股骨頭壞死病灶評估方法的研究進展*

文鵬飛陳有榮郭萬首**張啟棟岳聚安

（1.北京大學醫(yī)學部中日友好臨床醫(yī)學院，北京100029；2.中日友好醫(yī)院骨關節(jié)外科，北京100029；3.北京中醫(yī)藥大學，北京100029）

?綜述?

股骨頭壞死病灶評估方法的研究進展*

文鵬飛1,2陳有榮1,2郭萬首1,2**張啟棟2岳聚安3

（1.北京大學醫(yī)學部中日友好臨床醫(yī)學院，北京100029；2.中日友好醫(yī)院骨關節(jié)外科，北京100029；3.北京中醫(yī)藥大學，北京100029）

股骨頭壞死是一種常見的髖關節(jié)疾病，壞死病灶的體積、位置、結(jié)構、形狀等性質(zhì)在其治療方式選擇和預后判

定中有著重要意義。本文從X線片、CT、MRI出發(fā)，對比不同方法在分析壞死病灶性質(zhì)、預測塌陷及判斷預后中的價

值，綜述目前對于壞死病灶評估方法的研究進展。

股骨頭壞死；評價方法；壞死病灶；三維重建

股骨頭壞死發(fā)病年齡以30～50歲為主，其主要原因為外傷、激素、酗酒等[1,2]，造成股骨頭供血不暢，骨髓細胞局部壞死，引起股骨頭塌陷，導致臨床活動受限。在未經(jīng)治療的情況下，60%～80%股骨頭將在1～5年內(nèi)發(fā)生塌陷[3,4]，進而需要接受人工關節(jié)置換。塌陷預防一直以來是學者們研究的熱點，而股骨頭早期壞死灶的性質(zhì)，包括體積[5-7]、位置[6,7]、結(jié)構、形狀及影像學分期，先后被指出是塌陷發(fā)生及影響預后的重要因素，然而不同學者的研究結(jié)果仍存在一定的差異。另一方面，由于缺乏一致、有效、定量、實用的測量方法及標準[8]對股骨頭壞死灶的性質(zhì)進行評價，因此治療早期股骨頭壞死的方法還存在爭議。到目前為止，主要以X線、CT、MRI結(jié)合計算機輔助工具，對股骨頭壞死病灶性質(zhì)與塌陷之間的關系進行分析研究，但仍缺乏公認的最佳方法。本文通過對不同檢測壞死病灶的方法進行綜述，以發(fā)現(xiàn)目前評價壞死病灶性質(zhì)的最佳方式，給臨床治療股骨頭壞死及判斷預后提供幫助。

1 X線在股骨頭壞死病灶檢測中的應用

X線作為最基本的最早用于股骨頭壞死的檢測手段，能系統(tǒng)全面地檢測髖關節(jié)的骨質(zhì)結(jié)構。早在1974年，Kerboul等[9]就提出用壞死角度法判斷壞死病灶的大小范圍對預后的影響，他應用髖關節(jié)正側(cè)位片，測量壞死病灶累及股骨頭表面所對應的角度，兩者相加 ≥ 200°為壞死范圍大，預后差，160°～200°為中等；≤160°為范圍小，預后較好。此法測量使用方便，廣泛應用于臨床。

Sugano等[10]提出壞死面積百分比法，通過計算髖關節(jié)正側(cè)位上壞死部分面積占整個股骨頭面積的比例，對149髖股骨頭缺血性壞死進行塌陷預測，發(fā)現(xiàn)壞死面積比例大于43%的全部塌陷。

X線片雖然在診斷股骨頭壞死及分期中有者重要的價值，但由于其在早期診斷中的局限性和顯像過程中的多重疊加，不能精確反映壞死病灶的范圍和部位[11]，對于塌陷的預測準確性欠佳，故而僅用于壞死病灶的初步估計，這也就阻礙了其在壞死灶定量分析中的發(fā)展應用。

