构建股骨3D数字化模型提出一种新的股骨颈前倾角测量方法

doi:10.12307/2021.079

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (24): 3779-3783.doi: 10.12307/2021.079

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构建股骨3D数字化模型提出一种新的股骨颈前倾角测量方法

刘建友1，贾中伟2，牛佳伟1，曹鑫杰1，张栋1，魏杰2

1山西医科大学，山西省太原市 030001；2山西医科大学附属人民医院骨科，山西省太原市 030012

收稿日期:2020-10-10 修回日期:2020-10-13 接受日期:2020-11-21 出版日期:2021-08-28 发布日期:2021-03-05
通讯作者: 魏杰，教授，主任医师，硕士生导师，山西医科大学附属人民医院骨科，山西省太原市 030012
作者简介:刘建友，男，1994年生，四川省会东县人，汉族，山西医科大学在读硕士，主要从事骨科关节方向的研究。
基金资助:
山西省教育厅研究生联合培养基地人才培养项目(2017JD20)，项目负责人：魏杰

A new method for measuring the anteversion angle of the femoral neck by constructing the three-dimensional digital model of the femur

Liu Jianyou1, Jia Zhongwei2, Niu Jiawei1, Cao Xinjie1, Zhang Dong1, Wei Jie2

1Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China; 2Department of Orthopedics, People’s Hospital Affiliated to Shanxi Medical University, Taiyuan 030012, Shanxi Province, China

Received:2020-10-10 Revised:2020-10-13 Accepted:2020-11-21 Online:2021-08-28 Published:2021-03-05
Contact: Wei Jie, Professor, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, People’s Hospital Affiliated to Shanxi Medical University, Taiyuan 030012, Shanxi Province, China
About author:Liu Jianyou, Master candidate, Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China
Supported by:
Joint Cultivation Base for Postgraduate Students of Shanxi Education Department, No. 2017JD20 (to WJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
通髁线：股骨远端内、外上髁处，外上髁有一骨性突起，为外侧副韧带附着点，股骨内侧髁有一凹陷，为内侧副韧带附着点，两点的连线称为通髁线，是膝关节测量的重要标志之一。
股骨颈前倾角：即股骨颈轴线与股骨髁额状面(人体冠状面)所成的夹角，是评估股骨发育程度、辅助髋部手术和术后评估髋关节功能等的重要角度之一。

背景：全髋关节置换过程中假体置入的准确性非常重要，经典股骨颈前倾角术中运用时需转化为骨性标志的相对位置，全髋关节置换或翻修术中相关骨性标志可能缺失，希望提出一种新型股骨颈前倾角的测量方法，方便术中加以运用，提高假体置入准确性。
目的：通过股骨3D数字化模型，提出一种新的股骨颈前倾测量方法，结合经典股骨颈前倾角为复杂性人工髋关节置换和翻修术中的股骨柄假体置入提供解剖学数据，提高假体置入准确性。
方法：以CT检查范围包括双侧股骨的41例患者共计82侧正常股骨为观察对象，患者年龄50-80岁。通过软件分别重建出每例股骨的3D数字化模型后，选取股骨内上髁、外上髁、大转子上最突出点形成的面及股骨颈轴心线，二者形成的线面夹角即为此次新提出的测量股骨颈前倾方法，为便于区分，称其为新型前倾角。分别在重建出的股骨模型上对应取点测量新型前倾角与经典前倾角，收集整理数据，进行统计学分析并找出二者之间的关系。
结果与结论：①经取点测量后，82例股骨数据以性别、左右分组独立行t 检验分析，不同性别、不同侧别之间的经典前倾角相比差异均无显著性意义(P > 0.05)，不同性别、不同侧别之间的新型前倾角相比差异均无显著性意义(P > 0.05)；②新型股骨前倾角平均值为(7.96±1.11)°，经典前倾角平均值为(13.21±1.28)°，二者线性回归方程为：经典股骨前倾角=10.42°+0.35×新型前倾角；③提示新型前倾角系新提出的一种测量股骨颈的方法，其与经典前倾角均能反映股骨颈前倾，二者在一定范围内存在对应关系，联合二者能多维地展现股骨颈真实前倾情况。

https://orcid.org/0000-0002-0632-1185 (刘建友)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: ">股骨颈前倾角, 髋关节, 全髋关节置换, 翻修, 假体置入, ">数字化

