假臼对Crowe Ⅳ型发育性髋关节发育不良股骨近端结构影响的三维形态研究
廖威宏1, 2,杨育晖2,廖丽琼3,马元琛2,郑秋坚1, 2
1. 南方医科大学第二临床医学院(广州 510515)
2. 广东省人民医院(广东省医学科学院)骨科(广州 510080)
3. 南方医科大学第一临床医学院(广州 510515)
基金项目:广东省自然科学基金(2021A1515011008);广东省医学科学技术研究基金项目(A2020026);广东省人民医院科技专项基金项目(2018bq11)
通信作者:郑秋坚,Email:zhengqiujian@gdph.org.cn
关键词:发育性髋关节发育不良;三维重建;CT;股骨近端形态;假臼
引用本文: 廖威宏, 杨育晖, 廖丽琼, 等. 假臼对Crowe Ⅳ型发育性髋关节发育不良股骨近端结构影响的三维形态研究. 中国修复重建外科杂志, 2022, 36(6): 714-721. doi: 10.7507/1002-1892.202202016
摘 要
目的 探讨假臼对Crowe Ⅳ型发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)股骨近端发育和解剖形态的影响,为人工全髋关节置换术股骨重建策略制定和假体类型选择提供理论依据。
方法 回顾性分析2008年2月—2020年3月收治的47例(54髋)Crowe Ⅳ型DDH患者临床资料,其中21例(26髋)为Crowe Ⅳa型(Ⅳa型组),26例(28髋)为Crowe Ⅳb型(Ⅳb型组)。两组患者性别、年龄、身高、体质量、身体质量指数及侧别等一般资料比较,差异均无统计学意义(P>0.05),具有可比性。基于术前骨盆正位X线片,测量股骨头脱位高度、骨盆高度以及脱位比例。基于术前股骨CT 扫描数据,采用Mimics19.0软件三维重建后测量股骨近端以及股骨髓腔参数,计算髓腔开口指数;并对股骨髓腔参数与组配式S-ROM 假体参数进行匹配研究。
结果 X线片测量示Ⅳa型组股骨头脱位高度和脱位比例均高于Ⅳb型组(P<0.05);两组骨盆高度比较,差异无统计学意义(P>0.05)。CT三维重建测量示,与Ⅳb型组相比,Ⅳa型组峡部高度、股骨头直径、股骨头颈长及颈干角较小,前倾角、大转子高度较大,差异均有统计学意义(P<0.05)。两组股骨头高度、偏心距及大转子股骨头高度差比较,差异无统计学意义(P>0.05)。两组峡部(Ci 层面)髓腔前后径、内外径及拟合圆直径比较,小转子内侧最突出点远端40 mm所在平面(C–40层面)髓腔前后径比较,差异无统计学意义(P>0.05);余各层面 Ⅳa型组股骨髓腔参数均小于Ⅳb型组(P<0.05)。与Ⅳb型组相比,Ⅳa型组小转子内侧最突出点所在平面(C0层面)的髓腔拟合圆直径与假体套袖外径差值、小转子内侧最突出点近端10 mm层面(C+10层面)髓腔内外径与假体套袖三角最长径差值更小、差值为负值的患者比例更大(P<0.05)。
结论 假臼对于Crowe Ⅳ型DDH患者股骨近端结构和髓腔形态具有显著影响,应用三维重建技术能精准评估股骨形态和指导股骨假体选择。
正 文
发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)是一种临床常见髋部疾病,由于髋臼与股骨头位置匹配不佳,长期生物力学异常导致髋臼、股骨近端骨质结构发育畸形,髋关节周围肌肉发生挛缩、功能减退,终末期形成严重骨关节炎。一项全国调查研究示成人DDH发病率约为1.52%[1]。针对终末期病变,人工全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)是缓解疼痛和改善功能的唯一有效手段[2-3]。Crowe等[4]根据畸形程度将DDH分为Ⅰ~Ⅳ型,其中Ⅳ型最罕见,主要表现为股骨头完全脱位于真臼,THA难度较大[5-8]。DDH患者在股骨颈干角、头颈长、股骨颈前倾及髓腔大小等方面均存在变异[9-10]。相较于CroweⅠ~ Ⅲ型,Crowe Ⅳ型患者股骨髓内和髓外参数变异更明显,包括大转子高点和股骨髓腔峡部更高、股骨近端髓腔更狭窄等[11-13]。假臼是影响股骨近端发育和形态结构变异的重要因素,根据脱位股骨头是否形成继发性假臼,Crowe Ⅳ型DDH可进一步分为无假臼型(Ⅳa型)和假臼型(Ⅳb型)[14]。
