周游 陸聲 康曉鵬 徐小山 李蓉 王均 李偉 李川

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股骨頸前傾角 CT 三維重建測量的臨床研究

周游 陸聲 康曉鵬 徐小山 李蓉 王均 李偉 李川

【摘要】目的 探討三維重建模型，在測量“Y”型軟骨已閉合髖臼發(fā)育不良患者股骨頸前傾角( femoral neck anteversion，F(xiàn)NA) 的價值。方法 回顧性分析了 2013 年 3 月至 2015 年 6 月，在我院診治的34 例髖臼發(fā)育不良患者的資料。所有患者完成髖關(guān)節(jié)至腓骨頭水平的 CT 斷層掃描。將 .dicom 格式存儲的CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Mimics 10.01 中，采用表面遮蓋顯示法重建全股骨三維模型。將重建后的股骨數(shù)據(jù)以 .stl 格式導(dǎo)入 Geomagic 11.0 軟件中，選取股骨頭側(cè)部分，應(yīng)用最佳擬合球命令，將股骨頭擬合成球體，并記錄該球心三維坐標(biāo)值。股骨頭中心坐標(biāo)輸入 Mimics 軟件中，股骨調(diào)整至半透明狀態(tài)，在三維視圖上，旋轉(zhuǎn)股骨直至股骨頭中心位于股骨頸的投影面積中心。在股骨大轉(zhuǎn)子側(cè)作一與股骨頭中心重合的另一點，以直線將兩點連接，該線即為股骨頸軸線。旋轉(zhuǎn)股骨直至大轉(zhuǎn)子后緣位于股骨后髁連線中點，做股骨后髁的連線，該連線與股骨頸軸線的夾角即為 FNA。2 位測試者分別對 34 例 ( 68 髖) 用此法測量 FNA。采用配對 t 檢驗，檢驗水準(zhǔn) α 取雙側(cè) 0.05。結(jié)果 34 例 ( 68 髖) 完成股骨全長 CT 掃描，2 位測量者應(yīng)用上述三維重建法分別對該 68 髖的股FNA 完成測量，其中 1 位測量者測量 2 次，兩次測量相隔 1 個月。采用配對 t 檢驗。第 1 次測量時，2 位測量者所測量 FNA 結(jié)果分別為 ( 27.83±11.69) 和 ( 26.18±15.21)，差異無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＝0.193)。第 1 次測量后 1 個月，2 位測量者中的 1 位，再次對 68 髖的 FNA 進(jìn)行測量。結(jié)果為 ( 27.38±11.81)，與其第 1 次測量結(jié)果 ( 27.83±11.69) 進(jìn)行配對 t 檢驗，差異無統(tǒng)計學(xué)意義 ( P＝0.392)。結(jié)論 三維模型上可以精確尋找股骨頭中心、股骨頸軸線等測量基準(zhǔn)參數(shù)，建立了三維測量 FNA 的一種方法；在三維重建模型上對 FNA 的精確測量，為全面認(rèn)識髖臼發(fā)育不良患者解剖學(xué)畸形提供了條件，為制訂手術(shù)方案提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】股骨頸；髖關(guān)節(jié)；發(fā)育不良，髖；三維重建；股骨頸前傾角

股骨頸前傾角 ( femoral neck anteversion，F(xiàn)NA)指股骨橫斷面測得的股骨頸軸線與股骨雙髁后平面的夾角。FNA 的異常是導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的因素之一，發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良 ( developmental dysplasia of the hip，DDH) 患者術(shù)后常常因 FNA 的異常而引起髖關(guān)節(jié)再脫位[1]，F(xiàn)NA 的準(zhǔn)確測量對保髖治療或者全髖關(guān)節(jié)置換都至關(guān)重要，然而目前尚沒有一種公認(rèn)測量 FNA 的金標(biāo)準(zhǔn)。近年來隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用日益廣泛。臨床應(yīng)用 CT 三維重建技術(shù)來重建靶組織器官的三維模型，能夠直觀、精確地顯示其立體結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確測量各解剖結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，并且可以任意旋轉(zhuǎn)、調(diào)整圖像大小來顯示關(guān)注區(qū)域，本研究擬利用這些直觀的解剖學(xué)參數(shù)，回顧性分析 2013 年 3 月至 2015 年6 月，在我院經(jīng)治的 34 例髖臼發(fā)育不良 ( acetabular dysplasia，AD) 患者的資料，旨在為臨床應(yīng)用提供相關(guān)的形態(tài)學(xué)依據(jù)。

材料與方法

一、一般資料

本組 34 例 ( 68 髖)，男 11 例 ( 22 髖)，女 23 例( 46 髖)；右髖異常 11 例；左髖異常 16 例，雙髖異常 7 例。年齡 12～32 歲，平均 18.14 歲。

