基于三維重建的股骨髖臼撞擊征生物力學研究進展

凌銘 占師 胡海

股骨髖臼撞擊征(FAI)的概念于2001年由Ganz等[1]正式提出。FAI是由于髖關(guān)節(jié)解剖形態(tài)學異常所致，如髖臼過深、后傾和前突，股骨頸前外側(cè)緣骨贅增生，股骨頭-頸偏心距減小，股骨頭形狀異常等。這些因素可使股骨近端與髖臼在關(guān)節(jié)運動終末期發(fā)生不正常接觸或撞擊，引起軟骨和盂唇的早期損傷。根據(jù)形態(tài)學特點，F(xiàn)AI被分為3型：凸輪型(Cam型)，表現(xiàn)為股骨頭-頸連接處凸輪樣改變；鉗夾型(Pincer型)，由于髖臼緣增生產(chǎn)生鉗夾樣改變；混合型，兼具前兩型的特征。

由于髖關(guān)節(jié)解剖及活動形式的復(fù)雜性，二維的影像學描述(如X線)難以滿足FAI的生物力學分析要求，往往需要建立三維結(jié)構(gòu)，并兼顧靜態(tài)和動態(tài)分析。因此，基于CT/MRI圖像的三維重建對FAI進行生物力學分析，可以立體、動態(tài)地觀察FAI的形態(tài)異常、病變發(fā)生過程和病變程度，并可研究關(guān)節(jié)內(nèi)、外的受力情況，探究其深層病因。

1 基于三維重建的FAI解剖形態(tài)觀察

對于股骨頭的形態(tài)學評價，α角是重要指標之一。一般來說，α角>50°被認為與FAI發(fā)生相關(guān)[2]。然而，該指標在應(yīng)用中往往僅用于反映股骨頭-頸連接處在單一拍攝平面上的信息，對股骨頭-頸連接處的全方位評估是近年研究的一大熱點。對確診的Cam型FAI，Khan等[3]測量了繞股骨頸軸不同方向上的α角，發(fā)現(xiàn)后(“9:00”方向)至前(“3:00”方向)平均為64.6°，以“2:00”方向α角最大。對無癥狀髖，多項研究發(fā)現(xiàn)，若采用以往的評價標準，Cam畸形發(fā)生率可達18%～52%[4-8]。對此，不少研究者認為，以往的評價標準造成了較高的假陽性率，應(yīng)當提高α角閾值，且該閾值依測量平面而有所不同。Golfam等[9]在大樣本無癥狀髖研究中測得，“1:30”方向的α角在MRI斜軸位視圖和放射狀視圖中的均值分別為45.1°和50.3°，建議將α角閾值[95%置信區(qū)間(CI)上限]提高至63°(斜軸位視圖)和66°(放射狀視圖)。Mascarenhas等[10-11]采用大樣本對無癥狀髖進行詳盡的形態(tài)學研究，他們發(fā)現(xiàn)，α角增加以“1:00”和“1:30”方向最為明顯，在多個測量平面上α角的閾值均高于以往研究結(jié)果；他們建議，將“12:00”和“3:00”方向的α角閾值提高至60°，其他前上方向α角閾值提高至65°～70°。然而，基于三維重建的多平面測量較為費時費力，在臨床應(yīng)用中難以普及。因此，“以X線拍攝平面替代三維重建的測量平面來盡可能滿足診斷的準確性”是另一條思路。Hellman等[12]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)假斜位(false-profile)X線片測量的α角與CT圖像測量者一致性最高，尤其對于“2:00”和“3:00”方向的畸形。在與MRI圖像的對比中，45°和90° Dunn位X線片也顯示了較高的一致性和準確率[13-15]。

