基于CT坏死区重建的股骨头坏死侧位分型及其临床验证

何敏聪1, 2，何晓铭1, 2，林天烨1, 2，肖欢3，何伟1, 2，魏秋实1, 2 

1. 广州中医药大学第三附属医院关节中心（广州  510378）

2. 广东省中医骨伤研究院（广州  510378）

3. 毕节市中医院骨伤科（贵州毕节  551700）

基金项目：国家自然科学基金资助项目（82274544、81873327、82004392）；2022 年毕节市科学技术局2022 年度“揭榜挂帅”项目（毕科合重大专项［2022］1号）；广州中医药大学“双一流”与高水平大学学科协同创新团队重大项目/培育项目（2021XK05、2021XK41）；2021年广东省中医骨伤研究院开放课题重点项目（GYH202101-01、GYH202101-04）

通信作者：魏秋实

关键词：股骨头坏死；热力图；日本厚生省骨坏死研究会分型；CT 侧位分型

引用本文： 何敏聪, 何晓铭, 林天烨, 等. 基于CT坏死区重建的股骨头坏死侧位分型及其临床验证. 中国修复重建外科杂志, 2023, 37(4): 423-430. doi: 10.7507/1002-1892.202212082 

摘　要

目的   

分析股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）不同日本厚生省骨坏死研究会（JIC）分型的股骨头塌陷与手术情况，总结各分型ONFH的预后规律，并对C1型探索基于CT坏死区重建的ONFH侧位分型的临床意义并验证其临床作用。 

方法 

以2004年5月—2016年12月收治的119例（155髋） ONFH患者为研究对象，JIC分型：A 型34髋，B型33髋，C1型57髋，C2型31髋。各JIC分型患者的年龄、性别、侧别、ONFH类型差异均无统计学意义（P>0.05）。分析不同JIC分型的1、2、5年股骨头塌陷及手术情况，以及不同JIC分型、激素性/非激素性ONFH、无症状与有症状（疼痛时间>6个月或≤6个月）髋关节间及联合保留角（combined preserved angle，CPA）≥118.725° 和CPA<118.725° 髋关节间的生存率（以股骨头塌陷为终点）。选取组内手术及塌陷发生差异较大、具备研究价值的JIC C1分型，根据其坏死区在股骨头表面的位置，在CT 重建侧位将其分成5个亚型，并提取坏死区轮廓线，匹配至标准股骨头模型上，对5个亚型的坏死情况进行热力图图像呈现。分析不同侧位亚型1、2、5年的股骨头塌陷和手术情况，并比较该型患者中CPA≥118.725° 和CPA<118.725°髋关节间的生存率（以股骨头塌陷为终点），以及不同侧位亚型的生存率（分别以股骨头塌陷和手术为终点）。 

结果  

JIC C2型患髋1、2、5年股骨头塌陷率与手术率均明显高于其他分型（P<0.05）；而C1型患髋塌陷率与手术率均高于A、B型（P<0.05）。不同JIC分型患髋的生存率差异有统计学意义（P<0.05），A、B、C1、C2型逐渐降低；无症状髋关节生存率明显高于有症状髋关节，CPA≥118.725° 的髋关节生存率明显高于CPA<118.725° 的髋关节，差异均有统计学意义（P<0.05）。对C1型髋关节坏死区域CT 重建侧位进行进一步分型，1型12髋、2型20髋、3型9髋、4型9髋、5型7髋。随访5年时各亚型之间股骨头塌陷率及手术率比较差异均有统计学意义（P<0.05）。4、5型塌陷率及手术率均为0；3型塌陷率及手术率均最高；2型塌陷率高，但手术率低于3型；1型塌陷率高，但手术率均为0。JIC C1型中，CPA≥118.725° 的髋关节生存率明显高于CPA<118.725° 的髋关节（P<0.05）。以股骨头塌陷为终点的随访中，4、5型患髋生存率均为100%，1、2、3型生存率均为0，差异有统计学意义（P<0.05）。以手术为终点的随访中，1、4、5型生存率均为100%，3型为0，2型为60%，差异有统计学意义（P<0.05）。 

