CT三维后处理技术在髋关节特定参考系中相关参数的测量应用*

刘亚欧，崔成立，蔡志平，高天一，巩 涛，李 梁

(1.内蒙古科技大学包头医学院，内蒙古 包头 014040；2.内蒙古医科大学第一附属医院)

随着CT三维后处理技术的飞速发展，髋关节相关参数的测量愈加精准。由于骨盆固有解剖结构存在旋转，常导致髋关节外展角与前倾角测量角度存在差异，从而使得髋臼形态测量结果出现差异[1,2]。目前髋关节CT扫描参数及测量平面缺乏统一标准，致使在不同研究中不得不明确测量的平面及方法。杨溢等[3]认为选择不同的髋臼外上缘点测量会导致较大的差异，因此一个较为便利可靠的髋关节CT三维测量参照标准对髋关节疾病的诊断及治疗尤为重要。本文通过构建以双侧股骨头中心连线平面中分别与骨盆前平面相平行及垂直的两平面作为数据测量的特定平面参照体系，选用能够反映髋关节立体结构以及位相变化的相关参数进行测量标准化研究，以期为髋臼参数的精准测量提供一个相对稳定、准确的测量参考平面，获得更为可靠的测量数据和解剖学依据。

1 对象与方法

1.1对象 本文研究对象分为人体解剖学湿标本组与健康成人组两组，均经CT扫描获取骨盆CT三维后处理数据。标本选择双侧髋关节完整无缺损、无明显髋臼及骨盆疾病的大体标本16具(男10具、女6具)，年龄30～70岁，平均年龄(35.65±2.04)岁，标本由内蒙古科技大学包头医学院提供。成人组样本选取内蒙古医科大学第一附属医院经影像科诊断均无骨盆及髋臼疾病的体检者32例(男13例、女19例)，年龄18～82岁，平均年龄(34.14 ± 10.19)岁。体检者的纳入标准：(1)骨骼发育无代谢性疾病；(2)无髋关节畸形；(3)无先天发育不良；(4)髋关节无不适症状。排除标准：(1)有膝关节固定畸形；(2)因疾病导致无法平卧的强迫体位者；(3)既往有骨折或外伤病史；(4)不能配合，有精神疾病。所有成人组CT扫描前均由受检者本人签署知情同意书。本研究经内蒙古科技大学包头医学院和内蒙古医科大学第一附属医院医学伦理委员会批准。

1.2研究方法 16人体解剖学湿标本(32侧)和32例(64侧)入组成人均接受128层GE DiscoveryTM CT 750 HD CT扫描仪骨盆螺旋CT扫描。扫描体位：足先进，仰卧位，身体正中矢状面与床面中央重合，双臂上举抱头，双腿完全伸展，双脚稳定在中立位。横断位扫描，自耻骨联合下缘至髂前上棘水平。扫描参数：管电压：120 kV，管电流：300 mA，层厚：1.25 mm，层间距：1.25 mm, 螺距：0.984。原始数据传输至后处理工作站RadiAnt DICOM Viewer 2020.2.3(64bit)中读取数据，对数据进行容积重建及多平面重建。按照下述二个参照系标准，在骨窗下分别测量标本组与成人组双侧的6个髋关节参数：sharp角、中心边缘角(center edge angle，CEA)、外展角、前倾角、髋臼深径和髋臼前后径，将两组所测数据汇总整理后进行比较分析。

特定平面参照系的构建：在多平面重建图像上确定骨盆前平面，选取双侧股骨头中心连线所在平面中与骨盆前平面平行的平面，同时取与该平面相垂直且过双侧股骨头中心连线的2个平面作为测量平面。即在经过双侧股骨头中心连线的相互垂直的平面中，选取平行于骨盆前平面的平面作为冠状面，垂直于该平面的作为横截面，同时垂直于这两个平面的作为矢状面。特定平面参照系见图1[4]、图2。

图1 特定平面参照系三维示意图

图2 常规平面参照系示意图

2 结果

2.1样本数量分析 根据纳入标准，最终进入数据分析的总样本44例(88侧髋关节)，其中大体解剖湿标本16例(32侧髋关节)、入组成人32例(64侧髋关节)。检测后发现入组成人中有4例存在髋臼病变，其髋臼sharp角，外展角，髋臼深径均有变异，故排除该4例成人的相关数据，其余28例(56侧髋关节)数据全部纳入结果分析。

2.2特定平面参照系下标本组与成人组相关参数的比较 标本组与成人组6个参数分别进行正态性检验，其中sharp角、髋臼深径、髋臼前后径数据符合正态分布，采用独立样本t检验，显示两组样本双侧的sharp角、髋臼前后径比较，差异无统计学意义(P> 0.05)；而成人组左、右侧髋臼深径则大于标本组(P<0.05)。两组样本的外展角、前倾角、中心边缘角部分样本数据不符合正态分布，采用四分位数表示，组间采用Mann-WhitneyU检验，二组间数据比较差异无统计学意义(P> 0.05)。见表1。

表1 标本组2个参照系下髋臼数据比较(n=16)

2.3标本组、成人组及总样本中双侧髋臼数据的比较 在特定平面参照系下，按照成人组、标本组及总样本的分组分别对6个指标测量数据左右两侧进行对比比较。采用配对t检验和Wilcoxon带符号等级检验比较各指标左右两侧的差异，结果显示，在标本组、成人组和总样本中，各指标左右两侧数据相比，差异无统计学意义(P> 0.05)。见表2。

表2 成人组2个参照系下髋臼数据比较(n=28)