髖臼的形態(tài)學評價一般以中心邊緣角(CEA)為主要指標。CEA>39° 時，髖臼覆蓋過大，可能導(dǎo)致Pincer型FAI發(fā)生。對于Pincer型FAI的研究相對較少，研究者主要關(guān)注髖臼在多平面上的覆蓋程度。Mascarenhas等[10]測量了無癥狀人群的CEA，“11:00”“12:00”和“1:00”方向上對應(yīng)的CEA均值分別為32.5°、35° 和25.6°，95%CI上限為45°。Valera等[16]發(fā)現(xiàn)，在早發(fā)的髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎受試者中，橫斷面髖臼覆蓋角增大，且與CEA(相當于冠狀面髖臼覆蓋角)正相關(guān)，提示Pincer型髖臼改變可導(dǎo)致早發(fā)的髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，且髖臼加深往往體現(xiàn)在多個平面。Pun等[17]將Pincer型髖臼歸納為2種類型：1型，具有正常大小的髖臼窩和偏大的月狀面軟骨；2型，具有偏大的髖臼窩和偏小的月狀面軟骨。他們認為，2型由于軟骨覆蓋欠缺，不宜行骨軟骨成形術(shù)，否則可能由于軟骨面減小而造成應(yīng)力增大。

還有部分研究對股骨頭和髖臼以外的因素進行了分析。Atkins等[18]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者的股骨近端皮質(zhì)增厚，在出現(xiàn)Cam改變的部分尤為明顯。Ng等[19]對比了FAI患者的患側(cè)髖與健側(cè)髖，發(fā)現(xiàn)患側(cè)髖的頸干角、股骨近端內(nèi)側(cè)角偏小，提示這2個因素可預(yù)測FAI的發(fā)生。Weinberg等[20]發(fā)現(xiàn)，混合型FAI的發(fā)生與骨盆入射角減小之間存在相關(guān)性。可見FAI的誘因不僅局限于髖關(guān)節(jié)本身，近端股骨和骨盆等也應(yīng)當納入到FAI的研究中。

多重指標、多平面數(shù)據(jù)在應(yīng)用中缺少簡便性和直觀性，許多學者希望通過一個整合指標對FAI進行形態(tài)學描述。Bouma等[21]提出“Ω表面”的概念，即綜合考慮α角、CEA、髖臼和股骨方向、股骨頸干角等因素而計算得到的股骨頭的特定區(qū)域。“Ω表面”是一個考慮了動態(tài)因素的概念，旨在反映髖關(guān)節(jié)屈伸運動中“無撞擊區(qū)域”的大小。他們通過小樣本研究證實，Cam型FAI的“Ω表面”較無癥狀組小。隨后，他們將“Ω表面”簡化為“Ω區(qū)”，利用更大的樣本研究證實“Ω區(qū)”與FAI的形態(tài)異常具有相關(guān)性，即在屈髖過程中，Cam型髖的“Ω區(qū)”小于無癥狀髖[22]。Mascarenhas等[11]將繞股骨頸1周測量所得的α角中超出閾值部分所對應(yīng)的圓周定義為“Ω角”。他們發(fā)現(xiàn)，在無癥狀髖中，以50°、55°、60°為閾值所對應(yīng)的“Ω角”分別為65°、35°和17°，提示Cam型改變在人群中的普遍性。Harris等[23]利用蚌線和球形最佳適配的方法推算股骨頭的理想輪廓，發(fā)現(xiàn)無癥狀髖突出理想輪廓的高度<2.5 mm，而Cam型髖該值則為4～5 mm。Kang等[24]借鑒“世界地圖”的形式，繪制了“股骨頭地圖”，更為直觀地展示了股骨頭形態(tài)異常的位置和程度。

FAI的盂唇和軟骨損傷是異常生物力學作用的結(jié)果，也是觀測髖關(guān)節(jié)預(yù)后的重要指標。對于盂唇和軟骨損傷，臨床常用的影像學檢測方法各有側(cè)重。經(jīng)Meta分析發(fā)現(xiàn)，CT和MRI檢查更具診斷價值。Reiman等[25]發(fā)現(xiàn)，CT關(guān)節(jié)腔造影(CTA)診斷FAI和盂唇損傷的準確性最高。Saied等[26]發(fā)現(xiàn)，MR關(guān)節(jié)腔造影(MRA)對盂唇和軟骨損傷的診斷價值優(yōu)于常規(guī)MRI檢查，而MRA和MRI檢查對盂唇損傷的診斷準確率均高于對軟骨損傷的診斷。此外，由MRI技術(shù)衍生的各項檢查方法可定量分析軟骨損傷的范圍和程度。Bulat等[27]和Henn等[28]分別利用軟骨延遲增強MRI、T2 mapping技術(shù)繪制了“髖關(guān)節(jié)軟骨地圖”，使得評價軟骨損傷更具準確性和簡便性。Ferro等[29]通過T2 mapping成像發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者髖關(guān)節(jié)負重區(qū)的軟骨存在早期損傷改變。Anwander等[30-31]通過T1ρ mapping成像發(fā)現(xiàn)，除了股骨髖臼撞擊部位本身，F(xiàn)AI患者在撞擊部位內(nèi)側(cè)也存在不同程度的軟骨損傷；此外，無癥狀Cam型FAI也存在軟骨早期損傷改變，主要分布于前外側(cè)?？梢姡現(xiàn)AI的軟骨損傷并非局限于某一部位，并且可以在臨床癥狀出現(xiàn)前發(fā)生。