34 例均完成 64 排螺旋 CT ( GE Medieal Systems / Lightspeedl6 CT，美國) 掃描，掃描范圍從髖關(guān)節(jié)至腓骨頭水平。所有患者均經(jīng) X 線及 CT 證實“Y”形軟骨完全閉合；所有患者既往均無髖關(guān)節(jié)手術(shù)史。

二、測量方法

1. 數(shù)據(jù)導(dǎo)入：將以 .dicom 格式存儲的 CT 斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Mimics 10.01 ( Materialise，比利時) 軟件中，對帶有不同灰度值的背景、軟組織和骨組織進(jìn)行閾值分割 ( Thresholding)，設(shè)定閾值最小為 226，最大 3071，將骨性結(jié)構(gòu)分割出來；對分割出來的股骨所對應(yīng)的每層蒙板進(jìn)行編輯 ( 添加、刪除、填充等) 操作后，采用表面遮蓋顯示法 ( shaded surface display，SSD)[2]重建全股骨三維模型。

2. 股骨頭中心的確定：三維模型上提取股骨頭部分，將其擬合成球體，該球體中心作為股骨頭中心。具體步驟：將三維重建后的股骨數(shù)據(jù)以 .stl 格式導(dǎo)入 Geomagic 11.0 ( Geomagic Inc.，美國) 軟件中，以股骨頭頸交界線為邊界，選取股骨頭側(cè)部分，去除股骨頭凹部分 ( 圖 1a)；應(yīng)用 Geomagic 軟件中的最佳擬合球命令，將股骨頭擬合成球體，并記錄該球心三維坐標(biāo)值，該球體球心即為股骨頭中心。應(yīng)用該方法擬合球體，標(biāo)準(zhǔn)差＜1 mm ( 圖 1b)。

3. 股骨頸軸線的確定：股骨頭中心坐標(biāo)輸入Mimics 軟件中；股骨調(diào)整至半透明狀態(tài)，在三維視圖矢狀面和水平面上，以 5° 每次旋轉(zhuǎn)股骨，直至股骨頭中心點 a 位于股骨頸正投影面積的中心。保持該三維視圖不變的情況下，在股骨大轉(zhuǎn)子側(cè)作一與股骨頭中心完全重合的另一點 b ( 圖 2a)，輸入點 a和點 b 的三維坐標(biāo)值，建立一直線，該線即為股骨頸軸線 ( 圖 2b)。

圖1　股骨頭中心Fig.1 The center of the femoral head

4. 三維模型測量 FNA：在 Mimics 軟件中，旋轉(zhuǎn)股骨直至大轉(zhuǎn)子后緣位于股骨后髁連線中點，相當(dāng)于將股骨后髁與大轉(zhuǎn)子下緣置于同一平面。作一經(jīng)后髁的連線，該連線與股骨頸軸線的夾角即為 FNA ( 圖 3)。

二、統(tǒng)計學(xué)分析方法

用 SPSS 13.0 ( SPSS 公司，美國) 統(tǒng)計軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。2 位測試者 A 與 B 分別對34 例 ( 68 髖) 采取上述方法進(jìn)行 FNA 測量，測試者A 測量 2 次，兩次測量間隔 1 個月。采用配對 t 檢驗，檢驗水準(zhǔn) α 取雙側(cè) 0.05。

結(jié) 果

第 1 次測量時，2 位測量者所測 FNA 結(jié)果分別為 ( 27.83±11.69) 和 ( 26.18±15.21)，P＝0.193，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。第 1 次測量后 1 個月，2 位測量者中的 1 位的重復(fù)測量結(jié)果為 ( 27.38±11.81)，與其第 1 次測量結(jié)果 ( 27.83±11.69) 比較，P＝0.392，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

圖2　股骨頸軸線Fig.2 The axis of the the femoral neck

圖3　股骨頸前傾角Fig.3 The femoral neck anteversion

表1　FNA 三維模型法兩次測量結(jié)果 (±s)Tab.1 Two times of test results of FNA (±s)

表1　FNA 三維模型法兩次測量結(jié)果 (±s)Tab.1 Two times of test results of FNA (±s)

測量次　　測量者 A　　測量者 B　t 值　P 值第 1 次　27.83±11.69　 26.18±15.21　 1.330　 0.193 第 2 次　27.38±11.81　-　-　-t 值　0.867　-　-　-P 值　0.392　-　-　-

