周游 陆声 康晓鹏 徐小山 李蓉 王均 李伟 李川



股骨颈前倾角 CT 三维重建测量的临床研究

周游 陆声 康晓鹏 徐小山 李蓉 王均 李伟 李川

【摘要】目的 探讨三维重建模型，在测量“Y”型软骨已闭合髋臼发育不良患者股骨颈前倾角( femoral neck anteversion，FNA) 的价值。方法 回顾性分析了 2013 年 3 月至 2015 年 6 月，在我院诊治的34 例髋臼发育不良患者的资料。所有患者完成髋关节至腓骨头水平的 CT 断层扫描。将 .dicom 格式存储的CT 数据导入 Mimics 10.01 中，采用表面遮盖显示法重建全股骨三维模型。将重建后的股骨数据以 .stl 格式导入 Geomagic 11.0 软件中，选取股骨头侧部分，应用最佳拟合球命令，将股骨头拟合成球体，并记录该球心三维坐标值。股骨头中心坐标输入 Mimics 软件中，股骨调整至半透明状态，在三维视图上，旋转股骨直至股骨头中心位于股骨颈的投影面积中心。在股骨大转子侧作一与股骨头中心重合的另一点，以直线将两点连接，该线即为股骨颈轴线。旋转股骨直至大转子后缘位于股骨后髁连线中点，做股骨后髁的连线，该连线与股骨颈轴线的夹角即为 FNA。2 位测试者分别对 34 例 ( 68 髋) 用此法测量 FNA。采用配对 t 检验，检验水准 α 取双侧 0.05。结果 34 例 ( 68 髋) 完成股骨全长 CT 扫描，2 位测量者应用上述三维重建法分别对该 68 髋的股FNA 完成测量，其中 1 位测量者测量 2 次，两次测量相隔 1 个月。采用配对 t 检验。第 1 次测量时，2 位测量者所测量 FNA 结果分别为 ( 27.83±11.69) 和 ( 26.18±15.21)，差异无统计学意义 ( P＝0.193)。第 1 次测量后 1 个月，2 位测量者中的 1 位，再次对 68 髋的 FNA 进行测量。结果为 ( 27.38±11.81)，与其第 1 次测量结果 ( 27.83±11.69) 进行配对 t 检验，差异无统计学意义 ( P＝0.392)。结论 三维模型上可以精确寻找股骨头中心、股骨颈轴线等测量基准参数，建立了三维测量 FNA 的一种方法；在三维重建模型上对 FNA 的精确测量，为全面认识髋臼发育不良患者解剖学畸形提供了条件，为制订手术方案提供了依据。

【关键词】股骨颈；髋关节；发育不良，髋；三维重建；股骨颈前倾角

股骨颈前倾角 ( femoral neck anteversion，FNA)指股骨横断面测得的股骨颈轴线与股骨双髁后平面的夹角。FNA 的异常是导致髋关节不稳定的因素之一，发育性髋关节发育不良 ( developmental dysplasia of the hip，DDH) 患者术后常常因 FNA 的异常而引起髋关节再脱位[1]，FNA 的准确测量对保髋治疗或者全髋关节置换都至关重要，然而目前尚没有一种公认测量 FNA 的金标准。近年来随着数字技术的迅猛发展，其在医学领域的研究与应用日益广泛。临床应用 CT 三维重建技术来重建靶组织器官的三维模型，能够直观、精确地显示其立体结构，准确测量各解剖结构的空间关系，并且可以任意旋转、调整图像大小来显示关注区域，本研究拟利用这些直观的解剖学参数，回顾性分析 2013 年 3 月至 2015 年6 月，在我院经治的 34 例髋臼发育不良 ( acetabular dysplasia，AD) 患者的资料，旨在为临床应用提供相关的形态学依据。

材料与方法

一、一般资料

本组 34 例 ( 68 髋)，男 11 例 ( 22 髋)，女 23 例( 46 髋)；右髋异常 11 例；左髋异常 16 例，双髋异常 7 例。年龄 12～32 岁，平均 18.14 岁。

34 例均完成 64 排螺旋 CT ( GE Medieal Systems / Lightspeedl6 CT，美国) 扫描，扫描范围从髋关节至腓骨头水平。所有患者均经 X 线及 CT 证实“Y”形软骨完全闭合；所有患者既往均无髋关节手术史。

