三维手段定量评估股骨颈骨折复位质量与股骨头坏死的相关性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.22.013

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

股骨颈骨折复位标准：应保证髋臼、股骨头、股骨颈之间骨小梁力线的连续性；正侧位X射线片股骨头颈应体现圆滑的“S”或者反“S”型。但是利用X射线等二维影像评估股骨颈骨折患者复位质量的信度已经足够了吗？在临床工作中发现，即使已经完成复位内固定手术的股骨颈骨折患者仍然存在残留移位。

Mimics医学图像处理软件：可利用CT、MRI和超声影像进行医学三维图像模型构建，所形成的模型可进行3D打印、导入网格划分软件中进行网格划分后进行有限元分析、进行术前模拟导板制作等等，便于临床医师对骨骼疾病进行直观评估，规划最优手术方案。

摘要

背景：骨折复位质量对骨折愈合与肢体功能恢复至关重要，传统X射线片与断层CT对量化与直观观察骨折移位效果不佳。Mimics具有快速构建骨骼模型和空间测量的功能，为定量三维空间量化复位质量提供了可能。

目的：利用三维测量方法对X射线评估为复位满意的股骨颈骨折患者进行残留移位再测量，并探究残留移位与股骨头坏死的相关性。

方法：将2012年1月至2013年12月于武警后勤学院附属医院关节三科接受治疗的141例股骨颈骨折患者纳入研究，按骨折移位程度分组，无移位组44例(Garden1&2)，移位组97例(Garden3&4)。利用CT的DICOM数据建立每个患者的三维模型，测量修复术后股骨颈骨折患者的残留移位参数：股骨头中心距离、股骨头小凹距离及空间偏转距离。对患者股骨头坏死情况进行随访，探究残留移位程度与股骨头坏死的相关性。

结果与结论：①患者随访时间为25-43个月，无移位组和移位组中分别有7例和21例患者罹患股骨头坏死；②无移位组中股骨头中心距离、股骨头小凹距离、空间偏转角度分别为(7.44±2.84) mm，(11.75±4.12) mm，(17.68±8.99)°；移位组分别为(6.51±3.75) mm，(9.34±5.27) mm，(14.67±7.43)°，两组中除股骨头中心距离外差异均有显著性意义(P < 0.05)；③提示复位质量欠佳是引起股骨头坏死的重要因素之一；同时X射线在描述空间立体移位和角度中存在不足，在评估股骨颈骨折的复位质量时具有局限性；而利用三维测量手段评估骨折复位质量具有一定的优越性。
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

ORCID: 0000-0001-9011-9539(张立朋)

关键词: 骨科植入物, 骨植入物, 股骨颈骨折, 复位质量, 三维测量, 股骨头坏死

Abstract:

BACKGROUND: Reduction quality is essential for the healing and function of limb. Traditional X-ray and CT scans have some limitations in quantitatively and visually observing the reduction quality of the remnant fracture in three-dimensional displacements. Mimics have advantages in bone rapid modeling and three-dimensional measurement, which offers the chance in quantifying the reduction quality of the displacement in three-dimensional methods.

OBJECTIVE: To measure residual displacement in femoral neck fracture patients with satisfactory reduction by using three-dimensional measurement method, and to evaluate the association between residual displacement and femoral head necrosis.

METHODS: We enrolled 141 patients with femoral neck fracture, who were treated in the Third Department of Joint, Affiliated Hospital of Logistics University of People’s Armed Police Force from January 2012 to December 2013. All patients were divided into undisplaced fracture group (n=44; Garden1&2) and displaced fracture group (n=97; Garden3&4). Based on DICOM data of CT files, three-dimensional models were constructed in each patient. Three parameters were measured: displacement of femoral head’s center, fossa capitis femoris and rotational displacement. Femoral head necrosis was followed up. The correlation between residual displacement and femoral head necrosis was explored.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The duration of follow-up in those patients ranged from 25 to 43 months. Femoral head necrosis occurred in 7 cases from the undisplaced fracture group and 21 cases from the displaced fracture group. (2) The three parameters (displacement of femoral head’s center, fossa capitis femoris and rotational displacement) were respectively (7.44±2.84) mm, (11.75±4.12) mm and (17.68±8.99)° in the undisplaced group, and (6.51±3.75) mm, (9.34±5.27) mm and (14.67±7.43)° in the displaced group. Except displacement of femoral head’s center, significant differences in the other two parameters were detected between the two groups (P < 0.05). (3) These findings suggest that poor reduction quality is the main factor causing femoral head necrosis. X ray is insufficient to describe the spatial shift and the angle, and has limitations in assessing the reduction quality of femoral neck fracture. Three-dimensional measurement has certain advantages to assess quality of fracture reduction.
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

