应用CT三维重建评价发育性髋关节脱位儿童的髋关节形态特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.020

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

股骨头旋转中心点：采用Mimics 10.0软件进行三维重建分析处理构建3D数字化模型，采用逆向工程软件Geomagic Studio 12.0建立三维重建坐标系，并用虚拟球形模型匹配股骨头骨骺核模型，寻找最佳匹配模型，拟合出的虚拟球形模型代表了股骨头的空间位置，在组建的三维坐标系中采用球体拟合工程逆向求解方法计算股骨头骨骺核的球形中心点坐标值，用一组坐标值代表股骨头的旋转中心点的空间位置。

髋臼旋转半径：为3D重建后的髋臼骨性表面最佳拟合球体半径，反映髋臼的骨化发育程度及髋臼大小。采用Mimics 10.0软件进行三维重建分析处理构建3D数字化模型，采用逆向工程软件Geomagic Studio 12.0建立三维重建坐标系，并用虚拟球形模型匹配骨性髋臼模型，寻找最佳匹配模型，拟合出的虚拟球形模型代表了髋臼窝的空间位置，在组建的三维坐标系中采用球体拟合工程逆向求解方法计算髋臼拟合模型的半径，用半径代表髋臼容许股骨头的最大旋转半径。

摘要

背景：发育性髋关节脱位患儿的髋关节发育情况一直沿用骨盆X射线平片进行评价，主要观察沈通氏线是否连续及骨骺核的位置，尚缺乏量化和客观的评价方法。

目的：应用CT三维重建坐标系构建发育性髋关节脱位患儿的髋关节三维重建数字化模型，精确量化髋关节旋转中心，从而用于准确评价脱位程度。

方法：收集2010年12月至2014年12月在华中科技大学附属同济医院行CT检查的单侧发育性髋关节脱位患儿，其中CT影像学资料可获取者有16例，男4例，女12例；平均年龄(4.42±2.59)岁；左侧10例，右侧6例；所有CT资料经过三维重建分析处理构建3D数字化模型，采用逆向工程软件建立三维重建坐标系，并在三维坐标系中采用球体拟合工程逆向求解方法构建髋臼的旋转中心、股骨头的旋转中心以及骨化半径，计算骨化半径比和脱位距离。
结果与结论：①健侧髋臼旋转中心点与股骨头旋转中心点重合，其X轴、Y轴和Z轴坐标差异无显著性意义(P_x > 0.05，P_y > 0.05，P_z > 0.05)，患侧髋臼旋转中心与股骨头旋转中心不相重合，差异有显著性意义(P_x=0.052，P_y< 0.05，P_z < 0.05)；②健侧髋臼与患侧髋臼的骨化半径差异无显著性意义(P > 0.05)；健侧股骨头与患侧股骨头的骨化半径分别(21.37±4.42) mm和(20.14±3.14) mm，差异有显著性意义(P < 0.05)；③健侧骨化半径比和患侧骨化半径比分别为0.544±0.069和0.522±0.088，差异无显著性意义(P > 0.05)；④患侧髋关节的脱位距离为8.64-35.28 mm，平均(19.47±7.84) mm；⑤结果表明，应用CT三维重建可以构建发育性髋关节脱位患儿的髋关节3D数字化模型，并可以据此准确构建髋关节的旋转中心点，进而能够准确测量髋关节脱位距离。

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: 0000-0001-7089-6955(何金鹏)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, CT三维重建, 三维坐标系, 数字化3D模型, 发育性髋关节脱位, 旋转中心点, 脱位程度

Abstract:

BACKGROUND: The development of hip joint in children with developmental dislocation of the hip (DDH) has been evaluated by X-ray plain film, which mainly presents Shen Tong’s line continuity and epiphyseal nucleus position. There is still a lack of quantitative and objective evaluation methods.

OBJECTIVE: To evaluate the rotation center and dislocation degree in DDH children by using three-dimensional (3D) computed tomography (CT).

