劉蓬然，申澳，呂靜，陳宇飛，袁劍，廖勝輝，劉立宏*

1.中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院骨科，長沙 410010；2.華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院骨科，武漢 430022；3.中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院放射科，長沙 410010;4.中南大學(xué)計算機學(xué)院，長沙 410083

肱骨近端處于骨松質(zhì)與骨皮質(zhì)交界的力學(xué)薄弱區(qū)域，外傷后骨折發(fā)生率在全身骨折中占近10%[1]。伴有移位的肱骨近端骨折常需手術(shù)治療以保證肩關(guān)節(jié)功能恢復(fù)[2]。而在我國，手術(shù)治療后仍有部分患者出現(xiàn)骨折不愈合、畸形愈合、關(guān)節(jié)僵直和創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等并發(fā)癥[3]，這可能是由于目前術(shù)中所選用的骨科內(nèi)植物（如肱骨近端鋼板、螺釘、肱骨頭假體等）大多由歐美國家根據(jù)國外人口群體的骨骼解剖參數(shù)所設(shè)計生產(chǎn)，無法精準(zhǔn)匹配我國患者。并且，既往骨骼解剖學(xué)參數(shù)多基于二維層面進行測量，測量過程中關(guān)鍵解剖定位點難以確定，缺乏三維層面精準(zhǔn)定位[4]。因此，開展新型三維層面的骨骼解剖學(xué)測量，對于術(shù)中輔助骨折復(fù)位及設(shè)計符合我國患者解剖特征的骨科內(nèi)植物十分關(guān)鍵。數(shù)字骨科是由臨床骨科與計算機相結(jié)合產(chǎn)生新型技術(shù)，可以通過術(shù)前三維重建、有限元分析、輔助導(dǎo)航甚至術(shù)中混合現(xiàn)實導(dǎo)航來輔助骨科手術(shù)開展[5,6]。以中南大學(xué)計算機學(xué)院自主研發(fā)的E-3D數(shù)字醫(yī)療建模軟件為例，該軟件能夠通過數(shù)字骨科技術(shù)重建患者CT數(shù)據(jù)，并在重建后的可視化三維立體模型上測量骨骼的解剖參數(shù)，精準(zhǔn)獲取患者個體化解剖數(shù)據(jù)。因此，本研究選用E-3D數(shù)字醫(yī)療建模軟件對肱骨近端外傷患者的骨骼數(shù)據(jù)進行重建（復(fù)位），并創(chuàng)新性地通過三維立體可視化模型測量分析骨骼解剖參數(shù)，旨在為骨科手術(shù)中骨折端復(fù)位、內(nèi)植物放置及設(shè)計匹配我國患者的內(nèi)植物提供技術(shù)參考。

1 資料和方法

1.1 一般資料

回顧性選取2013～2019年因肩部外傷于中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院骨科就診的患者，并將其中診斷肱骨近端骨折者設(shè)置為骨折組，未見明顯骨折者設(shè)置為正常組。選取時排除標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）未滿18歲、骨骼發(fā)育不完全者；（2）肱骨近端曾有陳舊性骨折病史或手術(shù)病史影響局部參數(shù)測量者；（3）存在骨性關(guān)節(jié)炎、骨腫瘤等疾病導(dǎo)致骨骼形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化者；（4）存在小兒麻痹癥導(dǎo)致肢體發(fā)育不全、畸形者。獲取并整理患者肱骨CT掃描數(shù)據(jù)，以DICOM格式導(dǎo)出后備用。

1.2 CT數(shù)據(jù)處理與骨骼三維重建

將所有納入研究患者的肱骨近端掃描CT數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入至E-3D數(shù)字醫(yī)療建模軟件（V17.06）中，使用“剪切范圍”選項在原始CT數(shù)據(jù)的冠狀位、矢狀位、軸位窗口中選取保留肱骨骨骼區(qū)域，隨后使用“容積重建”和“容積編輯”選項進一步選取感興趣區(qū)域(ROI)，使用“體繪制分割”調(diào)節(jié)ROI閾值并進行自動優(yōu)化后，即得到初步三維重建的整體骨骼模型，留備用于后續(xù)三維模式下解剖參數(shù)測量。對于骨折組，骨折模型重建后繼續(xù)使用“分離操作”選項對不同骨折塊進行分離，隨后使用“骨折復(fù)位”選項在三維條件下進行模擬骨折復(fù)位操作，復(fù)位滿意后保存模型，用于后續(xù)三維模式下解剖參數(shù)測量（圖1 A～D）。