结论 

JIC A、B型可选择非手术治疗，C2型可手术保髋。通过CT侧位分型对C1型进行5个亚型分类，3型塌陷风险最高，4、5型塌陷和手术风险低，1型塌陷率高但手术风险低；2型塌陷率高，但手术率接近JIC C1型平均值，仍需开展进一步研究。

正　文

股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是一种病理机制复杂的关节疾病，疾病进展至中后期常伴髋关节功能丧失，近年来发病日趋年轻化[1]。股骨头塌陷是ONFH的转折点，一旦发生塌陷，即会对保髋治疗带来不利影响，甚至不得不面临关节置换[2]。因此，准确预测塌陷风险，有助于早期识别并通过及时干预预防塌陷发生。既往研究认为，股骨头塌陷与股骨头前外侧柱受累程度显著相关[3-4]；本团队前期研究[5]发现股骨头前外侧作为股骨头负重部分，决定着股骨头的负重功能，并提出前侧壁保留角和外侧壁保留角与塌陷进展存在明显相关性，而结合股骨头外侧壁、前侧壁的联合保留角（combined preserved angle，CPA）预测塌陷发生更为准确。CPA主要和坏死发生的位置有关，因此相对于头内坏死面积，坏死位置与塌陷关系更密切。本团队另一项研究发现[6]，与日本厚生省骨坏死研究会（JIC）分型中A、B型低塌陷风险、C2型高塌陷风险不同，JIC C1型的5年股骨头塌陷率为68.1%，部分相同条件下C1型坏死的手术率及塌陷发生率差异较大，提示对该型坏死塌陷的预测仍具备研究价值，临床上需要更完善的分型来指导治疗和判断预后。最近本团队成功将热力图图像融合技术应用于ONFH研究中[7]，通过该技术可以更准确定位坏死部位，基于薄层CT及其重建影像可以较精确地在三维视觉下重建坏死位置，描绘坏死区轮廓。

本研究回顾性分析不同JIC分型的国际骨循环协会（ARCO）Ⅱ期患者，评估其随访5年以上的股骨头塌陷率及手术率，同时结合热力图图像融合技术，根据坏死区在CT侧位的位置进一步对患髋分型，并基于坏死区轮廓热力图图像阐明侧位分型的重要性。报告如下。

1、临 床 资 料

1.1   一般资料

纳入标准：① 年龄18～65岁；② 诊断为ARCOⅡ期ONFH，其中ONFH诊断参照2016年中华医学会骨科学分会关节外科学组制定的 《股骨头坏死临床诊疗规范》，ONFH分期参照2019年ARCO修订的分期标准[7]；③ 未接受过系统治疗；④ 入组时有完整的双髋正位或蛙式侧位X线片及CT平扫影像学资料，随访时间至少5年，每年至少1次行双髋正位或蛙式侧位X线片检查，且末次随访时至少有双髋正位或蛙式侧位X线片影像学资料。

排除标准：① 既往接受髋部注射或手术者；② 先天性髋关节畸形；③ 有重大心理疾病史或语言交流困难者；④ 依从性差，影响效应指标观测者。

2004年5月—2016年12月共119例（155髋）ARCOⅡ期ONFH患者符合选择标准纳入研究。其中男81例，女38例；年龄18～64岁，平均40.1岁。单侧病变83例，左髋46例，右髋37例；双侧病变36例。ONFH类型：激素性79髋、酒精性40髋、创伤性24髋、特发性12髋。病程1～182个月，中位时间42.8个月。JIC分型：A型34髋，B型33髋，C1型57髋，C2型31髋。不同JIC分型患者的年龄、性别、侧别、ONFH类型等基线资料比较差异均无统计学意义（P>0.05）。见表1。

1.2   股骨头塌陷和手术评估

分析不同JIC分型患者1、2、5年的股骨头塌陷及手术情况。股骨头塌陷评估方法：首次CPA测量后，随访中若在双髋正位或蛙式侧位X线片上发现“新月征”或可见塌陷，定义为发生塌陷。股骨头塌陷程度=股骨头半径−中心点至股骨头顶距离，当此距离超过2 mm则定义为塌陷。

比较不同JIC分型，激素性与非激素性，无症状与有症状（疼痛时间>6个月或≤6个月）髋关节间，以及CPA≥118.725°[5]和CPA<118.725° 髋关节间的生存率（以股骨头塌陷为终点）。

