基于3D重建技术探讨发育性髋关节发育不良患者膝关节形态差异

林天烨,江禹来,何晓铭,何敏聪,李子祺,陈镇秋,张庆文,何伟,魏秋实*

(1.广东省中医骨伤研究院数字骨伤研究室,广东 广州 510405;2.广州中医药大学第三附属医院关节中心,广东 广州 510405;3.广州中医药大学第三临床医学院,广东 广州 510405;4.广州中医药大学第一附属医院关节科,广东 广州 510405)

发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)是常见的髋关节疾病,影像学检查发现髋臼或股骨头形态异常,并导致周边肌肉、韧带代偿的病变[1-2]。目前,DDH病理机制尚未完全探明[3]。研究发现DDH的发病率约为1.52%(女性为2.07%,男性为0.75%),女性较男性易发病[4]。由于髋臼对股骨头包容不佳导致髋关节应力集中,加速软骨的磨损而发展成为关节炎[5]。髋关节是连接躯干及下肢的枢纽,髋关节发育异常会影响邻近骨骼、关节的发育,对上影响骨盆、腰椎,对下影响膝、踝关节。本研究团队既往通过测量101例DDH患者脊柱-骨盆参数,发现DDH患者由于脊柱的代偿而出现脊柱-骨盆参数的改变,出现脊柱侧凸的现象[6]。既往有研究发现DDH患者更易于出现膝关节疼痛,膝关节力线的改变。DDH也会影响膝关节的正常发育,可能导致过早的退行性改变[7]。此外,DDH可影响髌股关节,引起髌股运动异常和膝关节疼痛[8]。然而,DDH患者膝关节解剖结构发育尚未被完全了解。既往的研究大多数依据X线片进行测量,受拍摄角度及体位的影响,容易出现参数误差[9]。此外,大多数膝关节疾患与膝关节几何形状的改变有关,如胫骨平台内侧和外侧宽度的改变以及股骨远端和胫骨近端坡度的改变,这些已被认为是导致膝关节疼痛、韧带损伤和骨关节炎的原因[10]。因此,DDH患者膝关节解剖结构发育有必要进一步探索。本研究通过收集患者膝关节CT数据进行三维重建,在三维立体下测量膝关节相关参数,并分析膝关节相关参数与髋臼发育不良程度的相关性,以期为成人DDH患者膝关节相关参数变化和治疗膝关节疾病提供帮助,现报告如下。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入标准:(1)DDH患者或健康体检者;(2)年龄18～50岁;(3)髋关节正位X线片及膝关节CT三维重建;(4)膝关节未出现明显骨赘,Kellgren-Lawrence 0～Ⅰ级[11]。排除标准:(1)髋膝关节感染导致发育异常;(2)类风湿性关节炎、强直性脊柱炎患者;(3)膝关节周围骨折患者,涉及关节面者;(4)髋膝关节有矫形手术、膝关节关节镜手术病史者。

纳入2019年1月至2022年12月于广州中医药大学第三附属医院就诊DDH患者,根据DDH患者年龄匹配年龄相对的健康体检者,所有参与者对试验均知情同意。本前瞻性研究获广州中医药大学第三附属医院医学伦理委员会批准(PJ-KY-20220420-013)。

1.2 方法 采用前瞻性病例分析。

1.2.1 髋关节参数测量 通过髋关节正位X线片测量中心边缘角(center edge,CE):在髋臼外上缘与股骨头旋转中心连线,其与通过旋转中心的垂线之间的夹角,中心边缘角<20 °即诊断为DDH[12]。Sharp角:髋臼外上缘与泪滴下缘连线与水平线的夹角,反映髋臼开口及倾斜情况,Sharp角>40 °被认为髋臼发育不良(见图1)。

图1 CE角、Sharp角测量示意图

1.2.2 膝关节参数测量

1.2.2.1 膝关节三维重建 收集患者膝关节CT原始数据(DICOM格式,层厚为0.5 mm,层距为5.0 mm,每层分辨率为1 024×1 024像素),将其导入Mimics 21.0软件中,通过阈值分割,并进一步消除各部位皮质骨连接多余的点,同时通过填充功能,填补骨质正常的轮廓,从而获得胫骨、股骨三维模型,对模型进一步去三角、光滑处理,保存为stl格式,导入geomagic wrap软件中进一步处理。通过geomagic wrap软件,利用网格处理、删除钉状物、去除特征及补洞光顺等功能处理模型,进一步通过探测轮廓线、构造曲片面及拟合曲面等,完成以上操作后即可得到相对完整的骨性模型(骨盆、股骨近端),保存为stp格式文件。利用solidworks软件,把股骨、胫骨模型进行原点组配,组配成膝关节三维模型。