隨著圖像處理軟、硬件的飛速發(fā)展，基于CT/MRI圖像的三維重建在處理速度和精度上有很大提高。由于髖關(guān)節(jié)圖像中股髖間隙小，且含較多松質(zhì)骨，普通的圖像分割算法無法準確提取髖關(guān)節(jié)的所有輪廓，而手動提取亦存在準確性和便捷性低的弊端。對此，馬安邦等[32]采用基于貝葉斯決策的自動分割方法提高了圖像分割的準確性和效率。此外，Mimics 19.0軟件也具備圖像快速自動分割功能。

2 基于三維重建的FAI運動學分析

股髖撞擊是動態(tài)過程，在三維重建基礎(chǔ)上對其進行運動學分析，可明確FAI患者的關(guān)節(jié)活動度、撞擊部位，進而指導(dǎo)手術(shù)以達到最優(yōu)臨床效果。

學者們對于“FAI可導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)活動受限”已有共識，近年來的研究不僅拓展到更為復(fù)雜的髖關(guān)節(jié)活動形式，也涵蓋了對骨盆姿勢的探討。Kapron等[33]利用雙平面透視配準的方法研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者在前撞擊試驗中有髖內(nèi)收、內(nèi)旋受限，在“4字”試驗中有外展、外旋受限而屈曲增加。Kobayashi等[34]通過運動仿真研究發(fā)現(xiàn)，Cam型髖關(guān)節(jié)的最大屈髖角度減小，前撞擊試驗時內(nèi)旋受限。Ross等[35]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者在站立時骨盆后傾增加，通過延遲撞擊而增加了屈髖幅度。對于FAI患者的下蹲動作，Ng等[36]報道患者的骨盆活動度明顯下降，Bagwell等[37]報道患者髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋和骨盆后傾減少。由此可見，F(xiàn)AI患者的髖關(guān)節(jié)活動以屈曲、內(nèi)旋受限為主；同時，骨盆角度差異也會對髖關(guān)節(jié)活動產(chǎn)生一定影響。

此外，許多學者致力于直觀、動態(tài)地展示股髖撞擊過程。Kobayashi等[34]通過運動仿真研究發(fā)現(xiàn)，Cam型FAI的股髖撞擊主要分布于股骨頭-頸連接處前側(cè)，且無明顯分布規(guī)律。Wassilew等[38]采用4D-CT觀察股髖撞擊過程，證實撞擊部位與術(shù)中所見一致。Fernquest等[39]利用4D-CT觀察FAI患者，發(fā)現(xiàn)在屈髖早期(約40° )即可發(fā)生股髖撞擊，較嚴重(α角>78° )和較靠前(“2:00”或“3:00”方向)的Cam畸形可使股髖撞擊更早出現(xiàn)。

以股骨側(cè)和髖臼側(cè)的骨性接觸定義“撞擊”是研究FAI的常用策略，也有學者采用非骨性接觸的分析方式。Kapron等[40]在探究非骨性接觸時發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI髖與無癥狀髖在撞擊試驗時均存在盂唇-股骨接觸，而接觸位置和面積存在差異，提示非骨性接觸存在個體差異。在實際應(yīng)用中，Radetzki等[41]和Kuhn等[42]通過運動仿真來展示FAI的發(fā)生部位，用于指導(dǎo)手術(shù)規(guī)劃；Yoshimoto等[43]結(jié)合CT模型的密度值，通過單平面匹配的方法發(fā)現(xiàn)，骨軟骨成形術(shù)后患髖的α角明顯減小，碰撞間隙明顯增大。

