一種測量股骨扭轉角的新方法及不同測量方法間的差異性與可靠性比較

肖凱,張洪,任寧濤,張建立,程徽,羅殿中*

(1.航天中心醫院骨科,北京 100048;2.解放軍總醫院第四醫學中心骨科學部,北京 100048)

股骨扭轉角作為評估股骨近端扭轉畸形的重要指標,臨床中常常需要根據其數值大小決定是否需要進行股骨旋轉截骨術[1],或在行人工髖關節置換時選擇可調扭轉角的特殊假體或技術[2-3]。精確測量股骨扭轉角對于臨床治療畸形的評估及治療方案的決策有重要的作用。

股骨扭轉角的測量方式最早采用雙平面X線法[4]。隨著CT技術的發展,其逐漸取代X線法,成為測量股骨扭轉角的主流方法。測量時需要對髖關節層面及股骨髁層面進行平掃,分別確定兩層面軸線。不同作者在單層面、跨層面或在進行疊加處理后的圖像上選擇不同解剖標記點定義股骨頸的軸線[5-8]。有文獻報道的不同方法測量股骨扭轉角數值有較大差異[9-11]。股骨髁層面則大多選擇可重復性最好的股骨后髁的連線[8]。

本研究的目的是評估不同股骨扭轉角測量方法的觀測者間及觀測者內差異;提出測量股骨扭轉角的新方法,并驗證其觀測者間及觀測者內差異;比較不同測量方法的結果差異,現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2020年9月至2021年5月因發育性髖關節發育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)在解放軍總醫院第四醫學中心就診,擬行保髖手術的患者。所有患者均有完整的骨盆(含股骨髁)CT影像。排除標準包括:嚴重骨關節炎;嚴重髖內翻/外翻;股骨頭畸形。本研究共納入20例患者(40髖),均為女性,年齡19～40歲,平均(29.4±5.7)歲。

1.2 測量方法 選取了文獻中報道的4種具有代表性的股骨扭轉角測量方法,分別為Reiker?s法[5]、Murphy法[8]、Weiner法[6]、Batailler法[7]。同時,本研究團隊也提出了一種新的股骨扭轉角測量方法。本研究共有3名觀測者,分別應用5種測量方法獨立完成對所有病例的測量,每人重復測量2次,2次間隔時間不小于1個月。測量工具選用影像歸檔和通信系統(picture archiving and communication systems,PACS)系統。

測量開始前,觀測者分別閱讀了4種文獻報道測量方法的原文獻,同時也明確新方法的標記點定位旋轉標準。在股骨頸層面各測量方法的層面選擇及解剖定位點如下。Reiker?s法(見圖1a):雙層面結合確定股骨頸軸線,一個層面選擇股骨頭最大的層面確定股骨頭中心,另一個層面選擇股骨頸前后皮質盡量平行的層面,將過股骨頭中心平分股骨頸的線為股骨頸軸線。Weiner法(見圖1b):將股骨頭頸所有層面進行疊級投影到一張圖片(由CT室完成),選擇等距的3個股骨頸前后皮質中心點的連線為股骨頸軸線。Batailler法(見圖1c):選擇切到股骨頭與股骨頸前上方的層面,此層面大轉子前后緣連線的中點與股骨頭中心的連線為股骨頸軸線。Murphy法(見圖1d):雙層面結合確定股骨頸軸線,一個層面選擇股骨頭最大的層面確定股骨頭中心,另一個層面選擇股骨頸基底部中心,兩個中心的連線為股骨頸軸線。新方法(見圖1e):測量層面選擇大轉子的最高點層面,即從股骨頭頂點向遠端翻看圖像,至剛露出大轉子骨質的層面,本研究團隊將股骨頭中心與露出的大轉子骨質中心的連線作為股骨頸的軸線。通常股骨頸軸線的測量可在一層圖像上完成,若大轉子最高點層面股骨頭圓度不好或位于股骨頭偏下的區域,則可跨層面測量,即分別選擇股骨頭中心層面與大轉子頂點層面,將兩個中心的連線作為股骨頸軸線。所有測量方法在股骨髁層面均選擇股骨后髁連線作為股骨髁軸線(見圖1f)。

a Reiker?s法 b Weiner法 c Batailler法

d Murphy法 e 新方法 f 股骨后髁連線

1.3 統計學分析 計算每種測量方法所有測量結果的平均值,應用ANOVA方差分析,比較5種測量方法間是否存在差異,若存在差異則進一步進行兩兩比較。分別計算3名觀測者對5種測量方法前后兩次測量結果的組內相關系數(interclass correlation coefficient,ICC),同時應用配對t檢驗比較兩次測量結果的均值。取每名觀測者前后2次測量結果的平均值,計算3名觀測者每種測量方法的ICC,同行進行ANOVA方差分析,明確3組數據均值是否相等。

