三维虚拟现实成像结合二维超声图像可视化评价婴幼儿髋关节发育不良

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.09.015

摘要/Abstract

摘要：

背景：超声检查已广泛应用于婴幼儿发育性髋关节发育不良的筛查，但有报道指出，在不同的检查者之间检查结果存在显著差异，即使在同一检查者的重复检查中也会存在偏差，因此认为超声在诊断成像准确性方面证据不足。
目的：通过三维重建虚拟现实图像显示髋臼及股骨头的空间立体结构，获得一个新的参数，从而丰富Graf超声诊断技术的测量标准，进一步增强髋关节发育不良诊断结果的可信度。
方法：选取国人婴幼儿新鲜尸体标本10具(男性5具，女性5具)，应用Graf二维超声法对髋关节扫查，并同时行多排螺旋CT三维重建，再将容积重建与表面重建拟合，显示髋关节周围解剖结构，模拟Graf二维超声法对三维虚拟现实图像进行a角和β角的测量。
结果与结论：通过三维重建虚拟现实图像对二维Graf方法测量的验证，证实二维Graf方法测量α角和β角可以真实反映骨性髋臼和软骨髋臼的发育情况。Graf二维超声技术可对新生儿髋关节发育状况做出正确评价，可以将Graf二维超声法作为髋关节发育不良的常规检查。说明熟练掌握Graf超声检查技术和严格掌握髋关节发育不良评判标准是髋关节发育不良诊断的重要保障。

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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关键词: 植入物, 数字化骨科, 髋关节发育不良, Graf超声技术, 三维虚拟现实图像, 多排螺旋CT, 三维重建, 内蒙古自治区自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Ultrasound has been widely used in developmental hip dysplasia screening in infants and young children, but there are significant differences among different inspection findings, even in the reexamination by the same examiner. Therefore, the accuracy of ultrasound imaging in the diagnosis is of insufficient evidence.
OBJECTIVE: Through virtual reality three-dimensional reconstruction images showing the structure of acetabulum and femoral head space, to obtain a new parameter in order to enrich measurement standards of Graf ultrasonic diagnosis technology and to further improve the credibility of the diagnosis of developmental dysplasia of the hip.
METHODS: Ten fresh cadaver specimens of Chinese infants were selected, including five males and five females. Two-dimensional ultrasonic method was employed for hip screening, and at the same time, multi-slice spiral CT was used for three-dimensional reconstruction followed by volume reconstruction and fitting of surface reconstruction to display the anatomic structure around the hip and to simulate Graf’s two-dimensional ultrasound method to measure a and β angles on three-dimensional virtual reality images.
RESULTS AND CONCLUSION: As confirmed by three-dimensional reconstruction, Graf’s two-dimensional ultrasound could be used to measure a and angles, truly reflecting the development of bony and cartilaginous acetabulum. Graf’s two-dimensional ultrasound contributed to the proper evaluation of beonatal hip dysplasia, which can be used as a routine examination for developmental dysplasia of the hip. These indicate that to master Graf’s ultrasound technology and strictly grasp the evaluation standards for developmental dysplasia of the hip is the important guarantee for diagnosis of developmental dysplasia of the hip.

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Key words: ultrasonography, imaging, three-dimensional, hip joint, tomography, spiral computed, acetabulum