1.3   基于CT侧位观坏死部位的热力图图像融合

选取组内手术及塌陷发生差异较大、具备研究价值的JIC分型CT重建图像，根据坏死区轮廓内侧分布规律进一步分型，并作热力图图像融合。

1.3.1   设备和软件　① CT扫描设备：64排螺旋CT机（Siemens公司，德国），管电压120 kV，管电流150 mA，扫描矩阵512×512，层厚1.25 mm，重建间距1.25 mm。② 三维重建软件：Mimics20.0（Materialise公司，比利时），完成股骨模型重建及坏死区轮廓股骨头表面定位分割。③ 热力图生成软件：E-3D（中南大学），生成红蓝渐变坏死区轮廓热图。④处理设备：台式电脑。操作系统 Windows10 64 位（DirectX 12）；处理器：Inter（R）Core（TM）i7-8700 CPU@3.20GHz；RAM：32.0 G；主显卡：NVIDIA GeForce GTX 1080Ti。

1.3.2   基于CT重建的坏死区域侧位分型　将首诊时行CT重建后的矢状位股骨头从前向后3等分，分别为Ⅰ区（前1/3）、Ⅱ区（中1/3）和Ⅲ区（后1/3）。根据CT重建后坏死区在股骨头表面轮廓累及部位，对ONFH作侧位分型，共5型。分别为：1型，坏死区在矢状侧位仅累及Ⅰ区；2型，坏死区累及Ⅰ区及Ⅱ区，未累及Ⅲ区；3型，坏死区累及Ⅰ～Ⅲ区；4型，坏死区累及Ⅱ区及Ⅲ区，未累及Ⅰ区；5型，坏死区仅累及Ⅲ区。见图1、2。

图 1     将重建后矢状侧位股骨头3等分

图 2     JIC C1型ONFH侧位分型     a. 1 型；b. 2型；c. 3型；d. 4 型；e. 5型

1.3.3   创建坏死区轮廓线并转化为热图

① 将1名35岁健康男性髋关节CT影像数据以DICOM 格式导入Mimics20.0，使用CT Bone Segmentation工具创建股骨头蒙版，将蒙版转化为实体模型，并作为股骨头标准模型，以STL格式导入E-3D软件。② 将ONFH患者的CT影像数据同上法创建坏死区蒙版，使用Edit Masks、Split Mask等工具将坏死区分离，将蒙版转化为实体模型并以STL格式导入E-3D软件。③ 通过E-3D软件同时导入股骨头标准模板及坏死区模型，通过卵圆窝、股骨头最高点及最低点进行坏死区匹配于标准模型，通过E-3D软件轮廓线自动提取功能，得到坏死区边缘离体轮廓线，软件提取坏死区在股骨头表面轮廓线，通过E-3D软件统计轮廓线，产生坏死区轮廓线热图。将不同CT侧位分型的热图轮廓线分别融合成5个热图。见图3。

图 3     创建坏死区轮廓线并转化为热图 

a. 构建股骨头标准模型及坏死区模型；b. 坏死区与标准模型匹配；c. 坏死区三维轮廓线提取

1.3.4   检测指标

分析不同侧位亚型患髋1、2、5年时股骨头塌陷和手术情况。比较该型患者中CPA≥118.725°[5]和CPA<118.725° 髋关节间的生存率（以股骨头塌陷为终点），以及不同侧位亚型的生存率（分别以股骨头塌陷和手术为终点）。

1.4   统计学方法

采用SPSS25.0统计软件进行分析。计量资料经正态性检验均符合正态分布，数据以均数±标准差表示，不同JIC分型组间年龄比较采用单因素方差分析；不同JIC分型组间性别、侧别、ONFH类型等计数资料比较采用χ2检验；采用Kaplan-Meier生存曲线和LogRank检验比较各型患者的生存率及股骨头塌陷和手术情况。检验水准α=0.05。

2、结　果

2.1   股骨头塌陷和手术情况评估

不同JIC分型患髋的1、2、5年股骨头塌陷及手术情况见表2。JIC A型1、2、5年塌陷率和手术率均为0，B型1、2、5年手术率均为0；C2型患髋1、2、5年塌陷率与手术率均明显高于其他分型（P<0.05）；C1型患髋塌陷率与手术率均高于A、B型（P<0.05）。C1型塌陷率与手术率介于C2型与A、B型之间，该型坏死分型塌陷预测仍具备研究价值，还需要更完善的分型以指导治疗和判断预后。

