基于骨折地图技术的青壮年股骨颈骨折特征分析

王永钦1, 2，徐子环1, 2，李鹏飞1, 2，张英琪3，苏志豪1, 2，倪明2, 4

1. 上海理工大学健康科学与工程学院（上海  200093）

2. 上海市浦东新区人民医院骨科（上海  201299）

3. 同济大学附属同济医院骨科（上海  200065）

4. 上海交通大学医学院附属瑞金医院科技发展处（上海  200025）

基金项目：上海市浦东新区新兴交叉学科-数字骨科项目（PWXx2020-08）；上海市“科技创新行动计划”港澳台科技合作项目（21410760200）

通信作者：倪明，Email：gendianqing@163.com

关键词：股骨颈骨折；青壮年；骨折特征；骨折地图；三维重建

引用本文： 王永钦，徐子环，李鹏飞, 等. 基于骨折地图技术的青壮年股骨颈骨折特征分析. 中国修复重建外科杂志, 2022, 36(9): 1078-1083. doi: 10.7507/1002-1892.202204035

 摘　要

目的    通过医学影像分析和骨折地图技术对青壮年股骨颈骨折特征进行分析，为临床治疗提供参考。

方法    以2018年12月—2019年7月收治且符合选择标准的159例青壮年股骨颈骨折患者作为研究对象。其中，男99例，女60例；年龄18～60岁，平均47.9岁。骨折侧别：左侧77例，右侧82例。基于术前X线片及CT，观察骨折形态并根据Pauwels角及Garden分型标准分型；采用Mimics19.0图像处理软件重建股骨颈骨折三维模型，测量骨折面与人体矢状面夹角，观察骨折端有无缺损及其在断面位置；通过重建、虚拟复位和图像叠加，建立骨折地图，观察骨折线走行及分布情况。

结果     股骨颈骨折根据Garden分型标准：Ⅰ型6例，Ⅱ型61例，Ⅲ型54例，Ⅳ型38例；根据Pauwels角：外展型12例，中间型78例，内收型69例。骨折面与人体矢状面夹角为−39°～ +30°。粉碎性骨折13例（8.18%），多为Garden Ⅱ、Ⅳ型和Pauwels中间型骨折，骨折块多呈宽基底三角形，主要分布于股骨头颈交界区下方。合并骨缺损26例（16.35%），多为Garden Ⅲ、Ⅳ型和Pauwels 中间型骨折，位于股骨颈后侧且大多累及2～4个象限。骨折地图示股骨颈骨折线沿头颈交界区环形分布，股骨颈上方骨折线密集，下方分散，可累及股骨距。

结论    青壮年股骨颈骨折中移位骨折（Garden Ⅲ、Ⅳ型）和不稳定骨折（Pauwels 中间型、内收型）比例高，粉碎性骨折和骨缺损进一步增加了治疗难度。临床上需要依据骨折特征确定治疗方案，对骨折进行解剖复位和有效固定。

正　文

临床上将18～60岁年龄段的股骨颈骨折患者称为“青壮年股骨颈骨折患者”[1]。该群体股骨颈骨折大多为严重暴力致伤，因此骨折形态复杂，治疗困难，即使采用手术治疗，术后股骨头坏死和骨折不愈合等并发症发生率仍较高[2-3]。骨折形态是决定治疗方案和判断预后的关键因素，但目前对青壮年股骨颈骨折形态的研究较少。骨折地图技术是一种全新的描述骨折特征方法，通过对骨折线的提取叠加，可以准确地描述骨折形态和骨折线分布特征。本研究通过医学影像分析结合骨折地图技术，分析青壮年股骨颈骨折形态，旨在为临床治疗  提供参考。