近年来,三维重建技术在临床医学领域应用广泛。相较于传统二维X线片,基于三维模型进行股骨形态学评估在准确性和全面性两方面具有显著优势[15-17]。目前,针对Crowe Ⅳ型DDH两种亚型的股骨形态研究有限。本研究中,我们采用三维重建和扫描影像校正技术,对Crowe Ⅳ型DDH两种亚型的股骨近端形态和髓腔特征进行对比分析,探究假臼形成对DDH股骨近端发育和解剖形态的影响,为此类患者THA的股骨重建策略制定和假体 类型选择提供理论依据。报告如下。
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研究对象及方法
1.1 研究对象
纳入标准:① Crowe Ⅳ型DDH且年龄≥ 18 岁;② 骨盆正位X线片示股骨头脱位高度超过骨盆高度的20%。排除标准:① 患侧髋关节有手术史;② 感染或创伤导致的髋关节脱位;③ 患侧髋部有骨折史;④ 无术前CT资料或资料不合格。
2008年2 月—2020年3 月,共47例(54 髋)符合选择标准纳入研究。其中,21例(26髋)为Crowe Ⅳa型(Ⅳa型组),26 例(28髋)为Crowe Ⅳb型(Ⅳb型组)。两组患者性别、年龄、身高、体质量、身体质量指数及侧别等一般资料比较,差异 均无统计学意义(P>0.05),具有可比性。见表1。
1.2 基于X线片测量
术前采用德国西门子公司DR/CR机(焦距80 cm,放大率125%)摄标准骨盆正位X线片。患者取仰卧位,双下肢伸直并内旋15°,球管以两侧髂前连线中点至耻骨联合上缘连线的中点为中心。
测量指标:① 股骨头脱位高度:头颈交界处(点A)与双侧泪滴下缘(点E、F)连线之间的垂直距离;② 骨盆高度:髂嵴最高点(点C)与坐骨结节下缘(点D)连线的距离;③ 脱位比例:股骨头 脱位高度与骨盆高度的百分比。见图1。
图 1 骨盆正位X线片测量示意图 AB:股骨头脱位高度 CD:骨盆高度 a. Ⅳa 组;b. Ⅳb组
1.3 基于CT三维重建测量
采用日本东芝公司螺旋CT机扫描,扫描参数:层厚0.5 mm,电压120 kV,电流320 mA,矩阵512×512;患者取仰卧位,双下肢内旋约15°;扫描范围为双侧髂嵴至股骨髁。所有影像学数据均以DICOM 格式保存。将CT 扫描数据导入Mimics 19.0软件(Materialise公司,比利时)整合,经阈值分析、区域增长及蒙罩编辑等步骤,重建股骨三维模型。在Mimics19.0软件中同时显示完整股骨的冠状面、矢状面、横断面及三维模型,去除股骨头周围增生骨赘,建立股骨头拟合球数据模型,确定股骨头旋转中心,记录该拟合球直径作为股骨头直径。根据CT灰度等要素进行骨皮质和骨松质分割,分别在股骨峡部及小转子内侧最突出点远端20 mm横断面的髓腔内建立最大拟合圆,连接两圆心确定股骨髓腔轴线;根据股骨头旋转中心及股骨髓腔轴线确定股骨冠状面,在股骨冠状面建立新 坐标体系以校正CT扫描图像。
1.3.1 股骨近端解剖参数 ① 股骨头高度:股骨头旋转中心(FHC)距小转子内侧最突出点所在平面(记作C0层面)的垂直距离;② 大转子高度:大转子最高点(GT)距C0 层面的垂直距离;③ 大转子股骨头高度差:股骨头高度与大转子高度差值;④ 股骨头直径:股骨头拟合球直径;⑤ 股骨头颈长:取股骨颈最狭窄处中点,经该中点及股骨头旋转中心作延长线与股骨髓腔轴线相交,该交点与股骨头旋转中心连线视为股骨颈轴线,其长度视为股骨头颈长;⑥ 峡部高度:股骨峡部层面(记作Ci层面)与C0 层面的垂直距离;⑦ 偏心距:股骨头旋转中心(FHC)距股骨髓腔轴线的垂直距离;⑧ 颈干角:股骨髓腔轴线与股骨颈轴线相交所形成的夹角。以上参数均在股骨冠状面测量。⑨ 前倾角:股骨颈轴线(线E)与股骨后髁连线 (线F)在横断面上投影所形成的夹角。见图2。
