股骨颈干角是股骨近端的重要解剖参数[1-6],并与其他股骨近端解剖参数密切相关[3, 7-9],是髋部及下肢手术术前必须测量的一组重要解剖参数。X线平片是目前观测股骨颈干角的最常用方法[4, 8, 10-11]。下肢CT成像可以还原其解剖外形与结构,其重建的三维图像可以获得准确的股骨颈干角[4, 12-13]。临床实践及文献研究发现,股骨颈干角在X线平片与CT三维图像上的测量值差异较大[8, 10-14],特别是在伴有严重股骨颈外旋扭转时,其差异更加明显。因此,明确同一患者股骨颈干角在同期X线平片及CT三维重建图像上的测量值差异,并探讨其主要相关因素,可为其相关伤病的诊断、治疗及其疗效评价提供重要的临床指导。
1 资料与方法 1.1 研究资料于陆军军医大学第一附属医院电子病历系统中收集2016年8月至2018年6月在关节外科中心住院患者1 261例的相关病历资料及影像学数据。纳入标准:①已进行负重前后位下肢全长X线平片检查者;②已进行全下肢CT成像与三维重建图像者。排除标准:①曾进行全髋关节置换术者;②髋部外伤或股骨近段骨折病史者;③严重髋关节畸形者;④股骨头坏死或股骨近端骨缺损者;⑤拍摄X线平片时下肢未能完全伸直或存在旋转者。最终纳入265例(265侧下肢),其中男性63例,女性202例,左下肢147例,右下肢118例,年龄44~89(66.6±8.1)岁,BMI(25.24±3.76)kg/m2。本研究方案获陆军军医大学第一附属医院伦理委员会批准(KY201861)。
1.2 研究方法 1.2.1 研究步骤及分组采用自身对照方法,分别测量记录同一患者同侧X线平片及CT三维重建图像的股骨颈干角(记为颈干角-2D、颈干角-3D),观测二者的差异。分别对比不同性别、年龄、身高及左右侧别患者间颈干角-2D与-3D的差异。并通过颈干角-2D及其可能的相关因素(年龄、性别、左右侧别、BMI、髋膝踝角、股骨干弓形角、股骨扭转角、股骨远端机械轴外侧角、股骨干长度)建立其统计学模型预测其颈干角-3D,探究影响其颈干角-2D与-3D差异的最主要相关因素。
设立对照组及试验组验证其差异的最主要相关因素。即对照组将265侧下肢按随机数表法分成两亚组,通过1:1倾向性评分匹配使两亚组间各相关因素(上述9项相关因素)无统计学差异,对比两亚组间颈干角-2D与-3D的差异。试验组以统计学模型筛选出的最主要相关因素为分组指标,将265侧下肢分成两亚组,通过1 :1倾向性评分匹配使两亚组间其余相关因素无统计学差异,对比两亚组间颈干角-2D与-3D的差异。
1.2.2 股骨解剖标记定位下肢全长X线平片(SIEMENS DR Ysio Max, 德国)及全下肢CT(SIEMENS SOMATOM Definition Flash, 德国)拍摄标准如PALEY[15]所述,并通过医院医学影像信息采集系统(INFINITT PACS, 韩国)进行采集。X线平片使用RadiAnt DICOM Viewer 4.2.1(64-bit)调整至下肢骨骼显影最清晰状态后导入CAD(P.46.0 AutoCAD 2019,美国)进行测量。CT图像使用Mimics(Materialise Mimics Research 19.0,比利时)综合股骨横断面、冠状面、矢状面以及三维整体视图定位解剖标记并对股骨进行三维重建,然后导入CATIA(Dassault Systèmes CATIA 5.20, 法国)进行拟合,最后使用NX(Siemens NX 12, 德国)进行测量。对股骨头进行Mose圆拟合,所得中心点确定为髋关节中心点[16](图 1)。髋关节中心点与股骨髁间窝顶点的连线为股骨机械轴;胫骨平台髁间脊中点与踝穴中点的连线为胫骨机械轴。股骨内外侧髁远端切线为股骨远端膝关节走行方向线。膝关节走行方向线近端5 cm与10 cm处股骨干中心点连线命名为股骨干远端解剖轴[17-18];股骨小转子下部及其远端5 cm处股骨干中心点的连线命名为股骨干近端解剖轴[19-20]。股骨颈最狭窄处中点与髋关节中心点的连线命名为股骨颈轴[19];股骨外上髁最突点与内上髁最凹点的连线为外科通髁轴[21];股骨双后髁后方顶点连线为股骨后髁线。