2 MRI在股骨頭壞死病灶檢測中的應用

MRI是早期診斷股骨頭壞死的金標準[12]，在T1WI像上，軟骨下的“帶狀”低信號帶包繞壞死區(qū)為其特征性表現(xiàn)，在T2WI則表現(xiàn)為“雙線征”，這一特點被廣泛應用于壞死病灶檢測中[13-15]。加之MRI診斷的早期性和準確性，使得很多學者利用MRI分析壞死病灶的性質(zhì)，預測塌陷及判斷預后。

2.1 壞死指數(shù)法

1995年，Koo與Kim提出壞死指數(shù)法[14]：利用MRI的T1WI圖像，劃出冠狀位和矢狀位正中層面的壞死角，計算出壞死指數(shù)如下：

這個方法間接地反應了壞死體積大小與塌陷之間的聯(lián)系，壞死指數(shù)＞66為高危塌陷者，33～66為中危，＜33者則不會塌陷。此法在臨床應用中有很大的價值，但亦存在其局限性。主要由于其僅選用正中層面，但臨床發(fā)現(xiàn)壞死多發(fā)生在外上部[16-18]，因此正中層面并不能代表最大的壞死層面。

2003年，Cherian等[18]對其進行改良，強調(diào)MRI冠狀面及失狀面圖像上病灶累及范圍最大的層面進行測量，使得壞死指數(shù)法更加準確的反應壞死病灶的大小。然而Kerboul的壞死角度和法，Koo與Kim的壞死指數(shù)法，以及Cherian與Ha的改良方法均缺乏和實體標本的對照，會低估或高估壞死病灶的壞死程度[8]，其原因與壞死病灶的形狀和位置的表現(xiàn)形式多樣性有關。

2.2 壞死表面積比法

1993年，Lafforgue等[19]提出用壞死負重區(qū)骨皮質(zhì)百分率：WB=β/γ×100%判斷塌陷的發(fā)生率（β為負重區(qū)受累骨皮質(zhì)對應的髖臼頂弧度，γ為股骨頭全部負重區(qū)對應的髖臼頂弧度），WB小于45%者的預后較好。

與Lafforgue的方法相似的是，趙風朝等[15]提出的壞死表面積比法，他基于股骨頭塌陷與承重面積的關系，利用球帶模型，在T1WI像測量壞死表面積比=壞死表面積/整個股骨頭表面積×100%，其中每一層壞死表面積為α/360×2πrh，每一層股骨頭表面積為β/360×2πrh，整個股骨頭壞死表面積及股骨頭表面積為各層之和（壞死角度α，整個股骨頭的角度β，h為層厚加間隔，r為半徑）。并發(fā)現(xiàn)壞死表面積比33%為塌陷的臨界值，而雷新瑋等應用此方法得出的塌陷臨界值卻為25%。

此方法依據(jù)了壞死負重區(qū)面積與塌陷的關系，但在測量過程中由于人為的誤差和技術限制，造成不同研究者的結(jié)果存在一定的差異。

2.3 利用壞死面積法計算壞死體積

2001年，Malizos[20]的八分法理論對股骨頭壞死體積計算，壞死灶定位及塌陷預測均產(chǎn)生了重大的影響。依據(jù)Malizos提出的理論，以T1WI上的低信號帶外緣包繞區(qū)為壞死范圍，測量每一象限的壞死面積，乘以圖像的層厚，計算出每一層厚壞死病灶的體積，將各體積相加得出壞死總體積[1,21]。這一測量方法的準確性高[21]，能很好的反映實體標本體積的大小。

很多學者用此方法發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死體積比的大小及壞死部位是影響塌陷的重要因素。2007年，Bas?sounas等[16]研究發(fā)現(xiàn)壞死體積比＜24%的未發(fā)生塌陷。而張萌萌、鄭超的研究指出預測股骨頭壞死塌陷的壞死體積比最佳臨界點分別為19.51%、20.15%。Bassounas[16]指出壞死區(qū)域位于股骨頭的前上中和后上中時預后最差，郝麗等[17]亦發(fā)現(xiàn)前外上和后外上象限壞死體積百分比對塌陷的預測均有統(tǒng)計學意義。Ishikwa等[22]用此方法對72髖關節(jié)旋轉(zhuǎn)截骨治療前后壞死體積進行比較，發(fā)現(xiàn)承重位置的改變能很好的促進壞死骨的自我修復。

