基于CT數(shù)據(jù)的Mimics重建技術(shù)在THA患者術(shù)后早期全髖界面骨密度分析中的應(yīng)用

繆鋅，鄧高榮，高翔，吳炳華，張魁忠，李太強(qiáng)，凌強(qiáng)

(南昌大學(xué)第四附屬醫(yī)院，南昌330000)

基于CT數(shù)據(jù)的Mimics重建技術(shù)在THA患者術(shù)后早期全髖界面骨密度分析中的應(yīng)用

繆鋅，鄧高榮，高翔，吳炳華，張魁忠，李太強(qiáng)，凌強(qiáng)

(南昌大學(xué)第四附屬醫(yī)院，南昌330000)

目的 采用Mimics重建技術(shù)觀察生物型全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)患者術(shù)后早期全髖界面骨密度(BMD)變化。方法 選擇股骨頭缺血性壞死患者20例，均采用生物型假體行THA?；颊呤中g(shù)前及術(shù)后1、3、6、12個(gè)月行髖關(guān)節(jié)64排螺旋CT檢查，采集CT斷層數(shù)據(jù)。將CT斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件進(jìn)行髖關(guān)節(jié)三維模型重建，設(shè)定模型基點(diǎn)，采用其自帶的CAD工具將股骨頭-髖臼弧形界面分為10等份，分別標(biāo)記為A～J共10個(gè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)區(qū)域的平均CT值，表示其BMD。結(jié)果 20例THA患者術(shù)前及術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)A、B、C、D區(qū)域BMD比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；患者術(shù)后3、6、12個(gè)月E、F、G區(qū)域BMD均高于術(shù)前，I、J區(qū)域BMD均低于術(shù)前(P<0.05或<0.01)；患者術(shù)后1、3、6、12個(gè)月H區(qū)域BMD均低于術(shù)前(P<0.05或<0.01)。結(jié)論 生物型THA患者手術(shù)前后髖臼假體上極周圍BMD變化不大，而隨著術(shù)后時(shí)間的延長(zhǎng)，中心部位BMD逐漸升高，下極周圍BMD逐漸降低。

股骨頭缺血性壞死；全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)；電子計(jì)算機(jī)體層攝影；三維重建；生物力學(xué)；骨密度

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)后假體-骨界面和假體周圍骨生物力學(xué)改變一直是骨科、工程學(xué)科的研究熱點(diǎn)，主要涉及假體的材料、安裝等，但假體-骨界面的骨質(zhì)量和假體周圍早期骨重塑的過程還存在許多爭(zhēng)論，且研究多局限于動(dòng)物和離體力學(xué)實(shí)驗(yàn)[1]。臨床上多采用雙能X線骨密度儀、定量CT檢測(cè)假體周圍骨密度(BMD)，但其無法在三維條件下描述THA后髖關(guān)節(jié)周圍BMD的改變[2～4]。Mimics軟件自帶骨CT值測(cè)定功能，可間接推斷假體-骨界面周圍早期BMD的改變，從而推導(dǎo)出假體-骨界面周圍早期骨生物力學(xué)改變[5，6]。本研究對(duì)生物型THA患者手術(shù)前后的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行Mimics重建分析，為進(jìn)一步研究生物型THA后全髖界面BMD的早期改變提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇2011年1月～2013年12月擬于我院行生物型THA的股骨頭缺血性壞死患者20例，男8例、女12例，年齡62～88(75.1±2.2)歲；臨床分型：Garden Ⅲ型13例、Ⅳ型7例。納入標(biāo)準(zhǔn)：①有明確外傷史；②髖部疼痛，不敢站立和走路，移動(dòng)患肢時(shí)疼痛更為明顯，大粗隆升高；③經(jīng)髖關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片檢査確診；④臨床分型為Garden Ⅲ或Ⅳ型股骨頸骨折。排除標(biāo)準(zhǔn)：①病理性骨折者；②已行內(nèi)固定手術(shù)且失敗者；③合并影響其生存率的嚴(yán)重疾病患者?；颊呷朐汉缶捎蒙镄图袤w進(jìn)行THA。

1.2 CT檢查及圖像采集 患者手術(shù)前及術(shù)后1、3、6、12個(gè)月行髖關(guān)節(jié)64排螺旋CT檢查：患者取平臥位，掃描L5椎體至股骨中段，掃描角度為0°，保持每次掃描時(shí)骨盆位置基本一致。掃描條件：層厚3 mm，掃描電壓140 kV。采集CT斷層數(shù)據(jù)，每例患者掃描后可獲得約270張CT斷層圖像。

