股骨頸前傾角測量方法的回顧與展望

徐高翔，唐佩福

解放軍總醫院第一醫學中心 骨科，北京 100853

股骨頸前傾角即股骨頸軸與髁平面(由股骨干軸和股骨髁軸確定)所成的夾角。隨著對髖關節疾病認識的加深，人們發現股骨頸前傾角的大小與髖關節受力、發育異常有著密切關系，并對手術時機及方式的選擇有著重要意義[1-6]。因此，如何準確測量股骨頸前傾角一直是骨科領域的關注熱點。以往的X 線片及CT 掃描層片，只能從二維角度進行股骨頸前傾角的大致測量。隨著三維重建技術及計算機輔助設計(computer aided design，CAD)的出現，測量者已實現股骨頸前傾角的三維準確測量，并在臨床大量應用。但由于CT 掃描范圍受限、三維重建過程繁瑣和手術視野受限等不足，實現患者術前及術中前傾角的便捷精準測量仍存在一定困難。但隨著計算機技術及混合現實技術的發展，這些難題都正在逐漸解決。本文就以上的測量方法進行綜述，旨在為臨床提供指導參考。

1 股骨頸前傾角的實體測量

自19 世紀股骨頸前傾角被Wolff 提出后，人們開始進行前傾角具體數值的測量以滿足臨床的需要。Billing[7]于1954 年對股骨頸前傾角做了明確的定義，即股骨頸平面與髁平面的夾角，其對前傾角的定義得到了廣泛的認同[8-10]。Broca 通過實體測量最先提出股骨頸前傾角為2° ～ 38°；隨后許多研究者通過研究，認為前傾角范圍是11.9° ～ 25°[11]；Kingsley 和Olmsted[12]將前傾角定義為股骨頸軸線與股骨干軸線和股骨髁中線所確定平面的夾角，通過測量638 例股骨，證實前傾角小于以往認為的25°。1989 年，Wedge 等[13]在研究髖關節炎時，發現以往測量前傾角時所確定的股骨頸中軸線并未與實際中軸線重合，與之前的定義并不相符，其將股骨頭頸經過股骨頭中心與股骨頸基底部進行橫向切割，切割平面并與股骨頸中軸平行，測量的結果為12.0°±7.45°。通過對尸體股骨的測量，普遍認為股骨頸前傾角平均為8.021°，女性8.11°，男性7.94°，大于10°為接近異常，大于15°為異常。隨后更多學者開始著重于通過影像學方法測量股骨頸前傾角以滿足臨床需要。

2 股骨頸前傾角的X 線片測量

在臨床工作中，人們為了能夠通過X 線片快速便捷地測量股骨頸前傾角，對患者體位、投照方式、前傾角的計算方法進行了許多研究和探索。Dunn[14]提出將患者呈仰臥、屈髖屈膝90°、兩側股骨同時外展15°的體位進行測量。并通過比較標本實體股骨頸前傾角在X 線片上的投照位置與真實位置的差異，發現隨著前傾角度的增大，X 線片測量值與實際值間的差異越大。Dunlap 等[15]通過測量髖部平片頸干角及髖部側位片前傾角來計算實際前傾角。測量結果表明在髖外展10°時，隨著頸干角的增大，測量誤差也迅速增大。并認為影響其準確性的主要因素為：1)股骨屈曲、外展和髖關節旋轉的程度；2)頸干角的大小；3)投照方向；4)股骨干前弓的曲度。Ryder 和Crane[16]借鑒了Dunlap 的方法，設計了更為簡單的體位架，在外展30°的體位下進行實際前傾角的測量與計算，認為在任何外展角度下，實際前傾角值與頸干角及測量前傾角存在穩定關系：tan A=tan a×cos (i-θ)/cos i(A：實際前傾角；a：測量前傾角；i：外展角-90°；θ：股骨外展角)。但其所標定的股骨頭、股骨頸和股骨干的中軸線均為目測，使測量的精確性受到質疑。Magilligan[8]借鑒Laage 與Ryder 的測量方法并參照Billing[7]的定義，提出了一種新的測量計算方法，彌補了以往測量時軸線標定不明確的缺點。鑒于X 線片測量時拍片體位及器械的復雜性，Ogata 與Goldsand[17]于1979 年提出了一種更為簡便的方法：患者股骨干及股骨髁遠端平面與攝片臺平行拍攝正位X 線片；屈髖屈膝90°，外旋大腿使股骨髁連線與攝片臺垂直拍攝側位X線片。分別在正側位X 線片上測量頸干角α、β，前傾角θ 與α、β 的關系是tanθ=tanβ/tanα。其方法相對比較簡單，單僅在4 例股骨標本中進行精確性驗證，可信度受到質疑。然而由于X 線片提供的是空間疊加信息，特別是股骨近端形態嚴重不規則及對患者體位要求較高，使得股骨近端前后位及側位X 線片上只能提供粗略的二維信息，這是使用X 線片測量的固有缺陷。