利用每一層面的面積計算體積的方法，均需要人工劃分壞死范圍，缺乏臨床實用性，耗費精力，且不同測定者得出的數(shù)據(jù)也略有差異。

2.4 MRI圖像的三維重建

Argus是一套利用體積積分原理，處理MRI圖像的軟件，此法最初應用于心臟容積的測量，后亦有用于癌癥病灶的定量[23]。董玉茹等用此方法將測量的股骨頭壞死體積和人工法測量結(jié)果進行對比，指出其有更高的精確度和時效性。然而Argus軟件在測量壞死灶體積時，仍需要手動矯正壞死區(qū)域的輪廓，并沒有真正做到三維重建，不能直觀的分析壞死病灶的性質(zhì)。

Mimics是Materialise公司開發(fā)的一套高度整合而且易用的3D圖像處理軟件，利用此技術將MRI T1WI掃描數(shù)據(jù)進行處理，三維重建股骨頭及壞死病灶，立體化顯示股骨頭壞死病灶的形態(tài)、位置和體積，并利用計算機測量軟件，計算壞死區(qū)域和整個股骨頭體積，進而預測壞死病灶的進展和塌陷的發(fā)生。竇亞棟等[24]證實了此法與實體測定結(jié)果無統(tǒng)計學差異，并能三維立體形象準確地描繪股骨頭壞死病灶形狀。史振才等[13]根據(jù)壞死病灶和正常股骨頭灰度值的不同，對其填充顏色進行直觀區(qū)分，得出壞死體積大于30%時易出現(xiàn)塌陷。

3 CT在股骨頭壞死病灶檢測中的應用

CT較MRI在早期診斷股骨頭壞死方面存在一定的不足，但CT的時間及密度分辨率較高，與軟組織之間對比性強，且成本較低，這些均推動了CT在股骨頭壞死病灶檢測中的應用和發(fā)展。目前，CT在檢測壞死病灶性質(zhì)的應用中，大多直接使用三維重建技術，進而直觀的分析病灶的性質(zhì)，然而限于計算機輔助軟件的發(fā)展，CT三維重建難以廣泛應用，缺乏臨床實用性。

3.1 VTK技術三維重建

可視化工具包視覺工具庫（VTK）利用CT獲得的數(shù)據(jù)DICOM文件，在VC++的編譯環(huán)境中實現(xiàn)對股骨頭及壞死區(qū)域的三維重建，其立體圖能夠清楚顯示股骨頭及壞死灶，有利于骨科醫(yī)生直觀分析壞死區(qū)域性質(zhì)，預測塌陷的發(fā)生。陳俊杰、儲小建通過研究，證實了此方法與病理及實體測量股骨頭及壞死病灶體積結(jié)果之間無統(tǒng)計學差異，2015年，李婧[25]指出此方法對壞死灶體積的計算結(jié)果與MR測量股骨頭壞死病灶體積比較差異無統(tǒng)計學差異。

2012年，陳俊杰基于VTK三維重建，指出壞死病灶的性質(zhì)均對塌陷有著影響，對不同壞死灶位置和體積進行加權評分，計算壞死評分，發(fā)現(xiàn)其對塌陷預測有一定的臨床意義。此方法價格便宜，重建效果好，計算方法簡單，人為干擾因素較小，可重復性高，臨床應用容易，便于推廣應用。

