朱以明 陳輝 姜春巖 李奉龍 李旭 李岳 卓洪武 宋關(guān)楊

1 北京積水潭醫(yī)院（北京100035）

2 中國(guó)科學(xué)院軟件研究所（北京100190）

Hill-Sachs損傷， 即肱骨頭后上方的壓縮骨折，是復(fù)發(fā)性肩關(guān)節(jié)前脫位病人中常見(jiàn)的一類骨性損傷。 現(xiàn)有研究表明， 非常巨大的Hill-Sachs損傷可明顯影響B(tài)ankart修復(fù)術(shù)的療效，導(dǎo)致病人出現(xiàn)術(shù)后復(fù)發(fā)脫位[1-4]。但是，由于難以估計(jì)病人肱骨頭在出現(xiàn)Hill-Sachs損傷之前正常形態(tài)，因而也難以確定其Hill-Sachs損傷的確切深度及體積。既往曾有研究證實(shí)，正常人雙側(cè)肩盂解剖形態(tài)非常接近， 因而可以健側(cè)肩盂作為患側(cè)肩盂的模板，來(lái)確定患側(cè)肩盂骨缺損的形態(tài)及體積[5]。 我們由此推測(cè)， 如能證實(shí)正常人雙側(cè)肱骨頭解剖形態(tài)亦十分接近，則有可能以健側(cè)肱骨頭作為患側(cè)肱骨頭的模板，從而得到Hill-Sachs損傷的精確形態(tài)特征。 鑒于此，本項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)肩關(guān)節(jié)正常的健康人雙側(cè)肱骨頭三維CT影像進(jìn)行對(duì)比研究， 旨在證實(shí)雙側(cè)肱骨頭解剖形態(tài)的一致性。

1 材料和方法

患者行胸部三維CT檢查時(shí)， 往往需將雙側(cè)肩關(guān)節(jié)一同進(jìn)行掃描。 我們利用無(wú)肩部疾患病史病人的胸部三維CT數(shù)據(jù)， 研究正常人群雙側(cè)肱骨近端解剖結(jié)構(gòu)的一致性。 我們收集了從2012年1月到2012年6月間在我院放射科行胸部三維CT檢查的所有患者的CT數(shù)據(jù)。 根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇三維CT數(shù)據(jù)， 形成健康人雙側(cè)肩關(guān)節(jié)三維CT數(shù)據(jù)庫(kù)。

CT數(shù)據(jù)入選標(biāo)準(zhǔn)：（1） 患者行CT檢查時(shí)體位為雙上肢緊貼體側(cè)或雙上肢抱頭；（2）CT應(yīng)包括完整的雙側(cè)肱骨頭結(jié)構(gòu)；（3）CT掃描條件： 140 KV, 300 mA， 螺距1.0，層厚0.5 mm，矩陣512×512；（4）患者既往無(wú)肩關(guān)節(jié)疾患病史，目前CT顯示無(wú)明顯肩關(guān)節(jié)骨性損傷。

獲得三維CT數(shù)據(jù)后需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理。 首先需將骨性結(jié)構(gòu)與周圍軟組織影分割開(kāi)來(lái)（圖1）。

圖1

第二步，由于我們僅對(duì)骨骼表面輪廓感興趣，不需要研究髓腔內(nèi)形態(tài)，因此，需對(duì)雙側(cè)肱骨近端髓腔內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)填充（圖2）。

圖2

第三步，對(duì)分割、填充后的雙側(cè)肱骨近端結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建， 并選擇保留我們所感興趣的雙側(cè)肱骨近端三維重建后影像（圖3）。

圖3

第四步，由于我們要論證雙側(cè)結(jié)構(gòu)互為鏡像，因此我們還需要將左側(cè)肱骨近端結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)形成鏡像后，與右側(cè)互相配準(zhǔn)，由軟件自動(dòng)使雙側(cè)肱骨近端相互重疊，達(dá)到其表面各對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置最為接近的配準(zhǔn)位置， 得到配準(zhǔn)后模型（圖4）。

圖4

為完成上述各步處理，我們與中國(guó)科學(xué)院軟件研究所合作，開(kāi)發(fā)了專用于本研究的軟件——VMedViewer。該軟件采用Microsoft Visual C++語(yǔ)言編寫(xiě)，Microsoft Visual Studio 2012 編譯運(yùn)行， 圖像繪制使用OSG（OpenSceneGraph）。應(yīng)用該軟件，引入研究對(duì)象三維CT的Dicom數(shù)據(jù)后，可完成上述的分割、填充、三維重建、翻轉(zhuǎn)和配準(zhǔn)等步驟， 最終獲得兩者重合度最佳的重疊模型。