3 股骨頸前傾角的CT 測量

隨著CT 的出現，研究者的焦點逐漸轉移到如何在CT 斷層圖像中測量前傾角。Weiner 等[18]于1978 年系統地描述了CT 測量前傾角的方法：患者通過掃描得到較為理想的股骨頸橫切面和股骨遠端橫切面，并將其重疊于同一平面中，在同一平面上測量股骨頸軸線與通髁線的夾角，即為股骨頸的前傾角；試驗結果表明CT 測量與X 線片測量之間的差異為6°。Hernandez 等[9]在Weiner 的基礎上，補充了CT 掃描時患者的體位與掃描范圍。Murphy 等[10]在前人的基礎上對不同掃描方式、不同的軸線標定及角度測量方法進行了實驗對比，建議遵循Billing 的定義，在2 個平面上分別確定股骨頭及股骨頸基底部中心以確定股骨頸的中軸線。再選擇股骨髁最大平面做后髁切線，從而測量前傾角。該方法得到了廣泛的認同和應用，并成為CT 測量的標準之一。但Hermann 和Egund[19]認為由于疼痛等原因患者很難達到標準體位。患者在盡量達到股骨平行于攝片臺，但不采用體位架或過分強迫的條件下，傳統兩平面測量值與參考值間平均差異為8.8°。因此，他提出用數學校正的方法來消除下肢體位的影響，通過公式校正后測量值與參考值間差異為0.1°。同時，其認為前傾角是個3D 空間的概念，只有在3D 的圖像上測量，才能得到真正的前傾角值。Jarrett 等[20]也認為傳統的CT 測量方法，由于個體頸干角及體位的差異會產生較大的誤差，作者建議用斜軸位CT 測量法代替傳統CT 測量方法以減小測量誤差。雖然CT測量在精度、可信度及拍片測量方法的簡易程度方面優于雙平面X 線法，但由于CT 同樣受患者體位及個體解剖學差異影響，與真實值間仍有一定差異[21-22]。而隨著CAD及CT三維重建技術的發展，解決了CT 在測量方面的不足。