图 2 基于CT三维重建测量股骨近端解剖参数示意图 A:股骨头高度 B:偏心距 C:股骨头颈长 D:大转子高度 ∠α:颈干角 ∠β:前倾角 a. 股骨近端冠状面定位图;b. 股骨近端冠状面示意图;c. 横断面
1.3.2 股骨髓腔参数 在C0层面近端20 mm至远端40 mm,每间隔10 mm选取1 个层面(记作C+20、C+10、C0、C–10、C–20、C–30、C–40 层面)。在上述每个层面及Ci层面的CT横断面,测量股骨髓腔内外径(mediolateral width,ML)以及前后径(anteroposterior width,AP),作最大填充髓腔的拟合圆并测量直径(diameter,D)。见图3。
图 3 股骨三维重建模型和股骨横断面示意图
选择C+20、C–20、Ci 3 个层面的髓腔参数(ML、 AP、D)计算髓腔开口指数,包括整体髓腔开口指数(canal fare index,CFI),即C+20层面与Ci层面各髓腔参数比值(ML-CFI、AP-CFI、D-CFI);近端髓腔开口指数(metaphyseal canal fare index,MCFI),即C+20 层面与C–20 层面各髓腔参数比值(ML-MCFI、AP-MCFI、D-MCFI);远端髓腔开口指数(diaphyseal canal fare index,DCFI),即C–20 层面与Ci层面各髓腔参数比值(ML-DCFI、AP-DCFI、D- DCFI)。
1.3.3 股骨髓腔参数与组配式S-ROM假体参数比较 将股骨髓腔参数与组配式S-ROM假体(强生公司,美国)参数进行匹配研究。根据股骨峡部尺寸选择S-ROM假体的理论尺寸型号,分别计算股骨C0层面髓腔拟合圆D 与假体套袖外径差值、C+10 层面髓腔ML与假体套袖三角最长径差值,记 录上述差值为负值的患者数。
1.4 统计学方法
采用SPSS23.0 统计软件进行分析。计量资料采用Kolmogorov-Smirnov检验分析均符合正态分布,数据以均数±标准差表示,组间比较采用独立样本t检验;计数资料组间比较采用χ2检验。模型重建及参数测量由2名研究者独立完成,且重复测量2次,2 次间隔1个月;采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)评价观察者 间及观察者内测量可重复性。检验水准取双侧α=0.05。
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结 果
2.1 一致性检验
由同一研究者重复测得的各个形态学指标ICC为0.93~0.96(P<0.001),由不同研究者所测得的各个形态学指标ICC为0.89~0.95(P<0.001),提示研究测量方案具有较高可重复性和准确性。
2.2 基于X线片测量结果
Ⅳa型组股骨头脱位高度和脱位比例分别为(65.33±9.63)mm、31.79%±4.04%,均高于Ⅳb型组的(51.68±11.18)mm、24.94%±4.66%,差异有统计学意义(t=4.790,P<0.001;t=5.743,P<0.001)。Ⅳa型组和Ⅳb型组骨盆高度分别为(200.61±30.07)、(198.30±43.64)mm,差异无统计学意义(t=0.224, P=0.823)。
2.3 基于CT三维重建测量
2.3.1 股骨近端解剖参数 与Ⅳb型组相比, Ⅳa型组峡部高度、股骨头直径、股骨头颈长及颈干角较小,前倾角、大转子高度较大,差异均有统计学意义(P<0.05)。两组股骨头高度、偏心距及大转子股骨头高度差比较,差异无统计学意义 (P>0.05)。见表2。