不同JIC分型患髋的生存率差异有统计学意义（χ2=109.581，P<0.001），A、B、C1、C2型逐渐降低。激素性与非激素性ONFH患髋间生存率差异无统计学意义（χ2=0.877，P>0.349）；无症状髋关节生存率明显高于有症状髋关节，CPA≥118.725° 的髋关节生存率明显高于CPA<118.725° 的髋关节，差异均有统计学意义（χ2=68.090，P<0.001；χ2=166.706，P<0.001）。见图4。

图 4     患者各类生存曲线分析（以股骨头塌陷为终点）    a. 不同JIC分型髋关节；b. 激素性/非激素性ONFH髋关节；c. 无症状与有症状髋关节；d. CPA≥118.725° 与CPA<118.725° 髋关节

2.2   CT侧位观坏死轮廓的热力图

JIC C1型髋关节坏死区域侧位分型示，1型12髋、2型20髋、3型9髋、4型9髋、5型7髋。随访5年时各亚型之间股骨头塌陷率及手术率比较差异均有统计学意义（χ2=13.758，P=0.008；χ2=16.288，P=0.003）。4、5型患髋1、2、5年股骨头塌陷率及手术率均为0；3型患髋1、2、5年股骨头塌陷率及手术率均最高；2型患髋塌陷率高，但手术率低于3型患髋；1型患髋1、2、5年塌陷率高，但手术率均为0。见表3、图5。

图 5     JIC C1型髋关节坏死区域不同侧位分型患者热力图图像融合     a. 1型；b. 2型；c. 3 型；d. 4型；e. 5 型

JIC C1型中，CPA≥118.725° 的髋关节生存率明显高于CPA<118.725° 的髋关节，差异有统计学意义（χ2=39.505，P<0.001）。JIC C1型髋关节坏死区域不同侧位分型患者以股骨头塌陷为终点的随访中，4、5型患髋生存率均为100%，1、2、3型生存率均为0，差异有统计学意义（χ2=7.473，P=0.006）。以手术为终点的随访中，1、4、5型生存率均为100%，3型为0，2型为60%，差异有统计学意义（χ2=37.574，P<0.001）。见图6。

图 6     JIC C1型患者各类生存曲线分析  

a. CPA≥118.725° 与CPA<118.725° 髋关节（以股骨头塌陷为终点）；b. JIC C1 型髋关节坏死区域不同侧位分型患者（以股骨头塌陷为终点）；c. JIC C1型髋关节坏死区域不同侧位分型患者（以手术为终点）

3、讨　论

JIC分型的依据是坏死区是否涉及股骨头外侧柱的负重区[8-9]，作为经典的ONFH分型系统，在临床广泛应用。目前有多个研究报道基于JIC分型系统的ONFH塌陷率，但不同研究结果差异较大。Kuroda等[9]的研究中，212髋随访5年结果示，JIC A、B、C1及C2型股骨头塌陷率分别为0、7.9%、36.6%和84.8%，与本研究结果相比塌陷率较低，可能是因为该研究对塌陷的判定只参考了正位X线片，而未联合正蛙位X线片结果，忽视了部分前柱塌陷的患髋。而实际上无论是生物力学研究还是临床研究，均表明前外侧柱为主要负重区，且部分患髋尽管其外侧柱完整，前柱受累也会导致股骨头塌陷[10-12]。本研究结果表明，JIC A型患髋5年股骨头塌陷率和手术率均为0，与既往研究结果一致，提示JIC A型是非手术治疗的适应证，这与本团队的一项近期研究结果[12]基本一致。JIC B型患髋5年股骨头塌陷率虽然为27.3%，但5年手术率为0，说明该型股骨头塌陷多为无症状或症状较轻者，可通过非手术方法达到治疗效果。C2型患髋5年股骨头塌陷率为100%，手术率为71.0%，提示C2型患者非手术治疗效果差，建议尽早接受手术保髋治疗，否则病情容易快速进展，最后不得不接受人工全髋关节置换术。从5年随访的股骨头塌陷率和手术率分析，JIC C1型ONFH仍是目前研究的重点，其塌陷率较高，但手术率比C2型低，这部分研究结果和本团队既往研究[12]结果相似，提示该分型的评判方法有待改良，甚至需要在该分型下进一步分不同亚型。

