基于3D重建技術探討發育性髖關節發育不良患者膝關節形態差異

林天燁,江禹來,何曉銘,何敏聰,李子祺,陳鎮秋,張慶文,何偉,魏秋實*

(1.廣東省中醫骨傷研究院數字骨傷研究室,廣東 廣州 510405;2.廣州中醫藥大學第三附屬醫院關節中心,廣東 廣州 510405;3.廣州中醫藥大學第三臨床醫學院,廣東 廣州 510405;4.廣州中醫藥大學第一附屬醫院關節科,廣東 廣州 510405)

發育性髖關節發育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)是常見的髖關節疾病,影像學檢查發現髖臼或股骨頭形態異常,并導致周邊肌肉、韌帶代償的病變[1-2]。目前,DDH病理機制尚未完全探明[3]。研究發現DDH的發病率約為1.52%(女性為2.07%,男性為0.75%),女性較男性易發病[4]。由于髖臼對股骨頭包容不佳導致髖關節應力集中,加速軟骨的磨損而發展成為關節炎[5]。髖關節是連接軀干及下肢的樞紐,髖關節發育異常會影響鄰近骨骼、關節的發育,對上影響骨盆、腰椎,對下影響膝、踝關節。本研究團隊既往通過測量101例DDH患者脊柱-骨盆參數,發現DDH患者由于脊柱的代償而出現脊柱-骨盆參數的改變,出現脊柱側凸的現象[6]。既往有研究發現DDH患者更易于出現膝關節疼痛,膝關節力線的改變。DDH也會影響膝關節的正常發育,可能導致過早的退行性改變[7]。此外,DDH可影響髕股關節,引起髕股運動異常和膝關節疼痛[8]。然而,DDH患者膝關節解剖結構發育尚未被完全了解。既往的研究大多數依據X線片進行測量,受拍攝角度及體位的影響,容易出現參數誤差[9]。此外,大多數膝關節疾患與膝關節幾何形狀的改變有關,如脛骨平臺內側和外側寬度的改變以及股骨遠端和脛骨近端坡度的改變,這些已被認為是導致膝關節疼痛、韌帶損傷和骨關節炎的原因[10]。因此,DDH患者膝關節解剖結構發育有必要進一步探索。本研究通過收集患者膝關節CT數據進行三維重建,在三維立體下測量膝關節相關參數,并分析膝關節相關參數與髖臼發育不良程度的相關性,以期為成人DDH患者膝關節相關參數變化和治療膝關節疾病提供幫助,現報告如下。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入標準:(1)DDH患者或健康體檢者;(2)年齡18～50歲;(3)髖關節正位X線片及膝關節CT三維重建;(4)膝關節未出現明顯骨贅,Kellgren-Lawrence 0～Ⅰ級[11]。排除標準:(1)髖膝關節感染導致發育異常;(2)類風濕性關節炎、強直性脊柱炎患者;(3)膝關節周圍骨折患者,涉及關節面者;(4)髖膝關節有矯形手術、膝關節關節鏡手術病史者。

納入2019年1月至2022年12月于廣州中醫藥大學第三附屬醫院就診DDH患者,根據DDH患者年齡匹配年齡相對的健康體檢者,所有參與者對試驗均知情同意。本前瞻性研究獲廣州中醫藥大學第三附屬醫院醫學倫理委員會批準(PJ-KY-20220420-013)。

1.2 方法 采用前瞻性病例分析。

1.2.1 髖關節參數測量 通過髖關節正位X線片測量中心邊緣角(center edge,CE):在髖臼外上緣與股骨頭旋轉中心連線,其與通過旋轉中心的垂線之間的夾角,中心邊緣角<20 °即診斷為DDH[12]。Sharp角:髖臼外上緣與淚滴下緣連線與水平線的夾角,反映髖臼開口及傾斜情況,Sharp角>40 °被認為髖臼發育不良(見圖1)。

圖1 CE角、Sharp角測量示意圖

1.2.2 膝關節參數測量

1.2.2.1 膝關節三維重建 收集患者膝關節CT原始數據(DICOM格式,層厚為0.5 mm,層距為5.0 mm,每層分辨率為1 024×1 024像素),將其導入Mimics 21.0軟件中,通過閾值分割,并進一步消除各部位皮質骨連接多余的點,同時通過填充功能,填補骨質正常的輪廓,從而獲得脛骨、股骨三維模型,對模型進一步去三角、光滑處理,保存為stl格式,導入geomagic wrap軟件中進一步處理。通過geomagic wrap軟件,利用網格處理、刪除釘狀物、去除特征及補洞光順等功能處理模型,進一步通過探測輪廓線、構造曲片面及擬合曲面等,完成以上操作后即可得到相對完整的骨性模型(骨盆、股骨近端),保存為stp格式文件。利用solidworks軟件,把股骨、脛骨模型進行原點組配,組配成膝關節三維模型。