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 3

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引言

发育性髋关节异常是婴幼儿最常见的骨骼肌肉系统疾病之一，其特点是患儿出生时，股骨头与髋臼失去正常的对位关系，多数表现为股骨头部分脱出髋臼，少数股骨头全部脱出髋臼；病变常累及髋臼、股骨头、关节囊及髋关节周围的韧带和肌肉^[1-2] 。对于存在发育性髋关节发育不良高风险儿童，用于发育不良的传统筛查手段是进行骨盆正位X射线片检查，X射线平片是筛查诊断儿童髋关节发育不良的金标准，但该检查方式会使无症状的儿童过度暴露于电离辐射之下，当前对这一问题的关注正日益增加。在新生儿中可选择超声检查，且无电离辐射风险^[3-4] 。然而，由于骨化中心的发育这一局限性，使得超声检查通常并不用于大龄儿童。
目前髋关节发育不良可以被分为脱位髋关节、可脱位髋关节、髋关节半脱位、可半脱位髋关节以及单纯髋关节发育不良5种，在临床上都属于不稳定的髋关节。虽然在20世纪初人们就已经开始应用一些临床检查和X射线对髋关节脱位进行检查，然而由于新生儿髋关节结构在X射线片上不能清楚显示，因此对新生儿的髋关节发育不良诊断仍然存在一定的困难^[5] 。这就使超声在探察新生儿髋关节不稳定方面具有一定优势。虽然目前是否对所有的新生儿进行筛查尚有争论，但大多已经认可用超声对那些临床检查有异或是具有髋关节发育不良高危因素的新生儿进行检查，因为超声检查相比于X射线检查具有准确率高以及减少电离暴露的优点。
20世纪80年代后期奥地利儿骨科医生Graf等^[6-7]利用超声在髋关节软骨、关节囊之间产生的不同回声所形成的图像对髋关节进行检查，同时为了提高超声检查的准确性和可重复性，提出了标准切面原则，即确定髋关节超声标准切面的3个点：①髋臼窝深部的髂骨下缘。②髋臼顶的中部。③髋臼盂唇。这3个点中如果任何一点未显示或显示不清，该超声图像就不能用于诊断。以髂骨下缘为旋转轴，共有3个切面：①偏前部的切面。②标准切面(中部切面)。③偏后部的切面。虽然操作技术越来越成熟，然而对超声的应用仍存在许多争论^[8] 。超声诊断的最大特点是安全性以及敏感性，然而其图像的准确性在很大程度上依赖于操作者的经验，无经验者很容易得到不准确的图像而做出错误的判断。
虽然Graf详细描述了图像标志以及制定了各种分级，然而对于操作者来说要想获得精确的图像并不是一件容易的事，有报道指出在不同的检查者之间检查结果存在着显著差异，即使在同一检查者的重复检查中也会存在变异，由此认为超声检查结果的可靠性差^[9-10] ，但目前对髋关节图像的分析、研究仅是基于两维图像进行，真实的冠状面解剖结构与超声图像、CT或MRI影像对比研究少见报道。

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材料方法

设计：回顾性病例分析。

时间及地点：于2012年6月至2013年6月在内蒙古医科大学第二附属医院超声科完成。

材料：

尸体标本：选取国人婴幼儿新鲜尸体标本10具，男性5具，平均月龄6.8个月；女性5具，平均月龄8.9个月。首先将标本进行2D髋关节超声扫查，获取标准髋关节冠状切面图像并测量，再将尸体标本行64 排螺旋CT 连续扫描，将原始DICOM 图像数据导入图像工作站，应用Amira 5.4.1软件进行三维重建，最后将容积重建与表面重建拟合，显示髋关节周围解剖结构。

方法：

标本的测量：应用GE Voluson E8 型彩色多普勒超声诊断仪，超声探头频率5-12 MHz，将尸体标本侧卧位，将超声探头置于大转子位置，先左髋后右髋，平行于躯体纵轴做股骨头与髋臼的冠状标准切面扫查，明确显示Graf测量方法中的八个解剖结构，即骨软骨平面、股骨头、滑膜皱褶、关节囊、盂唇、透明软骨、骨顶、髂骨下缘及三个测量点，即髂骨下缘、盂唇、髂骨平面在获得标准髋关节冠状切面超声图像后，用彩色多普勒超声诊断仪内置的髋关节测量工具按照Graf超声法测量α角和β角，并且观察股骨头、髋臼盂缘、髋臼结构及彼此的空间位置关系。

CT扫描：将上述10例标本应用西门子公司双源64层螺旋CT进行扫描。先行定位像扫描，再行骨盆平扫，重建层厚1 mm，重建间隔0.75 mm。扫描范围：骨盆入口至股骨中上段。然后将薄层数据图像传到工作站，应用Amira 软件进行三维重建，再将容积重建与表面重建拟合，显示髋关节周围解剖结构的三维虚拟现实图像。

二者的测量方法：以水平髂骨作一直线即基线；以骨顶与髂骨的返折点和关节盂中央点连线为软骨顶线；以髂骨做骨缘转折点的切线为骨顶线，基线与骨顶线的夹角为α角，反映骨性髋臼的发育情况；基线与软骨顶线的夹角为β角，反映软骨髋臼的发育情况，在上模拟Graf二维超声法进行α角和β角的测量，已验证二维Gra超声f测量方法的可靠性。

主要观察指标：通过连续螺旋CT、MRI 扫描图像拟合重建婴幼儿髋关节三维结构，并与同例标本二维超声图像、冠状位断层解剖对比，虚拟再现超声所见的髋关节形态二维超声图像，验证髋关节二维超声的准确性及图像中的真实结构。