討 論

Fabry 等[3]報道人類在嬰幼兒期 FNA 約 31°，成人的 FNA 為 8°～18°[4-5]。有學(xué)者研究認(rèn)為 FNA出生時較大，隨著幼兒開始爬行、站立、步行，其髖關(guān)節(jié)伸展活動增加，股骨頭前方的髂股韌帶對軟骨性股骨頭的阻擋和后推等作用，使得 FNA 逐漸減小，一旦兒童出現(xiàn)股骨脫位、肌肉韌帶松弛等髖關(guān)節(jié)病變，股骨頭缺乏前側(cè)的韌帶組織的阻擋和后推等作用，F(xiàn)NA 不僅沒有生理性減小，反而增大[6]。

FNA 增大是髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的因素之一，在手術(shù)治療 DDH 患者時，常常因 FNA 過大而引起髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)與脫位[1]。因此 FNA 的精確測量對髖關(guān)節(jié)的診斷及治療至關(guān)重要，目前文獻(xiàn)報道 FNA 測量方法較多[7-11]，均存在一定的局限性。

一、X 線法

雙平面 X 線法[7-8]是最早的測量 FNA 的影像學(xué)方法。若照射一物體，使其在兩個垂直平面分別投影，根據(jù)其投影便可還原其在空間的真實位置。雙平面 X 線法即應(yīng)用這個原理，被檢查者需要接受兩次 X 線攝影，一張是髖關(guān)節(jié)前后位 X 線片，另一張是髖關(guān)節(jié)側(cè)位 X 線片。拍攝時，髖關(guān)節(jié)處于自然放松狀態(tài)，這樣能使股骨髁與桌面平行，從而減少測量誤差。在兩張 X 線片上分別測量股骨頸軸線與股骨干軸線的夾角，然后用數(shù)學(xué)方法計算出真正的FNA。這一方法相對復(fù)雜繁瑣，拍攝者與測量者的經(jīng)驗對結(jié)果有影響，準(zhǔn)確性和可重復(fù)性均較差。此外，由于需要多次調(diào)整患者的拍攝體位，患者抵觸心理較大。

二、斷層 CT 法

斷層 CT 法測量 FNA[9-10]是應(yīng)用較多的一種方法。首先，確定過股骨頸軸線的切面和過兩股骨髁最大面積的切面；再次，于股骨頸的切面層測量股骨頸軸線與水平線的夾角；然后，于兩股骨髁最大面積切面的層面測量后髁連線與水平線的夾角，兩夾角之和作為 FNA。該方法測量結(jié)果的可靠性受多因素的影響：( 1) 由于股骨頸干角的存在，股骨頸與股骨干成一鈍角，除非專門作股骨頸軸線的掃描，否則斷層 CT 無法獲得完整股骨頸軸線的切面，只能獲得股骨頸的斜切面，從而導(dǎo)致股骨頸軸線的誤差；( 2) 股骨頸軸線和股骨髁最大面積，兩個層面的選取存在人為誤差，重復(fù)性低；( 3) 患者掃描時體位的旋轉(zhuǎn)傾斜，使基準(zhǔn)平面出現(xiàn)傾斜等，易產(chǎn)生測量誤差。

三、CT 三維模型法

測量 FNA 首先要確定股骨頸的軸線，該軸線是股骨頭中心和股骨頸最狹窄處中心的連線。由于DDH 患者常伴有股骨解剖異常，其股骨頸區(qū)域選擇困難，其最狹窄處的中心難以確定。有學(xué)者提出選取股骨頸部分，應(yīng)用計算機(jī)計算其重心，來代表股骨頸最狹窄點[11]，由于股骨頸與股骨頭和股骨等解剖標(biāo)志難以區(qū)分，導(dǎo)致測量誤差較大。

四、本研究對三維模型測量 FNA 方法的改良

本研究對三維模型測量 FNA 的方法進(jìn)行了改良，應(yīng)用擬合球體方法尋找股骨頭中心和引入投影透視法來確定的股骨頸軸線上的另外一點，連接兩點來精確的確定了股骨頸的軸線。三維重建后的股骨，調(diào)整至雙髁后緣與大轉(zhuǎn)子后緣處于同一平面，大轉(zhuǎn)子后緣位于兩股骨髁后緣連線的中點，直接測量股骨頸軸線與雙髁后緣連線的夾角即為 FNA。

