovSmirnov方法进行正态分布的检验，P值分别为0.0和0.19，参数基本符合正态分布。通过计算，假体柄离皮质的最小距离的95%置信区间为0.63～4.14mm(图6)；危险层面距离头颈交界处的95%置信区间为9.46～31.67mm(图7)。
五、二维模板测量的安全性计算
例样本的股骨颈最大内切圆柱体的直径均大于股骨颈宽度的1/。本研究定义假体柄周围间隙=(最大内切圆柱体直径-1/股骨颈宽度)/。若要保证假体柄周围有mm的松质骨，则有3个(8%)样本不能满足(图8)。
六、匹配情况评估
总体上，匹配良好股骨柄占总样本的8.%，匹配中等占10.3%，匹配不良占7.5%(表3)。对男性和女性样本的匹配情况进行χ检验，χ=3.37，P=0.，差异无统计学意义。
图5危险点位置分布散点图
图6假体柄距离皮质最短距离分布图
图7危险层面位置分布图
图8假体柄周围间隙分布示意图
表3假体与股骨匹配情况
讨论
N
BMHR是一种新型的关节置换技术，其设计基于BMR良好的理论基础和临床效果[5-8]，是BMR技术的拓展和延伸，使术者在术中有更多选择，可根据实际情况决定采用BMR还是BMHR技术，二者的骨质准备阶段以及使用的手术器械都很相似。
BMHR的VST(visualstoptechnology)柄近端为锥形设计，有多孔羟基磷灰石层覆盖，主要承重的弧面处于生理应力传导带上，能使股骨近端内侧皮质应力分布符合生理状态，也使得假体的扭转力矩降到最低，减少了假体柄旋转移位的发生；其柄领结构能防止柄体下沉进入股骨颈过深；远端有纵形的突起，可以提供初始和抗旋转稳定性。BMHR术中保留了股骨的头颈交界部位，并和柄体近端弧面贴合良好，使得应力传导接近生理状态，这一点已经通过有限元分析得到证实。在有限元分析模型中将BMHR的骨质重建和潜在的重吸收与表面置换术进行了对比[9]，早期的临床影像学结果也显示股骨颈部分没有应力遮挡[1]，临床上1～5年随访结果令人满意，没有出现需要翻修的情况[1-3]。
BMHR适应于各种非炎症性关节炎(退行性关节病)如骨关节炎、创伤性关节炎、关节缺血性坏死或发育不良以及炎症性关节炎如类风湿关节炎等。另外，对于某些不能行表面置换的情况，例如缺血性坏死合并有大面积的坏死、缺血性坏死FicatⅢ级或Ⅳ级的患者需要行关节置换以及股骨头中央或周边囊性变等，BMHR是良好的替代选择。此外，某些患者其股骨近端解剖轻度异常，比如Perthes病骨关节炎和股骨头骨骺滑脱后关节炎等，也可选择性行BMHR手术。
Toogood等[10]发现股骨头相对于股骨颈有偏移和偏转。也就是说股骨头作为一个近似球形的结构并不是位于股骨颈的中央。本研究发现股骨头相对于股骨颈向下和向后偏移，特别是在矢状面，股骨头相对于股骨颈明显后移；在方向上，股骨头相对于股骨颈后倾，而且患者之间个体差异很大。因此，无论是三维模板的测量还是术中都应重视这种变化以求更为准确。测量时不能将股骨头假体刚好完全匹配患者股骨头，而要根据患者实际情况决定假体方位，否则截骨之后假体头也将偏移股骨颈。在冠状面上要将假体头放置于中央偏上，矢状面上要将假体头放置于中央偏前的位置，同时，假体柄的方向要和股骨颈解剖轴的方向一致。如果股骨头相对于股骨颈后倾严重，术中可以通过将假体柄头端放置偏前和尾端放置偏后来矫正。此时要注意假体柄尾端不能触及股骨矩，因为股骨矩刚好位于干骺端后内侧。
危险平面距离头颈交界处平均为0.6mm，处于股骨颈的中下部。在此层面中，股骨柄离前方股骨皮质距离最近，平均.4mm，离后方皮质距离平均为3.5mm。这说明即使选择最合适的股骨柄，也不会完全填充股骨颈髓腔，柄体与股骨颈皮质之间仍有松质骨存留。危险层面的位置与本研究的预期结果并不一致，理论上推测最容易发生撞击的部位应该是股骨颈最狭窄的部位，也就是股骨颈峡部。股骨颈峡部位于头颈交界下方1～18mm，这一区域内股骨颈峡部髓腔的宽度基本恒定不变。而本研究结果的危险层面范围已经超出了股骨颈峡部的位置，这是因为股骨颈髓腔是扭转的，根据本研究结果，股骨颈髓腔从头颈交界处往下，其横截面长轴由水平逐渐扭转为竖直，如果按股骨颈解剖轴的方向打入股骨柄，其在前方撞击股骨颈皮质的可能性比较大，而且是在股骨颈中部偏干骺端的位置，并非峡部，并且假体柄的最大直径也小于峡部的宽度。这些结果与理论计算结果一致。对于假体柄来说，危险点一般位于其中间偏下的部分，也就是无脊和有脊的交界部分，设计上可以考虑将此处假体柄直径适当缩小。股骨柄与股骨矩的平均最小距离为3.3mm，打入股骨柄时应防止损伤股骨矩，后者是近端股骨承重的重要结构。男女样本测量结果间的显著差异是由男女之间的假体规格差异导致的，这也使得男女患者的假体选择大不相同。