与JIC A、B型非手术治疗效果良好、手术率低，以及C2型适合早期手术治疗不同，C1型的预后较难判断，亟需新的方法判断该分型预后，指导临床治疗。我们根据坏死区在侧位CT中的累及位置，将坏死股骨头分为5型，通过热力图图像融合方法直观展示5种CT侧位分型，结合5年的股骨头塌陷率与手术率，对该新分型进行临床验证。对于JIC C1型患髋，前柱是否受累及受累程度均影响其在CT侧位中的分型。结果显示，4、5型前柱均未受累，5年股骨头塌陷率及手术率均为0，提示该两种亚型股骨头塌陷风险低，非手术治疗效果理想。从热图的坏死轮廓定位来看，1型累及部分前柱负重区，5年塌陷率为100%，但手术率为0，原因可能是坏死区位于前柱，日常活动中易发生塌陷，但考虑部分前柱骨质完整，可以维持股骨头内稳定以及髋关节良好的头臼关系，故即使发生塌陷亦可行非手术治疗，达到带塌陷生存的临床状态[13]。JIC C1型各侧位亚型中2型占比最大，其5年塌陷率为100%，且手术率为40%；其热图显示该部分患髋累及大部分前柱，股骨头塌陷容易继续进展，最后接受手术治疗。3型患髋热图显示坏死轮廓基本累及全股骨头，使得股骨头内力学稳定性严重受损，故此型患髋在第2年随访时已全部出现塌陷，且5年手术率为100%。

本研究的局限性：首先，本研究为回顾性研究，未来需进一步进行临床前瞻性研究验证侧位CT分型的有效性。其次，由于随访时间跨度大，根据既有的临床和影像学资料进行非手术保髋治疗评价和外侧壁保留角、前侧壁保留角和CPA的测量，存在一定偏倚，导致测量结果准确性欠佳。再次，CT检查存在一定辐射伤害，无法多次复查。故本研究团队今后将开展更规范的前瞻性研究，优化测量方法，以进一步验证CT侧位分型在ONFH临床诊治中的指导作用，做到可重复与标准化。

综上述，JIC A、B型患者可接受非手术保髋，5年手术率低；C2型股骨头塌陷风险和手术率高，应尽快行手术治疗，避免疾病进展，失去保髋时机；C1型股骨头塌陷率与手术率均未完全明确。故本研究提出利用CT侧位分型将JIC C1型划分为5个亚型，其中3型为坏死区累及全股骨头，塌陷风险最高；4、5型塌陷和手术风险均低；1型塌陷率高，但手术风险低；2型塌陷率高，但手术率接近JIC C1型平均值，后续仍需开展进一步研究。

通信作者

魏秋实，医学博士，骨科双博士后，副主任中医师，博士研究生导师。广州中医药大学第三附属医院关节科副主任，广东省中医骨伤研究院办公室副主任。《中国骨质疏松杂志》、《中国修复重建外科杂志》、《中华中医药杂志》，《中医正骨》青年编委。主持国家自然科学基金等科研课题10余项。第一或通讯作者发表论文100余篇，其中SCI收录30余篇，影响因子超过120分。第一发明人获国家发明专利2项，实用新型专利4项（已转让2项），计算机软件著作权4项。擅长中西医结合保髋治疗股骨头坏死及人工髋、膝关节置换治疗髋膝关节疾病。

第一作者

何敏聪，医学博士，主治中医师，硕士研究生导师。以第一或通讯作者发表论文10余篇，其中SCI收录8余篇，影响因子超过35分。擅长股骨头坏死的基础与临床研究、骨质疏松以及骨肿瘤的中西医结合临床诊治，能独立开展股骨头坏死及骨质疏松的中西医结合基础及临床研究。目前在研主持国家级课题（国家自然科学基金青年基金）1项，市厅级课题1项，总科研经费30余万。同时参与多项国家级、省级课题多项。

参考文献：略

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