二、测量方法

1. 数据导入：将以 .dicom 格式存储的 CT 断层数据导入 Mimics 10.01 ( Materialise，比利时) 软件中，对带有不同灰度值的背景、软组织和骨组织进行阈值分割 ( Thresholding)，设定阈值最小为 226，最大 3071，将骨性结构分割出来；对分割出来的股骨所对应的每层蒙板进行编辑 ( 添加、删除、填充等) 操作后，采用表面遮盖显示法 ( shaded surface display，SSD)[2]重建全股骨三维模型。

2. 股骨头中心的确定：三维模型上提取股骨头部分，将其拟合成球体，该球体中心作为股骨头中心。具体步骤：将三维重建后的股骨数据以 .stl 格式导入 Geomagic 11.0 ( Geomagic Inc.，美国) 软件中，以股骨头颈交界线为边界，选取股骨头侧部分，去除股骨头凹部分 ( 图 1a)；应用 Geomagic 软件中的最佳拟合球命令，将股骨头拟合成球体，并记录该球心三维坐标值，该球体球心即为股骨头中心。应用该方法拟合球体，标准差＜1 mm ( 图 1b)。

3. 股骨颈轴线的确定：股骨头中心坐标输入Mimics 软件中；股骨调整至半透明状态，在三维视图矢状面和水平面上，以 5° 每次旋转股骨，直至股骨头中心点 a 位于股骨颈正投影面积的中心。保持该三维视图不变的情况下，在股骨大转子侧作一与股骨头中心完全重合的另一点 b ( 图 2a)，输入点 a和点 b 的三维坐标值，建立一直线，该线即为股骨颈轴线 ( 图 2b)。

图1　股骨头中心Fig.1 The center of the femoral head

4. 三维模型测量 FNA：在 Mimics 软件中，旋转股骨直至大转子后缘位于股骨后髁连线中点，相当于将股骨后髁与大转子下缘置于同一平面。作一经后髁的连线，该连线与股骨颈轴线的夹角即为 FNA ( 图 3)。

二、统计学分析方法

用 SPSS 13.0 ( SPSS 公司，美国) 统计软件对测量数据进行统计分析。2 位测试者 A 与 B 分别对34 例 ( 68 髋) 采取上述方法进行 FNA 测量，测试者A 测量 2 次，两次测量间隔 1 个月。采用配对 t 检验，检验水准 α 取双侧 0.05。

结 果

第 1 次测量时，2 位测量者所测 FNA 结果分别为 ( 27.83±11.69) 和 ( 26.18±15.21)，P＝0.193，差异无统计学意义。第 1 次测量后 1 个月，2 位测量者中的 1 位的重复测量结果为 ( 27.38±11.81)，与其第 1 次测量结果 ( 27.83±11.69) 比较，P＝0.392，差异无统计学意义。

图2　股骨颈轴线Fig.2 The axis of the the femoral neck

图3　股骨颈前倾角Fig.3 The femoral neck anteversion

表1　FNA 三维模型法两次测量结果 (±s)Tab.1 Two times of test results of FNA (±s)

表1　FNA 三维模型法两次测量结果 (±s)Tab.1 Two times of test results of FNA (±s)

测量次　　测量者 A　　测量者 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　-　-　-

讨 论

Fabry 等[3]报道人类在婴幼儿期 FNA 约 31°，成人的 FNA 为 8°～18°[4-5]。有学者研究认为 FNA出生时较大，随着幼儿开始爬行、站立、步行，其髋关节伸展活动增加，股骨头前方的髂股韧带对软骨性股骨头的阻挡和后推等作用，使得 FNA 逐渐减小，一旦儿童出现股骨脱位、肌肉韧带松弛等髋关节病变，股骨头缺乏前侧的韧带组织的阻挡和后推等作用，FNA 不仅没有生理性减小，反而增大[6]。

FNA 增大是髋关节不稳定的因素之一，在手术治疗 DDH 患者时，常常因 FNA 过大而引起髋关节不稳与脱位[1]。因此 FNA 的精确测量对髋关节的诊断及治疗至关重要，目前文献报道 FNA 测量方法较多[7-11]，均存在一定的局限性。

一、X 线法

双平面 X 线法[7-8]是最早的测量 FNA 的影像学方法。若照射一物体，使其在两个垂直平面分别投影，根据其投影便可还原其在空间的真实位置。双平面 X 线法即应用这个原理，被检查者需要接受两次 X 线摄影，一张是髋关节前后位 X 线片，另一张是髋关节侧位 X 线片。拍摄时，髋关节处于自然放松状态，这样能使股骨髁与桌面平行，从而减少测量误差。在两张 X 线片上分别测量股骨颈轴线与股骨干轴线的夹角，然后用数学方法计算出真正的FNA。这一方法相对复杂繁琐，拍摄者与测量者的经验对结果有影响，准确性和可重复性均较差。此外，由于需要多次调整患者的拍摄体位，患者抵触心理较大。