METHODS: Preoperative 3D CT was performed for 16 unilateral DDH from December 2010 to December 2014 in Tongji Hospital of Huazhong University of Science and Technology, with 4 males and 12 females, at the mean age of (4.42±2.59) years. There were 10 cases on the left side and 6 cases on the right side. 3D digital models were constructed by analysis. The 3D coordinate system was established with reverse engineering software. In 3D coordinate system, using inverse solution method of sphere fitting engineering, the rotation center of the acetabulum, the rotational center of the femoral head, and the radius of ossification were constructed. Ossific radius ratio and dislocation length were calculated.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The acetabulum has the same point as the rotation center with the head of femur, and no significant difference in X, Y, and Z coordinates was detected (P_x > 0.05, P_y > 0.05, P_z > 0.05). However, it is not the same condition in ipsilateral acetabular rotation center and femoral head rotation center, showing significant differences (P_x=0.052, P_y< 0.05, P_z < 0.05). (2) There were no significant differences in ossific radius between the healthy and affected sides (P > 0.05). The ossific radius was (21.37±4.42) mm and (20.14±3.14) mm on the healthy and affected sides of the femoral head (P < 0.05). (3) There was no significant difference in ossific radius ratio between healthy and affected sides (0.544±0.069 and 0.522±0.088; P > 0.05). (4) The dislocation length was 8.64-35.28 mm, mean (19.47±7.84) mm. (5) These findings suggest that 3D CT reconstruction can construct 3D digital models of DDH children. Thus, the accurate rotation center of the hip can be identified so as to precisely measure the dislocation length.

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: Bone Diseases, Developmental, Hip Joint, Image Processing, Computer-Assisted, Imaging, Three-Dimensional, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

郝运，何金鹏. 应用CT三维重建评价发育性髋关节脱位儿童的髋关节形态特征[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(7): 1092-1097.

Hao Yun, He Jin-peng. Morphological characteristics of hips in children with developmental dislocation of the hip: three-dimensional reconstruction of computed tomography scan[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(7): 1092-1097.

图/表（结果） 5

2.1 一般资料 根据纳入排除标准，从56例发育性髋关节脱位患者中排除40例(年龄不符患者24例，双侧发育性髋关节脱位患者9例，无影像学资料患者7例)，最终共有16例患者纳入研究(图1)，男4例，女12例，平均年龄为(4.42±2.59)岁。所有入组研究对象的临床资料以及各项检查均完善。

2.2 髋关节拟合球体中心点与半径 将16例患儿CT进行3D重建，重建后采用最佳球体拟合技术对髋臼和股骨头进行拟合，所得拟合球体代表了髋臼和股骨头骨性部分的球面所在球体；测量拟合后的球体中心点坐标以及球体半径，其结果见表1。

图2为1例患儿骨骼3D重建后图像，图2A为双髋关节3D重建图，图2B为最佳球体模拟确定髋臼旋转中心点与股骨头旋转中心点，图2C为测量髋臼最佳拟合球体的旋转中心点坐标及球体半径，同样方法可以测量股骨头及患侧髋关节。

健侧髋臼最佳拟合球体X轴、Y轴和Z轴坐标值平均为116.85±59.42、139.06±27.30和-81.05±44.68，健侧髋臼的最佳拟合球体半径为(39.06±4.44)mm；健侧股骨头最佳拟合球体X轴、Y轴和Z轴坐标值平均为116.66±59.65、140.34±27.12和-80.72±44.05，与髋臼三维坐标值进行配对t 检验，差异无显著性意义(P均 > 0.05)，健侧股骨头的最佳拟合球体半径为(21.37±4.42) mm，结果见表1。

患侧髋臼最佳拟合球体X轴、Y轴和Z轴坐标值平均为153.96±48.17、140.37±29.81和-84.58±40.95，患侧髋臼的最佳拟合球体半径为(39.65±9.41) mm；患侧股骨头最佳拟合球体X轴、Y轴和Z轴坐标值平均为161.61±57.92、144.30±28.52和-74.14±39.60，患侧股骨头的最佳拟合球体半径为(20.14±3.14) mm；与髋臼三维坐标值进行配对t检验，差异有显著性意义(P_X > 0.05，P_Y < 0.05，P_Z < 0.05)，结果见表1。