1.3 髖關(guān)節(jié)三維模型重建 ① CT斷層圖像導(dǎo)入：打開Mimics軟件(比利時(shí)Materialise公司)，點(diǎn)擊New project wizard，將患者術(shù)前CT斷層圖像導(dǎo)入Mimics軟件，定義上、下、左、右、前、后方向之后，軟件自動(dòng)生成矢狀面、冠狀面、水平斷層面圖像。②重建圖像分割：點(diǎn)擊Segmentation(分割)下的Thresholding按鈕，選擇Bone閾值；點(diǎn)擊Apply，使感興趣部分加入mask(二維蒙板)。利用Region Growing(區(qū)域增長(zhǎng))命令，將骶骨分離出來；利用Segmentation下的Edit Marks命令，在冠狀位和矢狀位逐層擦除髖關(guān)節(jié)周圍的二維蒙板；再次利用Region Growing及boolean減法命令，將股骨頭和髖臼分離，分別利用股骨頭和髖臼蒙板重建出股骨頭和髖臼的三維模型。采用同樣的方法導(dǎo)入患者術(shù)后1、3、6、12個(gè)月CT斷層數(shù)據(jù)，生物假體置換后CT掃描會(huì)在假體周圍出現(xiàn)金屬偽影，該偽影需手動(dòng)去除，去除偽影后即可利用股骨頭和髖臼蒙板重建出術(shù)后1、3、6、12個(gè)月股骨頭和髖臼三維模型。將股骨頭和髖臼三維模型用不同顏色標(biāo)記，共獲得20例患者手術(shù)前及術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)100個(gè)髖關(guān)節(jié)三維模型。

1.4 全髖界面CT值測(cè)量 取患者手術(shù)前的髖關(guān)節(jié)三維模型，在三維視窗隱藏股骨三維模型，在髖臼模型上利用MedCAD工具建立測(cè)量界面密度的定位點(diǎn)。取股骨大轉(zhuǎn)子最高點(diǎn)作一基準(zhǔn)點(diǎn)，假設(shè)每次掃描位置一致，則掃描時(shí)通過股骨大轉(zhuǎn)子最高點(diǎn)這一基準(zhǔn)點(diǎn)的橫斷平面有且只有1個(gè)。Mimics軟件可以利用掃描所得的橫斷圖像自動(dòng)重建標(biāo)準(zhǔn)的冠狀面及矢狀面圖像，轉(zhuǎn)到冠狀面二維視窗，通過股骨大轉(zhuǎn)子最高點(diǎn)的冠狀面平面也只有1個(gè)，調(diào)整到此平面。采用Mimics軟件自帶的CAD工具將股骨頭-髖臼弧形界面分為10等份，分別標(biāo)記為A～J，共10個(gè)區(qū)域，見插頁(yè)Ⅰ圖2。A、B、C、D區(qū)域?qū)儆隗y臼假體上極，E、F、G區(qū)域?qū)儆隗y臼假體中心，H、I、J區(qū)域?qū)儆隗y臼假下極。采用Mimics軟件的密度測(cè)量工具測(cè)量每個(gè)區(qū)域的平均CT值，即患者術(shù)前股骨頭-髖臼界面的BMD。采用同樣的方法測(cè)量患者術(shù)后1、3、6、12個(gè)月界面平均CT值。

2 結(jié)果

20例THA患者術(shù)前及術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)A、B、C、D區(qū)域BMD比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；術(shù)后3、6、12個(gè)月E、F、G區(qū)域BMD均高于術(shù)前，I、J區(qū)域BMD均低于術(shù)前(P<0.05或<0.01)；術(shù)后1、3、6、12個(gè)月H區(qū)域BMD均低于術(shù)前(P<0.05或<0.01)。見表1。

表1 20例THA患者手術(shù)前后各時(shí)間點(diǎn)全髖界面BMD變化±s)