假体柄的直径必须小于最大内切圆柱体的直径。若要保持假体柄周围有.0mm松质骨，则满足95%人群的股骨柄直径范围为1.1～0.3mm；满足99%人群的股骨柄直径范围为10.0～.4mm。现有BMHR假体有5种型号，因为已经得知假体柄中段与股骨皮质发生碰撞可能性最大，因此选择测量此处的假体柄直径。1～5号假体柄的直径分别为1.3，13.7，15.，16.6和18.1mm，没有覆盖到所有患者。例如，5号柄可用于最大内切圆柱体直径.1(18.1++)mm的患者，约占总样本量的0%；4号柄能满足最大内切圆柱体直径0.6mm的患者，约占总样本量的48%；1号柄能满足最大内切圆柱体直径16.3mm的患者。最大内切圆柱体直径16.3mm的患者，则没有合适的BMHR假体柄能与之匹配。
在现有5种型号股骨柄中，本研究中男性适用1，，3和4号股骨柄，其中号股骨柄适用者最多；女性全部使用1号和号股骨柄，其中1号股骨柄使用最多。总体而言，99%的样本适用1，和3号股骨柄假体。假体柄过小无法达到良好的初始稳定性，也影响术后的的骨长入与骨愈合，因此每个型号的股骨柄假体相对于股骨颈都有一段匹配区间。最大内切圆柱体直径16.3mm的患者，没有合适的BMHR假体柄能与之匹配。这说明对于国人，现有BMHR假体基本能满足使用，但仍需设计更小号的股骨柄，而不需要过大如5号的股骨柄。股骨头所有假体都有适用者，型号能满足所有国人。
本研究例样本的股骨颈最大内切圆柱体的直径均大于股骨颈宽度的1/，这说明，若假体柄宽度达到二维模板上股骨颈宽度的1/，术中磨锉或柄体打入时理论上不会有穿透或撑破股骨颈皮质的危险。若要保证假体柄周围有.0mm松质骨，则有8%(3/)的样本不适用。因此，本文作者认为假体柄宽度达到X线上股骨颈宽度的1/时，术中有假体过大的风险，可能影响假体的长期固定效果。
假体匹配不良最主要的原因是股骨颈髓腔过小，假体柄过大，即使是最小号的假体柄打入时也将撞击甚至穿透股骨皮质，主要是股骨颈中部前方的皮质；也有个别情况下假体打入时撞击股骨颈中部后方皮质或者是股骨矩；本文作者认为，对于匹配不良的患者，不能使用BMHR假体，对于匹配中等的患者，使用BMHR假体需要特别小心，一方面尽量选取小号假体柄，另一方面假体打入时注意方向和深度，随时判断是否撞击。
术中打入BMHR假体柄时应沿着股骨颈解剖轴的方向或者稍处于外翻位，以防日后出现假体内翻，但应保证假体柄的内侧部分不接触或覆盖近端股骨的内侧皮质线，这意味着假体柄不能过度外翻。过度外翻的假体柄一方面容易触及股骨颈内侧皮质，另一方面也容易撞击股骨矩。根据本研究的测量结果，假体柄体离股骨颈的平均最短距离为3.3mm，并不是十分安全。柄体外翻后将减小与股骨距的距离，这一点在术中应该引起注意。本研究发现股骨柄离外侧皮质平均距离为13.8mm，术中并不容易发生撞击。
本研究结果具有一定的局限性。首先，本研究纳入的样本为股骨形态正常的人群，但临床上接受髋关节置换手术的患者股骨可能存在形变，因此未来需要进一步对股骨侧存在病变的人群进行BMHR模板测量；其次，模板测量可能存在误差，但本研究所有测量均由同一人完成，对每个样本的测量均遵循同一操作规范，尽量将偏倚控制在较低水平。
综上所述，现有BMHR股骨头假体能满足所有国人患者，但仍需要有更小型号的股骨柄假体。术中要防止假体柄撞击股骨颈中部的前方皮质。术前使用二维模板测量，术中有假体过大的风险。现有假体与大约8%的国人股骨匹配良好。
参考文献：（略）