圖1 E-3D軟件重建、復(fù)位骨骼流程A：骨折組患者肱骨近端建模 B：對建模后的骨折模型分離骨折塊 C：模擬骨折塊復(fù)位D：復(fù)位滿意后用于參數(shù)測量的三維模型Fig.1 The processes of bone reconstruction and reset in E-3DA:Modeling of proximal humerus in the fracture group;B:Separated the fracture fragments from the fracture model;C:Simulated fracture block reduction;D:3D model for measuring parameter after satisfactory reduction

1.3 測量參數(shù)與方法

使用E-3D數(shù)字醫(yī)療建模軟件（V17.06）“水平旋轉(zhuǎn)”選項調(diào)整重建后的肱骨骨骼模型為豎直狀態(tài)，并建立豎直參考線保持模型直立，于模型視覺前方新建投影面標(biāo)記為“冠狀面”，通過冠狀面、矢狀面、軸位面兩兩垂直的關(guān)系，建立相應(yīng)側(cè)方視角的“矢狀面”和上方視角的“軸位面”。隨后使用“測量分析”選項，根據(jù)待測量參數(shù)的解剖特點，對重建后的三維模型在立體空間中上逐個設(shè)置解剖參考點、參考線，隨后在“冠狀面”、“矢狀面”或“軸位面”上對中對以上參考點、參考線之間的距離和角度進行測量，測量結(jié)果視為肱骨近端骨骼相關(guān)解剖參數(shù)。研究中主要測量參數(shù)如下：

（1）肱骨頭參數(shù)：肱骨頭高度（Head height of humerus,HH）：肱骨頭關(guān)節(jié)面弧頂（肱骨頭關(guān)節(jié)面直徑的中垂線與頭關(guān)節(jié)面相交點）至肱骨頭關(guān)節(jié)面直徑的垂直距離（如圖2 A、F線段EC）；肱骨頭關(guān)節(jié)面直徑（Articular surface diameter of humerus head,ASD）：肱骨頭關(guān)節(jié)面變化最顯著處的直線距離（如圖2 A、F線段AB）；肱骨頭關(guān)節(jié)面曲率半徑（Radius of curvature of humerus head,ROC）：肱骨頭關(guān)節(jié)面圓心(旋轉(zhuǎn)中心)與關(guān)節(jié)面弧頂之間的距離（如圖2.A、F線段OC或OF）。

（2）肱骨干髓腔參數(shù)：肱骨解剖頸平面下緣（肱骨頭關(guān)節(jié)面直徑下緣）所在水平面的髓腔直徑標(biāo)記為L0（如圖2.B、E線段JK），肱骨解剖頸下緣平面以遠20 mm、40 mm 處所在平面的直徑分別標(biāo)記為L20、L40（如圖2.B、E線段LM、NP）。

（3）肱骨頭干間關(guān)系參數(shù)：頸干角（Neck shaft angle,NSA）：肱骨頭的中軸線與肱骨干近端的中軸線所夾鈍角（如圖2.B∠CHO2）。向內(nèi)偏心距（Medial offset,MO）：肱骨頭的旋轉(zhuǎn)中心與肱骨干近端的中軸線在冠狀面上的垂直距離（如圖2.B線段OG）；向后偏心距（Posterior offset,PO）：肱骨頭的旋轉(zhuǎn)中心與肱骨干近端的中軸線在矢狀面上的垂直距離（如圖2.D線段OG）。