1.2.2.2 参数测量 股骨、胫骨髓内中心的确定:以穿过膝关节每一层面的几何中心点连线为股骨、胫骨髓内中心线。正视位图参数[13]:股骨内侧髁宽度(width of medial femoral condyle,WMFC)、股骨外侧髁宽度(width of lateral femoral condyle,WLFC):从股骨髓内中心线到股骨内侧髁最内侧点和最外侧点的距离。股骨内侧髁高度(height of medial femoral condyle,HMFC)、股骨外侧髁高度(height of lateral femoral condyle,HLFC):经过股骨髁间切迹尖端做一个平面与股骨髓内中心线垂直,并将该平面至股骨内侧髁和外侧髁最远端点的距离分别定义为HMFC及HLFC。胫骨内侧平台宽度(width of medial tibial platform,WMTP)、胫骨外侧平台宽度(width of lateral tibial platform,WLTP):胫骨髓内中心平面到胫骨内外侧缘的距离。侧视位图参数[9]:股骨前关节边缘距离(femoral anterior joint edge distance,FAJED)、股骨后关节边缘距离(femoral posterior joint edge distance,FPJED):股骨解剖轴到股骨前、后关节边缘距离;胫骨前关节边缘距离(tibial anterior joint edge distance,TAJED)、胫骨后关节边缘距离(tibial posterior joint edge distance,TPJED):胫骨解剖轴到胫骨前、后关节边缘距离。角度测量:胫股角(femorotibial angle,FTA)股骨解剖轴线与胫骨解剖轴线在膝关节中心相交形成的向外侧的夹角。股骨远端外侧角(lateral distal femoral angle,LDFA):为股骨内外侧髁远端切线平面(关节面)与股骨机械轴垂直于正视位图平面的外侧夹角;胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle,MPTA):经过胫骨内外侧平台切面(关节面)与胫骨机械轴垂直于正视位图平面形成的内侧夹角。胫骨近端后侧角(posterior proximal tibial angle,PPTA),即在侧位X线片上胫骨近端关节线与胫骨机械轴之间的后侧夹角。股骨远端后侧角(posterior distal femoral angle,PDFA),即侧位X线片上股骨远端关节线与股骨机械轴之间的后侧夹角(见图2～4)。

1.2.3 分组 根据CE角进行分组,分为DDH组(CE角<20 °)及对照组(CE角>20 °);此外,把DDH组患者进行单侧、双侧分组,各组间进行膝关节参数对比。

2 结 果

2.1 三组基线资料对比 本研究最终纳入237例,其中对照组110例,单侧DDH组98例,双侧DDH组29例(58膝),三组在年龄、性别、身高、体重及身体质量指数(body mass index,BMI)等方面对比,差异无统计学意义(P>0.05,见表1)。

表1 三组基线资料对比

2.2 三组膝关节正视位图参数对比 三组WLFC、WLTP、LDFA对比差异有统计学意义(P<0.05),对照组WLFC、WLTP、LDFA显著大于单侧DDH组、双侧DDH组(P<0.05),单侧DDH组WLFC、WLTP、LDFA显著大于双侧DDH组(P<0.05)。对照组HMFC显著小于单侧DDH组、双侧DDH组(P<0.05),双侧DDH组HMFC大于单侧DDH组,差异有统计学意义(P<0.05)。对照组WMTP显著小于单侧DDH组(P<0.05),单侧DDH组WMTP显著大于双侧DDH组(P<0.05),双侧DDH组WMTP与对照组对比差异无统计学意义(P>0.05)。三组WMFC、HLFC、MPTA对比,差异无统计学意义(P>0.05,见表2)。

表2 三组膝关节正视位图参数对比

2.3 三组膝关节侧视位图参数对比 三组FTA对比差异有统计学意义(P<0.05),对照组FTA显著小于单侧DDH组、双侧DDH组(P<0.05);此外,三组FAJED、PDFA、PPTA对比差异有统计学意义(P<0.05),对照组FAJED、PDFA、PPTA显著大于单侧DDH组、双侧DDH组(P<0.05),单侧DDH组FAJED、PDFA显著大于双侧DDH组(P<0.05)。对照组FPJED显著大于单侧DDH组,双侧DDH组与单侧DDH组FPJED对比差异无统计学意义(P>0.05)。再者,三组TAJED对比差异有统计学意义(P<0.05),单侧DDH组TAJED显著小于对照组及双侧DDH组(P<0.05)。三组TPJED对比,差异无统计学意义(P>0.05,见表3)。

表3 三组膝关节侧视位图参数对比

2.4 Sharp角与膝关节参数的相关性分析 将Sharp角与FTA、HMFC、LDFA、PPTA及PDFA进行Pearson相关分析,结果发现Sharp角与FTA及HMFC成正相关(P<0.05),即Sharp角越大,FTA及HMFC越大;而Sharp角与PPTA成负相关(P<0.05),即Sharp角越大,PPTA越小;Sharp角与LDFA及PDFA无明显相关性(P>0.05)。