Abstract: BACKGROUND: The accuracy of prosthesis placement in total hip arthroplasty is very important. The classic femoral neck anteversion should be transformed into the relative position of bone markers, and the relevant bone markers may be missing in total hip arthroplasty or revision. We hope to put forward a new method to measure the anterior inclination of the femoral neck, which can be used conveniently in order to improve the accuracy of prosthesis placement.
OBJECTIVE: To propose a new method for measuring the anteversion of the femoral neck through the three-dimensional digital model of the femur, combined with the classical anteversion angle of the femoral neck, to provide anatomical data for the implantation of the femoral stalk prosthesis during complex hip arthroplasty and revision, and to improve the accuracy of prosthesis placement.
METHODS: A total of 82 normal femurs from 41 patients who underwent CT with bilateral femurs aged from 50 to 80 years old were selected as subjects. After the three-dimensional digital model of the femur was reconstructed by software, the surface formed by the most prominent points on the medial epicondyle, the lateral epicondyle, the greater trochanter and the axis of the femoral neck was selected, and the angle between them was our new method for measuring the anteversion of the femoral neck. This new angle was called New Anteversion angle. The corresponding points were taken to measure the New Anteversion angle and the classical anteversion angle on the reconstructed femoral model, and the data were collected and statistically analyzed to find out the relationship between them.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The data of 82 cases of femur were independently analyzed by t-test according to sex and orientation groups after point measurement. There was no significant difference in the classical anteversion angle between different genders and different sides (P > 0.05), and there was no significant difference in the New Anteversion angle between different genders and different sides (P > 0.05). (2) The average New Anteversion angle was (7.96±1.11)°; the average classical anteversion angle was (13.21±1.28)°. The linear regression equation was: classical anteversion angle = 10.42 ° + 0.35 × New Anteversion angle. (3) It is concluded that both the New Anteversion angle and the classical anteversion angle of the femoral neck can reflect the anteversion of the femoral neck, and there is a corresponding relationship between them in a certain range, and the combination of the two can show the true anteversion of the femoral neck in many dimensions.

Key words: femoral anteversion, hip, total hip arthroplasty, revision, prosthesis implantation, digitization

中图分类号:

刘建友, 贾中伟, 牛佳伟, 曹鑫杰, 张栋, 魏杰. 构建股骨3D数字化模型提出一种新的股骨颈前倾角测量方法[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3779-3783.

Liu Jianyou, Jia Zhongwei, Niu Jiawei, Cao Xinjie, Zhang Dong, Wei Jie. A new method for measuring the anteversion angle of the femoral neck by constructing the three-dimensional digital model of the femur [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(24): 3779-3783.