（4）肱骨頭以及大、小結(jié)節(jié)相關(guān)垂直距離參數(shù)：D1：冠狀位上大結(jié)節(jié)頂點與參考點（參考點設(shè)置為冠狀位上肱骨頭中軸線與肱骨外側(cè)骨面的交點D）之間距離（如圖2.C L2與L6之間的垂直距離）；D2：冠狀位上大結(jié)節(jié)頂點與肱骨頭頂點之間距離，即頭結(jié)節(jié)間距（如圖2.C L1與L2之間的垂直距離）；D3：冠狀位上大結(jié)節(jié)頂點與肱骨頭旋轉(zhuǎn)中心之間距離（如圖2.C L2與L4之間的垂直距離）；D4：冠狀位上大結(jié)節(jié)頂點與肱骨頭下緣之間距離（如圖2.C L2與L5之間的垂直距離）；D5：冠狀位上小結(jié)節(jié)頂點與肱骨頭頂點之間距離（如圖2.CL1與L3之間的垂直距離）。

圖2 肱骨近端各參考點、參考線示意圖A:肱骨近端三維模型冠狀位視圖（實體）：O點為肱骨頭的旋轉(zhuǎn)中心；AB為冠狀位肱骨頭關(guān)節(jié)面直徑(ASD)；OC或OF為冠狀位關(guān)節(jié)面曲率半徑(ROC)；CE為冠狀位肱骨頭高(HH)。B:肱骨近端三維模型冠狀位視圖（半透明）：JK為冠狀位解剖頸下緣水平面髓腔寬度L0；LM為解剖頸下緣平面以遠20mm處髓腔寬度L20；NP為解剖頸下緣平面以遠40mm處髓腔寬度L40；∠CHO2為肱骨頸干角(NSA)；OG(GI-ROC)為肱骨向內(nèi)偏心距(MO)。C:肱骨近端三維模型冠狀位視圖（實體）：L2與L6之間的垂直距離為肱骨大結(jié)節(jié)頂點到參考點D的垂直距離（D1）；L1與L2之間的垂直距離為肱骨頭頂點到肱骨大結(jié)節(jié)頂點的垂直距離（D2）；L2與L4之間的垂直距離為肱骨大結(jié)節(jié)頂點到肱骨頭中心的垂直距離（D3）；L2與L5之間的垂直距離為肱骨大結(jié)節(jié)頂點到肱骨頭下緣的垂直距離（D4）；L1與L3之間的垂直距離為肱骨頭頂點到肱骨小結(jié)節(jié)頂點的垂直距離（D5）。D:肱骨近端三維模型矢狀位視圖（實體）：各參考點、參考線設(shè)定同前。E:肱骨近端三維模型矢狀位視圖（半透明）：各參考點、參考線設(shè)定同前。F:肱骨近端三維模型軸位視圖（實體）：各參考點、參考線設(shè)定同前。Fig.2 Illustration of reference pointsand referencelinesof theproximal humerusA:Coronal view of 3D model of the proximal humerus(solid):point O was the rotation center of the humeral head;Line AB was coronal diameter of the articular surface of humeral head(ASD);Line OCor Line OFwas the radius of curvature of the coronal articular surface(ROC);Line CE was coronal humeral head height(HH)；B:Coronal view of 3D model of the proximal humerus(translucent):Line JK was width of the medullary cavity of anatomical neck inferior margin;L0;Line LM waswidth of the medullary cavity of anatomical neck inferior margin 20mm away:L20;Line NP was width of the medullary cavity of anatomical neck inferior margin 40mm away:L40;∠CHO2 was humeral neck shaft angle(NSA);Line OG(GI-ROC)was humeral medial offset(MO)；C:Coronal view of 3D model of the proximal humerus(solid):The vertical distance between L2 and L6 was the distance from the apex of greater tuberosity to the reference point D(D1);The vertical distance between L1 and L2 wasthe distance from the apex of the humeral head to the apex of the greater tuberosity(D2);Thevertical distance between L2 and L4 was the distance from the apex of greater tuberosity to the center of the humeral head(D3);The vertical distance between L2 and L5 wasthe distance from the apex of greater tuberosity to the inferior margin of the humeral head(D4);Thevertical distance between L1 and L3 wasthe distance from theapex of thehumeral head to the apex of the lesser tuberosity humerus(D5)；D:Sagittal view of 3D model of the proximal humerus(solid):The reference pointsand reference lineswere set the same as before；E:Sagittal view of 3D model of the proximal humerus(translucent):The reference points and reference lines were set the sameas before；F:Axial view of 3D model of theproximal humerus(solid):The referencepointsand referencelineswere set the sameasbefore.

