肱骨近端骨折的地圖研究

王星,郭小波,李云飛,靳江濤

（1. 長治醫(yī)學(xué)院研究生院，山西 長治 046000；2. 晉城大醫(yī)院脊柱微創(chuàng)科，山西 晉城048000；3. 晉城市人民醫(yī)院麻醉科，山西 晉城 048000）

肱骨近端骨折是上肢第二大常見骨折類型，占所有骨折的4%～5%，這種骨折通常歸因于年輕人群的高能量損傷和老年人群的低能量損傷，年齡分布呈雙峰特點(diǎn)[1-2]。目前肱骨近端骨折有許多分類系統(tǒng)，其中應(yīng)用最廣泛的是Neer、AO分類。Neer分類將肱骨上端4個組成部分（肱骨頭、大結(jié)節(jié)、小結(jié)節(jié)、肱骨上端骨干）的相互移位程度分為6個基本類型，移位＞1 cm或成角＞45°,則認(rèn)為是移位骨塊[3]。這些類型及其子類型可用于描述骨折形態(tài)、評估穩(wěn)定性和預(yù)測預(yù)后。但隨著放射學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，考慮到每條骨折線的高度變異性，上述經(jīng)典分類方法對于了解實(shí)際骨折形態(tài)的準(zhǔn)確信息存在一定的局限性。有學(xué)者提出雖然骨折線描述很重要，但不能被分類所取代[4]。骨折地圖技術(shù)最早在2009年由Armitage等[5]提出，是將多個骨折模型的骨折線通過CT三維重建疊加繪制在一個標(biāo)準(zhǔn)模型上，直觀顯示骨折形狀的方法。3D-CT的骨折測繪技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于分析股骨近端[6]、脛骨平臺[7-8]和髕骨[9]等骨折特征，然而關(guān)于肱骨近端骨折的三維模型地圖研究尚未見報(bào)道。本研究結(jié)合骨折地圖技術(shù)和Neer分型進(jìn)行特征性骨折地圖的繪制，分析肱骨近端骨折的骨折線頻率和形態(tài)學(xué)特征，以便更好地進(jìn)行骨折分類、術(shù)中復(fù)位、內(nèi)固定設(shè)計(jì)和肱骨近端骨折生物力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)切割模型建立。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選取2015年1月至2020年12月晉城大醫(yī)院收治的186例肱骨近端骨折成年患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡＞18歲；②有完整的X射線和CT掃描數(shù)據(jù)；③肱骨閉合性骨折。排除標(biāo)準(zhǔn)：①CT圖像掃描層厚＞1.5 mm；②開放性或病理性肩關(guān)節(jié)骨折，發(fā)育不良；③異位骨化或肩部手術(shù)史。24例因CT圖像掃描層厚不符合要求剔除，最終納入162例患者，其中男67例，女95例；年齡19～90歲，平均（58.10±15.20）歲；左肩損傷75例，右肩損傷87例；肱骨近端2部分骨折9例，3部分骨折66例，4部分骨折87例。本研究獲晉城大醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審批(2022101001)。

1.2 方法

1.2.1 CT數(shù)據(jù)采集與三維重建 患者均進(jìn)行西門子64層螺旋CT（120 kV，350 mA，層厚≤1.5 mm）掃描。導(dǎo)出DICOM格式的掃描數(shù)據(jù)到Mimics Research 21.0軟件中(圖1a)。先在Mimics軟件中選擇CT圖像的矢狀面，選擇默認(rèn)226個Hounsfield單位的骨閾值，并生成所有肩關(guān)節(jié)的掩模。然后使用掩模的智能分割功能（Split）將肱骨與肩部其他骨骼分離。再次應(yīng)用智能分割功能分離肱骨各個骨折塊(圖1b)。將分離后的肱骨骨折塊三維模型導(dǎo)入3-matic Research 13.0軟件中，并通過旋轉(zhuǎn)和平移復(fù)位骨折碎片(圖1c)。對87個右側(cè)肱骨模型進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)，使其方向與左側(cè)肱骨吻合。參考標(biāo)志包括肱骨大結(jié)節(jié)、小結(jié)節(jié)、肱骨頭、肱骨解剖頸、肱骨外科頸，用以校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化。得到重建后的肱骨三維實(shí)體，以STL格式輸出(圖1d)。

1.2.2 肱骨模板的建立 一名健康志愿者（男性，27歲，身高172 cm，已簽署知情同意書）行西門子64層螺旋CT（120 kV，350 mA，層厚≤1.5 mm）掃描。掃描范圍為左肘關(guān)節(jié)至肩關(guān)節(jié)，掃描后將DICOM格式的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics Research 21.0軟件中。使用軟件智能分割功能分離肱骨、肩胛骨掩模，使用智能擴(kuò)展和智能填充功能完成對肱骨整體的掩模覆蓋，然后生成三維實(shí)體，以STL格式保存作為肱骨模板。將STL格式的肱骨模板導(dǎo)入E-3D medical 18.08軟件中，作為下一步骨折地圖繪制的模板使用。