3 讨 论

三维建模测量法是三维建模与测量技术相结合的方法,可在可视化3D空间内多维度测量,该方法测量精准度高、可重复性强,与真实骨性解剖结构接近[14]。DDH是常见的髋关节发育异常的疾病,很少有研究关注成年DDH患者膝关节疾病的发展[15]。既往有通过X线片来评估DDH患者膝关节的部分参数,然而X线片受拍摄角度及体位的影响,可能会导致测量数据存在较大的误差[16]。因此,为了更好地了解DDH患者膝关节发育的改变,本研究利用CT数据进行三维重建立体模型,在三维模型基础上测量成年人DDH膝关节的解剖形态相关参数,与其他健康体检者匹配的对照组进行比较。

本研究发现DDH患者FTA显著大于健康体检者,且DDH患者股骨内侧髁高度显著大于健康体检者,表明DDH患者膝关节可以出现膝关节外翻畸形,其可能与股骨内侧髁高度的增加有关。Pearson相关分析发现Sharp角与FTA及HMFC成正相关,Sharp角越大,FTA及HMFC越大。表明髋臼发育不良越严重,膝关节外翻越明显。而双侧DDH患者FTA及HMFC与单侧DDH患者比较差异无统计学意义。既往研究报道[17]膝关节外翻畸形的严重程度与股骨头外侧移位有很强的正相关关系,但与股骨头上移位无关。此外,既往的研究报道了DDH患者同侧膝关节外翻与MPTA增加相关[13],但在本研究中三维模型测量下未发现MPTA的显著差异。膝关节外翻是加速膝关节退行性变的危险因素之一。既往的研究发现在DDH自然病史中,膝关节炎主要发生在50岁以后[7]。本研究中,无一例患者有退行性改变的影像学征象。这可能与患者相对较年轻有关,需要对这些患者进行长期随访。膝关节外翻的另一个考虑因素是与全髋关节置换术相关的手术并发症的可能性。对于DDH患者而言,全髋关节置换术的常规手术规划是将股骨头移至髋臼内侧和下方,使股骨头的解剖位置恢复到真髋臼[18]。既往研究[19]建议使用股骨颈较长且颈轴角相对较小的高偏置股骨假体,或行股骨远端内翻截骨术联合全髋关节置换。除此之外,采用全髋关节置换术可使髋关节复位,从而增加肢体长度和肌肉紧致(包括外展肌和髂胫束)。紧张的髂胫束可能加重已存在的膝关节外翻畸形,并在术后早期引起严重的膝关节疼痛。因此,术中植入假体时,如果髂胫束紧张应该作适当的松解[20]。

在侧视位图上发现DDH患者的PPTA减小,这意味着胫骨后倾斜度增加。Pearson相关分析发现Sharp角与PPTA成负相关,Sharp角越大,PPTA越小。表明髋臼发育不良情况越严重,胫骨后倾斜度越大,且双侧DDH患者胫骨后倾斜度较单侧DDH患者大。既往研究表明,胫骨后倾斜度增大导致胫骨剪力增大,前交叉韧带拉伸,引起前交叉韧带损伤的概率较大[21]。此外,在进行胫骨高位截骨时,在某些情况下需要考虑使胫骨近端适当前倾[22]。此外,股骨远端侧视图三维模型改变包括FAJED和PDFA减少。考虑这些变化会影响全膝关节置换术的手术计划,特别是在股骨滑车截骨,矢状面股骨滑车截骨模具的定位需要考虑股骨远端前倾的存在,以便在不损伤前方皮质骨的情况下进行截骨。在股骨髓内钉插入过程中,考虑FAJED的减少也可能是重要的,以防止穿透股骨远端前方皮质骨。股骨前方皮质被髓内钉侵犯在股骨弯曲增高的患者中很常见[23]。FAJED的降低可能有助于髓内钉撞击,值得在未来的研究中进行探讨。

本研究的创新之处在于通过大数据三维重建立体模型下对DDH患者正视位图及侧视位图膝关节参数进行全面测量,减少X线片测量的误差,并发现DDH患者FTA、MPTA增大,FAJED、PDFA减少,部分参数双侧DDH患者更加严重。这些参数的差异有利于DDH患者行髋膝矫形及置换手术中的规划与考虑。本研究的不足之处在于:(1)本研究选择的是50岁以下的成年DDH患者,未选择老年患者、未能观察DDH患者完整的自然病史的情况;(2)本研究只分析了正视位和侧视位参数,对其他视图参数,如髌股关节相关的参数未测量,其对髌股关节评估膝关节形态也很重要;(3)本研究未能对DDH严重程度(如Crowe分型)对膝关节参数的影响进行分析,有待进一步扩大样本量进行研究。

综上所述,DDH患者可能会在正视位和侧视位出现双膝关节的变化,包括膝关节外翻,膝关节后倾角在关节方向上增加,股骨远端前缘到解剖轴的距离减少。髋臼发育不良严重程度与膝关节外翻、胫骨后倾斜度相关。在膝关节、髋关节和股骨手术时应充分考虑这些畸形,以防止潜在的并发症。