3 基于三維重建的FAI動力學分析

與FAI相關(guān)的損傷是長期力學作用的結(jié)果，因此，明確髖關(guān)節(jié)的受力情況有助于進一步探究損傷形成的機制。力學傳感器由于其“有創(chuàng)性”，難以用于活體研究。近年來，部分學者采用有限元分析的方法，簡化髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，探究運動過程中的受力情況，為闡明FAI的發(fā)生機制提供了理論依據(jù)。

Ng等[44]通過模擬Cam型髖關(guān)節(jié)在步行、深蹲過程中的受力情況發(fā)現(xiàn)，最大剪應(yīng)力(15.2 MPa)發(fā)生于深蹲過程中，為無癥狀髖的3.4倍；最大剪應(yīng)力位于髖關(guān)節(jié)前上方，與術(shù)中證實的軟骨損傷位置相符。Ng等[45]在另一項有限元分析研究中發(fā)現(xiàn)，Cam畸形可導(dǎo)致行走過程中髖臼軟骨剪應(yīng)力增大(5.9～7.0 MPa)，當合并頸干角減小時軟骨剪應(yīng)力更大。Jorge等[46]模擬了髖關(guān)節(jié)在站立、屈曲、內(nèi)旋等動作中的受力情況，發(fā)現(xiàn)軟骨和盂唇所受的最大應(yīng)力分別為12～14 MPa、15～16 MPa。Ng等[47]對探究FAI髖關(guān)節(jié)應(yīng)力的文獻進行Meta分析發(fā)現(xiàn)，Cam型FAI導(dǎo)致髖臼軟骨接觸應(yīng)力(中位值10.4 MPa，8.5～12.2 MPa)和Mises應(yīng)力(中位值15.5 MPa，15.0～16.0 MPa)均增大，骨最大剪應(yīng)力(中位值15.2 MPa，14.3～16.0 MPa)也相應(yīng)增大。Hellwig等[48]對“站-坐”動作進行模擬，發(fā)現(xiàn)髖臼軟骨的各項應(yīng)力升高1.5～3.7倍，盂唇的各項應(yīng)力升高2.7倍。可見，Cam型FAI髖的應(yīng)力主要集中于髖關(guān)節(jié)前上方，最大應(yīng)力一般數(shù)倍于對照組。高應(yīng)力的累積效應(yīng)是FAI患者盂唇、軟骨損傷的生物力學因素。目前，對于Pincer型FAI的關(guān)節(jié)動力學研究較少。

此外，還有學者探究生物力學因素對Cam畸形形成的影響。Roels等[49]采用有限元分析的方法在青少年髖關(guān)節(jié)模型中設(shè)置不同形態(tài)的生長板。他們發(fā)現(xiàn)，在行走、內(nèi)旋、外旋、屈曲時，股骨頸周圍的成骨指數(shù)與生長板的突出程度呈正相關(guān)，且依運動形式不同而有所差別；隨后，他們對青少年運動員進行隨訪，發(fā)現(xiàn)Cam型FAI者髖關(guān)節(jié)的病變部位與成骨指數(shù)升高部位一致。這表明生長板形態(tài)異常是Cam畸形的成因之一，也合理地解釋了Cam型FAI為何多發(fā)于喜好運動的青年[50]。

4 結(jié)語

FAI是在髖關(guān)節(jié)形態(tài)異常的基礎(chǔ)上，由力學因素長期作用而誘發(fā)的一類關(guān)節(jié)疾患?；贑T/MRI圖像的三維重建對FAI進行生物力學分析，可以立體展示髖關(guān)節(jié)的異常形態(tài)，直觀再現(xiàn)動態(tài)過程中股髖撞擊情況，并能對受力狀態(tài)進行定量分析。然而，基于三維重建診斷FAI尚不成熟，動態(tài)仿真、力學模擬的結(jié)果與實際情況的關(guān)聯(lián)性仍缺乏大樣本研究驗證，并且缺乏對髖周軟組織的探究。因此，建立快速有效的分析策略和統(tǒng)一的診斷標準，對大樣本人群進行規(guī)范化的動態(tài)仿真和力學模擬研究以及探究軟組織對疾病發(fā)展的影響，是今后FAI生物力學研究的要點。