1.2.3 肱骨近端三維骨折地圖的構(gòu)造 將復(fù)位后的肱骨三維實(shí)體導(dǎo)入E-3D medical 18.08軟件中。肱骨的三維實(shí)體通過旋轉(zhuǎn)、空間移動與肱骨模板實(shí)現(xiàn)最大程度重合(圖1e)。配準(zhǔn)后，在肱骨模板上繪制肱骨近端骨折線(圖1f)。然后采用骨折分析功能將所有骨折線疊加生成三維熱圖。骨折線越接近，權(quán)重就越高。然后將肱骨模板上骨折線的線圖和熱圖輸出到標(biāo)準(zhǔn)的俯視圖、左視圖、前視圖、右視圖、后視圖中。骨折線的密度在3D熱圖中顯示，從深藍(lán)色(低密度)到紅色(高密度)，見圖2。

圖2 全體肱骨近端骨折線圖和熱圖

1.2.4 肱骨近端骨折測量 將復(fù)位后的肱骨三維實(shí)體導(dǎo)入E-3D medical 18.08軟件中。在肱骨的三維實(shí)體上手動選擇單個樣本所有骨折線的最低點(diǎn)并標(biāo)記，同時依靠軟件自帶直尺功能，找到肱骨頭最高點(diǎn)并標(biāo)記，然后測量兩點(diǎn)之間的直線距離并記錄，表示骨折位置。線段通過三維實(shí)體內(nèi)部，為空間直線距離（單位:mm）。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均使用Thejamovi project(2021).jamovi(Version 1.6)[Computer Software].Retrieved fromhttps://www.jamovi.org進(jìn)行。連續(xù)性變量采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x-±s）表示，分類變量以頻率和百分比進(jìn)行描述。采用線性回歸分析年齡、性別、患肢的左右側(cè)與骨折位置的相關(guān)性，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。骨折形態(tài)圖譜分析采用描述性分析。

2 結(jié)果

2.1 肱骨近端骨折線總體3D分布特征

從肱骨近端三維實(shí)體熱圖可以觀察到：骨折線集中圍繞肱骨頭基底分布，肱骨頭部骨折線分布稀疏。在大結(jié)節(jié)區(qū)域，骨折線圍繞大結(jié)節(jié)基底分布，而大結(jié)節(jié)部分骨折線分布也比較密集。在小結(jié)節(jié)區(qū)域，骨折線圍繞小結(jié)節(jié)基底分布，而小結(jié)節(jié)骨折線分布稀疏。在肱骨解剖頸處，骨折線分布也很密集，呈環(huán)形分布。因此，肱骨近端骨折線集中于肱骨頭基底、大結(jié)節(jié)基底、小結(jié)節(jié)基底、肱骨解剖頸分布（圖2）。

2.2 肱骨近端4部分骨折3D分布特征

從左視圖可見，累及大結(jié)節(jié)的紅色條帶沿著結(jié)節(jié)間溝外側(cè)緣縱行向近端走行至大結(jié)節(jié)最高點(diǎn)，累及小結(jié)節(jié)的紅色條帶較寬，在小結(jié)節(jié)中下部橫向延伸至肱骨頭內(nèi)側(cè)基底，肱骨外科頸外側(cè)出現(xiàn)3條紅色細(xì)小條帶向內(nèi)側(cè)環(huán)繞延伸。右視圖可見，紅色條帶延伸到后內(nèi)側(cè)后，匯成一條，圍繞肱骨頭基底部。前視圖可見從小結(jié)節(jié)延伸過來的紅色條帶繼續(xù)圍繞肱骨頭基底部走行。后視圖和俯視圖均可見紅色條帶圍繞肱骨頭基底部，與總視圖基本一致（圖3）。

圖3 肱骨近端4部分骨折線圖和熱圖

2.3 肱骨近端4部分骨折典型骨折三維重建圖特征

從三維重建圖中可以看出，肱骨近端碎裂為典型4部分，即分離的肱骨大結(jié)節(jié)、小結(jié)節(jié)、肱骨頭及肱骨干。外側(cè)可見肱骨外科頸環(huán)狀骨折線延伸至肱骨頭基底，肱骨大結(jié)節(jié)分離，骨折線從其中部穿過至肱骨頭外側(cè)基底部。前內(nèi)側(cè)可見小結(jié)節(jié)移位，骨折線位于其基底部。肱骨頭因擠壓而向前內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)移位、嵌塞，肱骨干則向后外側(cè)移位，內(nèi)側(cè)頭下骨折碎塊分離(圖4)。