1.2.2.2 參數測量 股骨、脛骨髓內中心的確定:以穿過膝關節每一層面的幾何中心點連線為股骨、脛骨髓內中心線。正視位圖參數[13]:股骨內側髁寬度(width of medial femoral condyle,WMFC)、股骨外側髁寬度(width of lateral femoral condyle,WLFC):從股骨髓內中心線到股骨內側髁最內側點和最外側點的距離。股骨內側髁高度(height of medial femoral condyle,HMFC)、股骨外側髁高度(height of lateral femoral condyle,HLFC):經過股骨髁間切跡尖端做一個平面與股骨髓內中心線垂直,并將該平面至股骨內側髁和外側髁最遠端點的距離分別定義為HMFC及HLFC。脛骨內側平臺寬度(width of medial tibial platform,WMTP)、脛骨外側平臺寬度(width of lateral tibial platform,WLTP):脛骨髓內中心平面到脛骨內外側緣的距離。側視位圖參數[9]:股骨前關節邊緣距離(femoral anterior joint edge distance,FAJED)、股骨后關節邊緣距離(femoral posterior joint edge distance,FPJED):股骨解剖軸到股骨前、后關節邊緣距離;脛骨前關節邊緣距離(tibial anterior joint edge distance,TAJED)、脛骨后關節邊緣距離(tibial posterior joint edge distance,TPJED):脛骨解剖軸到脛骨前、后關節邊緣距離。角度測量:脛股角(femorotibial angle,FTA)股骨解剖軸線與脛骨解剖軸線在膝關節中心相交形成的向外側的夾角。股骨遠端外側角(lateral distal femoral angle,LDFA):為股骨內外側髁遠端切線平面(關節面)與股骨機械軸垂直于正視位圖平面的外側夾角;脛骨近端內側角(medial proximal tibial angle,MPTA):經過脛骨內外側平臺切面(關節面)與脛骨機械軸垂直于正視位圖平面形成的內側夾角。脛骨近端后側角(posterior proximal tibial angle,PPTA),即在側位X線片上脛骨近端關節線與脛骨機械軸之間的后側夾角。股骨遠端后側角(posterior distal femoral angle,PDFA),即側位X線片上股骨遠端關節線與股骨機械軸之間的后側夾角(見圖2～4)。

1.2.3 分組 根據CE角進行分組,分為DDH組(CE角<20 °)及對照組(CE角>20 °);此外,把DDH組患者進行單側、雙側分組,各組間進行膝關節參數對比。

2 結 果

2.1 三組基線資料對比 本研究最終納入237例,其中對照組110例,單側DDH組98例,雙側DDH組29例(58膝),三組在年齡、性別、身高、體重及身體質量指數(body mass index,BMI)等方面對比,差異無統計學意義(P>0.05,見表1)。

表1 三組基線資料對比

2.2 三組膝關節正視位圖參數對比 三組WLFC、WLTP、LDFA對比差異有統計學意義(P<0.05),對照組WLFC、WLTP、LDFA顯著大于單側DDH組、雙側DDH組(P<0.05),單側DDH組WLFC、WLTP、LDFA顯著大于雙側DDH組(P<0.05)。對照組HMFC顯著小于單側DDH組、雙側DDH組(P<0.05),雙側DDH組HMFC大于單側DDH組,差異有統計學意義(P<0.05)。對照組WMTP顯著小于單側DDH組(P<0.05),單側DDH組WMTP顯著大于雙側DDH組(P<0.05),雙側DDH組WMTP與對照組對比差異無統計學意義(P>0.05)。三組WMFC、HLFC、MPTA對比,差異無統計學意義(P>0.05,見表2)。

表2 三組膝關節正視位圖參數對比

2.3 三組膝關節側視位圖參數對比 三組FTA對比差異有統計學意義(P<0.05),對照組FTA顯著小于單側DDH組、雙側DDH組(P<0.05);此外,三組FAJED、PDFA、PPTA對比差異有統計學意義(P<0.05),對照組FAJED、PDFA、PPTA顯著大于單側DDH組、雙側DDH組(P<0.05),單側DDH組FAJED、PDFA顯著大于雙側DDH組(P<0.05)。對照組FPJED顯著大于單側DDH組,雙側DDH組與單側DDH組FPJED對比差異無統計學意義(P>0.05)。再者,三組TAJED對比差異有統計學意義(P<0.05),單側DDH組TAJED顯著小于對照組及雙側DDH組(P<0.05)。三組TPJED對比,差異無統計學意義(P>0.05,見表3)。

表3 三組膝關節側視位圖參數對比

2.4 Sharp角與膝關節參數的相關性分析 將Sharp角與FTA、HMFC、LDFA、PPTA及PDFA進行Pearson相關分析,結果發現Sharp角與FTA及HMFC成正相關(P<0.05),即Sharp角越大,FTA及HMFC越大;而Sharp角與PPTA成負相關(P<0.05),即Sharp角越大,PPTA越小;Sharp角與LDFA及PDFA無明顯相關性(P>0.05)。