二、断层 CT 法

断层 CT 法测量 FNA[9-10]是应用较多的一种方法。首先，确定过股骨颈轴线的切面和过两股骨髁最大面积的切面；再次，于股骨颈的切面层测量股骨颈轴线与水平线的夹角；然后，于两股骨髁最大面积切面的层面测量后髁连线与水平线的夹角，两夹角之和作为 FNA。该方法测量结果的可靠性受多因素的影响：( 1) 由于股骨颈干角的存在，股骨颈与股骨干成一钝角，除非专门作股骨颈轴线的扫描，否则断层 CT 无法获得完整股骨颈轴线的切面，只能获得股骨颈的斜切面，从而导致股骨颈轴线的误差；( 2) 股骨颈轴线和股骨髁最大面积，两个层面的选取存在人为误差，重复性低；( 3) 患者扫描时体位的旋转倾斜，使基准平面出现倾斜等，易产生测量误差。

三、CT 三维模型法

测量 FNA 首先要确定股骨颈的轴线，该轴线是股骨头中心和股骨颈最狭窄处中心的连线。由于DDH 患者常伴有股骨解剖异常，其股骨颈区域选择困难，其最狭窄处的中心难以确定。有学者提出选取股骨颈部分，应用计算机计算其重心，来代表股骨颈最狭窄点[11]，由于股骨颈与股骨头和股骨等解剖标志难以区分，导致测量误差较大。

四、本研究对三维模型测量 FNA 方法的改良

本研究对三维模型测量 FNA 的方法进行了改良，应用拟合球体方法寻找股骨头中心和引入投影透视法来确定的股骨颈轴线上的另外一点，连接两点来精确的确定了股骨颈的轴线。三维重建后的股骨，调整至双髁后缘与大转子后缘处于同一平面，大转子后缘位于两股骨髁后缘连线的中点，直接测量股骨颈轴线与双髁后缘连线的夹角即为 FNA。

目前 DDH 患者的诊断及手术规划都离不开FNA 的精确测量。本研究主要通过以下两个方面控制各个指标的误差 ( 1) 考虑到髋关节是标准的臼杵关节，其股骨头与髋臼相接触的部分近似于球体，可以通过拟合球体的方法来寻找股骨头的中心。应用 Geomagic 11.0 软件的自动拟合球体的功能，选取股骨头可与髋臼月状面相接触部分拟合成球体，精确寻找股骨头中心，从而降低了人为选择股骨头中心的主观性；( 2) 若将股骨颈近似的看作圆柱体，则股骨头中心过该圆柱体的轴线，只需再寻找该轴线的另一点，即可确定股骨颈轴线。若将圆柱体作正投影，该圆柱体的中轴线正投影后则变为重合的一个点，该点位于正投影面积的中点，作一与该点重合的任意点都将位于中轴线上。根据此原理，本研究将股骨调整至中度透明，旋转股骨至该股骨头中心位于股骨颈正投影面积的中心，于股骨大转子侧作一与股骨头中心重合的另一点，股骨头中心与该点的连线即为股骨颈轴线。从而简单、快速、准确的确定股骨颈轴线。

本研究结果提示该法可靠、准确、重复性好。本法的不足是 ( 1) 患者 CT 扫描时须完成股骨全长扫描，相对于常规的分段髋膝关节扫描增加了患者所受辐射量。今后的研究中，拟应用 MRI 或者 CT分段扫描法来减少患者的辐射量。( 2) 应用 CT 扫描了患者整个股骨，增加了患者的辐射暴露，今后研究拟引入 MRI 重建患者的股骨，来减少患者的辐射暴露。

参 考 文 献

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( 本文编辑：李贵存)

. 保髋临床研究 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

基金项目：云南省科技计划重点项目 ( 2014FA049)
作者单位：650228 昆明市儿童医院骨科 ( 周游、康晓鹏)；650032 成都军区昆明总医院骨科 ( 徐小山、陆声、李川)；650032 昆明医科大学第一附属医院骨科 ( 李蓉、王均、李伟)

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

中图分类号：R445, R681