图/表（结果） 5

参考文献

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引言

全髋关节置换是治疗髋关节疾病如重度髋关节骨性关节炎、股骨颈骨折、部分转子间骨折患者最持久和最有效的治疗方法之一[1-5]。在全髋关节置换治疗的患者中约有4.4%术后出现假体松动脱落、感染、假体周围型骨折等并发症，常需行二次翻修手术，甚者需多次手术[6-7]。全髋关节置换术中将假体安放在最理想的位置能显著降低假体松动和假体周围骨折的发生率[8-9]，目前全髋关节置换术中股骨柄放置常用的参考角度主要有股骨颈前倾角及联合前倾角等[10]，这些角度在术中运用时存在定位困难、易受干扰等不便因素，多需要借助骨性标志和主刀医生经验。由于全髋关节置换的普及，出现因松动、感染、不稳定需翻修的病例越来越多[11-12]，部分全髋关节置换及翻修术中存在股骨骨性标志缺失、股骨小转子暴露不清等困难，此时常规安放股骨柄的方法运用出现困难。
因此作者希望提出一个新型测量角度来描述股骨颈的前倾，在常规方法安装股骨柄假体前倾困难时提供一种新的定位方法。为了更好地区别两种测量方法下的股骨颈前倾角，作者将这个新的测量角度称为新型前倾角，原方法测量得到的股骨颈前倾角称为经典股骨颈前倾角。通髁线是全膝关节置换术中常用的参考线及测量线之一[13]，选取健康人群的通髁线在股骨的体表投影(即股骨内外上髁两点)与股骨大转子上最突出点确定的一个平面，然后确定股骨颈轴心线，二者形成的线面角即为新型前倾角，依次测量新型前倾角和经典方法测量的前倾角，统计分析新型前倾角与股骨颈前倾角，并通过分析找出二者之间的关系。待后期研究丰富后结合测量时的选点与新型前倾角度数值，设计制造相关的工具，结合经典股骨前倾角，为临床全髋关节置换股骨柄假体置入困难时提供一种新的方法。此次研究为系列研究的第一步，即通过建模及测量新型股骨颈前倾角和经典股骨颈前倾角，完成统计分析，为后续研究提供解剖学依据及数据支持。
需要指出的是，股骨颈前倾角是确立已久的概念且具有重大临床意义，此次研究旨在尝试一种股骨颈前倾新的测量方式，使其后期便于术中运用，本意不在否定经典股骨前倾角的临床价值与临床意义。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计三维建模，对比测量实验。
1.2 时间及地点于2019年8月至2020年8月在山西省人民医院骨科完成。
1.3 对象利用CT扫描、三维股骨重建和数字化测量手段，以2017年6月至2019年6月在山西省人民医院行螺旋CT(Brilliance iCT Elite，256层，Philip)检查的41例患者的检查数据作为观察对象，其中男20例，女21例，共计82侧股骨。患者对实验过程完全知情同意，并签署了“知情同意书”，测量方案获得山西省人民医院机构审查委员会的批准。
纳入标准：①检查范围包括髋部和双侧股骨，病例CT扫描数据齐全；②患者年龄50-80岁；③无髋部疾病及股骨畸形。
排除标准：①既往有股骨骨折、骨关节炎、类风湿关节炎、代谢性骨病等病例；②股骨存在先天畸形的病例；③既往股骨手术史以及扫描范围不够的样本。
1.4 方法运用螺旋CT扫描患者，双下肢固定于中立位，双侧脚尖与检查台保持垂直。扫描范围包括股骨头近端160 mm及股骨远端160 mm，扫描层厚1 mm。双侧股骨CT平扫后获取股骨容积性数据，以Dicom格式储存。
三维重建和测量：用医学图像处理软件MIMICS 20.0软件加载CT扫描后的Dicom数据，进行三维重建。三维重建图像中膝关节内外侧副韧带在股骨内、外侧髁的附着点通常表现为股骨内、外上髁一个相应的骨性标志点，膝关节通髁线即为两点间的连线。重建出每例股骨3D数字化模型，再随机排序后导入图像处理软件3-Matic Medical 13.0(Materialise公司)测量新型前倾角及经典股骨颈前倾角。为减少误差，在开始前认真学习股骨相关解剖学知识，反复熟悉MIMICS 20.0和3-Matic Medil 13.0软件，在2个软件内将所有的股骨模型统一调整成标准体位后进行测量，测量时3个参与研究人员同时在场，所选点的确认需3人意见一致。
测量新型股骨颈前倾角：在重建出的3D数字化模型上选取体表可扪及的股骨内上髁、外上髁和大转子上最突出点(依次对应A，B，C)，线AB对应通髁线，A、B、C三点确定一个面ABC。选取股骨头球面中心(D)和股骨颈长轴截面圆心(E)，两点连线为股骨颈轴心线，直线DE与面ABC所成夹角即为新型前倾角，依次测量并记录数值(图1，2)。