上述结果符合实际中髋关节的空间位置关系。再根据三维坐标系中距离公式1计算患侧髋关节脱位距离；患侧髋关节三维脱位距离平均(19.47±7.84) mm。根据公式2计算髋关节的旋转半径比，健侧髋关节旋转半径比平均为0.54±0.07，患侧髋关节旋转半径比平均为0.52±0.09，进行配对t 检验，差异无显著性意义(P均 > 0.05)。

2.3 旋转半径比与年龄 根据公式2计算旋转半径比，以患儿年龄中位数44个月为标准将全部患儿分成两组，低年龄组指年龄< 44个月的患儿，高年龄组指年龄≥ 44个月的患儿，见表2。低年龄组患儿健侧髋臼旋转半径比平均为0.50±0.06，高年龄组患儿健侧髋臼旋转半径比平均为0.58±0.05，与低年龄组患儿旋转半径比相比差异有显著性意义(P < 0.05)；低年龄组患儿患侧髋臼旋转半径比平均为0.49±0.05，高年龄组患儿患侧髋臼旋转半径比平均为0.55±0.11，与低年龄组患儿旋转半径比相比差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.4 旋转半径比与脱位程度 根据公式2计算旋转半径比，以患儿脱位程度中位数2 cm为标准将全部患儿分成两组，低脱位组指脱位距离< 2 cm的患儿，高脱位组指脱位距离≥ 2 cm的患儿，见表3。低脱位组患儿健侧髋臼旋转半径比平均为0.54±0.09，高脱位组患儿健侧髋臼旋转半径比平均为0.55±0.05，与低脱位组患儿旋转半径比相比差异无显著性意义(P > 0.05)；低脱位组患儿患侧髋臼旋转半径比平均为0.46±0.03，高脱位组患儿患侧髋臼旋转半径比平均为0.59±0.08，与低脱位组患儿旋转半径比相比差异有显著性意义(P < 0.05)。

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引言

材料方法

1.1 设计 自身对照研究。

1.2 时间及地点 于2016年1至6月在华中科技大学同济医学院附属同济医院完成。

1.3 对象 选取2010年12月至2014年12月在华中科技大学同济医学院附属同济医院行CT检查的单侧发育性髋关节脱位患儿，其中CT影像学资料可获取者16例，男4例，女性12例；年龄1岁8个月-9岁9个月，平均(4.42±2.59)岁；左侧10例，右侧6例。均行Salter骨盆截骨术或Pemberton截骨术，联合股骨短缩旋转截骨。

纳入标准：①CT检查前确诊为单侧发育性髋关节脱位；②年龄在1岁6个月-12岁。

排除标准：①创伤所致或有神经肌肉系统疾病；②术前心电图、胸片检查异常；③术前血液检查异常。

1.4 方法

1.4.1 三维重建测量方法将患儿全部CT资料以DICOM格式文件存储导出，采用Mimics 10.0软件进行三维重建分析处理构建3D数字化模型，骨骼3D重建阈值参数根据最大CT窗宽值设定，以获得最佳的骨骼3D重建模型，最大窗宽值< 2 000时设定为150-最大值，最大窗宽值> 2 000时设定为200-最大值，以STL格式文件导出存储；采用逆向工程软件Geomagic Studio 12.0建立三维重建坐标系，将数字化3D模型以STL格式文件导入Geomagic Studio 12.0软件中，并在组建的三维坐标系中采用球体拟合工程逆向求解方法分别计算骨性髋臼与股骨头的球形中心点坐标与球形半径值，其中两块骨骼模型连接的部分采用Geomagic Studio软件按照模型边界进行分割，最后应用Geomagic Studio软件精确测量球形中心点的坐标，准确评价髋关节的脱位情况。

1.4.2 最佳拟合球体测量方法将数字化3D模型导入Geomagic Studio软件中，应用软件的曲面最佳拟合球体技术逐一对健侧与患侧的髋臼和股骨头分别进行球体拟合，并准确测量拟合球体的中心点三维坐标值及球体半径。

髋臼旋转半径(the Radius of Acetabulum，ROA)：为3D重建后的髋臼骨性表面最佳拟合球体半径，反映髋臼的骨化发育程度及髋臼大小。

股骨头旋转半径(the Radius of Femoral Head，RFH)：为3D重建后的股骨头骨性表面最佳拟合球体半径，反映股骨头的骨化发育程度及骨骺核大小。