目前 DDH 患者的診斷及手術(shù)規(guī)劃都離不開FNA 的精確測量。本研究主要通過以下兩個方面控制各個指標(biāo)的誤差 ( 1) 考慮到髖關(guān)節(jié)是標(biāo)準(zhǔn)的臼杵關(guān)節(jié)，其股骨頭與髖臼相接觸的部分近似于球體，可以通過擬合球體的方法來尋找股骨頭的中心。應(yīng)用 Geomagic 11.0 軟件的自動擬合球體的功能，選取股骨頭可與髖臼月狀面相接觸部分?jǐn)M合成球體，精確尋找股骨頭中心，從而降低了人為選擇股骨頭中心的主觀性；( 2) 若將股骨頸近似的看作圓柱體，則股骨頭中心過該圓柱體的軸線，只需再尋找該軸線的另一點，即可確定股骨頸軸線。若將圓柱體作正投影，該圓柱體的中軸線正投影后則變?yōu)橹睾系囊粋€點，該點位于正投影面積的中點，作一與該點重合的任意點都將位于中軸線上。根據(jù)此原理，本研究將股骨調(diào)整至中度透明，旋轉(zhuǎn)股骨至該股骨頭中心位于股骨頸正投影面積的中心，于股骨大轉(zhuǎn)子側(cè)作一與股骨頭中心重合的另一點，股骨頭中心與該點的連線即為股骨頸軸線。從而簡單、快速、準(zhǔn)確的確定股骨頸軸線。

本研究結(jié)果提示該法可靠、準(zhǔn)確、重復(fù)性好。本法的不足是 ( 1) 患者 CT 掃描時須完成股骨全長掃描，相對于常規(guī)的分段髖膝關(guān)節(jié)掃描增加了患者所受輻射量。今后的研究中，擬應(yīng)用 MRI 或者 CT分段掃描法來減少患者的輻射量。( 2) 應(yīng)用 CT 掃描了患者整個股骨，增加了患者的輻射暴露，今后研究擬引入 MRI 重建患者的股骨，來減少患者的輻射暴露。

參 考 文 獻(xiàn)

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( 本文編輯：李貴存)

. 保髖臨床研究 Clinical studies on hip-preservation .

Three dimensional reconstruction model measuring femoral anteversion angle ZHOU You, LU Sheng, KANG Xiao-peng, XU Xiao-shan, LI Rong, WANG Jun, LI Wei, LI Chuan. Children’s Hospital Affiliated to Kunming Medical University, Kunming, Yunnan, 650028, PRC

【Abstract】Objective To explore the value of the three dimensional ( 3 D) reconstruction model measuring femoral neck anteversion ( FNA) in developmental dysplasia of the hip ( DDH) patients with “Y” closed cartilage. Methods We analyzed 34 DDH patients diagnosed and treated in our hospital from March 2013 to June 2015. All patients had completed CT scans from the coxa joint to the caput fibular. CT data in dicom format were imported into Mimics 10.01. After the reconstruction of the 3 D model of the femur with surface shaded display, we imported the data in stl format into Geomagic 11.0 software, selected the lateral femoral head to synthesize them into a sphere with the application the best fitting ball command, and recorded the 3 D coordinate of its center. We input the center coordinate of the femoral head into Mimics software. We adjusted the femur to be translucent, and then rotated it until the center of the femoral head reached the center of the femoral neck orthographic projection area on the 3 D view. Making a straight line connect the center of the femoral head with another point which covered the center on the femoral greater trochanter side. And the line was the axis of the femoral neck. Rotating the femur until the inferior border of the greater trochanter was located in the middle of the connection point of 2 femoral condyle infra-glenoid margins. The angle formed by the line and the axis of the femoral neck was FNA. Thirty-four patients ( 68 hips) were respectively measured. The results were analyzed by paired t-test with inspection level alpha 0.05 on both sides. Results All of the 34 patients ( 68 hips)book=98,ebook=23completed the femur CT scans, and 2 testers respectively measured the FNA with the application of 3 D reconstruction mentioned before. One patient was measured twice 1 month apart. Paired t test was used for the statistical analysis. For the first time, the FNA measured by the 2 testers were respectively ( 27.83 ±11.69) and ( 26.18 ±15.21), with no statistically significant differences ( P = 0.193). The FNA measured by 1 tester 1 month later was ( 27.38 ±11.81). No statistically significant differences existed compared with the first measurement results ( P = 0.392). Conclusions The reconstruction model in 3 D can help to accurately find measurement benchmark parameters, such as the center of the femoral head, femoral neck axis etc, establishing a method of 3 D FNA measurement. The precise measurement of FNA facilitates comprehensive understanding of the anatomical deformities in patients with acetabulum hypoplasia, and provides reference for surgical plan design.

【Key words】Femur neck; Hip joint; Dysplasia, hip; 3 D reconstruction; Femoral neck anteversion

( 收稿日期：2015-09-28)

Corresponding author:LI Chuan, Email: 37584748@qq.com

通信作者：李川，Email: 37584748@qq.com

基金項目：云南省科技計劃重點項目 ( 2014FA049)
作者單位：650228 昆明市兒童醫(yī)院骨科 ( 周游、康曉鵬)；650032 成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院骨科 ( 徐小山、陸聲、李川)；650032 昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科 ( 李蓉、王均、李偉)

DOI:10.3969/j.issn.2095-252X.2016.02.005

中圖分類號：R445, R681