應(yīng)用3D打印模型驗證髖臼前傾角三維CT測量法的準確性及應(yīng)用價值

蔡振存，孫明，周宏宇，冉佳卓，樸成哲

（1．沈陽醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院骨一科，遼寧 沈陽 110024；2．沈陽醫(yī)學(xué)院研究生院2016級研究生；3．沈陽醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2014級17班）

髖 臼 前 傾 角（acetabular anteversion angle，AcAvA）是指髖臼前后緣連線與矢狀面的夾角，它代表髖臼開口方向在軸面上的內(nèi)收程度，適當(dāng)?shù)捏y臼前傾有利于股骨頭的理想包容，而過度前傾則會導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)定［1-2］。近年來，大多數(shù)學(xué)者認為AcAvA的準確測量是指導(dǎo)人工髖關(guān)節(jié)置換的重要前提，髖臼假體安放時合理的前傾角度是治療成敗的關(guān)鍵因素，因此準確地測量AcAvA至關(guān)重要。目前，測量AcAvA的方法多樣，如間接計算法、X平片測量法、CT測量法等，但不同方法的測量結(jié)果間存在較大差異，其中最常用的是二維CT（2D-CT）測量法。由于CT掃描時患者體位的不標準，或者測量角度時斷層平面選擇的不同，測量結(jié)果呈不確定性，且可重復(fù)性差，因此有的學(xué)者認為2D-CT測量法并不準確［3-4］。本研究組于2001年開始應(yīng)用三維（3D）CT重建圖像測量AcAvA，對臨床治療有一定的參考價值。3D打印技術(shù)可以得到與人體高度一致的器官模型，本研究旨在通過比較AcAvA的3D模型測量和3D-CT測量結(jié)果，明確3D-CT測量法測量AcAvA的準確性，以指導(dǎo)臨床治療。

1 資料與方法

1．1 臨床資料 選擇2017年6月至12月沈陽醫(yī)學(xué)院附屬中心醫(yī)院收治的單側(cè)髖關(guān)節(jié)病變的成年患者為研究對象，共20例，其中男10例，女10例；年齡20～40歲，平均（33±12．5）歲。所有研究對象均為單側(cè)髖關(guān)節(jié)病變，另一髖關(guān)節(jié)發(fā)育正常，其中髖臼或者股骨頭骨折患者11例，股骨頭壞死或者退行性髖關(guān)節(jié)病患者9例。排除患有神經(jīng)肌肉性疾病、先天畸形患者。本研究經(jīng)患者知情同意。

1．2 測量方法

1．2．1 測量3D-CT圖像的AcAvA 首先進行骨盆CT成像（美國Marconi公司生產(chǎn)的MxS000型CT機），測試者仰臥，雙腳尖并攏，從髂前上棘掃描至股骨小轉(zhuǎn)子。管球電壓120 kV，電流100 mA，掃描層厚 1 mm，層間距 1．0 mm，螺距 0．8 mm。在CT工作平臺上，進行骨盆及髖關(guān)節(jié)3D表面成像。去除股骨頭，通過旋轉(zhuǎn)3D圖像得到骨盆的前正面、左右側(cè)面及下面觀圖像，并運用CT工作站和PACS影像系統(tǒng)進行測量。將CT數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)出并存儲。然后進行測量，在計算機圖像處理平臺上，旋轉(zhuǎn)圖像從骨盆的下面觀查圖像，髖臼前后緣的連線與兩恥骨支上緣連線垂線的夾角即為AcAvA，見圖1。

圖1 骨盆三維CT成像圖（α為AcAvA）

1．2．2 測量3D打印出的骨盆模型的AcAvA 首先打印3D模型，通過 Mimics 10．01軟件（Materialise，比利時）將DICOM格式的文件提取后進行骨盆三維圖像重建。通過軟件閾值調(diào)整及圖像分割、填充等功能將骨盆原始蒙罩（Mask）進行去噪處理，然后給予蒙板進行骨盆三維模型重建。重建后的骨盆大小與實際骨盆設(shè)定為1∶1，將重建的骨盆3D模型數(shù)據(jù)以STL格式存儲后導(dǎo)入3D打印機（MakerBot，USA）打印。然后進行測量，恥骨聯(lián)合前緣與兩側(cè)髂前上棘三點確定的平面即是骨盆前平面，將骨盆前平面放置于水平面上。把電子角度測量儀的一條邊固定于測量平臺的水平方向，調(diào)整角度測量儀，使可旋轉(zhuǎn)邊緊密接觸髖臼的前緣和后緣，同時保證髖臼中心和所測量的前后緣處于同一平面，這時，顯示屏顯示的角度就是髖臼前后緣連線與豎直方向夾角，也就是實際測量AcAvA。見圖2。

所有圖像和模型均由3個測量者（A、B和C）獨立測量一次，3人的平均值為該模型的AcAvA。

圖2 電子角度測量儀測量3D打印骨盆模型AcAvA

1．3 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 17．0軟件進行統(tǒng)計學(xué)處理，計量資料用均數(shù)±標準差表示，采用t檢驗，P＜0．05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