4 CT 三維重建測量股骨頸前傾角

三維重建技術就是將二維的CT 數據輸入三維重建軟件中，并在冠狀位、矢狀位及水平面三個平面上實現圖像還原，同時通過容量計算法可以構建三維模型。三維重建技術被引入到骨科伊始，就被用來研究股骨近段結構[23-25]。Lee 等[26]認為以往由于設備、方法及體位的不同，股骨頸前傾角的測量值變異較大(0° ～ 40°)。同時，X 線片與二維的CT 并不能準確反映三維前傾角的大小，理想的方法是在3D 圖像中測量。其改良了ORTHODOC 軟件公司的ISS 方法，將三維中的股骨頸軸線與股骨通髁線整合于同一平面上，測量其夾角即為前傾角。此方法與以往測量方法的結果無統計學差異，但觀察者間的誤差為1.1°，個體誤差為1.0°，可重復性較高，但該方法較復雜且受軟件限制。隨著Mimics 等軟件的飛速發展，臨床醫生進行股骨解剖形態的測量更為精確與便捷。趙晶鑫等[27]運用Mimics 軟件將股骨頭擬合為球，并人為標定股骨頸最峽部圓心，連接球心和圓心的連線即為股骨頸軸，再通過3D Studio Max 軟件建立代表測骨臺水平板的空間直角坐標系，其中X-Y平面代表股骨遠端雙髁后方和大轉子后方接觸的標準冠狀面。股骨頸軸與X-Y 平面的夾角即為股骨頸前傾角。Jia 等[28]在研究小兒先天性髖脫位時，對正常髖關節的前傾角3D 測量也進行了探討。他在股骨三維重建模型上測量了股骨頸前傾角，并與普通二維CT 掃面測量方法進行了比較，認為三維像上測量與二維CT 測量無明顯差異。張海峰等[29]對140 例干性股骨標本進行實際測量及CT 掃描重建測量，實體測量前傾角平均值為14.34°±0.86°，三維重建測量前傾角平均值為14.06°±0.57°，兩參數無統計學差異(P ＞0.05)，證實三維重建測量可準確反映實際股骨前傾角大小。Li 等[30]對132例髖關節進行的三維重建測量，結果也證實三維測量的準確度最高。隨著計算機導航技術的發展，其與三維重建技術也逐漸運用到手術過程當中。Zheng 等[31]術前利用Mimics17.0 對11 例髖部患兒進行股骨近端進行重建與解剖參數測量，術中利用個體導航板進行精確導航，實現了患者的精準化個體治療，相比傳統手術明顯減少了手術時間、術中出血量和對患者及術者的損傷。隨著計算機技術的發展及三維測量方法的不斷改善，CT 三維重建在臨床中的應用也逐漸增多，并體現出了其強大的優勢。但由于CT 掃描范圍受限、三維重建過程中股骨分割與測量較為繁瑣、手術術野受限等不足，在一定程度上限制了其在臨床上的廣泛應用。

5 前傾角測量的新進展

利用Mimics 軟件進行股骨三維重建時，股骨分割與解剖參數的測量十分繁瑣，筆者在操作過程中也深有體會。介于這個問題，許多學者希望能通過計算機進行自動分割和測量。而由于股骨CT 掃描自動分割過程中存在骨骼邊界模糊、關節間隙狹窄、股骨形狀和密度存在變化以及腿部姿勢不同等問題，該技術遲遲沒有突破。而隨著計算機人工智能技術的發展，特別是深度學習領域的研究，這些問題也逐漸迎刃而解。陳芳等[32]設計了新型的3D 特征增強網絡，運用邊緣探測及多維特征融合兩個特征增強模塊，實現了股骨的自動準確分割與三維重建，股骨的相似度高達96.88%，平均耗時0.93 s，在骨性結構分割方面實現了巨大突破。汪軼平等[33]自主研發的Femeter軟件可讀取股骨的STL 模型，手工選取目標解剖標志點，可實現股骨頭半徑、頸干角、前傾角等相關股骨近端參數的自動計算，其平均測量時間為(0.95±0.16) s，各解剖測量項的評定者內和評定者間可靠性較高。然而由于髖部CT 掃描大多只涵蓋股骨近端區域，不涵蓋股骨遠端，單單依靠傳統方法進行測量是無法實現的。所以如何利用近端股骨CT 進行前傾角的預測也是目前研究的熱點。Veilleux 等[34]開發了一種自動識別股骨主要標志的算法，通過選取6 條近端軸線和200 個股骨模型測量參數建立了一個144 例正常股骨的近端股骨形狀統計模型，得到了最佳線性相關函數，通過新的解剖標志預測的前傾角與真實前傾角之間的差值僅在0.00°±5.13°，平均絕對誤差僅為4.14°，其相對于術前二維測量及術中目測方法有了極大改善。通過以上技術的進展，實現股骨近端解剖參數的便捷準確測量已不再是難題。但由于手術過程中患者解剖形態有賴于術者的大腦重組還原，而由于術者年資經驗不同及術前信息了解不完善，手術方案的精確制訂也會受到影響，給手術帶來一定的安全隱患[35]。近年來隨著混合虛擬現實技術在醫學上的逐漸應用，可以將患者的骨骼解剖形態疊加在虛擬物理空間上，在術中不擴大切口的情況下實現病人股骨近端解剖形態的三維可視化，根據不同股骨的特定解剖學參數術前定制出髓內釘及其輔助手術器械用以定位最佳入釘點，并快速應用于接下來的關節成形或骨折手術[36-40]。