圖4 肱骨近端4部分骨折三維實(shí)體

2.4 肱骨近端骨折測量結(jié)果

將肱骨頭最高點(diǎn)至骨折線最低點(diǎn)的空間距離作為骨折位置的量化數(shù)據(jù)，將所有患者的年齡、性別、患肢的左右側(cè)與骨折位置進(jìn)行相關(guān)性分析。以長度為因變量，患者的年齡、性別、患肢的左右側(cè)為自變量進(jìn)行簡單線性回歸分析。然后使用多元線性回歸模型來解釋長度與自變量之間的關(guān)系和影響。簡單線性回歸結(jié)果顯示，僅性別和骨折位置顯著相關(guān)(P＜0.01)。多元線性回歸結(jié)果顯示，加入年齡后，性別與骨折位置的相關(guān)性更加顯著(P＜0.001)，見圖5。男性和女性骨折類型分布不同，女性肱骨頭最高點(diǎn)至骨折線最低點(diǎn)的距離明顯短于男性，女性肱骨外科頸外側(cè)部位的骨折線更靠近肱骨頭一側(cè)，男性則相對遠(yuǎn)離肱骨頭。年齡、患肢的左右側(cè)和長度無相關(guān)性。

圖5 骨折線長度-年齡-性別散點(diǎn)圖

3 討論

近年來，CT三維重建技術(shù)在骨折診斷和分類中得到廣泛應(yīng)用，比X射線更直觀、更準(zhǔn)確。然而，傳統(tǒng)的骨折分類方法能否通過3D-CT重建技術(shù)得到改進(jìn)，需要進(jìn)一步研究。骨折地圖技術(shù)基于“大數(shù)據(jù)”揭示了骨折線的形態(tài)特征及好發(fā)部位，為骨折診斷、骨折分類、治療方案選擇、手術(shù)固定設(shè)計(jì)、骨折易發(fā)部位統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化骨折模型的制定提供了新的方法及依據(jù)。骨折地圖分為二維（2D）地圖和三維（3D）地圖，2D骨折地圖只能分析骨折線在某一面的走向和分布，而3D地圖可以直觀地分析骨折線的形態(tài)特征。自2009年以來，骨折地圖已被廣泛應(yīng)用于描繪肩胛骨骨折[5]、Pilon骨折[10]、脛骨平臺骨折[7-8]及橈骨關(guān)節(jié)面骨折[11]等各類骨折。而研究也從簡單的骨折線分布顯示發(fā)展到熱圖顯示，熱圖顯示也從2D熱圖到3D熱圖。本研究采用肱骨近端骨折薄層掃描CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，然后將三維實(shí)體進(jìn)行復(fù)位，再與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行配準(zhǔn)，隨后在模板上繪制3D骨折線，可更直觀、定量地生成熱圖，顯示肱骨近端骨折形態(tài)特征和集中趨勢。后期通過三維視覺手術(shù)模擬和有限元分析，可以得到最精確的矯形方案。陳凱等[12]將基于CT數(shù)據(jù)的3D打印技術(shù)應(yīng)用于兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位手術(shù)中，發(fā)現(xiàn)其可以顯著縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血量，提高手術(shù)成功率，改善預(yù)后，為患兒提供更精準(zhǔn)、個體化的診療方案[12]。未來，我們可以基于VR/AR技術(shù)和骨科臨床圖像大數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分拆量化骨骼，推進(jìn)骨科智能化診療建設(shè)。

有學(xué)者在研究低能量創(chuàng)傷的肱骨近端骨折與骨質(zhì)疏松癥的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，50歲以上的肱骨近端骨折患者中，女性骨質(zhì)疏松性肱骨近端骨折的發(fā)生率高于男性[13]，本研究骨折熱圖顯示的結(jié)果與之基本一致。本研究結(jié)果顯示，骨折線位置與性別顯著相關(guān)，女性骨折線位置與男性相比更靠近近端；隨著年齡的增加，骨折線位置與性別相關(guān)性更加顯著，年齡越大，骨折線越偏近端。Scola等[14]在對肱骨近端局部骨質(zhì)量與骨折類型關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，肱骨近端后內(nèi)側(cè)區(qū)域存在“肱骨距”結(jié)構(gòu)，骨密度最高。本研究中骨折線的分布情況與以上研究相似，肱骨頸內(nèi)下位置的骨折線主要集中在肱骨頭基底部，而在肱骨距較為少見。從3D熱圖各個視圖可以看出，肱骨頭基底熱區(qū)條帶狹窄集中，無明顯性別差異。當(dāng)外力作用導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，均不同程度導(dǎo)致肱骨頭基底骨折，可能與本身解剖結(jié)構(gòu)的脆弱性、骨密度低于周圍結(jié)構(gòu)相關(guān)。而肱骨外科頸外側(cè)區(qū)域熱區(qū)條帶較分散，有很明顯的性別差異，外科頸后內(nèi)側(cè)區(qū)域周圍出現(xiàn)冷區(qū)，熱區(qū)條帶形態(tài)規(guī)則且跨過“肱骨距”上方。本研究結(jié)果與上述研究對肱骨近端骨質(zhì)分配、骨骼強(qiáng)度不同和骨折線走行分布可相互印證。

