雙側(cè)肱骨近端骨骼外形一致性的三維CT研究

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。

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