我們將此重疊模型引入VRMesh v8.5 studio軟件中， 首先將研究范圍限定于肱骨外科頸以上的肱骨頭區(qū)域（圖5）。

然后采用軟件中測(cè)量對(duì)應(yīng)點(diǎn)距離的功能， 檢測(cè)兩重疊模型中空間位置最為接近的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間距離。 軟件中， 可自動(dòng)求得研究范圍內(nèi)兩模型上所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)間距離，并得出最大距離、平均距離。 同時(shí)可在肱骨頭模型上找到最大距離的點(diǎn)所在的位置（圖6）。

我們以穿過(guò)肱骨頭關(guān)節(jié)面中線的平面為切割軸，將肱骨頭分為前、后兩部分。將肱骨頭依據(jù)其解剖特點(diǎn)分為肱骨頭關(guān)節(jié)面部、肱骨大結(jié)節(jié)部、肱骨小結(jié)節(jié)部、結(jié)節(jié)間溝部。其中，在肱骨頭關(guān)節(jié)面上和大結(jié)節(jié)的各點(diǎn)上， 依據(jù)其位置與關(guān)節(jié)面中線平面的相對(duì)關(guān)系分為前部關(guān)節(jié)面和后部關(guān)節(jié)面以及前部大結(jié)節(jié)和后部大結(jié)節(jié)。

圖5

圖6

2 結(jié)果

從2012年1月到2012年6月間，共收集在我院放射科行胸部CT檢查的DICOM數(shù)據(jù)216套。去除存在雙上肢擺放位置不合要求、 雙側(cè)肱骨頭掃描不全以及合并肩關(guān)節(jié)骨性損傷等問(wèn)題的CT數(shù)據(jù)，共164套DICOM數(shù)據(jù)符合要求，入選健康人雙側(cè)肩關(guān)節(jié)三維CT數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用本研究方法， 獲得配準(zhǔn)后雙側(cè)肱骨頭內(nèi)任一對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置差異數(shù)據(jù)如下：

配準(zhǔn)后雙側(cè)肱骨頭內(nèi)各對(duì)應(yīng)點(diǎn)間平均距離為0.16± 0.26 mm；最大點(diǎn)間距離3.27 ± 0.87 mm，其中所有標(biāo)本中最大點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離為5.90 mm； 在各個(gè)標(biāo)本中，相對(duì)距離最大對(duì)應(yīng)點(diǎn)分布于后部大結(jié)節(jié)11例 （11/164=6.70%），后部肱骨頭關(guān)節(jié)面65例（65/164=39.63%），位于結(jié)節(jié)間溝40例 （40/164=24.39%）， 前部大結(jié)節(jié)13例（13/164=7.93%）， 前部肱骨頭關(guān)節(jié)面19例 （19/164=11.59%），小結(jié)節(jié)16例（16/164=9.76%）。

3 討論

復(fù)發(fā)性肩關(guān)節(jié)前脫位是臨床上最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)脫位。目前，關(guān)節(jié)鏡下Bankart修復(fù)術(shù)是治療這類損傷的最常用術(shù)式。 但是，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)鏡下Bankart修復(fù)術(shù)僅針對(duì)肩關(guān)節(jié)前方盂肱下韌帶止點(diǎn)處前盂唇損傷進(jìn)行修復(fù)，若患者同時(shí)存在巨大的肱骨頭骨性損傷（Hill-Sachs損傷）， 則會(huì)明顯增加關(guān)節(jié)鏡下Bankart修復(fù)術(shù)后的復(fù)發(fā)脫位率[1-4]。 因此有必要在術(shù)前對(duì)合并的Hill-Sachs損傷進(jìn)行精確測(cè)量，以輔助醫(yī)生決策是否需在術(shù)中對(duì)Hill-Sachs損傷進(jìn)行針對(duì)性處理。