在CT三维图像上测量股骨髁间窝顶点与股骨干近端顶点距离记为“股骨干长度”;测量股骨机械轴与股骨远端膝关节走行方向线外侧夹角记为“股骨远端机械轴外侧角”;测量股骨颈轴与股骨后髁线在横断面上的投影夹角记为“扭转角”[22](图 2);测量股骨近端解剖轴与远端解剖轴的夹角记为“股骨干弓形角”。在前后位X线平片上测量股骨机械轴与胫骨机械轴夹角记为“髋膝踝角”。股骨机械轴和外科通髁轴所确定的平面定义为股骨冠状面,通过股骨机械轴与冠状面垂直的平面定义为矢状面,与股骨械轴垂直的平面定义为横断面。针对髋膝踝角和股骨干弓形角, 内翻记为正,外翻记为负;针对扭转角,股骨颈相对于股骨后髁线,内旋记为负,外旋记为正。以上观测指标由3名关节外科医师分别盲测2次,同时为了保证测量者拥有足够的遗忘时间,要求测试者2次测量间期大于2周[23],使用组内相关系数(ICC)验证同一测量者前后2次测量以及不同测量者之间测量结果的一致性。
1.2.3 观测指标
① 颈干角-2D:在前后位X线平片上测量股骨颈轴与股骨干近端解剖轴内侧夹角;②颈干角-3D:在CT三维图像上测量股骨颈轴与股骨干近端解剖轴内侧夹角(图 1);③差异度:颈干角-2D与颈干角-3D的差值。差异度绝对值小于1°定义为较小差异,比例公式为:差异绝对值小于1°样本量÷265×100%;差异绝对值大于3°定义位较大差异,比例公式为:差异绝对值大于3°样本量÷265×100%。
1.3 统计学方法采用SPSS 22.0统计软件。计量资料以x±s表示,进行Shapiro-Wilk正态性检验,自身对照的正态资料使用配对样本t检验,非正态资料使用两个相关样本Wilcoxon检验;两两比较的正态数据使用独立样本t检验,非正态数据使用两个独立样本Wilcoxon检验。计数资料采用百分比(%)表示,使用卡方检验。若颈干角-2D与-3D存在差异, 纳入相关因素,通过逐步回归法建立多重线性回归模型,筛选导致差异的最主要相关因素。设立对照组及试验组,通过1 :1倾向性评分匹配(卡钳为0.02)进行基线数据匹配,消除相关因素影响后,对统计学模型筛选出的最主要相关因素进行验证。P<0.05表示差异有统计学意义。
2 结果 2.1 同一股骨颈干角于X线平片与CT三维重建图像上的差异265侧颈干角-2D值为(128.02±6.26)°,范围111.69°~143.21°;其颈干角-3D值为(124.22±6.45)°,范围108.24°~140.64°,二者具有统计学差异(P<0.001)。二者间差异度的值为(3.45±3.35)°,范围-4.65°~15.07°,差异度绝对值1°以内者占14.3%,大于3°者达56.6%(图 3)。
2.2 同一股骨颈干角-2D与-3D之间差异的最主要相关因素
以不同性别、年龄(大于70岁或小于60岁)、身高(大于160 cm或小于155 cm)、侧别为分组指标,分别将265侧下肢分成2组,并通过倾向性评分匹配进行配对,使两组间基线资料无统计学差异后进行比较。结果显示,不同性别、年龄、身高及侧别之间,颈干角-2D、颈干角-3D及二者的差值均无统计学差异(表 1、2)。
观测指标 | 男性(n=24) | 女性(n=24) | P值 | 年龄<60岁(n=44) | 年龄>70岁(n=44) | P值 |
颈干角-2D | 125.30±5.39 | 126.94±5.62 | 0.406 | 126.04±5.76 | 128.37±5.29 | 0.052 |
颈干角-3D | 122.16±6.31 | 123.53±6.38 | 0.465 | 123.08±6.19 | 124.81±6.00 | 0.188 |
2D-3D差值 | 3.13±2.91 | 3.41±3.25 | 0.858 | 2.96±2.70 | 3.56±3.62 | 0.378 |
P(2D-3D) | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
观测指标 | 左侧(n=112) | 右侧(n=112) | P值 | 身高<155 cm (n=47) | 身高>160 cm (n=47) | P值 |
颈干角-2D | 126.92±5.62 | 128.44±5.97 | 0.051 | 128.91±5.79 | 127.96±5.39 | 0.626 |
颈干角-3D | 123.59±6.09 | 124.86±5.95 | 0.115 | 124.93±5.46 | 125.23±6.41 | 0.543 |
2D-3D差值 | 3.33±2.57 | 3.58±3.53 | 0.588 | 3.99±3.50 | 2.73±3.28 | 0.090 |
