基于CT数据的Mimics重建技术在THA患者术后早期全髋界面骨密度分析中的应用

缪锌，邓高荣，高翔，吴炳华，张魁忠，李太强，凌强

(南昌大学第四附属医院，南昌330000)

基于CT数据的Mimics重建技术在THA患者术后早期全髋界面骨密度分析中的应用

缪锌，邓高荣，高翔，吴炳华，张魁忠，李太强，凌强

(南昌大学第四附属医院，南昌330000)

目的 采用Mimics重建技术观察生物型全髋关节置换术(THA)患者术后早期全髋界面骨密度(BMD)变化。方法 选择股骨头缺血性坏死患者20例，均采用生物型假体行THA。患者手术前及术后1、3、6、12个月行髋关节64排螺旋CT检查，采集CT断层数据。将CT断层数据导入Mimics软件进行髋关节三维模型重建，设定模型基点，采用其自带的CAD工具将股骨头-髋臼弧形界面分为10等份，分别标记为A～J共10个区域，测量每个区域的平均CT值，表示其BMD。结果 20例THA患者术前及术后各时间点A、B、C、D区域BMD比较差异均无统计学意义(P均>0.05)；患者术后3、6、12个月E、F、G区域BMD均高于术前，I、J区域BMD均低于术前(P<0.05或<0.01)；患者术后1、3、6、12个月H区域BMD均低于术前(P<0.05或<0.01)。结论 生物型THA患者手术前后髋臼假体上极周围BMD变化不大，而随着术后时间的延长，中心部位BMD逐渐升高，下极周围BMD逐渐降低。

股骨头缺血性坏死；全髋关节置换术；电子计算机体层摄影；三维重建；生物力学；骨密度

全髋关节置换术(THA)后假体-骨界面和假体周围骨生物力学改变一直是骨科、工程学科的研究热点，主要涉及假体的材料、安装等，但假体-骨界面的骨质量和假体周围早期骨重塑的过程还存在许多争论，且研究多局限于动物和离体力学实验[1]。临床上多采用双能X线骨密度仪、定量CT检测假体周围骨密度(BMD)，但其无法在三维条件下描述THA后髋关节周围BMD的改变[2～4]。Mimics软件自带骨CT值测定功能，可间接推断假体-骨界面周围早期BMD的改变，从而推导出假体-骨界面周围早期骨生物力学改变[5，6]。本研究对生物型THA患者手术前后的CT数据进行Mimics重建分析，为进一步研究生物型THA后全髋界面BMD的早期改变提供依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选择2011年1月～2013年12月拟于我院行生物型THA的股骨头缺血性坏死患者20例，男8例、女12例，年龄62～88(75.1±2.2)岁；临床分型：Garden Ⅲ型13例、Ⅳ型7例。纳入标准：①有明确外伤史；②髋部疼痛，不敢站立和走路，移动患肢时疼痛更为明显，大粗隆升高；③经髋关节正侧位X线片检査确诊；④临床分型为Garden Ⅲ或Ⅳ型股骨颈骨折。排除标准：①病理性骨折者；②已行内固定手术且失败者；③合并影响其生存率的严重疾病患者。患者入院后均采用生物型假体进行THA。

1.2 CT检查及图像采集 患者手术前及术后1、3、6、12个月行髋关节64排螺旋CT检查：患者取平卧位，扫描L5椎体至股骨中段，扫描角度为0°，保持每次扫描时骨盆位置基本一致。扫描条件：层厚3 mm，扫描电压140 kV。采集CT断层数据，每例患者扫描后可获得约270张CT断层图像。