2 結 果

將3名觀測者對40髖進行2次測量結果進行匯總分析,Reiker?s法的平均股骨頸扭轉角為(26.05±13.12) °、Weiner法為(34.22±13.72) °、Batailler法為(36.09±13.16) °、Murphy法為(38.16±13.33) °、新方法為(39.38±14.08) °(見圖2)。ANOVA方差分析顯示不同測量方法測得的結果不全相等(F=6.097,P<0.001)。進一步兩兩比較顯示,除了Murphy法和新方法間差異無統計學意義(P=0.074),其余每兩種方法間結果差異均存在統計學意義(P<0.001)。

圖2 五種測量方法的結果分布圖

對觀測者應用同一方法前后兩次測量結果進行配對t檢驗顯示,Reiker?s法有1人次前后測量結果差異有統計學意義(P=0.003),Batailler法有1人次前后測量結果差異有統計學意義(P=0.001),Murphy法有2人次前后測量結果差異有統計學意義(P=0.018,P<0.001),其余前后測量結果間差異均無統計學意義(見表1)。每種方法6人次測量的最大值與最小值的差值分別為Reiker?s法4.13 °,Weiner法1.64 °,Bataller法3.66 °,Murphy法5.34 °,新方法2.41 °。進一步計算組內相關系數顯示,各種方法的ICC均較高(見表2)。

表1 3名觀測者兩次測量的結果及測量差異比較

表2 觀測者內一致性分析

將每名觀測者每種方法前后兩次測量數值取平均值,然后分別對每種測量方法對應的3組數據進行ANOVA方差分析。結果顯示Reiker?s法(P<0.001)、Batailler法(P=0.001)、Murphy法(P=0.016)這三種方法分別測量三組數據間均不全相等。Weiner法與新方法各自對應的三組數據間無明顯差異。觀測者間一致性分析顯示,五種測量方法的組間一致性均較高(ICC 0.928～0.970,見表3)。

表3 觀測者間差異及一致性分析

3 討 論

通過對20例骨骼發育成熟的髖關節發育不良髖關節進行股骨扭轉角測量,不同測量方法測得的股骨扭轉角平均值在26.05 °～39.38 °間,顯著大于文獻中報道的正常值[12]。雖然納入本研究的患者并非完全遵循隨機抽樣,但一定程度上也說明DDH患者的股骨扭轉角存在不同程度的增大。

股骨扭轉角的變化除了會對患者的關節活動度、步態產生影響[12-13],還可能通過改變髖關節力臂影響髖關節內生物力學,如扭轉角增大會使髖關節外展肌力臂降低,同時增大屈髖肌的力臂[14-15]。有研究顯示,相比-2 °的扭轉角,扭轉角為30 °時,髖關節應力高了24%,扭轉角14 °時應力高了8%[16]。異常的應力可能加速髖關節骨關節炎的進展,Li等[14]研究發現髖關節骨關節炎側的扭轉角要大于對側相對正常的扭轉角。此外,本研究團隊之前的研究也發現,異常增大的扭轉角會影響DDH患者關節穩定性,導致癥狀出現時間提前[17]。因此,糾正異常增大的股骨扭轉角是DDH患者治療中的重要一環。而如何精確測量股骨扭轉角則為畸形的糾正提供重要的參考標準。

隨著CT及MRI技術的發展,基于CT及MRI圖像的股骨扭轉角測量成為目前主流的測量方法。測量時如何確定股骨頸的軸線成為不同測量方法間的核心差異。為了明確哪種測量方法的測量穩定性更高,本研究選擇了4種文獻中報道的代表性方法,同時提出了一種新的測量方法。將5種方法測量的數據分析顯示,Reiker?s法平均股骨頸扭轉角為(26.05±13.12) °、Weiner法為(34.22±13.72) °、Batailler法為(36.09±13.16) °、Murphy法為(38.16±13.33) °、新方法為(39.38±14.08) °,不同測量方法結果間存在一定差異,部分測量方法間差異甚至超過10 °。除了Murphy法與新方法間結果差異無統計學意義,其余各方法間差異均有統計學意義。由于不同作者在二維CT選擇的定位點不同,定義的股骨頸軸線間也存在差異,這導致不同方法間的測量結果存在較大的差異,這種差異甚至超過10 °,與Schmaranzer等結論相似[9-10]。因此,臨床中在測量扭轉角時需要注明測量方法,不同的測量方法結果不能混用。在股骨頸軸線的定義上,新方法和Murphy法均選擇了股骨頭的中心,不同的是在另一個點的選擇上,新方法選擇大轉子頂點,而Murphy法選擇股骨頸基底部的中心,兩者結果的類似也提示大轉子頂點與股骨頸基底部在橫斷面的投影較為一致。