本研究中最常見的肱骨近端骨折類型是4部分骨折（53.7%），骨折熱圖顯示肱骨外科頸前外側(cè)的紅色區(qū)域較其他位置集中度不高，呈現(xiàn)3條帶狀分布，其中偏向近端的紅色區(qū)域以女性為主，偏向遠(yuǎn)端的紅色區(qū)域以男性為主。肱骨近端4部分骨折屬肩關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，存在肩袖損傷、關(guān)節(jié)囊破裂、關(guān)節(jié)盂骨折等并發(fā)癥，上肢功能修復(fù)要求高，因此肱骨近端的解剖形態(tài)和良好的復(fù)位對維持肩關(guān)節(jié)的正常功能和預(yù)防肱骨頭遠(yuǎn)期磨損壞死具有重要意義。通過該骨折地圖研究，外科醫(yī)生可明確4部分骨折線最常累及位置和骨折線稀疏的區(qū)域，將內(nèi)固定頭尾部置于骨折線稀疏區(qū)域，通過骨折線集中區(qū)域，可使骨折固定更加穩(wěn)定，從而降低內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)。切開復(fù)位加鎖定鋼板內(nèi)固定是目前治療4部分肱骨近端骨折最合適的選擇[15-16]。目前大多數(shù)醫(yī)生認(rèn)為在保證堅(jiān)強(qiáng)固定的前提下，鋼板的放置應(yīng)盡可能偏向遠(yuǎn)端，以避免肩關(guān)節(jié)撞擊癥的發(fā)生。本研究的骨折地圖提示，對于老年患者的4部分骨折，尤其是女性，固定在肱骨外科頸外側(cè)的鋼板應(yīng)盡量偏向近端，才能保證骨折堅(jiān)強(qiáng)固定，避免內(nèi)固定失敗。

基于傳統(tǒng)X射線及CT提出的Neer、AO分類是世界上使用最廣泛的分類系統(tǒng)，但在診斷肱骨近端骨折的臨床應(yīng)用中，其可重復(fù)性較差，導(dǎo)致其在觀察者間和觀察者內(nèi)存在爭議[15]。針對Neer分類的局限性，有學(xué)者提出了Hertel分類法，但在使用Hertel分類研究肱骨近端骨折過程中，與現(xiàn)有文獻(xiàn)的比較和參考十分困難[17]?，F(xiàn)有傳統(tǒng)分型未能考慮年齡及性別因素所導(dǎo)致的分型差異。本研究繪制的肱骨近端骨折線的熱圖是三維立體化圖，可以為Neer分類的改良提供參考證據(jù)，對創(chuàng)造一種新的骨折分類方法有一定啟示作用。

目前，關(guān)于肱骨近端骨折的生物力學(xué)特性所知甚少。當(dāng)下關(guān)于其生物力學(xué)的研究中，骨折切割方式均是基于傳統(tǒng)分型，和實(shí)際骨折累及情況存在一定差異，應(yīng)用3D技術(shù)進(jìn)行生物力學(xué)的研究鮮有報(bào)道。本研究明確了肱骨近端骨折線權(quán)重最高的區(qū)域，提供標(biāo)準(zhǔn)的肱骨近端骨折模型，可為未來生物力學(xué)和有限元分析研究肱骨近端的切割建模提供一定的參考。但是，本研究也存在不足。第一，由于肱骨的個體解剖差異，使骨折實(shí)體并不能與模板完全重合，手動繪制骨折線的過程會與真實(shí)骨折線走行有一定誤差，所以骨折地圖的定性評價(jià)也存在一定的局限性。未來應(yīng)在三維重建技術(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化，同時結(jié)合形態(tài)統(tǒng)計(jì)技術(shù)以獲得更理想的結(jié)果。第二，本研究是小樣本量的單中心研究，結(jié)果可能會有偏倚。第三，沒有建立一個新的分類系統(tǒng)。

綜上，本研究通過骨折地圖技術(shù)描述肱骨近端骨折線的形態(tài)學(xué)特征，具有一定的先進(jìn)性。研究結(jié)果有助于臨床深入了解肱骨近端骨折線分布規(guī)律，從而進(jìn)行新的骨折分類系統(tǒng)制定、治療方案選擇、手術(shù)固定設(shè)計(jì)、骨折部位統(tǒng)計(jì)，同時也為生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)提供更符合實(shí)際的切割模型。