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研究对象与方法

1.1    研究对象

患者纳入标准：① 股骨颈骨折；② 年龄18～60 岁。排除标准：① 合并股骨转子区骨折；② 开放性骨折；③ 病理性骨折；④ 陈旧性骨折。 

2018年12月—2019 年7月，上海市浦东新区人民医院共收治483例股骨颈骨折患者，其中159例符合选择标准纳入研究。其中，男99 例，女60 例；年龄18～60 岁，平均47.9 岁。致伤原因：摔伤114例，高处跌落伤14 例，交通事故伤17 例，扭伤5 例，其他伤9例。骨折侧别：左侧  77 例，右侧82例。

1.2    研究方法

1.2.1    图像处理　收集患者术前X线片及CT资料，观察骨折线位置、骨折形态、骨折端缺损，测量Pauwels角，根据Pauwels 角以及Garden 分型标准对骨折进行分型。

将CT图像以DICOM 格式输入Mimics19.0图像处理软件（Materialise公司，比利时），经过灰度设定、区域增长、三维重建等处理，建立股骨颈骨折三维模型。将模型透明化，提取骨折面。测量骨折面与人体矢状面夹角（图1），如骨折面由后内向前外方向走行（头颈段后侧骨质少于前侧），数据记为“−”；骨折面由后外向前内方向走行（头颈段后侧骨质多于前侧），数据记为“+”。以股骨颈轴心为中心，将骨折面沿逆时针方向分为Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个象限（图2），观察骨折端有无缺损，  记录其在断面的位置。

图 1     股骨颈骨折面与人体矢状面夹角示意图

图 2     骨折面象限划分示意图

1.2.2    绘制骨折地图　绘制过程如图3 所示。将1.2.1建立的股骨颈骨折三维模型导入Geomagic Wrap 2017软件（3D Systems公司，美国），通过移动和旋转等操作复位骨折。以健侧完整股骨颈为模板，将骨折复位模型叠加于模板，两者匹配后导入3-matic软件（Materialise公司，比利时），绘制骨折线，观察骨折线走行情况。

为了更好地理解不同类型骨折的骨折线分布，将骨折线叠加图导入E-3D叠加断裂映射软件（中南大学E-3D 数字医疗与虚拟现实研究中心），并转换为三维热力图，得到股骨颈上、下、前、后方4个角度骨折地图，用不同颜色表示骨折线相对频率（蓝色至红色表示发生率从低到高，线宽5 mm），  从不同角度观察骨折线分布情况。

图 3     骨折地图绘制流程示意图

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结　果

本组股骨颈骨折根据Garden 分型标准：Ⅰ型6例，Ⅱ型61 例，Ⅲ型54 例，Ⅳ型38例；根据Pauwels 角：外展型12 例，中间型78例，内收型69 例。骨折面与人体矢状面夹角为−39°～+30°。各型骨折特征详见表1、2。

本组粉碎性骨折13例（8.18%），多为Garden Ⅱ、Ⅳ型和Pauwels中间型骨折，形态以“两大+一小”（即股骨头断裂伴体积较小的股骨颈碎片掉落，图4）为主，占比 61.5%（8/13）；其他形态包括3例骨质碎裂成4 块、2 例碎裂成5块，占比38.5%（5/13）。本组粉碎性骨折类型有横向断裂、斜向断裂和压缩型断裂，骨折块多呈宽基底三角形，主要分布于股骨头颈交界区下方。

图 4     “两大+一小（箭头）”粉碎性骨折示意图

合并骨缺损26例（16.35%），多为GardenⅢ、 Ⅳ型和Pauwels 中间型骨折（图5），位于股骨颈后侧。根据股骨颈骨折面分区，本组5例骨缺损局限在1个象限，其余均累及2～4个象限；其中骨缺损位于第Ⅰ象限7例（26.92%）、第Ⅱ象限11例（42.31%）、第Ⅲ象限16 例（61.54%）、第Ⅳ象限5例（19.23%）。