Key words: Femoral Fractures, Femur Head Necrosis, Internal Fixators, Follow-Up Studies, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

张立朋，张国玲，徐葳，王丹，王文良. 三维手段定量评估股骨颈骨折复位质量与股骨头坏死的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(22): 3287-3293.

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图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析 按意向性处理，纳入股骨颈骨折患者141例，按照骨折移位程度分为两组，无移位组患者44例，移位组97例，全部进入结果分析，均无病例脱落现象。分组流程图见图3。

2.3 股骨颈骨折闭合复位内固定后空间残留移位 股骨颈骨折患者接受修复术后仍存在平移和偏转等残留空间移位，包括股骨头中心移位、股骨头小凹移位、股骨头空间偏转角。无移位组和移位组比较，股骨头中心移位的差异无显著性意义(P > 0.05)；股骨头小凹移位和空间偏转角差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

2.4 移位组和无移位组股骨头坏死发生率比较 所有患者均随访超过25个月(25-43个月)，所有患者均进行了门诊或电话随访。

在141例股骨颈骨折患者中，共有28例患者出现股骨头坏死症状，发生率为25%。其中无移位组中股骨头坏死发生率为19%，移位组中发生率为28%，见表3。

2.5 股骨头坏死患者与未发生股骨头坏死患者空间残留移位与置钉形状比较 本文中，股骨头坏死人群的股骨头中心移位距离、股骨头小凹移位距离、股骨头偏转角度均显著大于无患病人群，差异有显著性意义(P < 0.05)。围手术时间在股骨头坏死人群人群和无患病人群中分别为(7.39±3.16) d和(8.42±5.86) d，差异无显著性意义(P > 0.05)。至于空间螺钉构型，76例倒三角空间构型中有13例发生股骨头坏死，65例正三角空间构型中有15例发生股骨头坏死。两种空间构型中，股骨头坏死发生率的差异无显著性意义(χ²=0.785，P=0.376)，见表4。
2.6 不良事件无移位型股骨颈骨折患者术后疼痛，2周后仍无法下地功能锻炼者4例，占9%，移位型股骨颈骨折者12例术后疼痛，占12%。术后8个月后仍出现骨折不愈合者，无移位组3例，占7%；移位组6例，占6%。进行至少25个月的随访后发现，无移位组出现股骨头坏死者7例，占16%；移位组21例，占22%。因无法忍受疼痛接受髋关节置换者，移位组中5例，移位组中14例，分别占各组患病人数的11%和14%。

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引言

材料方法

1.1 设计 对比观察试验。

1.2 时间及地点 于2012年1月至2013年12月在武警后勤学院附属医院关节三科完成。

1.3 材料 文中所使用的股骨颈骨折空心螺钉内固定系统由山东威高骨科材料有限公司提供，材质为Ti6Al4V钛合金。通过导针等辅助工具，小切口微创置入体内，起到对股骨颈骨折断端轴向旋转与轴向位移的限制，同时起到加压的作用^[12-13]。该材料具有较好的耐腐蚀性及较高的强度，同时该内固定系统具有较好的组织相容性，在人体不会被腐蚀且不会产生毒副反应，比如致癌性、致畸等，较高的强度使置入股骨颈内的螺钉在患者较强的功能活动作用下仍然不容易疲劳断裂^[14-15]。

1.4 对象 将股骨颈骨折后于武警后勤学院附属医院关节三科接受闭合复位空心螺钉内固定的患者141例纳入研究。按照骨折移位程度分为两组。无移位组(Garden Ⅰ和Ⅱ型)44例，Garden Ⅰ型16例，GardenⅡ型28例；男12例，女32例。移位组(Garden Ⅲ和Ⅳ型)97例，Garden Ⅲ型49例，Garden Ⅳ型48例；男44例，女53例。