許多研究者試圖通過(guò)術(shù)前影像學(xué)檢查對(duì)Hill-Sachs損傷進(jìn)行評(píng)估。Hall等嘗試在腋位X線片上測(cè)量肱骨頭骨缺損累及范圍及深度[6]；Saito等人試圖在橫斷像的CT上確定肱骨頭骨性損傷所處位置及其大小[7]。但由于肱骨頭在未損傷時(shí)正常形態(tài)不得而知， 因而很難估計(jì)損傷區(qū)域的確切范圍及深度。 Iyengar等的研究則在肱骨近端三維CT上，找到骨缺損所在部位，然后在表面覆蓋虛擬的、與周邊肱骨頭關(guān)節(jié)面最佳匹配的球形，作為發(fā)生缺損之前原始肱骨頭解剖形態(tài)[8]，然后據(jù)此測(cè)量目前骨缺損體積。但是，這一方法所確定的原有肱骨頭外形并無(wú)相關(guān)解剖學(xué)依據(jù)， 其測(cè)量結(jié)果是否能代表實(shí)際骨缺損體積尚存爭(zhēng)議。 這樣的問(wèn)題也發(fā)生在肩盂骨缺損的測(cè)量中。 為解決肩盂骨缺損精確測(cè)量的問(wèn)題，Diederichs等首先提出了以健側(cè)骨骼形態(tài)作為模板來(lái)測(cè)量患側(cè)骨質(zhì)缺損的研究思路。在研究中，他們首先通過(guò)對(duì)健康人雙側(cè)肩盂的解剖學(xué)研究證實(shí)其外形極為近似，因而健側(cè)可作為患側(cè)的鏡像。他們進(jìn)而以病人的健側(cè)肩盂與患側(cè)肩盂相減， 從而得到患側(cè)肩盂前緣骨缺損的形態(tài)[5]。 鑒于上述，我們考慮采用類似的數(shù)字減影技術(shù)，將健側(cè)和患側(cè)肱骨頭的影像相減，從而得到肱骨頭骨缺損的精確形態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一想法， 則可得到新的對(duì)肱骨頭骨性損傷的精確測(cè)量方法。

但是，要想通過(guò)這一方法解決臨床問(wèn)題，首先需要證明正常情況下雙側(cè)肱骨頭外形是一致的。這方面，既往已有一些初步研究。 DeLude等在尸體標(biāo)本上測(cè)量了雙側(cè)肱骨近端骨性結(jié)構(gòu)的11項(xiàng)不同的參數(shù)， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中10項(xiàng)數(shù)值雙側(cè)間差異均無(wú)顯著性，因此，他們認(rèn)為健側(cè)肱骨頭可作為患側(cè)肱骨頭的鏡像來(lái)指導(dǎo)手術(shù)[9]。Von Schroeder等人也對(duì)雙側(cè)肩胛骨尸體標(biāo)本進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)26項(xiàng)解剖學(xué)參數(shù)雙側(cè)均無(wú)顯著性差異[10]。 Sugaya等人的研究亦證實(shí)，健康人的雙側(cè)肩盂的形態(tài)極為相似[11]。 Diederichs等人對(duì)健康人雙側(cè)肩盂的三維CT重建后圖像進(jìn)行軟件測(cè)量得出雙側(cè)肩盂的四項(xiàng)重要的解剖學(xué)數(shù)據(jù)， 結(jié)果顯示雙側(cè)值之間無(wú)顯著性差異[5]。由這些研究的結(jié)果，我們可以看到，雙側(cè)肩關(guān)節(jié)的骨骼大體結(jié)構(gòu)是十分近似的。 另一方面，這些已有的研究往往通過(guò)測(cè)量雙側(cè)骨骼的解剖參數(shù)并互相對(duì)比來(lái)論證雙側(cè)骨骼解剖形態(tài)的一致性。 但解剖參數(shù)一致并不能說(shuō)明骨骼外形完全一致， 而骨骼外形的一致性對(duì)于我們采用健側(cè)作為模板， 求出患側(cè)骨缺損的形態(tài)及各項(xiàng)體積參數(shù)十分重要。

VRmesh studio是一款3D圖形處理軟件。 它的一項(xiàng)重要功能在于可以將兩個(gè)三維圖形文件引入后測(cè)量模型中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的空間距離。 該項(xiàng)功能目前已被廣泛應(yīng)用于口腔及頜面外科的研究中顱骨及牙齒外形的比對(duì)方面[12-15]。

從我們的研究結(jié)果看， 研究對(duì)象中雙側(cè)肱骨近端解剖形態(tài)的一致性很高， 平均肱骨近端表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)間距離僅為0.16 ± 0.26 mm。 所有數(shù)據(jù)中最大點(diǎn)間距為5.9 mm。 若以雙側(cè)外形輪廓相減的方法求出患側(cè)骨缺損外形參數(shù)， 可能由于正常的雙側(cè)外形不一致產(chǎn)生最大5.9 mm的誤差。

