基于CT數(shù)據(jù)的Mimics重建技術在THA患者術后早期全髖界面骨密度分析中的應用

繆鋅，鄧高榮，高翔，吳炳華，張魁忠，李太強，凌強

(南昌大學第四附屬醫(yī)院，南昌330000)

基于CT數(shù)據(jù)的Mimics重建技術在THA患者術后早期全髖界面骨密度分析中的應用

繆鋅，鄧高榮，高翔，吳炳華，張魁忠，李太強，凌強

(南昌大學第四附屬醫(yī)院，南昌330000)

目的 采用Mimics重建技術觀察生物型全髖關節(jié)置換術(THA)患者術后早期全髖界面骨密度(BMD)變化。方法 選擇股骨頭缺血性壞死患者20例，均采用生物型假體行THA。患者手術前及術后1、3、6、12個月行髖關節(jié)64排螺旋CT檢查，采集CT斷層數(shù)據(jù)。將CT斷層數(shù)據(jù)導入Mimics軟件進行髖關節(jié)三維模型重建，設定模型基點，采用其自帶的CAD工具將股骨頭-髖臼弧形界面分為10等份，分別標記為A～J共10個區(qū)域，測量每個區(qū)域的平均CT值，表示其BMD。結果 20例THA患者術前及術后各時間點A、B、C、D區(qū)域BMD比較差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)；患者術后3、6、12個月E、F、G區(qū)域BMD均高于術前，I、J區(qū)域BMD均低于術前(P<0.05或<0.01)；患者術后1、3、6、12個月H區(qū)域BMD均低于術前(P<0.05或<0.01)。結論 生物型THA患者手術前后髖臼假體上極周圍BMD變化不大，而隨著術后時間的延長，中心部位BMD逐漸升高，下極周圍BMD逐漸降低。

股骨頭缺血性壞死；全髖關節(jié)置換術；電子計算機體層攝影；三維重建；生物力學；骨密度

全髖關節(jié)置換術(THA)后假體-骨界面和假體周圍骨生物力學改變一直是骨科、工程學科的研究熱點，主要涉及假體的材料、安裝等，但假體-骨界面的骨質(zhì)量和假體周圍早期骨重塑的過程還存在許多爭論，且研究多局限于動物和離體力學實驗[1]。臨床上多采用雙能X線骨密度儀、定量CT檢測假體周圍骨密度(BMD)，但其無法在三維條件下描述THA后髖關節(jié)周圍BMD的改變[2～4]。Mimics軟件自帶骨CT值測定功能，可間接推斷假體-骨界面周圍早期BMD的改變，從而推導出假體-骨界面周圍早期骨生物力學改變[5，6]。本研究對生物型THA患者手術前后的CT數(shù)據(jù)進行Mimics重建分析，為進一步研究生物型THA后全髖界面BMD的早期改變提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇2011年1月～2013年12月擬于我院行生物型THA的股骨頭缺血性壞死患者20例，男8例、女12例，年齡62～88(75.1±2.2)歲；臨床分型：Garden Ⅲ型13例、Ⅳ型7例。納入標準：①有明確外傷史；②髖部疼痛，不敢站立和走路，移動患肢時疼痛更為明顯，大粗隆升高；③經(jīng)髖關節(jié)正側位X線片檢査確診；④臨床分型為Garden Ⅲ或Ⅳ型股骨頸骨折。排除標準：①病理性骨折者；②已行內(nèi)固定手術且失敗者；③合并影響其生存率的嚴重疾病患者?；颊呷朐汉缶捎蒙镄图袤w進行THA。

1.2 CT檢查及圖像采集 患者手術前及術后1、3、6、12個月行髖關節(jié)64排螺旋CT檢查：患者取平臥位，掃描L5椎體至股骨中段，掃描角度為0°，保持每次掃描時骨盆位置基本一致。掃描條件：層厚3 mm，掃描電壓140 kV。采集CT斷層數(shù)據(jù)，每例患者掃描后可獲得約270張CT斷層圖像。