2.4常规平面参照系及特定平面参照系内髋臼数据的比较 在2个参照平面内，按照标本组、成人组及总样本的分组，采用配对t检验和Wilcoxon带符号等级检验，分别对6个指标的双侧测量数据进行对比分析，结果显示，标本组中右侧前倾角数据存在差异(P<0.05，表1)；成人组中两侧髋臼前后径、两侧前倾角、右侧外展角差异无统计学意义(P>0.05，表2)；总样本中两侧髋臼前后径、两侧前倾角、左侧外展角差异不显著，其余指标差异显著(P<0.05)。见表3。

表3 总样本2个参照系下髋臼数据比较(n=44)

3 讨论

随着医学影像设备及图像后处理技术的飞速发展，CT三维后处理技术已能对人体解剖结构从内部和外部同时以超高空间分辨率及密度分辨率进行显像并实现解剖数据精准测量，尤其在骨骼系统方面。目前髋关节CT扫描参数及测量平面缺乏统一标准。由于测量方法与参照系的不同，所测得的髋臼相关数据不尽相同。本研究拟通过对比分析解剖标本及成人髋关节各测量数据，以期为髋关节疾病的诊断和治疗提供一个稳定、准确的测量参考平面。

3.1湿标本CT三维后处理研究的意义 目前，人体骨骼的数据通过CT检测更容易获得，形态学研究通常也是直接对获取的CT数据进行相关分析。由于解剖学中湿标本的特殊性以及储存方式，往往又不便于应用CT检测获得相应的数据，故而在目前的研究中少有相关文献提及。但大体标本CT检测的数据研究仍有一定意义，除了能够获取人体结构相应的CT数据以外，还可以进行逆向重建，并与大体标本进行比对，在大体标本上进行相应结构的置换或比较研究。故而本研究选取了16具大体标本与32例临床受试者的髋关节CT数据进行了对比研究，期望能够为临床科研与实际应用提供可参考的基础数据支持。

3.2髋臼相关参数的特征在特定平面的应用 本研究中选取了与髋关节解剖结构密切相关的sharp角、中心边缘角，外展角，前倾角，髋臼深径，髋臼前后径6个髋臼参数作为实验观察测量指标。事实上，髋臼方位的三维测量必须考虑骨盆所处的体位。为了克服上述弊端，在髋关节影像学研究中获得稳定可靠的CT测量数据，本研究构建了一个在双侧股骨头中心连线平面中分别与骨盆前平面相平行及垂直的两平面作为髋关节相关指标测量时的特定平面参照系，对标本组与成人组的6个髋臼参数指标进行了相关的数据测量，并与临床上普遍应用的以人体平卧时的水平面为基准进行髋关节相关指标测量的常规平面参照系测量的相应数据进行了对比分析。两组样本的外展角、前倾角、中心边缘角样本数据不符合正态分布，可能与这3个参数样本量较小、年龄变化差异较大相关[5]。

髋关节本身双侧基本对称，在数据测量上双侧髋臼数据不应出现差异，本研究在特定参照平面下的测量结果与实验预期相一致。本研究结果表明，使用特定参照系做参照平面，规避了常规水平面为参照时因体位变动导致的测量误差。在成人组中，CT检查时均尽可能使用标准体位进行操作，但在实验过程中，发现虽然受检者尽可能接近标准体位，但在数据测量时仍有明显的体位差异，且仰卧时难以真正平行于检查床，均有不同程度的倾斜，所以在二个不同参照平面的测量数据对比中，发现髋臼双侧sharp角、双侧中心边缘角、左侧外展角、双侧髋臼深径均有显著差异。

在2个测量参照平面中，将大体标本与入组成人合并的总样本髋臼数据进行比较，由于同时包含强制体位与受检者与检查床成角等影响因素，常规平面参照系中双侧sharp角、双侧中心边缘角、右侧外展角及双侧髋臼深径与特定平面参照系相关参数均出现明显差异，进一步说明在水平面参照系中强制体位及与水平面成角均会对测量数据造成显著影响。

相比于常规平面作为参照进行测量，应用本研究构建的特定平面参照系进行髋关节的CT数据测量，可以减少因体位异常导致的偏差，同时能够通过骨盆前平面与骨盆旋转本身的关系来增加测量数据的可靠性。在特定平面参照系中，多平面重建图像会随体位的改变而改变，故可以避免因体位与参照系的变化导致的测量误差，从而使测量数据的参照标准得到统一。髋关节相关数据的准确获得对临床手术计划的制定、髋臼及股骨头假体的设计均有重要的指导意义，尤其是髋臼直径、髋臼深度等相关数据的准确性对中国人髋关节假体的设计与制造意义重大[6]。

尽管应用特定平面参照系在髋关节CT数据测量中能够减少由于图像旋转造成的误差，但是本研究仍有局限性和不尽如人意之处，如本研究总样本量较少，未能对年龄、性别对髋臼相关参数的影响分别进行探讨，所以在研究中仅以总样本的检测数据进行统计与比较，以期减少因样本不足导致的误差。但并不能完全纠正因年龄、性别差异带来的影响[7-8]。相信在不远的将来，我们能够确立出一种科学准确测量髋臼参数的三维定位方法，进一步完善髋臼的形态学特征研究, 为临床诊治髋关节疾病、人工髋关节假体的设计和THA手术定位指导提供有价值的参考，从而建立一个精确的机器人导航系统，在机器人引导下行全髋关节置换手术，提高手术治疗效果，减少术后并发症发生率[9-10]。