P(2D-3D) | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
纳入相关自变量建立的多重线性回归模型具有统计学意义(P<0.001,调整R2=0.747),模型对目标变量高度拟合。除颈干角-2D外,只有股骨扭转角(标化系数=-0.233,P<0.001)和股骨远端机械轴外侧角(标化系数=-0.094,P=0.005)对颈干角-3D的影响具有统计学意义,而股骨扭转角是导致差异的最主要相关因素。
2.3 同一股骨颈干角-2D与-3D之间差异最主要相关因素的验证对照组共计匹配96对,各相关因素在两亚组间均衡可比,两亚组间颈干角-2D、颈干角-3D及二者差值均无统计学差异。试验组以扭转角是否大于12°将265侧下肢分成两亚组,共计匹配100对,各相关因素在两亚组间均衡可比。两亚组间颈干角-2D无统计学差异。与扭转角≤12°组相比,扭转角>12°组的颈干角-3D更小(P<0.001),而颈干角-2D与-3D差值更大(P<0.001,表 3)。此外,根据股骨扭转角进行分组,也可看出随着股骨颈外旋扭转角增大,颈干角-2D与-3D的差值增大(表 4)。
相关因素/观测指标 | 对照组(n=192) | 试验组(n=200) | |||||
第1亚组(n=96) | 第2亚组(n=96) | P值 | 扭转角≤12° (n=100) | 扭转角>12° (n=100) | P值 | ||
年龄 | 66.9±7.3 | 67.4±8.2 | 0.623 | 66.4±8.1 | 66.2±7.5 | 0.458 | |
性别(男:女) | 23:73 | 22:74 | 0.865 | 23:77 | 20:80 | 0.607 | |
BMI | 25.20±3.69 | 25.35±3.66 | 0.783 | 26.02±4.03 | 25.10±3.51 | 0.087 | |
左:右 | 54:42 | 55:41 | 0.884 | 57:43 | 56:44 | 0.887 | |
股骨干长度/mm | 38.87±1.85 | 38.91±2.25 | 0.892 | 38.73±2.31 | 38.63±1.99 | 0.739 | |
股骨远端机械轴外侧角/° | 88.76±3.68 | 88.48±3.27 | 0.876 | 88.91±3.00 | 89.03±3.28 | 0.882 | |
髋膝踝角/° | 8.50±8.73 | 8.05±9.76 | 0.543 | 9.03±8.68 | 9.58±9.02 | 0.730 | |
股骨干弓形角/° | 14.44±3.72 | 14.74±3.07 | 0.147 | 14.50±3.63 | 14.45±3.59 | 0.699 | |
扭转角/° | 10.37±8.91 | 12.11±8.73 | 0.172 | 4.01±5.49 | 18.75±4.60 | <0.001 | |
颈干角-2D/° | 127.97±5.78 | 127.27±5.00 | 0.375 | 128.02±5.38 | 126.85±5.79 | 0.141 | |
颈干角-3D/° | 125.24±5.70 | 123.80±5.46 | 0.077 | 125.66±5.19 | 122.47±5.97 | <0.001 | |
2D-3D差值/° | 2.73±3.59 | 3.47±2.95 | 0.121 | 2.36±2.86 | 4.38±3.19 | <0.001 | |
差值绝对值/° | 3.58±2.73 | 3.77±2.55 | 0.496 | 2.89±2.32 | 4.63±2.82 | <0.001 |
扭转角 | 数量 | 颈干角-2D与-3D差值 |
<-5°(内旋) | 6 | 0.62±1.63 |
-5°~0°(内旋) | 16 | 1.79±2.60 |
>0°~5°(外旋) | 40 | 2.11±3.01 |
>5°~10°(外旋) | 47 | 2.70±3.48 |
>10°~15°(外旋) | 48 | 3.41±3.12 |
>15°~20°(外旋) | 61 | 3.93±2.63 |
>20°~25°(外旋) | 32 | 4.64±3.27 |
>25°~30°(外旋) | 10 | 6.65±3.93 |
>30°(外旋) | 5 | 9.40±3.96 |
3 讨论