注：與術(shù)前比較，*P<0.05，#P<0.01。

3 討論

臨床上要求生物型假體與骨組織具有良好的相容性，可以與骨組織形成牢固、持久的結(jié)合[7]。但是隨著我國(guó)人均壽命的延長(zhǎng)，人工關(guān)節(jié)使用壽命隨之延長(zhǎng)，假體松動(dòng)成為提高人工關(guān)節(jié)置換術(shù)遠(yuǎn)期療效的瓶頸。假體周圍骨量減少是引起假體無菌性松動(dòng)的重要原因。生物型假體的穩(wěn)定主要靠周圍骨組織長(zhǎng)入其假體涂層，只有當(dāng)骨組織長(zhǎng)入假體涂層中才能避免假體松動(dòng)。但假體受力并不是均勻的，而傳統(tǒng)假體涂層均勻分布顯然會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域涂層過少或過多，如何讓有限的涂層中長(zhǎng)入更多骨組織是臨床重點(diǎn)考慮的問題。關(guān)節(jié)置換會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，使大部分應(yīng)力分布在人工關(guān)節(jié)假體上，導(dǎo)致分布在假體周圍人體骨骼上的應(yīng)力減少，這種變化可破壞假體周圍骨骼的骨形成與骨平衡[8]。朱俊峰等[9]根據(jù)股骨近端應(yīng)力的有限元分析結(jié)果，在體外模擬應(yīng)力遮擋的細(xì)胞力學(xué)環(huán)境，觀察不同強(qiáng)度的應(yīng)力遮擋環(huán)境對(duì)成骨細(xì)胞相對(duì)活性、增殖指數(shù)和凋亡指數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)股骨假體近端的應(yīng)力遮擋能抑制成骨細(xì)胞增殖并刺激其凋亡。根據(jù)Wolff定律，應(yīng)力減少的區(qū)域骨組織發(fā)生再吸收，造成骨量丟失，BMD下降，這種現(xiàn)象稱為適應(yīng)性骨改建[13]。據(jù)此分析，如假體周圍某處BMD隨時(shí)間逐漸變大，說明此處所受的應(yīng)力較大。如將生物型髖臼假體在此處的表面生物涂層加厚，讓周邊更多的骨小梁長(zhǎng)入假體涂層內(nèi)，可提高假體的穩(wěn)定性。

隨著骨科數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，Mimics軟件可利用CT及MRI數(shù)據(jù)完成THA前后三維模型的重建，利用軟件交互式操作，任意角度旋轉(zhuǎn)、平移，從而多角度直觀觀察髖關(guān)節(jié)。CT值與BMD呈正相關(guān)，通過Mimics軟件測(cè)量HTA前、后不同時(shí)間、相同位置的CT值，可動(dòng)態(tài)反映HTA后假體周圍BMD的變化。本研究結(jié)果顯示，20例THA患者術(shù)前及術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)A、B、C、D區(qū)域BMD比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；術(shù)后3、6、12個(gè)月E、F、G區(qū)域BMD均高于術(shù)前，I、J區(qū)域BMD均低于術(shù)前，術(shù)后1、3、6、12個(gè)月H區(qū)域BMD均低于術(shù)前。說明隨著術(shù)后時(shí)間的延長(zhǎng)，髖臼假體中心部位BMD逐漸升高，間接反映髖臼中心部位所受應(yīng)力較大。提示在不改變髖臼假體整體重量的前提下將其中心部位涂層加厚，減少其下極處涂層，增加中心區(qū)孔隙率，可以讓更多的新鮮骨細(xì)胞長(zhǎng)入該區(qū)，從而提高生物型假體穩(wěn)定性，減少假體松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)[14，15]。

綜上所述，生物型THA患者手術(shù)前后髖臼假體上極周圍BMD變化不大，但隨著術(shù)后時(shí)間的延長(zhǎng)，中心部位BMD逐漸升高，下極周圍BMD逐漸降低。在本研究的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步延伸，通過有限元網(wǎng)格劃分等構(gòu)建人體髖關(guān)節(jié)三維有限元模型，利用有限元分析軟件，在重建模型上測(cè)定不同臼杯的擺放位置對(duì)髖臼周圍應(yīng)力分布的影響；同時(shí)可利用有限元分析結(jié)果判斷應(yīng)力集中區(qū)域及分散區(qū)域的具體位置，尋找髖臼周圍應(yīng)力分布最為均勻的置入角度，為規(guī)范臼杯置入位置提供理論標(biāo)準(zhǔn)。以上均為未來研究的方向，需進(jìn)一步深入探討。

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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

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20112BBG70072)。

繆鋅(1988-)，男，住院醫(yī)師，研究方向?yàn)閯?chuàng)傷及關(guān)節(jié)外科疾病。E-mail: miao.xin1314@163.com

凌強(qiáng)(1958-)，男，副教授、碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閯?chuàng)傷及關(guān)節(jié)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)