3 討 論

三維建模測量法是三維建模與測量技術相結合的方法,可在可視化3D空間內多維度測量,該方法測量精準度高、可重復性強,與真實骨性解剖結構接近[14]。DDH是常見的髖關節發育異常的疾病,很少有研究關注成年DDH患者膝關節疾病的發展[15]。既往有通過X線片來評估DDH患者膝關節的部分參數,然而X線片受拍攝角度及體位的影響,可能會導致測量數據存在較大的誤差[16]。因此,為了更好地了解DDH患者膝關節發育的改變,本研究利用CT數據進行三維重建立體模型,在三維模型基礎上測量成年人DDH膝關節的解剖形態相關參數,與其他健康體檢者匹配的對照組進行比較。

本研究發現DDH患者FTA顯著大于健康體檢者,且DDH患者股骨內側髁高度顯著大于健康體檢者,表明DDH患者膝關節可以出現膝關節外翻畸形,其可能與股骨內側髁高度的增加有關。Pearson相關分析發現Sharp角與FTA及HMFC成正相關,Sharp角越大,FTA及HMFC越大。表明髖臼發育不良越嚴重,膝關節外翻越明顯。而雙側DDH患者FTA及HMFC與單側DDH患者比較差異無統計學意義。既往研究報道[17]膝關節外翻畸形的嚴重程度與股骨頭外側移位有很強的正相關關系,但與股骨頭上移位無關。此外,既往的研究報道了DDH患者同側膝關節外翻與MPTA增加相關[13],但在本研究中三維模型測量下未發現MPTA的顯著差異。膝關節外翻是加速膝關節退行性變的危險因素之一。既往的研究發現在DDH自然病史中,膝關節炎主要發生在50歲以后[7]。本研究中,無一例患者有退行性改變的影像學征象。這可能與患者相對較年輕有關,需要對這些患者進行長期隨訪。膝關節外翻的另一個考慮因素是與全髖關節置換術相關的手術并發癥的可能性。對于DDH患者而言,全髖關節置換術的常規手術規劃是將股骨頭移至髖臼內側和下方,使股骨頭的解剖位置恢復到真髖臼[18]。既往研究[19]建議使用股骨頸較長且頸軸角相對較小的高偏置股骨假體,或行股骨遠端內翻截骨術聯合全髖關節置換。除此之外,采用全髖關節置換術可使髖關節復位,從而增加肢體長度和肌肉緊致(包括外展肌和髂脛束)。緊張的髂脛束可能加重已存在的膝關節外翻畸形,并在術后早期引起嚴重的膝關節疼痛。因此,術中植入假體時,如果髂脛束緊張應該作適當的松解[20]。

在側視位圖上發現DDH患者的PPTA減小,這意味著脛骨后傾斜度增加。Pearson相關分析發現Sharp角與PPTA成負相關,Sharp角越大,PPTA越小。表明髖臼發育不良情況越嚴重,脛骨后傾斜度越大,且雙側DDH患者脛骨后傾斜度較單側DDH患者大。既往研究表明,脛骨后傾斜度增大導致脛骨剪力增大,前交叉韌帶拉伸,引起前交叉韌帶損傷的概率較大[21]。此外,在進行脛骨高位截骨時,在某些情況下需要考慮使脛骨近端適當前傾[22]。此外,股骨遠端側視圖三維模型改變包括FAJED和PDFA減少。考慮這些變化會影響全膝關節置換術的手術計劃,特別是在股骨滑車截骨,矢狀面股骨滑車截骨模具的定位需要考慮股骨遠端前傾的存在,以便在不損傷前方皮質骨的情況下進行截骨。在股骨髓內釘插入過程中,考慮FAJED的減少也可能是重要的,以防止穿透股骨遠端前方皮質骨。股骨前方皮質被髓內釘侵犯在股骨彎曲增高的患者中很常見[23]。FAJED的降低可能有助于髓內釘撞擊,值得在未來的研究中進行探討。

本研究的創新之處在于通過大數據三維重建立體模型下對DDH患者正視位圖及側視位圖膝關節參數進行全面測量,減少X線片測量的誤差,并發現DDH患者FTA、MPTA增大,FAJED、PDFA減少,部分參數雙側DDH患者更加嚴重。這些參數的差異有利于DDH患者行髖膝矯形及置換手術中的規劃與考慮。本研究的不足之處在于:(1)本研究選擇的是50歲以下的成年DDH患者,未選擇老年患者、未能觀察DDH患者完整的自然病史的情況;(2)本研究只分析了正視位和側視位參數,對其他視圖參數,如髕股關節相關的參數未測量,其對髕股關節評估膝關節形態也很重要;(3)本研究未能對DDH嚴重程度(如Crowe分型)對膝關節參數的影響進行分析,有待進一步擴大樣本量進行研究。

綜上所述,DDH患者可能會在正視位和側視位出現雙膝關節的變化,包括膝關節外翻,膝關節后傾角在關節方向上增加,股骨遠端前緣到解剖軸的距離減少。髖臼發育不良嚴重程度與膝關節外翻、脛骨后傾斜度相關。在膝關節、髖關節和股骨手術時應充分考慮這些畸形,以防止潛在的并發癥。