测量经典股骨颈前倾角(图3)：选择俯视观察股骨，采用平面几何方法确定股骨头的中心点(K)，在股骨颈的最狭窄部取股骨颈中心点(L)，两点连线为股骨颈轴线(IJ)，选取股骨大转子后方(H)与内外髁(F，G)三点，三点形成的面(FGH)与股骨颈轴线(IJ)的夹角即为经典股骨颈前倾角，依次测量并记录数值。

1.5 主要观察指标在正常股骨的三维模型上，准确选取股骨颈轴线、通髁线、股骨大转子上最突出点，测量经典股骨颈前倾角及新型前倾角，将以上数据与既往研究相关参数进行对比。观察指标采用盲法评估。
1.6 统计学分析运用软件SPSS 22.0对数据进行统计学分析。测得数据经正态性检验均符合正态分布，数据使用x±s表示。分别以性别、股骨方位分组独立行t检验分析，运用回归分析确定新型前倾角及传统股骨前倾角之间的关系。

讨论

全髋关节置换广泛用于股骨颈骨折、重度髋关节骨性关节炎和部分罹患重度发育性髋关节发育不良合并早期股骨头坏死塌陷等髋部疾病的患者[1，6]。术中将髋臼和股骨假体置于适当的位置是至关重要的[8，14-15]，适当的位置可以最大限度地减少假体撞击的风险，从而减少其他潜在并发症的发生，如关节不稳定、脱位、聚乙烯加速磨损、骨溶解和植入物过早松动等[12，16-20]。LEBLEBICI等[21]研究也发现，股骨前倾角增加会导致功能问题，表现在跑步及快走时摔倒频率较正常同年龄升高约3倍，易疲劳，可能会继发下肢功能恶化，负重时重力力线承压过程中在髋关节出现剪力，改变了解剖力线，不利于髋关节的活动。
现行手术过程中可利用股骨传统前倾角及联合前倾角等定位[10]，其中经典前倾角运用多须在置入假体时转化为股骨近端骨性标志，使得手术假体安放达到了很高的准确率[6]。在安装股骨柄假体的过程中，一定要稳固可靠，增加和假体的接触面积，减少剪力，应力集中，受力均衡，并和股骨端匹配骨性平衡，增加关节稳定性。
目前普遍认为横断面CT扫描提供了较准确的股骨前倾角测量，但对股骨前倾角的估计取决于计算出的股骨颈轴线的准确性，此外，个体之间也存在解剖学差异[22]。大多数以前使用横断面CT的研究都得出结论，平均前倾角在12°-26°之间[23]，此次研究测量股骨颈前倾角的结果与CT研究的结果是一致的。由于股骨颈前倾角测量是依靠CT检查时在不同断层取线、利用平移法测出的线与线之间的夹角[24]，经过分析，这种测量方法不同程度地受患者检查体位影响[22]，同时准确选择测量线有一定困难[25-26]。因为股骨颈前倾角测量需依赖CT检查的断层平面，目前术中缺乏相关工具使其转换为肉眼可见的角度，同时股骨颈处截面术中难以把握，上述原因致使其手术时运用受限。因此多数学者将其作为术前、术后分析的一项重要指标，术中运用时多将其转换为骨性标志运用，一般经验性参考股骨矩、股骨小转子等骨性标志进行定位。术中发现部分股骨转子间骨折与全髋关节置换术后翻修等病例，前述骨性标志缺失或移位，这时运用经典股骨前倾角术中确定股骨柄前倾角度时存在困难。
联合前倾角是髋臼前倾与股骨前倾整体的描述[27-28]。MCKIBBIN[29]第一次引入了这一术语后，并将解剖髋关节的稳定性指数定义在30°-40°之间。YOSHIMINE[30]和MALIK等[31]进一步证明，联合前倾角的“安全区”决定了全髋关节置换术后的稳定性和活动范围，并且描述了一种外科医生术中目测确定联合前倾量的手法。股骨颈前倾角的定位不准会直接或间接影响联合前倾角，增大假体置入的误差。