測量結(jié)束后，收集所得參數(shù)結(jié)果，計算均數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差，對骨折組與正常組相關(guān)解剖參數(shù)進行統(tǒng)計學(xué)對比分析，檢測E-3D數(shù)字醫(yī)療建模軟件的復(fù)位效果，同時結(jié)合整體結(jié)果作為國人肱骨近端解剖數(shù)據(jù)參考。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

本研究采用SPSS18.0對所得進行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)意義分析，研究中的計量資料以()表示，采用獨立樣本t檢驗進行比較。當(dāng)P＜0.05認(rèn)為差異存在統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 患者納入情況

根據(jù)納入標(biāo)準(zhǔn)，本研究共納入患者90例，其中骨折組60例（其中男性25例，女性35例，平均年齡為57.6±11.4歲），正常組30例（其中男性14例，女性16例，平均年齡為46.1±9.3歲），根據(jù)其建模后的三維模型所測量的上述解剖參數(shù)全部進入結(jié)果分析。

2.2 骨折組與正常組肱骨近端解剖參數(shù)測量結(jié)果

骨折組與正常組患者肱骨近端解剖參數(shù)HH、ASD、ROC、NSA、MO、PO、L0、L20、L40、D1、D2、D3、D4、D5測量結(jié)果如表1和表2所示。

表1 正常組肱骨近端相關(guān)參數(shù)測量結(jié)果（n=30）Tab.1 Measurement results of relevant parameters of proximal humerusin thenormal group(n=30)

表2 骨折組經(jīng)復(fù)位后肱骨近端相關(guān)參數(shù)測量結(jié)果（n=60）Tab.2 Measurement results of relevant parameters of proximal humerus after reduction in the fracturegroup(n=60)

2.3 骨折組與正常組肱骨近端解剖參數(shù)測量結(jié)果對比

統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果顯示，骨折組與正常組患者肱骨近端解剖參數(shù)HH、ASD、ROC、NSA、MO、PO、L0、L20、L40、D1、D2、D3、D4、D5之間無統(tǒng)計學(xué)差異，結(jié)果如表3所示。

表3 骨折組與正常組肱骨近端相關(guān)參數(shù)測量值的比較()Tab.3 Comparison of measurements of relevant parameters in the proximal humerus between the fracture group and the normal group(Mean±SD)

表3 骨折組與正常組肱骨近端相關(guān)參數(shù)測量值的比較()Tab.3 Comparison of measurements of relevant parameters in the proximal humerus between the fracture group and the normal group(Mean±SD)

CV.冠狀面AV.軸位面 SV.矢狀面CV,coronal view;AV,axisview;SV,sagittal view

3 討論

肱骨近端主要由肱骨頭、大結(jié)節(jié)、小結(jié)節(jié)和肱骨干所共同構(gòu)成，大結(jié)節(jié)與小結(jié)節(jié)之間為結(jié)節(jié)間溝，內(nèi)有肱二頭肌長頭腱通過，它們對于肱骨近端骨骼的穩(wěn)定性有著重要意義，并且肱骨近端作為骨松質(zhì)和骨密質(zhì)的交界部位容易發(fā)生骨折，尤其高齡伴隨骨質(zhì)疏松患者更是如此[7]。當(dāng)骨折發(fā)生時，上述四個骨性解剖結(jié)構(gòu)之間穩(wěn)定的狀態(tài)被破壞，相應(yīng)肌腱功能也會出現(xiàn)障礙，因而導(dǎo)致肩關(guān)節(jié)前屈、后伸、內(nèi)收、外展、內(nèi)旋、外旋和環(huán)轉(zhuǎn)運動一系列復(fù)雜功能失常。因此，在肱骨近端骨折的手術(shù)治療中，肱骨頭、大結(jié)節(jié)、小結(jié)節(jié)和肱骨干4個結(jié)構(gòu)的解剖重建成為術(shù)后患者能否順利恢復(fù)關(guān)節(jié)功能的關(guān)鍵因素。