纳入标准：①18-85岁。②单侧股骨颈骨折。③修复方式为闭合复位空心螺钉内固定。④接受术后CT检查。⑤接受随访时间不少于2年。⑥经患者及家属同意后签署知情同意书。

排除标准：①股骨近端先天性疾病、肿瘤、病理性骨折。②全身多发骨折。③拒绝签订知情同意书者^[16]。

1.5 方法

1.5.1 股骨头复位质量评价指标股骨颈骨折复位质量由2名未参与治疗过程的观察者独立评估，评估指标包括利用三维测量手段测量的3个空间移位参数：股骨头中心移位距离、股骨头小凹移位距离、股骨头偏转距离(见图1)。所有患者均进行定期随访，每次随访过程中利用X射线平片评估股骨头坏死有无发生，若患者自感髋部疼痛或行走困难则行MRI检查。

1.5.2 三维测量手段测量股骨头移位过程

3D空间模型的建立与模型配准：将修复术后CT的DICOM数据导入Mimics 10.01(医学图像处理软件，Materialise公司，比利时)生成健侧和患者股骨的三维模型。利用软件中“镜像”功能生成患者股骨的镜像图像，在软件自动配准的帮助下，将镜像股骨与健侧股骨进行快速自动拟合配准(图2)。

空间移位参数的三维测量：健侧股骨和镜像患侧股骨自动拟合配准后，股骨头空间移位即可清晰并精准的得以展现。具体参数测量过程如下：在三维模型上标注健侧和镜像患侧股骨头小凹最低点，小凹最低点为表面点可以轻易选取且坐标由软件自动记录。假定股骨头为近似球体，将外源计算机辅助设计球体分别置入健侧和镜像患侧股骨头内，进行自动拟合后，可认为外源计算机辅助设计球体与股骨头重合，计算机辅助设计球体的球心即为股骨头中心，球心坐标由软件自动记录。此时3个空间坐标参数，股骨头中心距离、股骨头小凹距离、股骨头偏转角度可由软件自动算出^[17]。

1.6 主要观察指标 利用CT的DICOM数据建立每个患者的三维模型，测量修复术后股骨颈骨折患者残留移位指标：股骨头中心距离、股骨头小凹距离及空间偏转距离。对所有患者股骨头坏死情况进行随访，探究残留移位程度与股骨头坏死的相关性。

1.7 统计学分析 采用SPSS 19.0(SPSS公司，美国)统计软件包进行统计分析，单因素分析采用χ²检验，计量资料采用独立样本t 检验，检验水准α=0.05。

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

讨论

股骨颈骨折多发于中老年人群，且随年龄增加发生率有增加趋势。相当数量的患者受困于股骨颈骨折并发症，包括骨折不愈合，股骨头坏死甚至死亡，减少因股骨颈骨折造成的并发症成为创伤骨科的一个热点话题。股骨颈骨折后较少的并发症发生率和良好的肢体功能恢复情况取决于局部血运的保护和满意的骨折复位质量已成为共识^[18-20]。因此，准确评估股骨颈骨折后骨折复位质量具有重要意义。X射线为评估骨折复位质量做出了巨大贡献，但是X射线是将三维图像投射为二维图像，故而必然存在影像重叠，遮挡和失真，对临床评价骨折移位程度具有一定局限性。因此对X射线评价股骨颈骨折复位质量的可靠性进行再评估同样具有意义^[21-22]。

股骨颈骨折后，可靠满意的复位可以恢复近端股骨良好力线，有利于重建骨折处血运。作为主要的承重器官股骨几乎承担了全部体质量，尤其在股骨颈处，由于特殊的杠杆结构，特定动作下需要承受数倍于体质量的载荷^[23]。假如骨折复位不满意，巨大的剪切应力施加于近端股骨处，对新生血管、骨小梁，甚至幸存的原有血管可能造成不可逆的损伤，显著增加了股骨头坏死的可能性^[24-25]。Palm等^[26]曾对113例接受骨折复位内固定的患者进行近1年的随访调查，结果发现骨折复位质量与股骨头坏死等并发症具有较强的相关性，而且认为骨折复位欠佳可导致髋部疼痛、骨折不愈合甚至二次手术。