2.3.2 股骨髓腔参数比较 在C+20~C–30各层面, Ⅳa 型组各股骨髓腔参数均小于Ⅳb型组,差异有统计学意义(P<0.05);在C–40 层面,Ⅳa 型组ML及拟合圆D 小于Ⅳb型组(P<0.05),AP差异无统计学意义(P>0.05)。在Ci层面,两组各股骨髓腔参数差异均无统计学意义(P>0.05)。见表3。
与Ⅳb 型组相比,Ⅳa 型组ML-CFI、ML-DCFI、AP-DCFI、D-DCFI均减小,D-MCFI增大,差异有统计学意义(P<0.05);其余指标比较差异 均无统计学意义(P>0.05)。见表4。
2.4 股骨髓腔参数与S-ROM假体参数比较
两组三维重建后髓腔与S-ROM 假体拟合示意图见图4。Ⅳa型组股骨C0层面髓腔拟合圆D 与假体套袖外径差值为(−0.61±2.45)mm,小于Ⅳb型组的 (1.18 ±2.31)mm,差异有统计学意义(t=−2.755,P=0.008)。Ⅳa型组17 髋(65.38%)、 Ⅳb型组10髋(35.71%)两者差值为负值,差异有统计学意义(χ2=4.747,P=0.029)。
Ⅳa型组C+10 层面髓腔ML与假体套袖三角最长径差值为(–2.90±5.13)mm,小于Ⅳb型组的(3.98±8.40)mm,差异有统计学意义(t=–3.660, P=0.001)。Ⅳa型组21 髋(80.77%)、Ⅳb型组11 髋(39.29%)两者差值为负值,差异有统计学意 义(χ2=9.610,P=0.002)。
图 4 两组三维重建后股骨髓腔与S-ROM假体拟合示意图 a、b. Ⅳa型组假体套袖理想植入深度;c、d. Ⅳa 型组受限于髓腔形态的假体套袖实际植入深度;e、f. Ⅳb型组假体套袖植入的股骨正侧位拟合图
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讨 论
Crowe Ⅳ型DDH的股骨重建一直是THA难点,应用非骨水泥组配型假体能够获得较好的术后功能和假体寿命[5, 18],但与股骨畸形结构相关的术中和术后并发症发生率仍较高[19-20]。通过重建三维模型,骨科医生能更直观、立体地评估股骨畸形结构和进行术前计划[21]。为此,本研究回顾性分析了47 例(54髋)Crowe Ⅳ型DDH患者的骨盆正位X线片和髋关节CT 资料,利用三维重建和扫描影像校正技术对发育不良股骨形态进行定量评估。
本研究结果显示Crowe Ⅳ型DDH两种亚型的股骨近端存在明显形态学差异。Ⅳa型组股骨头脱位高度和脱位比例高于Ⅳb型组,股骨头和股骨颈更小。分析原因为Ⅳb型组高脱位的股骨头与假臼形成假性球窝关节,具备一定关节活动功能,在下肢负重或行走时,应力能通过假臼向股骨近端传导,假臼的存在有助于防止股骨头进一步脱位;此外,脱位的股骨头和股骨颈在假臼应力刺激下得到了进一步发育和骨骼重塑。这与Xu等[22]的测量结果一致。
通常认为DDH患者颈干角大于健康人,且髋外翻发病率增高[23]。本研究测量结果进一步提示Crowe Ⅳ型DDH患者中Ⅳa型患者颈干角明显小于Ⅳb型患者,与Liu等[13]和Wang等[9]的研究结果一致。股骨发育期间的力学传导可能与颈干角大小有关[24-25],本研究中Ⅳb 型组颈干角与正常人生理颈干角接近,因此我们认为假臼的存在能为股骨提供足够的应力刺激,对股骨发育起重要作用。
在假体植入过程中,大转子是重要骨性标志之一,也是预测双下肢平衡的重要参考。本研究结果显示Ⅳa型组大转子高度大于Ⅳb型,过高的大转子顶点会导致外展肌收缩力量减小,对THA术后关节功能和假体生存率存在一定影响[26-27]。结合 Ⅳa型组峡部解剖位置更高、前倾角更大,我们认为Ⅳa型的髓腔峡部位置过高会显著增加术中假体周围骨折发生风险,而过度的股骨颈生理前倾也需要慎重调整,避免脱位等并发症发生,以优化THA术后关节活动功能。