旋转半径比(Rotation Ratio，RR)：为股骨头骨化部分最佳拟合球体半径与髋臼骨化部分最佳拟合球体半径的比值(RR=RFH/ROA)，反映髋关节骨化发育的情况，介于0-1之间。

1.4.3 脱位距离的测量方法分别采用Geomagic Studio软件最佳球体模拟骨性髋臼的球体中心及股骨头的球体中心，根据三维坐标系中两点间距离公式计算两球体中心点距离，即为脱位距离，是三维空间中髋关节实际脱位距离，不同于在骨盆正位X射线上测量的脱位高度，这一实际脱位距离在冠状位上的投影长度即为X射线上测量的脱位高度，因此该脱位距离能够更加准确描述髋关节的实际脱位程度。

1.5 主要观察指标 髋臼旋转中心点坐标，股骨头旋转中心点坐标，髋臼旋转半径，股骨头旋转半径，旋转半径比。

1.6 统计学分析 采用SPSS 17.0软件分析处理数据，计量资料采用x(_)±s表示，旋转半径比(RR)比较采用配对t 检验，旋转中心点坐标值比较采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

发育性髋关节脱位是儿童骨科最常见的发育性畸形疾病，早期发现、早期诊断和早期治疗能够获得良好的临床疗效^[11-13]。但是部分患儿就诊时已经错过保守治疗的时机，比如年龄大于1岁半以及对于保守治疗无效者，需进行手术治疗以达到股骨头与髋臼的同心圆关系，清楚发育性髋关节脱位儿童骨盆形态学特征对手术方案的设计及评价将有重要的指导作用^[14-15]。髋关节是人活动和负重最大的关节，其构成骨骼较为复杂，由髋臼和股骨头构成，正常情况下，股骨头与髋臼构成同心圆关系。儿童发育性髋关节脱位后失去正常的同心圆对位关系，股骨颈前倾角逐渐发生改变，髋臼变小变浅，髋臼缘有不同程度的缺损。髋关节脱位早期患儿将出现不同程度的关节形态改变^[16]，移位的股骨头在髂骨后方形成假性关节后，股骨头受力不均逐渐变扁，最终关节不匹配而诱发严重的骨性关节炎，影响患者的生活质量。

传统的骨盆正位X射线片是将三维立体结构投影到平面上获得的影像学图像，因其丢失了大量空间立体信息而不能很全面显示髋关节的形态特征，虽然X射线片因其便捷被临床广泛采用，但对于手术方案的制定仅能提供有限的信息^[17]。CT的应用让儿童骨科医师能够更加全面详细了解髋关节形态特征，同时评估其空间位置关系^[18-19]。随着三维重建技术的进步，立体的虚拟3D图像能够更为直观的显露关节形态特征。

在发育性髋关节脱位骨盆截骨中，三维CT检查由于其较好的空间成像能力被广泛用于制定术前计划中^[20]。骨科医师可以借助3D图像拟定详细的手术计划^[21-22]，拟定准确的截骨区域及植骨区域^[23-24]。应用CT三维成像技术有助于实施精准髋关节手术^[25]，如果CT三维成像提示髋关节前上方存在骨缺损，则首选Pemberton或Salter骨盆截骨术，同时还可以增加前覆盖；倘若CT三维成像提示髋关节上方或后上方存在骨缺损，则可行Dega骨盆截骨术。另外，CT三维成像技术可以单独查看各个骨骼，为股骨或者髋臼提供更加细致的影像图像^[26]。传统的CT测量仅仅是在CT三维成像中观察髋关节的形态，在横轴位图像、冠状位图像及矢状位图像等二维平面图像上进行影像学测量，比如测量髋臼前倾角等^[27]。随着CT三维重建技术的发展，已经能够重建出高质量的3D图像，其能立体直观地显示骨结构的形态特征而被广泛认可^[26]，但是有关骨骼发育方面的研究依然是发育性髋关节脱位疾病发生机制研究的热点。作者综合应用三维重建方法和工程分解方法构建髋关节的骨性结构三维坐标系，并构建数字化3D模型，通过数字化模型的运算，精确测量髋关节的旋转中心点、旋转半径比以及脱位距离，进而可以准确评价发育性髋关节脱位患儿的髋关节形态及其发育特征。