1.3 髋关节三维模型重建 ① CT断层图像导入：打开Mimics软件(比利时Materialise公司)，点击New project wizard，将患者术前CT断层图像导入Mimics软件，定义上、下、左、右、前、后方向之后，软件自动生成矢状面、冠状面、水平断层面图像。②重建图像分割：点击Segmentation(分割)下的Thresholding按钮，选择Bone阈值；点击Apply，使感兴趣部分加入mask(二维蒙板)。利用Region Growing(区域增长)命令，将骶骨分离出来；利用Segmentation下的Edit Marks命令，在冠状位和矢状位逐层擦除髋关节周围的二维蒙板；再次利用Region Growing及boolean减法命令，将股骨头和髋臼分离，分别利用股骨头和髋臼蒙板重建出股骨头和髋臼的三维模型。采用同样的方法导入患者术后1、3、6、12个月CT断层数据，生物假体置换后CT扫描会在假体周围出现金属伪影，该伪影需手动去除，去除伪影后即可利用股骨头和髋臼蒙板重建出术后1、3、6、12个月股骨头和髋臼三维模型。将股骨头和髋臼三维模型用不同颜色标记，共获得20例患者手术前及术后各时间点100个髋关节三维模型。

1.4 全髋界面CT值测量 取患者手术前的髋关节三维模型，在三维视窗隐藏股骨三维模型，在髋臼模型上利用MedCAD工具建立测量界面密度的定位点。取股骨大转子最高点作一基准点，假设每次扫描位置一致，则扫描时通过股骨大转子最高点这一基准点的横断平面有且只有1个。Mimics软件可以利用扫描所得的横断图像自动重建标准的冠状面及矢状面图像，转到冠状面二维视窗，通过股骨大转子最高点的冠状面平面也只有1个，调整到此平面。采用Mimics软件自带的CAD工具将股骨头-髋臼弧形界面分为10等份，分别标记为A～J，共10个区域，见插页Ⅰ图2。A、B、C、D区域属于髋臼假体上极，E、F、G区域属于髋臼假体中心，H、I、J区域属于髋臼假下极。采用Mimics软件的密度测量工具测量每个区域的平均CT值，即患者术前股骨头-髋臼界面的BMD。采用同样的方法测量患者术后1、3、6、12个月界面平均CT值。

2 结果

20例THA患者术前及术后各时间点A、B、C、D区域BMD比较差异均无统计学意义(P均>0.05)；术后3、6、12个月E、F、G区域BMD均高于术前，I、J区域BMD均低于术前(P<0.05或<0.01)；术后1、3、6、12个月H区域BMD均低于术前(P<0.05或<0.01)。见表1。

表1 20例THA患者手术前后各时间点全髋界面BMD变化±s)

注：与术前比较，*P<0.05，#P<0.01。

3 讨论

临床上要求生物型假体与骨组织具有良好的相容性，可以与骨组织形成牢固、持久的结合[7]。但是随着我国人均寿命的延长，人工关节使用寿命随之延长，假体松动成为提高人工关节置换术远期疗效的瓶颈。假体周围骨量减少是引起假体无菌性松动的重要原因。生物型假体的稳定主要靠周围骨组织长入其假体涂层，只有当骨组织长入假体涂层中才能避免假体松动。但假体受力并不是均匀的，而传统假体涂层均匀分布显然会导致部分区域涂层过少或过多，如何让有限的涂层中长入更多骨组织是临床重点考虑的问题。关节置换会产生应力遮挡，使大部分应力分布在人工关节假体上，导致分布在假体周围人体骨骼上的应力减少，这种变化可破坏假体周围骨骼的骨形成与骨平衡[8]。朱俊峰等[9]根据股骨近端应力的有限元分析结果，在体外模拟应力遮挡的细胞力学环境，观察不同强度的应力遮挡环境对成骨细胞相对活性、增殖指数和凋亡指数的影响，发现股骨假体近端的应力遮挡能抑制成骨细胞增殖并刺激其凋亡。根据Wolff定律，应力减少的区域骨组织发生再吸收，造成骨量丢失，BMD下降，这种现象称为适应性骨改建[13]。据此分析，如假体周围某处BMD随时间逐渐变大，说明此处所受的应力较大。如将生物型髋臼假体在此处的表面生物涂层加厚，让周边更多的骨小梁长入假体涂层内，可提高假体的稳定性。