Araujo等^[27]认为解剖复位对降低股骨头坏死发生率具有重要作用，其认为满意的骨折复位对支持带动脉的重建具有积极效果。虽然Papadakis等^[28]在临床研究中发现，大多数移位型股骨颈骨折患者的后支持带动脉仍然保持较好的完整性，完整的支持带动脉对预防股骨头坏死具有重要作用。本研究中选取了3个空间移位指标，包括股骨头中心移位距离、股骨头小凹移位距离、股骨头偏转角度评价股骨颈骨折复位质量。股骨头坏死人群中3组指标均明显大于无并发症患者人群，可以推测满意的骨折复位效果可以有效地预防股骨头坏死的发生^[29-30]。根据结果显示，术后即刻无移位组和移位组3组空间移位评价指标，股骨头中心移位距离、股骨头小凹移位距离和股骨头偏转角度无明显差异。但是经过至少30个月的随访后发现，股骨头坏死者患者3组评价指标较术后即刻值明显增大，其中股骨头中心移位距离平均改变5.36 mm，变化量近41.8%；股骨头小凹距离变化量为2.97 mm，变化量接近25.2%；至于股骨头空间偏转角度3.07°，变化量接近14.8%。因此复位质量(包括复位后位置维持)对股骨颈骨折预后具有极大意义。可以推测，复位质量与股骨头坏死主要有两大原因：①复位不良造成骨小梁存在剪切应力，无法保证患者运动康复过程中有效改建塑形，使得股骨头强度变低，外力作用下，骨小梁进一步破坏，出现恶性循环。当小梁破坏超出节点后，即有可能出现股骨头坏死^[31-32]。②股骨头内复位质量无法维持，患者运动康复过程中骨折断端出现有害微动，使得股骨头内残留微血管进一步破坏，加重股骨头坏死进程^[33]。

其他重要因素，如空心螺钉的空间构型、围手术期时间是否与股骨头坏死相关同样备具争议^[34-35]。Yang等^[36]在其研究中发现，与正三角空间构型相比，以倒三角空间构型完成内固定手术的患者罹患股骨头坏死的发生率明显较低。在此次研究中，倒三角构型中股骨头坏死发生率为17.1%，正三角构型中股骨头坏死率为23.1%，但是两者差异无显著性意义。根据结果显示，股骨头坏死患者中，空心螺钉空间构型如正三角形和倒三角形的人数比例为13∶15，并无明显差别。这与以往文献有一定差别。有研究指出倒品字形中下方螺钉可以通过股骨距使得骨骼-内固定复合体整体强度得以增强，保证患者在正常功能康复过程中抵抗剪切等有害应力，考虑两者差异主要由于纳入病例的差异；该研究中患者接近60岁，患者可以认定为高龄患者，出现一定的骨质疏松，使得内固定系统与骨质的实际微观接触面积显著减少，抗旋转、抗剪切力等明显降低。若空心螺钉不通过股骨距，则不能有效对骨折断端进行有效把持。研究中患者为壮年，无明显骨质疏松，正常骨质处置钉即可保证整体的固定强度，故空间置钉构型对股骨头坏死无明显影响^[37-38]。至于手术时间对于股骨头坏死的影响，Araujo等^[27]对31例患者进行回顾性分析后发现，围手术期时间是否超过7 d对股骨头坏死发生率无明显影响。本文中股骨头坏死人群与无患病人群相比，手术期同样无明显差异，可能的原因充分麻醉下，肌肉充分放松，骨折复位质量与围手术期时间无明显关联^[39-40]。

此次研究主要的局限性为样本量较小，应利用多中心大样本的临床试验证实骨折复位质量与股骨头坏死的相关性；另一局限性为随访时间相对较短，随着随访时间的延长，更多潜在的并发症可能进一步发生^[41]。

结论：X射线评估股骨颈骨折复位质量有其局限性，而利用三维测量手段评估骨折复位质量具有一定的优越性。解剖复位或满意的骨折复位对降低股骨头坏死发生率具有积极意义。

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