進行觀測者內及觀測者間一致性分析顯示,5種方法的組內ICC(0.798～0.981)及組間ICC(0.928～0.970)均超過0.75,提示各種方法的可重復性及可信度均較好。但是,ICC數值較高僅僅提示不同組別的數據在扭轉角變化時,結果趨向一致性較高,即當測量較大的扭轉角時,每名觀測者兩次測量結果或不同觀測者的測量結果均較大。相反,測量較小的扭轉角時,每名觀測者兩次測量結果或不同觀測者的測量結果均較小。因此,單純的ICC不能反應出不同組數據是否直接存在系統的差異。所以,本研究團隊同時進行了t檢驗及方差分析。對同一觀測者前后兩次測量結果t檢驗顯示,Reiker?s法與Batailler法均有1人次前后測量結果存在統計學差異,而Murphy法有2人次存在差異。對不同觀測者進行方差分析同樣顯示Reiker?s法、Batailler法與Murphy法3名觀測者間數據存在系統差異。Weiner法及新方法無論t檢驗還是方差分析均顯示出均值一致性好。

通過測量過程中發現的問題進行總結,對5種測量方法的優缺點進行總結分析:(1)Reiker?s法在定義股骨頸中心時需要選擇股骨頸前后緣平行的層面,但是測量過程中發現大多數病例無法找到這一理想的層面,這可能是導致不同觀測者間及1名觀測者前后兩次測量結果存在差異的原因。(2)Batailler法作為一種“功能性”的股骨扭轉角測量方法,即通過選擇大轉子標志點進行定位。該方法需要找到測量平面大轉子前后緣的中點,原文插圖顯示大轉子前緣與大轉子前后緣連線方近乎垂直,但實際測量中該層面大轉子前緣常呈現出斜面,因而給大轉子前緣的選點帶來困擾。這可能是導致觀測者間及1名觀測者前后測量結果出現差異的原因。(3)Murphy法是文獻中經常使用的測量方法。其原文中股骨頸軸線的定義是股骨頭中心與股骨頸基底部的中心的連線。但股骨頸基底部這一概念極其不明確,從不同文獻的描述及插圖可以看出,不同作者對這一概念有著完全不同的理解[7,9]。本研究中,盡管3名觀測者在測量前已經基本統一了測量方法,即選擇小轉子上方層面作為股骨頸基底部。但即使這樣,3名觀測者間及2名觀測者前后測量結果間差異均有統計學意義。(4)Weiner法通過軟件將股骨頸各層掃描圖像進行疊加處理,得以將股骨頭、股骨頸及大轉子投影到一張圖片。因為可以觀測到股骨頭頸部全貌,使得股骨頸軸線更加容易確定。無論觀測者間還是觀測者內均具有較好的一數性。但該方法需要特定軟件的加持,可能會限制基層醫療機構的應用。(5)本研究提出的新方法類似Batailler法,解剖標志點選擇了大轉子,而非股骨頸,也可以理解為一種功能性股骨扭轉角的測量方法。本研究選擇了股骨頭中心與大轉子剛露出層面骨質的中心連線作為股骨頸軸線。大多數患者大轉子剛露出的層面骨質呈現類似圓形,可以較為容易地選點測量。少數患者大轉子剛露出的層面骨質呈現扁平不規則性,選點稍顯復雜。新方法的觀測者內及觀測者間一致性均良好。應用新方法測量的結果與Murphy法測量結果相仿,二者均值比較差異無統計學意義,組內及組間差異均優于Murphy法,作者團隊認為該方法一定程度上可以代替Murphy法。

綜上所述,不同方法測量股骨扭轉角的數值差異較大。本研究提出的新方法可有效測量股骨扭轉角,數值與Murphy法相仿。五種方法的ICC均處于較高水平,但相比其他方法,Weiner法及新方法的可重復性及可靠性最高。

不足之處:本研究納入病例數相對較少,新方法未對正常人群進行大規模測量,因此目前無法給出正常參考值。