统计学分析：数据采用SPS13.0统计软件进行分析，计量资料α角和β角。将二维超声法和三维虚拟现实图像的α角和β角的测量值进行t 检验，P < 0.05为差异有显著性义。

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讨论

在20世纪80年代初将Graf[^11]超声技术引入髋关节检查以来，极大地提高了髋关节发育不良早期的诊断率，在临床中取得良好效果，近年来Graf超声技术不断地得到完善和验证，可操作性强，标准化程度高^[12] ，目前已在很多国家和地区得到广泛使用，成为早期诊断髋关节发育不良的首选方法之一^[13-14] 。在诊断小于6个月婴儿髋关节发育不良的作用中已被国内外大量研究所公认，婴儿髋关节发育不良不再采用X射线及临床检查诊断^[15] 。
超声检查婴幼儿髋关节的优势在于婴幼儿髋关节的主要组织结构髋臼顶和股骨头均为透明软骨，具有良好的透声性，有利于超声束探测，对婴幼儿来说安全、方便，特别适用于治疗过程的随访观察^[16-17] ，高频超声可以准确诊断婴幼儿髋臼发育不良或脱位程度，可以作为髋关节发育不良一种常规的检查方法，然而，有研究显示超声Graf方法在诊断髋关节发育不良的研究者之间及同一研究者多次测量时存在误差^[18] ，陈博昌等^[19]报道新生儿髋关节发育不良超声普查的检出率为3.37%。黄冠兰等^[20]选择性超声筛；查髋关节发育不良的检出率为7.42%，这些差异的产生是多种因素造成的。如二维超声没有采集到髋臼的标准平面在获得图像及确定参照点时存在着人为的主观因素；这些因素均可导致成像时测量出现偏差，从而导致不同的髋关节发育不良检出率。俞波等^[21]按Graf方法对100个正常婴儿髋关节及100个临床疑似髋关节发育不良患儿进行扫查，观察髋臼窝骨性结构外形、髋臼骨性缘、髋臼软骨纤维盂唇的形态，测量髋关节α 角、β 角和股骨头骨性髋臼覆盖率，认为超声测量髋关节α角、β角及股骨头股骨头骨性髋臼覆盖率可为婴幼儿髋关节发育不良的早期诊断提供依据，具有安全、简便、实用等优点，可作为一种临床诊断的辅助手段。高树熹等^[22]对6-36个月的42例84髋的发育性髋关节发育不良患儿参照Graf法行超声检查，并同时行三维CT检查，将超声检查结果与三维CT对照，评价分析超声诊断婴幼儿发育性髋关节发育不良的准确性，结果显示84髋中共检出正常髋关节28髋，髋关节发育不良12髋，髋关节半脱位15髋，髋关节完全脱位29髋。超声诊断发育性髋关节发育不良的准确度为97.62%。说明高频超声诊断婴幼儿发育性髋关节发育不良具有很高的临床实用价值，可以作为一种常规的检查方法。白希壮等^[23]采用Graf方法对髋关节发育不良的2258(4516髋)婴幼儿进行检查及评估分析，结果显示Ⅰ型髋占78.99%>Ⅱ型髋占20.56%，Ⅲ型和Ⅳ髋占0.45%。结果说明该项检查和评估方法可以在婴儿生后3个月内对髋关节进行准确的定性、定量评估，是较有效的临床筛查手段，有利于髋关节发育不良的早期治疗及随访。
Choudry等^[24]采用实时高分辨超声检查，对髋关节进行侧面横断扫描，结果认为特别适用于对那些已经应用了石膏或外展支具的患者进行检查。Morin等在1985年依靠冠状面超声波图像提出了股骨头覆盖率法：在髋关节切面上，沿髂骨外侧缘作一直线(P)，再以此直线做两条平行线分别与股骨头的内侧缘、外侧缘相切。股骨头内切线至直线的距离(d)与股骨头内、外切线的间距(D)之比称股骨头覆盖率(MR)。股骨头覆盖率小于33%为异常，大于58%为正常，目前股骨头覆盖率已成为判断股骨头脱位程度的一项参考指标^[25] 。Gulati等^[26]提出了骨缘覆盖率概念，即股骨头被骨性髋臼顶覆盖的程度，采用与探头长轴平行的髋臼侧面骨缘线为参考线，来判定股骨头脱位的程度。此法与Morin法的不同之处在于，其是髋臼窝到髋臼外缘的距离与从髋臼窝到外侧关节囊距离的比。Talbot等^[27]提出髋关节动态检测法以判断髋关节的稳定性。