1.3 髖關節(jié)三維模型重建 ① CT斷層圖像導入：打開Mimics軟件(比利時Materialise公司)，點擊New project wizard，將患者術前CT斷層圖像導入Mimics軟件，定義上、下、左、右、前、后方向之后，軟件自動生成矢狀面、冠狀面、水平斷層面圖像。②重建圖像分割：點擊Segmentation(分割)下的Thresholding按鈕，選擇Bone閾值；點擊Apply，使感興趣部分加入mask(二維蒙板)。利用Region Growing(區(qū)域增長)命令，將骶骨分離出來；利用Segmentation下的Edit Marks命令，在冠狀位和矢狀位逐層擦除髖關節(jié)周圍的二維蒙板；再次利用Region Growing及boolean減法命令，將股骨頭和髖臼分離，分別利用股骨頭和髖臼蒙板重建出股骨頭和髖臼的三維模型。采用同樣的方法導入患者術后1、3、6、12個月CT斷層數(shù)據(jù)，生物假體置換后CT掃描會在假體周圍出現(xiàn)金屬偽影，該偽影需手動去除，去除偽影后即可利用股骨頭和髖臼蒙板重建出術后1、3、6、12個月股骨頭和髖臼三維模型。將股骨頭和髖臼三維模型用不同顏色標記，共獲得20例患者手術前及術后各時間點100個髖關節(jié)三維模型。

1.4 全髖界面CT值測量 取患者手術前的髖關節(jié)三維模型，在三維視窗隱藏股骨三維模型，在髖臼模型上利用MedCAD工具建立測量界面密度的定位點。取股骨大轉子最高點作一基準點，假設每次掃描位置一致，則掃描時通過股骨大轉子最高點這一基準點的橫斷平面有且只有1個。Mimics軟件可以利用掃描所得的橫斷圖像自動重建標準的冠狀面及矢狀面圖像，轉到冠狀面二維視窗，通過股骨大轉子最高點的冠狀面平面也只有1個，調(diào)整到此平面。采用Mimics軟件自帶的CAD工具將股骨頭-髖臼弧形界面分為10等份，分別標記為A～J，共10個區(qū)域，見插頁Ⅰ圖2。A、B、C、D區(qū)域?qū)儆隗y臼假體上極，E、F、G區(qū)域?qū)儆隗y臼假體中心，H、I、J區(qū)域?qū)儆隗y臼假下極。采用Mimics軟件的密度測量工具測量每個區(qū)域的平均CT值，即患者術前股骨頭-髖臼界面的BMD。采用同樣的方法測量患者術后1、3、6、12個月界面平均CT值。

2 結果

20例THA患者術前及術后各時間點A、B、C、D區(qū)域BMD比較差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)；術后3、6、12個月E、F、G區(qū)域BMD均高于術前，I、J區(qū)域BMD均低于術前(P<0.05或<0.01)；術后1、3、6、12個月H區(qū)域BMD均低于術前(P<0.05或<0.01)。見表1。

表1 20例THA患者手術前后各時間點全髖界面BMD變化±s)

注：與術前比較，*P<0.05，#P<0.01。

3 討論

臨床上要求生物型假體與骨組織具有良好的相容性，可以與骨組織形成牢固、持久的結合[7]。但是隨著我國人均壽命的延長，人工關節(jié)使用壽命隨之延長，假體松動成為提高人工關節(jié)置換術遠期療效的瓶頸。假體周圍骨量減少是引起假體無菌性松動的重要原因。生物型假體的穩(wěn)定主要靠周圍骨組織長入其假體涂層，只有當骨組織長入假體涂層中才能避免假體松動。但假體受力并不是均勻的，而傳統(tǒng)假體涂層均勻分布顯然會導致部分區(qū)域涂層過少或過多，如何讓有限的涂層中長入更多骨組織是臨床重點考慮的問題。關節(jié)置換會產(chǎn)生應力遮擋，使大部分應力分布在人工關節(jié)假體上，導致分布在假體周圍人體骨骼上的應力減少，這種變化可破壞假體周圍骨骼的骨形成與骨平衡[8]。朱俊峰等[9]根據(jù)股骨近端應力的有限元分析結果，在體外模擬應力遮擋的細胞力學環(huán)境，觀察不同強度的應力遮擋環(huán)境對成骨細胞相對活性、增殖指數(shù)和凋亡指數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)股骨假體近端的應力遮擋能抑制成骨細胞增殖并刺激其凋亡。根據(jù)Wolff定律，應力減少的區(qū)域骨組織發(fā)生再吸收，造成骨量丟失，BMD下降，這種現(xiàn)象稱為適應性骨改建[13]。據(jù)此分析，如假體周圍某處BMD隨時間逐漸變大，說明此處所受的應力較大。如將生物型髖臼假體在此處的表面生物涂層加厚，讓周邊更多的骨小梁長入假體涂層內(nèi)，可提高假體的穩(wěn)定性。

