徐高翔，唐佩福

解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)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(guān)節(jié)疾病認(rèn)識的加深，人們發(fā)現(xiàn)股骨頸前傾角的大小與髖關(guān)節(jié)受力、發(fā)育異常有著密切關(guān)系，并對手術(shù)時機(jī)及方式的選擇有著重要意義[1-6]。因此，如何準(zhǔn)確測量股骨頸前傾角一直是骨科領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。以往的X 線片及CT 掃描層片，只能從二維角度進(jìn)行股骨頸前傾角的大致測量。隨著三維重建技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)的出現(xiàn)，測量者已實(shí)現(xiàn)股骨頸前傾角的三維準(zhǔn)確測量，并在臨床大量應(yīng)用。但由于CT 掃描范圍受限、三維重建過程繁瑣和手術(shù)視野受限等不足，實(shí)現(xiàn)患者術(shù)前及術(shù)中前傾角的便捷精準(zhǔn)測量仍存在一定困難。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，這些難題都正在逐漸解決。本文就以上的測量方法進(jìn)行綜述，旨在為臨床提供指導(dǎo)參考。

1 股骨頸前傾角的實(shí)體測量

自19 世紀(jì)股骨頸前傾角被Wolff 提出后，人們開始進(jìn)行前傾角具體數(shù)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(rèn)同[8-10]。Broca 通過實(shí)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(rèn)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(shí)前傾角小于以往認(rèn)為的25°。1989 年，Wedge 等[13]在研究髖關(guān)節(jié)炎時，發(fā)現(xiàn)以往測量前傾角時所確定的股骨頸中軸線并未與實(shí)際中軸線重合，與之前的定義并不相符，其將股骨頭頸經(jīng)過股骨頭中心與股骨頸基底部進(jìn)行橫向切割，切割平面并與股骨頸中軸平行，測量的結(jié)果為12.0°±7.45°。通過對尸體股骨的測量，普遍認(rèn)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(xué)者開始著重于通過影像學(xué)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?yōu)榱四軌蛲ㄟ^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(jì)算方法進(jìn)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(cè)股骨同時外展15°的體位進(jìn)行測量。并通過比較標(biāo)本實(shí)體股骨頸前傾角在X 線片上的投照位置與真實(shí)位置的差異，發(fā)現(xiàn)隨著前傾角度的增大，X 線片測量值與實(shí)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(cè)位片前傾角來計(jì)算實(shí)際前傾角。測量結(jié)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(rèn)為影響其準(zhǔn)確性的主要因素為：1)股骨屈曲、外展和髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的程度；2)頸干角的大?。?)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(shè)計(jì)了更為簡單的體位架，在外展30°的體位下進(jìn)行實(shí)際前傾角的測量與計(jì)算，認(rèn)為在任何外展角度下，實(shí)際前傾角值與頸干角及測量前傾角存在穩(wěn)定關(guān)系：tan A=tan a×cos (i-θ)/cos i(A：實(shí)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(biāo)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(zhì)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(jì)算方法，彌補(bǔ)了以往測量時軸線標(biāo)定不明確的缺點(diǎn)。鑒于X 線片測量時拍片體位及器械的復(fù)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(yuǎn)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(cè)位X線片。分別在正側(cè)位X 線片上測量頸干角α、β，前傾角θ 與α、β 的關(guān)系是tanθ=tanβ/tanα。其方法相對比較簡單，單僅在4 例股骨標(biāo)本中進(jìn)行精確性驗(yàn)證，可信度受到質(zhì)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(tài)嚴(yán)重不規(guī)則及對患者體位要求較高，使得股骨近端前后位及側(cè)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(xiàn)，研究者的焦點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到如何在CT 斷層圖像中測量前傾角。Weiner 等[18]于1978 年系統(tǒng)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(yuǎn)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(yàn)結(jié)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(chǔ)上，補(bǔ)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(chǔ)上對不同掃描方式、不同的軸線標(biāo)定及角度測量方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(rèn)同和應(yīng)用，并成為CT 測量的標(biāo)準(zhǔn)之一。但Hermann 和Egund[19]認(rèn)為由于疼痛等原因患者很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)體位?；颊咴诒M量達(dá)到股骨平行于攝片臺，但不采用體位架或過分強(qiáng)迫的條件下，傳統(tǒng)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(shù)學(xué)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(rèn)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(rèn)為傳統(tǒng)的CT 測量方法，由于個體頸干角及體位的差異會產(chǎn)生較大的誤差，作者建議用斜軸位CT 測量法代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(yōu)于雙平面X 線法，但由于CT 同樣受患者體位及個體解剖學(xué)差異影響，與真實(shí)值間仍有一定差異[21-22]。而隨著CAD及CT三維重建技術(shù)的發(fā)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(shù)就是將二維的CT 數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)圖像還原，同時通過容量計(jì)算法可以構(gòu)建三維模型。三維重建技術(shù)被引入到骨科伊始，就被用來研究股骨近段結(jié)構(gòu)[23-25]。Lee 等[26]認(rèn)為以往由于設(shè)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(zhǔn)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(jié)果無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但觀察者間的誤差為1.1°，個體誤差為1.0°，可重復(fù)性較高，但該方法較復(fù)雜且受軟件限制。隨著Mimics 等軟件的飛速發(fā)展，臨床醫(yī)生進(jìn)行股骨解剖形態(tài)的測量更為精確與便捷。趙晶鑫等[27]運(yùn)用Mimics 軟件將股骨頭擬合為球，并人為標(biāo)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(biāo)系，其中X-Y平面代表股骨遠(yuǎn)端雙髁后方和大轉(zhuǎn)子后方接觸的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)節(jié)的前傾角3D 測量也進(jìn)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(jìn)行了比較，認(rèn)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(biāo)本進(jìn)行實(shí)際測量及CT 掃描重建測量，實(shí)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(shù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P ＞0.05)，證實(shí)三維重建測量可準(zhǔn)確反映實(shí)際股骨前傾角大小。Li 等[30]對132例髖關(guān)節(jié)進(jìn)行的三維重建測量，結(jié)果也證實(shí)三維測量的準(zhǔn)確度最高。隨著計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，其與三維重建技術(shù)也逐漸運(yùn)用到手術(shù)過程當(dāng)中。Zheng 等[31]術(shù)前利用Mimics17.0 對11 例髖部患兒進(jìn)行股骨近端進(jìn)行重建與解剖參數(shù)測量，術(shù)中利用個體導(dǎo)航板進(jìn)行精確導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了患者的精準(zhǔn)化個體治療，相比傳統(tǒng)手術(shù)明顯減少了手術(shù)時間、術(shù)中出血量和對患者及術(shù)者的損傷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及三維測量方法的不斷改善，CT 三維重建在臨床中的應(yīng)用也逐漸增多，并體現(xiàn)出了其強(qiáng)大的優(yōu)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(shù)術(shù)野受限等不足，在一定程度上限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。