该方法是在冻结图像的基础上分别通过对受检髋关节的加压和牵引来观察股骨头在髋臼中的表现。正常时股骨头仅在臼中转动，不会发生移位；如股骨头移位超过1 mm以上时则表明髋关节不稳定。因此其对髋关节松弛、发育不良及髋半脱位的诊断准确率较上述几种方法有明显提高，Hoywood等^[28]采用Ortolani试验的体位行超声检查来评价髋关节发育情况，提出将实时超声和动态超声结合起来使用，并提出包括髋关节形态学及稳定性的评价标准，其强调股骨头的位置和稳定性。检查时必须包括休息时的冠状面和受压下的纵切面。在加压情况下，正常股骨头位置稳定，而新生儿股骨头可发生轻度脱位，4周后这种情况应该消失。Chen等^[29]用特制的长形探头从前方同时对双髋关节进行检测。其可以使双侧髋关节同时成像，并通过辅助线判断股骨头和髋臼之间的关系，能较好地显示股骨头的脱位情况，适用于对髋关节复位后用支具和石膏维持固定的髋关节进行检查。
近年来，三维CT在发育性髋关节发育不良诊断中的作用已得到国内外研究证实^[30-33] ，多排螺旋CT容积再现技术是三维图像处理中最常用的技术之一，计算机重建技术的动态三维图像是对传统二维医学图像的补充，运用连续断层图像进行的三维重建，可精确显示生物组织复杂的三维结构，通过任意旋转、剖切，可以对重建的三维结构进行观察和测量^[34-37] 。
本实验是通过多排螺旋CT容积重建技术获得婴幼儿髋关节三维虚拟现实图像，从而获得婴幼儿骨性髋臼角和软骨性髋臼角等精确解剖参数，为2D超声诊断婴幼儿髋关节疾病提供更可靠的依据，通过三维虚拟现实图像α角、β角测量的结果表明，只有获得标准的二维超声图像才能正确评估髋关节的形态及稳定性，如果不能正确在超声图像中确定髂骨下缘点、骨缘和髋臼盂唇，就不能正确标记骨顶线和软骨顶线，如果忽略角的测量，就不能正确区分稳定的Ⅱc型髋关节、不稳定型Ⅱc型髋关节和D型髋关节，如果在错误或显示不全的超声图像上进行测量，就不能对髋关节进行正确分类。
小儿髋关节Graf超声诊断法，是在对髋关节超声图像结构观察分析的基础上，运用α角和β角对髋臼的形态进行量化，来评价髋关节发育状况的一种检查方法。Graf法分类较为严谨、细致。对于髋关节发育不良的分类越细致，越能体现出发育特征，为临床治疗选择提供更为准确的依据^[38-40] 。很多研究证明通过三维重建虚拟现实图像对二维Graf方法测量的验证，证实二维Graf方法测量α角和β角可以真实反映骨性髋臼和软骨髋臼的发育情况^[41-42] ，对诊断婴幼儿发育性髋关节发育不良具有重要的临床实用价值，三维重建虚拟现实图像真实的显示髋臼和股骨头的空间立体结构，可以直接观察股骨头与髋臼的相对关系及股骨头软骨、盂唇和部分髋臼内软组织的形态结构改变^[43-45] 。在实际操作中，标准切面和重要参照点的确定受操作者技术熟练程度影响很大，如果采集的图像及测量方法不准确，势必会造成诊断结果的偏差，增加髋关节发育不良的假阳性率和假阴性率，导致过度治疗或漏诊。
自Graf利用超声对新生儿髋关节进行检查以来，在使用的仪器和操作技术上都有了很大改善，如何利用这项诊断技术以及更准确的界定有效治疗和过度治疗已经成为目前所要解决的问题，虽然国内有一些学者在髋关节发育不良超声诊断方面做大量的工作，但对Graf髋关节超声图像的具体测量方法及如何分类并没有认真阐述。对Graf检测技术如果没有正确的认识，就不可能正确地运用，就不会有正确的检测结果，也就不可能对所检测的疾病发病率及治疗结果进行正确的分析比较^[46-48] 。认真学习Graf超声诊断技术，能够使医生正确地运用并使这门技术在中国得到广泛的推广。对髋关节的超声诊断做出客观的评价，就会使众多的髋关节发育不良患者能被及时正确地诊断，在疾病早期就能得到及时正确的治疗，有效地降低该病的晚期发生率和并发症的发生率，整体提高该疾病的治疗效果。因此熟练掌握Graf超声操作技巧及正确运用Graf评判标准是提高髋关节超声诊断正确率的关键。

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