随着骨科数字化技术的快速发展，Mimics软件可利用CT及MRI数据完成THA前后三维模型的重建，利用软件交互式操作，任意角度旋转、平移，从而多角度直观观察髋关节。CT值与BMD呈正相关，通过Mimics软件测量HTA前、后不同时间、相同位置的CT值，可动态反映HTA后假体周围BMD的变化。本研究结果显示，20例THA患者术前及术后各时间点A、B、C、D区域BMD比较差异无统计学意义；术后3、6、12个月E、F、G区域BMD均高于术前，I、J区域BMD均低于术前，术后1、3、6、12个月H区域BMD均低于术前。说明随着术后时间的延长，髋臼假体中心部位BMD逐渐升高，间接反映髋臼中心部位所受应力较大。提示在不改变髋臼假体整体重量的前提下将其中心部位涂层加厚，减少其下极处涂层，增加中心区孔隙率，可以让更多的新鲜骨细胞长入该区，从而提高生物型假体稳定性，减少假体松动风险[14，15]。

综上所述，生物型THA患者手术前后髋臼假体上极周围BMD变化不大，但随着术后时间的延长，中心部位BMD逐渐升高，下极周围BMD逐渐降低。在本研究的基础上可进一步延伸，通过有限元网格划分等构建人体髋关节三维有限元模型，利用有限元分析软件，在重建模型上测定不同臼杯的摆放位置对髋臼周围应力分布的影响；同时可利用有限元分析结果判断应力集中区域及分散区域的具体位置，寻找髋臼周围应力分布最为均匀的置入角度，为规范臼杯置入位置提供理论标准。以上均为未来研究的方向，需进一步深入探讨。

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Application of Mimics reconstruction technique based on CT data in analysis of early postoperative bone mineral density changes of total hip interface in THA patients

MIAOXin,DENGGaorong,GAOXiang,WUBinghua,ZHANGKuizhong,LITaiqiang,LINGQiang

(FourthAffiliatedHospitalofNanchangUniversity,Nanchang330000,China)

Objective To use Mimics reconstruction technique to observe the early bone mineral density (BMD) changes after biotype total hip arthroplasty (THA) surgery. Methods Twenty patients with ischemic necrosis of femoral head underwent THA. Before surgery and postoperative 1, 3, 6 and 12 months, the hip joint 64-row helical CT examination was conducted and CT fault data were collected. CT fault data were imported into Mimics software for 3-dimentional (3D) reconstruction of the hip, and we set the model basis point. The arc interface was divided into 10 portions by using its own CAD tools, marked as A-J, ten regions, and we measured the average CT value of each area. Results In 20 patients, the BMD in four regions of A, B,C and D was not statistically different (allP>0.05). The BMD in E, F and G regions at postoperative 3, 6 and 12 months was higher than that before surgery, the BMD in I and J regions at postoperative 3, 6 and 12 months was lower than that before surgery (P<0.05 orP<0.01). The BMD in H region at postoperative 3, 6 and 12 months was lower than that before surgery (P<0.05 orP<0.01). Conclusions The BMD on upper pole of acetabulum did not change a lot in patients before and after THA. With the time lapse, the BMD of the central part of the acetabular component increased gradually, and the BMD of the acetabular lower pole component was decreased gradually.

ischemic necrosis of femoral head; total hip arthroplasty; computed tomography; 3-dimentional reconstruction; biomechanics; bone mineral density

江西省科技支撑计划项目(20112BBG70072)。

缪锌(1988-)，男，住院医师，研究方向为创伤及关节外科疾病。E-mail: miao.xin1314@163.com

凌强(1958-)，男，副教授、硕士研究生导师，研究方向为创伤及关节外科疾病。E-mail: linq@163.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.32.003

R681.8

A

1002-266X(2016)32-0009-03

2015-11-18)