5 前傾角測量的新進(jìn)展

利用Mimics 軟件進(jìn)行股骨三維重建時，股骨分割與解剖參數(shù)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(xué)者希望能通過計(jì)算機(jī)進(jìn)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(guān)節(jié)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(shù)遲遲沒有突破。而隨著計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的發(fā)展，特別是深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的研究，這些問題也逐漸迎刃而解。陳芳等[32]設(shè)計(jì)了新型的3D 特征增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用邊緣探測及多維特征融合兩個特征增強(qiáng)模塊，實(shí)現(xiàn)了股骨的自動準(zhǔn)確分割與三維重建，股骨的相似度高達(dá)96.88%，平均耗時0.93 s，在骨性結(jié)構(gòu)分割方面實(shí)現(xiàn)了巨大突破。汪軼平等[33]自主研發(fā)的Femeter軟件可讀取股骨的STL 模型，手工選取目標(biāo)解剖標(biāo)志點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)股骨頭半徑、頸干角、前傾角等相關(guān)股骨近端參數(shù)的自動計(jì)算，其平均測量時間為(0.95±0.16) s，各解剖測量項(xiàng)的評定者內(nèi)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(qū)域，不涵蓋股骨遠(yuǎn)端，單單依靠傳統(tǒng)方法進(jìn)行測量是無法實(shí)現(xiàn)的。所以如何利用近端股骨CT 進(jìn)行前傾角的預(yù)測也是目前研究的熱點(diǎn)。Veilleux 等[34]開發(fā)了一種自動識別股骨主要標(biāo)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(shù)建立了一個144 例正常股骨的近端股骨形狀統(tǒng)計(jì)模型，得到了最佳線性相關(guān)函數(shù)，通過新的解剖標(biāo)志預(yù)測的前傾角與真實(shí)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(shù)前二維測量及術(shù)中目測方法有了極大改善。通過以上技術(shù)的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)股骨近端解剖參數(shù)的便捷準(zhǔn)確測量已不再是難題。但由于手術(shù)過程中患者解剖形態(tài)有賴于術(shù)者的大腦重組還原，而由于術(shù)者年資經(jīng)驗(yàn)不同及術(shù)前信息了解不完善，手術(shù)方案的精確制訂也會受到影響，給手術(shù)帶來一定的安全隱患[35]。近年來隨著混合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的逐漸應(yīng)用，可以將患者的骨骼解剖形態(tài)疊加在虛擬物理空間上，在術(shù)中不擴(kuò)大切口的情況下實(shí)現(xiàn)病人股骨近端解剖形態(tài)的三維可視化，根據(jù)不同股骨的特定解剖學(xué)參數(shù)術(shù)前定制出髓內(nèi)釘及其輔助手術(shù)器械用以定位最佳入釘點(diǎn)，并快速應(yīng)用于接下來的關(guān)節(jié)成形或骨折手術(shù)[36-40]。