图 5     股骨颈骨折伴骨缺损（箭头）示意图

骨折地图显示股骨颈骨折线呈闭环状围绕股骨颈，起于头颈交界区上方，在股骨颈前后表面沿头颈交界线下移，并逐渐向外下移行累及股骨距，在股骨颈下方闭合成环。股骨颈上方骨折线较密集，向下移行过程中逐渐分散，股骨颈下方最分散，分析与骨折碎片主要集中于股骨颈下方有关，骨折碎片和缺损导致骨折线弥散分布，给骨折复位  和固定带来一定困难。见图6。

图 6     粉碎性股骨颈骨折地图     a. 上方视角；b. 前方视角；c. 下方视角；d. 后方视角

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讨　论

3.1    青壮年股骨颈骨折地图表现

骨折地图技术是将骨折模型叠加于完整模型模板后提取骨折线来显示骨折的典型特征。该技术由Armitage等[4]首次报道，并应用于肩胛骨部位骨折特征分析。国内张英琪等[5]首次报道采用该技术分析股骨近端外侧壁骨折特征，明确了其骨折线分布。本课题组前期采用该技术对跟骨骨折特征进行分析[6]。本次研究共收集159例青壮年股骨颈骨折患者资料，以期明确该群体股骨颈骨折的典型特征，为分析骨折机制和制定治疗策略提供参考。

本研究结果显示青壮年股骨颈骨折患者其股骨颈上方骨折线位于头颈交界区，且呈密集分布，分析可能与股骨颈上方骨结构相对薄弱及受力方式有关。Nissen 等[7]利用图像处理软件建立了骨皮质厚度及分布云图，发现所有股骨近端在头颈交界区上方均有一明显骨质薄弱区，该区域位置与本组患者股骨颈骨折线位置高度一致。Rogalski[8]的研究发现股骨颈中段骨皮质分布存在差异，上方骨皮质厚度明显低于下方，男性群体该差异更显著；股骨颈上方的骨皮质是抵御骨折的重要因素，也是最先发生骨折的部位。从骨小梁分布看，股骨颈上方主要是张力骨小梁，由于骨组织抗张应力能力较弱, 故骨折多发生在承受张力最大的部位，即股骨颈外上头颈交界处。本研究骨折地图分析结果与  上述研究一致。

3.2    青壮年股骨颈骨折形态的影像学特征

青壮年股骨颈骨折主要为高能量损伤所致，常见于交通事故伤或高处跌落伤，多为复合创伤，因此移位明显的不稳定骨折比例较高[2，9-10]。Stockton等[11]研究显示65 例青壮年股骨颈骨折患者（年龄42～56 岁）中，移位骨折比例达75%。本组移位骨折（Garden Ⅲ、Ⅳ型）明显多于非移位骨折（Garden Ⅰ、Ⅱ型），与既往报道结果类似。本组Pauwels 中间型和内收型骨折占比达92.5%（147/159），略高于Sarfani等[12]报道的54%，分析可能与两研究中患者数量和年龄不同有关。

粉碎性骨折合并骨缺损是青壮年股骨颈骨折的重要特征。Collinge等[13]对156例青壮年股骨颈骨折特征进行分析，其中33例Pauwels角>50°， 24%为粉碎性骨折，骨缺损主要位于股骨颈下方（94%）和后侧（82%）。本组粉碎性骨折及骨缺损患者约占全部患者的25%，骨折块多呈宽基底三角形，主要位于股骨头颈交界区下方，一般为“两大+一小”形态。骨折块的宽基底便于利用骨皮质的Buttress效应，但粉碎性骨块增加了治疗难度。

粉碎性骨折会导致股骨颈骨皮质发生缺损，本组骨缺损大部分位于股骨颈骨折面的第Ⅱ、Ⅲ象限（股骨颈后侧），且累及2～4个象限。骨缺损会严重降低股骨颈骨折手术固定的稳定性[14]，是骨折不愈合和股骨颈短缩的重要因素。由于骨缺损多位于股骨颈后侧，术中显露和固定极为困难，如何对其进  行有效治疗是目前亟待解决的临床难题。