目前根據(jù)上述4個解剖結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系已產(chǎn)生了臨床上最為常用的Neer骨折分型，按照分型標(biāo)準(zhǔn)若達到兩部分以上的骨折通常均需要外科手術(shù)（鋼板、髓內(nèi)釘內(nèi)固定、肩關(guān)節(jié)置換術(shù)等）治療才能恢復(fù)肱骨近端骨骼的完整性[8]，肱骨大、小結(jié)節(jié)頂端、結(jié)間溝等解剖部位作為術(shù)中重要的定位結(jié)構(gòu)，關(guān)乎到鋼板、螺釘?shù)陌仓煤凸潭╗9,10]。近年來雖然肱骨近端骨折手術(shù)已發(fā)展純熟，但患者術(shù)后肱骨頭壞死、骨折再移位、骨折不愈合等并發(fā)癥仍然高發(fā)，嚴(yán)重影響著患者預(yù)后恢復(fù)效果[11]。同時，由于肱骨近端骨折所使用的骨科內(nèi)植物多由歐美國家公司設(shè)計，同我國患者骨骼的解剖適配情況并不樂觀，因此加強我國患者群體肱骨近端解剖參數(shù)的測量對于術(shù)中骨折塊復(fù)位、內(nèi)植物安置以及生產(chǎn)我國自主設(shè)計的內(nèi)植物有著重要意義。

本研究通過使用E-3D數(shù)字醫(yī)療建模軟件對我院60肱骨近端骨折和30例正?；颊叩碾殴墙斯趋肋M行了重建（復(fù)位），并在重建后的立體模型中創(chuàng)新性地采用了三維立體可視化的測量方法，測量了患者的解剖參數(shù)：HH、ASD、ROC、NSA、MO、PO、L0、L20、L40、D1、D2、D3、D4與D5（肱骨近端骨折手術(shù)內(nèi)植物常根據(jù)大結(jié)節(jié)高度、結(jié)間溝位置等解剖位點作為參考進行安放，因此這些解剖參數(shù)對于術(shù)中骨折塊的復(fù)位、鋼板內(nèi)植物的安置甚至指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)都有著重要參考價值）。然而，在既往歐美國家的研究中，上述解剖參數(shù)的測量結(jié)果有所不同。例如，Iannotti等[12]通過對140例美國群體的肩部標(biāo)本及影像學(xué)測量得出結(jié)論表示：HH的范圍為15～24 mm，平均(19.0±2.4)mm，ROC的范圍為19～28 mm，平均(24.0±2.1)mm，D2的范圍為3～12 mm，平均(8.0±3.2)mm；相似地，Robertson等[13]通過對60例美國群體的肱骨標(biāo)本CT數(shù)據(jù)的二維測量得出同樣結(jié)論：HH在冠狀面上平均高度為(19±2)mm；Hertel等[14]對200例瑞士群體的肱骨標(biāo)本進行解剖測量后得出結(jié)論：ASD在冠狀面上的范圍為36～57 mm，平均(44.5±4)mm，矢狀面上的范圍為33.5～53.5 mm，平均(42±3.8)mm，肱骨干近端髓腔直徑的范圍為6～21 mm，平均(11.5±2.1)mm，NSA的范圍為128°～145.5°，平均角度(137±3.62)°，MO的范圍為3.9～8.6 mm，平均6 mm，PO的范圍為0.4～3.2 mm，平均1.4 mm；同樣也有法國學(xué)者專門針對法國人口的MO和PO進行研究，結(jié)果表明MO平均為6.9 mm，PO平均為2.6 mm[15]。上述學(xué)者對于歐美國家人群肱骨近端解剖參數(shù)的測量結(jié)果與本研究的結(jié)果相比，測量結(jié)果明顯大于我國人口群體，這進一步證實了本研究先前提出的假設(shè)：由歐美國家根據(jù)其人口群體的骨骼解剖參數(shù)所設(shè)計生產(chǎn)的骨科內(nèi)植物（如肱骨近端骨折鋼板、螺釘、肱骨頭假體等）不完全適合我國患者，這也是國內(nèi)臨床肱骨近端骨折患者術(shù)后并發(fā)癥高發(fā)的重要原因之一。針對國內(nèi)肱骨近端骨折患者，仍有必要設(shè)計生產(chǎn)針對國人群體的相應(yīng)骨科內(nèi)植物，本研究的測量結(jié)果可為其提供參考。