使用三维重建骨骼模型的图像进行测量可以提供更一致的人体测量信息[25，32-33]。此次作者测量的新型前倾角，重建出股骨三维可视化模型后，利用计算机软件准确选点，在空间坐标系精确测量，以空间线与面的关系来描述股骨颈前倾。
目前全髋关节置换术中股骨柄假体置入时缺乏能较为准确地反映股骨颈前倾角简单易用的工具，在细致研究股骨解剖特点和查阅大量文献后，通过提出一个新的股骨前倾角测量方法，方便其在术中运用，为复杂全髋关节置换及术后翻修股骨柄置入困难时提供一个新的定位方法。此次研究中的选点经过精心地筛选，选择建立平面和轴线的点，位置相对人体较为表浅。通髁线是膝关节测量重要的标志之一[34]，被广泛用于膝关节置换术前、术中、术后的分析中，现在已经有人提出，可采用经过股骨内外上髁的通髁线来近似代表膝关节的实际屈伸轴线[13]，其在股骨上的投影即为股骨内、外上髁。双侧股骨上髁体表较易扪及，股骨转子最突出点术中暴露后较易触及，受到肌肉等软组织的影响减少，使得后期对新型前倾角进一步深入研究之后，有望设计合理的工具，使之能与测量的双侧股骨上髁、股骨转子相对应，结合工具的量角器可直观测量和提示假体置入的角度。限于此次研究目前处于提出并测量新型股骨前倾角阶段，文中所述工具拟在后续研究中进行运用并判断术后假体位置。
新型前倾角可实现的临床运用前景包括：①术前行CT检查后，运用计算机工具测量出患者的新型前倾角和股骨前倾角等角度，术中运用工具与上述点准确对应后，运用工具所带的量角器直观地反映股骨颈的前倾，全髋关节置换术中股骨柄假体置入时前倾角度与此角度相同，同时联合前倾角与股骨颈前倾角等，提高股骨柄假体置入的准确性；②研究深入后可为手术导航、手术机器人等新技术提供术中股骨解剖学数据，便于术中准确定位，缩短手术时间，进一步提高手术假体置入准确性[35]，降低术后并发症及翻修的概率，更好地造福患者，对患者长期生存有重要的临床意义。
此次研究目前也存在一定不足：首先是研究的局限性，此次研究所含的样本量相对较少，由于样本均来源于山西医科大学附属人民医院，可能存在一定程度的选择偏倚，后续拟计划扩大样本量，多机构、多点随机采样等改善不足，进一步提高研究准确性；其次存在不同程度的测量误差，因此作者取点研究时力求准确，力求将误差降至最低；后续研究除了对比不同性别外，对其他因素，例如身高、体质量指数等潜在因素也将进行比较分析，以丰富整体研究结果。
综上所述，新型前倾角系新提出的一种测量股骨颈的方法，经统计学分析，其与经典股骨颈前倾角在一定范围内存在对应关系，对股骨颈前倾角和新型前倾角的测量方式综合分析后，作者认为二者都能反映股骨颈的前倾，二者可互为补充。此次研究测量的数据有助于从多个角度反映股骨前倾，后期研究进一步深入后，拟设计制造相关工具，使之与此次研究所选的点一一对应，结合股骨颈前倾角和联合前倾角等角度，为全髋关节置换术中提供解剖学数据支持，以提高复杂髋关节置换及翻修术中股骨柄假体置入的准确性，减少相关并发症。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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A new method for measuring the anteversion angle of the femoral neck by constructing the three-dimensional digital model of the femur

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