3.3    青壮年股骨颈骨折特征与股骨头坏死的关系

股骨头坏死是青壮年股骨颈骨折最常见和最严重的并发症，发生率为10%～23%[15]。股骨头坏死的发生与股骨头颈血供受损相关。从解剖上看，旋股内、外侧动脉分出的上、下和前支持带动脉是股骨头颈部最重要的动脉，尤其是上支持带动脉[16-17]。支持带动脉在走行中又发出数量不等的分支进入股骨颈表面滋养孔，最后呈树根样进入股骨头软骨边缘的滋养孔，营养股骨头颈部。从骨折地图看，青壮年股骨颈骨折的骨折线主要位于股骨颈中部，是支持带动脉走行路径的中点。因此，骨折发生后势必会对股骨头血供造成破坏，尤其是移位明显时，支持带动脉受到牵拉扭曲或压迫作用，进一步加重股骨头缺血程度[18]。股骨颈骨折手术时，骨折端解剖复位有助于消除血管扭曲和压迫，恢复股骨头颈血供。因此，解剖复位应作为股骨颈骨折手术的首要原则。如果术前评估骨折复位困难或  难以复位，且患者年龄偏大，可直接采用关节置换术。 

3.4    青壮年股骨颈骨折特征对治疗的指导意义

Buttress钢板（支撑钢板）辅助固定是股骨颈粉碎性骨折的最新治疗方案，通过将支撑钢板固定于股骨颈前内缘，可以中和骨折端的剪切力，促进骨折愈合。但目前临床对支撑钢板治疗的有效性存在争议，因为该方案并不能避免术后股骨颈短缩和内固定物退出等并发症[19-20]。支撑钢板术后退钉可能与骨折端在矢状面的倾斜角有关。如果倾斜角朝向前外，头颈骨折块在垂直载荷下会向前下方移位，支撑钢板可以抵住骨折尖端，发挥支撑作用并中和剪切力。但如果倾斜角朝向后外，位于前内缘的钢板只能发挥牵拉效应，不能避免骨折二次位移，内固定物退出亦难以有效避免。本研究结果显示Pauwels 内收型骨折倾斜角朝向后外，不适合Buttress钢板固定。另外，由于倾斜角的存在，股骨颈骨折采用空心螺钉内固定时，可以将螺钉适当斜向垂直骨折面植入，以更好地发挥加压作用。

本研究存在以下不足：① 样本量偏小；② 主要对股骨颈骨折特征进行分析，未分析影响骨折愈合的股骨头颈血供；③ 由于股骨颈解剖结构多样，患者CT图像存在差异，手动复位骨折、绘制骨折线及角度测量存在误差。

综上述，青壮年股骨颈骨折中移位骨折和不稳定骨折比例较高，常伴有后下方粉碎性骨折和骨缺损；骨折线在股骨颈上方密集分布、下方散在分布，可累及股骨距；股骨颈骨折面与人体矢状面存在一定夹角，这是骨折术后继发移位和影响Buttress钢板支撑效应的重要因素。

通信作者

倪明，副主任医师，医学博士，博士后，硕士研究生导师。主要从事创伤骨科和骨肿瘤的临床诊治、肌骨系统生物力学研究以及医疗器械研发。近10年来发表学术论文60篇，其中SCI论文20篇，出版学术专著5部，申请并获得发明和实用新型专利5项。先后获得上海医学科技三等奖、上海市康复医学一等奖、浦东新区科技进步三等奖、中华医学会优秀论文奖等多个奖项。学术职务：国际矫形与创伤外科学会（SICOT）中国部数字骨科学会青年委员、中国生物医学工程学会康复分会青年委员、中华医学会骨科分会员、香港生物力学学会会员、世界华人生物医学工程学会（WACBE）终身会员等。

第一作者

王永钦，硕士研究生，现就读于上海理工大学生物医学工程专业，研究方向为生物力学和医学图像处理。主要从事下肢骨折治疗与康复相关研究。

参考文献：略

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