同樣，我國既往也存在少數(shù)對國人肱骨近端骨骼參數(shù)的研究，整體結(jié)果于本研究結(jié)果相似，如袁本祥等[16]通過CT數(shù)據(jù)測量了180例正常國人的肱骨近端骨骼，得出HH的范圍為12.4～22.0 mm，平均(16.7±1.9）mm，肱骨干近端髓腔直徑的范圍為7.2～17.1mm，平均(11.6±1.9)mm，NSA的范圍為120.4°～139.3°，平均(129.7±4.3)°，MO的范圍為0.4～9.6mm，平均(5.0±1.6)mm，PO的范圍為0.2～8.0 mm，平均(3.5±1.6)mm；張等[17]通過對80例正常國人肩關(guān)節(jié)的CT數(shù)據(jù)檢測后得出，國人ROC的范圍為18.39～26.51 mm，平均(22.1±1.9)mm，ASD的范圍為36.03～50.52 mm，平均距離(42.9±3.6)mm，NSA的范圍為125.1°～139.7°，平均(133.0±3.1)°，MO的范圍為4.02～8.57 mm，平均為(6.3±0.9)mm，PO范圍為1.66～2.50 mm，平均(0.40±0.78)mm。這些研究結(jié)果和本研究有所相似，但本研究在L40（肱骨解剖頸平面下緣40 mm）基礎(chǔ)上，還增加了L0（肱骨解剖頸平面下緣水平面）、L20（下緣以遠20 mm處）兩個位置的參數(shù)共同測量，這在既往研究中是未曾有的，可以為國人肩關(guān)節(jié)假體的設(shè)計提供更詳細的數(shù)據(jù)參考。同時更重要的是，本研究所創(chuàng)新性地采用的三維立體可視化的測量方法，相對于傳統(tǒng)X線或CT數(shù)據(jù)的二維平面測量來說更具備精準(zhǔn)性與可靠性，可以實現(xiàn)通過重建后可視化的三維模型直接進行測量，從而獲得更大量、更精準(zhǔn)、更接近實體標(biāo)本的解剖數(shù)據(jù)以提供參考，彌補了傳統(tǒng)的二維測量中解剖關(guān)鍵點難定位、斷層關(guān)鍵面難把握、數(shù)據(jù)易丟失以及實體測量中標(biāo)本難獲得、難保存的弊端。

并且，本研究結(jié)果還顯示，骨折組模型經(jīng)過復(fù)位后，其肱骨近端解剖參數(shù)的測量結(jié)果與正常組患者相比無明顯統(tǒng)計學(xué)差異，這也證實了本研究所使用的E-3D數(shù)字骨科建模軟件在骨骼三維重建、骨折塊模擬復(fù)位、骨骼參數(shù)測量功能方面具備較高的準(zhǔn)確性和可信度，值得廣大骨科臨床醫(yī)師使用。

綜上所述，本研究的結(jié)果能夠?qū)ξ磥黼殴墙斯钦刍颊叩男g(shù)前規(guī)劃、術(shù)中復(fù)位以及國人個性化骨科植入物的生產(chǎn)提供良好參考。當(dāng)然，本研究也有一定不足之處：樣本數(shù)量較少、患者來源單一，所得肱骨近端解剖參數(shù)的測量結(jié)果可能存在偏差，未來仍有待于更大范圍的深入研究。