既往大多采用TÖnnis分级方法半定量描述脱位程度。作者发现，可以采用髋臼骨性表面最佳拟合球体中心点与股骨头骨骺核表面最佳拟合球体中心点之间的空间距离精确描述脱位程度，同时可以在三维坐标系中从前后、左右及上下方向准确描述脱位方向。根据测量结果可以发现，未脱位侧髋臼旋转中心点与股骨头旋转中心点的坐标值之间没有显著差异，在空间中考虑测量误差存在的情况下可以认为两点重合，进一步确证了骨性表面最佳拟合球体中心点即为旋转中心点，并可据此精确测量脱位程度。作者发现髋关节在空间三个方向上均存在脱位，该组资料平均脱位距离为(19.47±7.84) mm。

采用CT三维重建技术细致完整地研究了发育性髋关节脱位患者髋关节各构成骨骼的发育情况^[28]。在研究中发现，最佳拟合球体半径代表了髋关节骨化发育程度，股骨头最佳拟合球体半径与髋臼最佳拟合球体半径的比值称为旋转半径比，其结果显示：①当患者髋臼骨化不充分，骨化部分近似平面，最佳拟合球体半径理论上为无穷大，股骨头骨化部分最佳拟合球体半径不为0，此时，旋转半径比无限接近0，而大于0；②当患者骨骼发育成熟后，关节面仅仅遗留薄层关节软骨，股骨头最佳拟合球体半径与髋臼最佳拟合球体半径无限接近，但股骨头最佳拟合球体半径仍略小于髋臼最佳拟合球体半径，此时旋转半径比无限接近1，而小于1；③当患者髋关节发育情况介于上述①、②之间时，旋转半径比介于0-1之间，旋转半径比越大，表明髋关节骨化越完全，意味着髋关节发育越成熟。作者发现，16例患者资料中，患侧与健侧髋关节的旋转半径比没有差异，也即无论患侧还是健侧，股骨头与髋臼骨发育成熟度是相匹配的。将旋转半径比按年龄分组进行比较发现，高年龄组患儿的髋关节旋转半径比均较低年龄组大，说明高年龄组患儿髋关节骨化发育成熟度较低年龄组患儿高，但患侧髋关节旋转半径比差异无显著性意义，可能是由于患侧脱位后髋关节发育落后，迟缓，骨化发育成熟滞后，但也可能是样本量较少的原因，尚待后续研究继续证实。作者进一步将旋转半径比与脱位程度进行分组，研究发现，健侧髋关节旋转半径比没有差异，而脱位侧髋关节旋转半径比有显著差异，高脱位组髋关节旋转半径比显著大于低脱位组，但是追溯低脱位组患儿年龄发现，低脱位组患儿年龄大多较小，6例中共有5例患儿小于44个月龄，占83%，高脱位组患儿年龄大多较大，6例中共有5例患儿大于44个月龄，占83%。因此，作者推测，可能是由于高脱位组患儿的年龄普遍较大，骨化发育成熟度也较大。

综上所述，应用CT三维重建可以构建发育性髋关节脱位患者的髋关节3D数字化模型，并可以据此准确构建髋关节的旋转中心点，进而能够准确测量髋关节脱位距离。同时应用股骨头骨化半径与髋臼骨化半径的比值描述骨发育成熟度，具有较高的实际应用价值，其比值越大，说明骨化发育成熟度越大。这一研究将关节数字模型化，有利于对关节的精确研究和分析，有望将传统的脱位程度分级方法细化、量化，还能为关节发育研究提供参考。除此之外，计算机辅助快速成型技术能够准确和直观地反映儿童发育性髋关节脱位骨盆畸形的立体形态和各部位解剖结构的空间关系，可指导制定手术计划和手术操作^[29-31]。但是鲜有应用CT三维重建资料评估发育性髋关节脱位患者的髋关节形态改变，通过深入研究发育性髋关节脱位患者髋关节形态发育变化将有助于加深对其发病机制的理解，进而有助于制定更科学的治疗方法，尤其是快速成型技术的广泛应用将有助于实施个体化精准医疗。

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