20例患者的20個未病變髖關(guān)節(jié)AcAvA，3D-CT 測量結(jié)果為（15．9±5．3）°，3D打印的骨盆模型實際測量結(jié)果為（15．6±3．4）°，3D-CT測量法和3D模型測量結(jié)果比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0．061）。

3 討論

近年來，隨著CT成像方法的不斷發(fā)展，對髖關(guān)節(jié)髖臼病理形態(tài)的研究越來越細致，但多數(shù)關(guān)注的是髖臼上緣的病理改變，特別是外展角，而對髖臼前傾角的研究則相對較少。目前，AcAvA多是應(yīng)用2D-CT進行測量，少有3D-CT方法對AcAvA測量的報道，未見有應(yīng)用骨盆模型或者實體標本進行AcAvA測量報道。AcAvA是由髖臼前、后壁在橫斷面上的最外側(cè)緣決定的，因此，髖臼前、后壁的發(fā)育情況將影響髖臼前傾的改變。外科治療髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的關(guān)鍵是合理地矯正髖臼的畸形，如果增大的髖臼前傾畸形術(shù)前沒有充分評估，術(shù)中得不到正確矯正，那么將導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定［5］，另外，如果髖臼前傾本身并不嚴重，而術(shù)中過度矯正則會造成髖臼后傾，那么將導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)疼痛和骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生［6］。因此，術(shù)前準確評估髖臼前傾畸形對于制定合理的矯形治療方案，設(shè)計髖臼假體的安放角度，以及避免術(shù)后并發(fā)癥，都具有十分重要的意義。

盡管X線平片一直是評估髖關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)畸形的重要手段，但由于患者體位和X線投射角度等原因，應(yīng)用X線片對AcAvA進行測量精準性和直觀性都較差。以往研究表明，不同的醫(yī)師通過X線平片測量AcAvA在數(shù)值上存在較大的誤差，即使是同一測量者在重復(fù)測量同一個患者的AcAvA時，也存在一定的差異，特別是對骨化尚未完全的嬰幼兒，X線平片測量AcAvA的可靠性和重復(fù)性更差［7］。CT在準確評估髖臼的三維形態(tài)學(xué)畸形方面較X線片具有明顯的優(yōu)勢，AcAvA是髖臼開口方向在水平面上的內(nèi)收程度，CT的水平面斷層可以明確看見這一病理變化。近年來，一部分學(xué)者應(yīng)用2D-CT進行了AcAcA測量，Browning等［7］通過 2D-CT 對骨關(guān)節(jié)發(fā)育不良（DDH）患者的AcAvA進行觀察，發(fā)現(xiàn)增大的AcAvA是DDH髖臼的主要病理改變之一。盡管2D-CT已廣泛用于評估患者的髖臼前傾程度，但其準確性并不令人滿意。由于患者病變區(qū)解剖形態(tài)學(xué)變異，以及采集圖像時患者體位不標準，常導(dǎo)致2D-CT的測量結(jié)果不準確［3-4］，如骨盆在矢狀軸面的任意旋轉(zhuǎn)和橫斷面的任意傾斜都會導(dǎo)致2D-CT測量結(jié)果存在誤差。另外，不同測量斷面的選擇對結(jié)果也有很大影響，而具體哪個CT斷面能夠真實地反映髖臼的前傾程度，目前尚不明確。

隨著計算機科技的進步，3D-CT在評估髖臼畸形中逐漸顯示出優(yōu)越性。3D-CT不僅可以根據(jù)骨性坐標對不標準的患者體位進行校正后再分析，模型建成后還可以從任意角度和任意平面對其進行全方位整體觀察［8］。本研究組結(jié)合3DCT圖像的特點和AcAvA的定義，設(shè)計了一種3DCT測量AcAvA的方法，并應(yīng)用于臨床。因為這種測量方法是在電腦屏幕的平面上完成的，它是在3D圖像建成后，從下面觀察骨盆，測量髖臼前后緣最凸起點連線與失狀軸的夾角，這是對3D立體圖像的角進行2D平面的測量，因此測量結(jié)果的準確性并不十分肯定。

3D打印起源于20世紀80年代，已在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［9-10］。3D打印技術(shù)可以得到與人體高度一致的器官模型，為驗證AcAvA測量方法的準確性提供了方案。本研究組通過高分辨率的CT掃描的數(shù)據(jù)，重建了患者的骨盆圖像，并成功打印出了與患者骨盆完全相同的骨盆模型。通過實物的觀察與測量，發(fā)現(xiàn)3D-CT測量AcAvA的數(shù)值與實物測量的數(shù)值沒有統(tǒng)計學(xué)差異，所以認為3D-CT測量法測量AcAvA是準確的，與實際髖臼前傾程度基本相符。在臨床精確矯正髖關(guān)節(jié)的髖臼畸形和控制髖臼假體安放角度的過程中，可以依據(jù)術(shù)前3D-CT對患者AcAvA的測量結(jié)果對髖臼前傾進行個性化處理。