隨著骨科數(shù)字化技術的快速發(fā)展，Mimics軟件可利用CT及MRI數(shù)據(jù)完成THA前后三維模型的重建，利用軟件交互式操作，任意角度旋轉、平移，從而多角度直觀觀察髖關節(jié)。CT值與BMD呈正相關，通過Mimics軟件測量HTA前、后不同時間、相同位置的CT值，可動態(tài)反映HTA后假體周圍BMD的變化。本研究結果顯示，20例THA患者術前及術后各時間點A、B、C、D區(qū)域BMD比較差異無統(tǒng)計學意義；術后3、6、12個月E、F、G區(qū)域BMD均高于術前，I、J區(qū)域BMD均低于術前，術后1、3、6、12個月H區(qū)域BMD均低于術前。說明隨著術后時間的延長，髖臼假體中心部位BMD逐漸升高，間接反映髖臼中心部位所受應力較大。提示在不改變髖臼假體整體重量的前提下將其中心部位涂層加厚，減少其下極處涂層，增加中心區(qū)孔隙率，可以讓更多的新鮮骨細胞長入該區(qū)，從而提高生物型假體穩(wěn)定性，減少假體松動風險[14，15]。

綜上所述，生物型THA患者手術前后髖臼假體上極周圍BMD變化不大，但隨著術后時間的延長，中心部位BMD逐漸升高，下極周圍BMD逐漸降低。在本研究的基礎上可進一步延伸，通過有限元網(wǎng)格劃分等構建人體髖關節(jié)三維有限元模型，利用有限元分析軟件，在重建模型上測定不同臼杯的擺放位置對髖臼周圍應力分布的影響；同時可利用有限元分析結果判斷應力集中區(qū)域及分散區(qū)域的具體位置，尋找髖臼周圍應力分布最為均勻的置入角度，為規(guī)范臼杯置入位置提供理論標準。以上均為未來研究的方向，需進一步深入探討。

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Application of Mimics reconstruction technique based on CT data in analysis of early postoperative bone mineral density changes of total hip interface in THA patients

MIAOXin,DENGGaorong,GAOXiang,WUBinghua,ZHANGKuizhong,LITaiqiang,LINGQiang

(FourthAffiliatedHospitalofNanchangUniversity,Nanchang330000,China)

Objective To use Mimics reconstruction technique to observe the early bone mineral density (BMD) changes after biotype total hip arthroplasty (THA) surgery. Methods Twenty patients with ischemic necrosis of femoral head underwent THA. Before surgery and postoperative 1, 3, 6 and 12 months, the hip joint 64-row helical CT examination was conducted and CT fault data were collected. CT fault data were imported into Mimics software for 3-dimentional (3D) reconstruction of the hip, and we set the model basis point. The arc interface was divided into 10 portions by using its own CAD tools, marked as A-J, ten regions, and we measured the average CT value of each area. Results In 20 patients, the BMD in four regions of A, B,C and D was not statistically different (allP>0.05). The BMD in E, F and G regions at postoperative 3, 6 and 12 months was higher than that before surgery, the BMD in I and J regions at postoperative 3, 6 and 12 months was lower than that before surgery (P<0.05 orP<0.01). The BMD in H region at postoperative 3, 6 and 12 months was lower than that before surgery (P<0.05 orP<0.01). Conclusions The BMD on upper pole of acetabulum did not change a lot in patients before and after THA. With the time lapse, the BMD of the central part of the acetabular component increased gradually, and the BMD of the acetabular lower pole component was decreased gradually.

ischemic necrosis of femoral head; total hip arthroplasty; computed tomography; 3-dimentional reconstruction; biomechanics; bone mineral density

江西省科技支撐計劃項目(20112BBG70072)。

繆鋅(1988-)，男，住院醫(yī)師，研究方向為創(chuàng)傷及關節(jié)外科疾病。E-mail: miao.xin1314@163.com

凌強(1958-)，男，副教授、碩士研究生導師，研究方向為創(chuàng)傷及關節(jié)外科疾病。E-mail: linq@163.com

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.32.003

R681.8

A

1002-266X(2016)32-0009-03

2015-11-18)