在股骨髓腔参数方面,本研究结果显示Ⅳa型组股骨近端髓腔ML、AP、拟合圆D 均小于Ⅳb型组,这与Wang等[9]的研究结果一致。本研究中两组峡部(Ci层面)髓腔ML、AP差异无统计学意义,而Wang等[9]的研究结果显示Ⅳa型患者峡部髓腔ML、AP较Ⅳb 型显著减小。另外,Ⅳa型组中通过髓腔ML测量的CFI和DCFI均小于Ⅳb型组,而通过髓腔拟合圆D 测量的MCFI大于Ⅳb 型组。根据Noble分型标准[28], CFI<3.0为烟囱型, 3.0~4.7 为正常型,>4.7 为漏斗型,健康人群中烟囱型者比例<5%[28-30]。本研究中Ⅳa型组ML-CFI为3.01±0.53、Ⅳb 型组为4.01±0.69,Ⅳa型组较Ⅳb型组更接近于烟囱型,与Du等[10]和Wang等[9]报道结果一致。但我们认为各层面髓腔ML和AP仅能反映确定层面髓腔的基本形态,而股骨近端髓腔的最长径从近端到远端逐渐由内外径转移至前后径[31]。因此,本研究在股骨近端髓腔各个层面进一步测量拟合圆D,以期更准确反映股骨髓腔尺寸变化。根据髓腔直径指标,Ⅳa型组中通过拟合圆D测量的MCFI 大于Ⅳb型组,DCFI小于Ⅳb型组,但CFI与Ⅳb 型组无统计学差异,提示Ⅳa型组髓腔变窄更趋向集中于近端髓腔,这与Ⅳa型组假体套袖匹配不佳的研究结果一致。
目前,Crowe Ⅳ型DDH患者THA时使用的股骨假体主要是S-ROM假体,其组配式和近远端固定设计能够较好地保证股骨重建时的前倾调整和假体固定,从而获得较为满意的中长期随访结果[5, 18, 32]。本研究将两组患者髓腔参数和S-ROM组配式假体参数进行匹配。根据髓腔峡部确定理论假体尺寸后,Ⅳa型组股骨发生假体柄近端、假体套袖与髓腔不匹配的概率高于Ⅳb型组。根据上述股骨形态学研究结果,Ⅳa型组髓腔较窄且股骨变异程度较大,假体套袖难以植入理想深度的比例较高。假体套袖与股骨近端接触面不足会导致假体松动及双下肢不等长的风险增大,但过分追求假体理想植入深度会增加术中或术后假体周围骨折发生风险。因此,针对变异严重的Crowe Ⅳa型患者,充分术前评估和选择合适假体对成功实施THA尤为重要;单纯根据股骨髓腔峡部确定组配式假体尺寸的适用性欠佳,必要时可根据股骨髓腔三维形态设计个性化股骨假体。此外,术中股骨近端磨锉或者放置假体时,多需采用钢丝预扎行加强重建。
本研究不足之处在于:第一,研究样本量较少;第二,考虑针对国人生理性股骨的相关形态研究较多,且本研究应用组配式S-ROM股骨假体进行形态匹配研究,因此未纳入正常人群进行对比分析;第三,高龄患者常由于骨质疏松导致股骨髓腔增大,应排除严重骨质疏松的患者;最后,本研究仅应用术前CT进行形态学评估和假体匹配研究,后续将继续拓展研究样本量,结合术中假体信息、围术期并发症和随访结果进行综合分析,以期更好地指导临床。
综上述,假臼形成对于Crowe Ⅳ型DDH患者股骨近端结构和髓腔形态具有显著影响,应用三维重建技术能够精准有效地进行股骨形态评估和指导股骨假体选择。
通信作者
郑秋坚, 南方医科大学博士研究生导师,华南理工大学和汕头大学硕士研究生导师。从事骨科34年,是国内最早开展关节置换、关节镜微创治疗关节疾病的专家之一。在关节疾病、运动创伤、骨折创伤等方面居于国内先进水平。长期开展人工髋膝关节置换术、人工关节置换术后翻修术、单髁膝关节置换术及各类关节镜下手术,在国内享有较高声誉。现任中国医师协会骨科分会委员、关节学组委员、膝关节学组副组长,广东省医学会关节外科分会副主任委员等。
第一作者
廖威宏,南方医科大学在读硕士研究生。主要研究方向为髋膝关节疾病的治疗及预后,以共同第一作者发表SCI论文2篇。在读期间成绩优异,获得2021年南方医科大学一等奖学金及优秀研究生称号。
参考文献:略
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CJRRS
中国修复重建
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