3.2 Mimics技術三維重建

Mimics除了對MRI數(shù)據(jù)能進行三維重建分析外，亦能對CT掃描數(shù)據(jù)DICOM文件進行處理，并三維重建股骨頭及壞死病灶，立體化顯示股骨頭壞死病灶的形態(tài)、位置和體積，進而預測壞死病灶的進展和塌陷的發(fā)生。黃振國[26]、朱建煒[27]、Hu等[28]證實了：與MRI和大體標本相比，此方法能夠準確的計算壞死體積和百分比。韋竑宇等用此方法得出當壞死體積＞23%時，股骨頭發(fā)生塌陷的風險較高。2013年，王偉等[29]使用此技術對壞死病灶進行定位及體積分析，成功進行手術模擬，尋求最佳手術方案。2016年，Mishima等[30]成功用此技術對早期壞死股骨頭保守治療前后的病灶體積進行測量研究。

正常股骨頭與壞死灶的病理性質(zhì)不同，決定了兩者將產(chǎn)生不同的CT值，利用Mimics軟件的上色功能，自動識別壞死區(qū)域，給壞死區(qū)域上顏色，后再進行三維重建，即可顯示壞死區(qū)域在股骨頭中的形狀。依據(jù)像素梯度值變化最大處，對圖像進行分割，正常股骨頭利用形變曲面分割，壞死區(qū)域使用區(qū)域生長法和圖切法，即可完成股骨頭及壞死病灶的獨立提取。壞死病灶的位置對于病程的進展有著重要影響，JIC[31]和中日醫(yī)院[4]指出位于負重區(qū)域的股骨頭壞死更容易發(fā)生塌陷

綜上所述，股內(nèi)動靜脈造影法、核素示蹤法、SPECT、PET等方法亦用于對于股骨頭壞死的研究，但均在壞死病灶性質(zhì)的檢測中的存在局限性。隨著檢測技術的不斷進步和完善，學者對于股骨頭壞死進展的認識也不斷深入。股骨頭壞死病灶的體積、位置、結(jié)構、形狀及影像學分期等性質(zhì)均是塌陷的危險因素[5,16]，而這些因素之間又存在內(nèi)部的聯(lián)系。Malizos[20]的八分法理論為壞死灶位置和塌陷的關系奠定了基礎[32]。目前壞死部位的定位方法主要有八分法[20]、經(jīng)緯度法[33]、坐標法[29]。壞死位置與血液供應有著密切聯(lián)系，因此會影響壞死區(qū)域的體積大小。壞死體積由壞死深度和寬度決定，寬度和深度又反映了壞死形狀，壞死形狀也與塌陷之間的聯(lián)系[34]。對這些影響因素加權評分，定量化的進行研究，可簡單化的反應壞死病灶性質(zhì)和塌陷的關系。薄層CT三維重建及壞死灶染色分割獨立分析技術能更直觀分析壞死病灶性質(zhì)，目前的研究數(shù)據(jù)之間仍有差異，尚需要得到更多的研究分析，以應用于臨床實踐指導治療。

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Areview on evaluation methods of the lesions of osteonecrosis of femoral head*

WEN Pengfei1,2,CHEN Yourong1,2,GUO Wanshou1,2**,ZHANG Qidong2,YUE Ju'an3
(1.Peking University China-Japan Friendship School of Clinical Medicine,Beijing 100029;2.Department of Bone and Joint Surgery,China-Japan Friendship Hospital,Beijing 100029;3.Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100029,China)

Osteonecrosis of femoral head(ONFA)is a common disease of the hip joint.The characteristics of necrotic lesion,including size,location,structure and shape,have significant influences in the choice of treatment methods and prognosis judgement.The values of X-ray,CT,and MRI in evaluation of necrotic lesions,collapse prediction and prognosis were compared in this article.And the technical progress on evaluating lesions of ONFAwas reviewed.

Osteonecrosis of Femoral Head;Evaluation Method;Necrosis Lesions;Three-dimensional Reconstruction

2095-9958（2017）08-0 351-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2017.04-17

國家自然科學發(fā)展基金面上項目（編號：81673776）；首都衛(wèi)生發(fā)展科研專項（編號：2016-2-4062）**

郭萬首，E-mail：guowanshou@263.net