我們的研究發(fā)現(xiàn)，各個(gè)解剖部位相比，雙側(cè)肱骨近端在肱骨頭后部關(guān)節(jié)面及結(jié)節(jié)間溝區(qū)域的形態(tài)差異較大。39.63%的研究對(duì)象中，解剖差異最大點(diǎn)位于肱骨頭后部關(guān)節(jié)面上； 而在24.39%的研究對(duì)象中雙側(cè)肱骨近端表面解剖差異最大點(diǎn)位于結(jié)節(jié)間溝。

本研究所得到的結(jié)論亦可作為以健側(cè)肱骨近端作為模板，求出患側(cè)肱骨近端除Hill-Sachs損傷以外的其他部位骨缺損形態(tài)及參數(shù)的研究方法的理論基礎(chǔ)。

本研究的不足之處在于，所引入的病例數(shù)量有限，難以根據(jù)本研究結(jié)果推知人群特點(diǎn)， 因此需繼續(xù)擴(kuò)大研究對(duì)象數(shù)量。

4 總結(jié)

健康成年人雙側(cè)肱骨近端骨性結(jié)構(gòu)外形近似。 表面各點(diǎn)間平均誤差為0.16 ± 0.26 mm， 最大誤差為5.9 mm。

[1] Burkhart SS, De Beer JF. Traumatic glenohumeral bone defects and their relationship to failure of arthroscopic Bankart repairs: significance of the inverted-pear glenoid and the humeral engaging Hill -Sachs lesion. Arthroscopy，2000，16(7):677-694.

[2] Cho SH, Cho NS, Rhee YG. Preoperative analysis of the Hill-Sachs lesion in anterior shoulder instability: how to predict engagement of the lesion. Am J Sports Med，2011，39(11):2389-2395.

[3] Purchase RJ, Wolf EM, Hobgood ER, et al. Hill -sachs“remplissage”: an arthroscopic solution for the engaging hillsachs lesion. Arthroscopy, 2008, 24(6):723-726.

[4] Voos JE, Livermore RW, Feeley BT, et al. Prospective evaluation of arthroscopic bankart repairs for anterior instability. Am J Sports Med, 2010, 38(2):302-307.

[5] Diederichs G, Seim H, Meyer H, et al. CT-based patientspecific modeling of glenoid rim defects: a feasibility study.AJR Am J Roentgenol, 2008,191(5):1406-1411.

[6] Hall RH, Isaac F, Booth CR. Dislocations of the shoulder with special reference to accompanying small fractures. J Bone Joint Surg Am, 1959,41-A(3):489-494.

[7] Saito H, Itoi E, Minagawa H, et al. Location of the Hill-Sachs lesion in shoulders with recurrent anterior dislocation. Arch Orthop Trauma Surg, 2009,129(10):1327-1334.

[8] Iyengar JJ, Jiang KN, Kwon D, et al. 3-D Modeling of humeral head defects in glenohumeral instability: Clinical implications of lesion morphology and the glenoid track concept. J Shoulder Elbow Surg, 23(9):e230-e231.

[9] DeLude JA, Bicknell RT, MacKenzie GA, et al. An anthropometric study of the bilateral anatomy of the humerus.J Shoulder Elbow Surg, 2007,16(4):477-483.

[10] von Schroeder HP, Kuiper SD, Botte MJ. Osseous anatomy of the scapula. Clin Orthop Relat Res， 2001，383:131-139.

[11] Sugaya H, Moriishi J, Dohi M, et al. Glenoid rim morphology in recurrent anterior glenohumeral instability. J Bone Joint Surg Am, 2003, 85-A(5):878-884.

[12] Kamburoglu K, Kursun S, Kilic C, et al. Accuracy of virtual models in the assessment of maxillary defects. Imaging Sci Dent, 2015,45(1):23-29.

[13] Almukhtar A, Ju X, Khambay B, et al. Comparison of the accuracy of voxel based registration and surface based registration for 3D assessment of surgical change following orthognathic surgery. PLoS One, 2014,9(4):e93402.

[14] Kurtulmus-Yilmaz S, Ozan O, Ozcelik TB, et al. Digital evaluation of the accuracy of impression techniques and materials in angulated implants. J Dent, 2014, 42 (12):1551-1559.

[15] Naudi KB, Benramadan R, Brocklebank L, et al. The virtual human face: superimposing the simultaneously captured 3D photorealistic skin surface of the face on the untextured skin image of the CBCT scan. Int J Oral Maxillofac Surg, 2013, 42(3):393-400.