股骨颈干角是评估股骨近端畸形的重要解剖参数[6],对髋关节相关伤病的诊断、治疗及其疗效评价具有重要的临床意义[1-5]。股骨颈干角可以被用来预测髋关节骨折的风险[2, 5],并与很多股骨解剖参数密切相关,如股骨偏心距、股骨前倾角、股骨颈长度、机械轴与解剖轴夹角及大转子高度等[3, 7-9]。股骨颈干角的准确性与全髋关节置换术的预后密切相关[4, 9],当颈干角减小1°时,需要减少髋臼杯前倾角2°,增加髋臼杯外展角0.45°[24]。由此可见,股骨颈干角测量的准确与否会影响患者的病情评估及术前计划的准确性,进而对临床疗效产生影响。
通过前后位X线平片测量股骨颈干角是目前最常用的方法,但很多研究显示此方法并不准确。GUENOUN等[25]利用EOS三维立体全身骨骼X线成像系统对50例股骨颈干角-2D和-3D进行对比,指出使用X平片测量股骨颈干角平均偏大8°。ANASTOPOULOS等[26]对22具尸体的股骨进行三维建模后发现,股骨颈干角的冠状面投影比其三维值平均偏大5°。BONNEAU等[27]利用三维模型测量了91例欧洲人群股骨颈干角,与X线测量结果的差异均值为4.5°(2.4°~6.0°),并指出使用三维模型测量股骨颈干角是最准确的方式。曹梦琦等[8, 11, 13]对不同中国人群股骨颈干角进行研究,使用前后位X线平片测量结果平均约128°,计算机三维自动化测量结果平均约125°,X线平片测量结果平均偏大约3°。本研究纳入265侧下肢的股骨颈干角分别在X线平片及CT三维重建图上进行测量,发现使用X线平片测量股骨颈干角平均偏大3.45°,其中差异绝对值在1°以内的比例仅为14.3%,大于3°的占56.6%。由此可见,直接应用前后位X线平片测量的股骨颈干角有很大可能产生较大偏差。
通过分组对比发现,年龄、性别、身高及左右侧别对股骨颈干角及其X线测量偏差并无影响,这与YI等[4]的研究结果相同。建立多重线性回归模型显示,股骨扭转角是导致差异的最主要相关因素,股骨扭转角增大会使股骨颈干角在X线上的测量结果偏大。股骨颈干角是由股骨颈轴与股骨近端解剖轴构成的三维夹角,而股骨颈相对于股骨远端存在不同程度的扭转(通常为外旋扭转),这使得股骨颈干角所在平面与前后位X线平片投影平面存在角度。由于X线拍摄具有二维投影的特点,无法体现股骨颈的扭转程度,从而造成了X线测量股骨颈干角的不准确。朱建炜等[14]的研究结果也印证了此观点,他们利用前后位X线平片对100例中国人健康髋关节进行研究,有趣的是他们要求研究对象拍摄X线平片时股骨内旋,使股骨颈与近端解剖轴所构成的平面更接近前后位X线平片投影平面,抵消了股骨颈外旋扭转的影响,最终测得股骨颈干角为(124.24±5.54)°,与我们三维重建图像测量结果非常相似。
为了排除混杂因素影响并对模型结果进行验证,本研究对265侧下肢进行分组并对基线数据进行1 :1倾向性评分匹配。从对照组结果看,两亚组患者在X线及CT拍摄仪器及拍摄条件相同的情况下,当9项相关因素无统计学差异时,两亚组间颈干角-2D、颈干角-3D及二者差值均无统计学意义,说明导致差异的相关因素存在于上述9项匹配因素中。试验组的两亚组间除扭转角外的8项相关因素无统计学差异,结果显示扭转角的变化对X线上的颈干角-2D并无显著影响,但较大的扭转角会使颈干角-3D减小,同时增大颈干角-2D与-3D的差异(P<0.001)。证明较大的股骨颈外旋扭转确实会增大股骨颈干角X线平片测量结果的偏差。
为了解释股骨扭转角对X线平片测量股骨颈干角偏差的影响,本研究将股骨颈放入三维坐标中(图 4),并将股骨干长解剖轴(股骨干近端与远端中心点连线)与人体垂直轴重叠。根据三角函数关系推导出颈干角-2D、颈干角-3D及扭转角的换算公式:β=arctan(tanγ×cosα)。已知∠γ(颈干角-3D)不变,当∠α(扭转角)为0°时,∠γ与∠β(颈干角-2D)相等;而∠α越大(范围0°~90°),∠β越接近180°,∠β与∠γ的差值越大。这合理解释了股骨扭转角对颈干角-2D与-3D差异的影响。此外,由于股骨干普遍存在前向弓形,导致股骨干近端解剖轴后倾,并与股骨干长解剖轴在矢状面成角(角DOD′),此时颈干角-3D为∠AOD′,即∠δ。
根据三角函数关系,推导出伴有股骨干前弓的颈干角-3D与扭转角换算公式:δ=arccos(K×sinα-M)。其中K与M均为正值常数,且K普遍小于M。当∠α(扭转角)增大(范围0°~90°),∠δ单调递减,且当∠α=90°时,∠δ最小。这合理解释了股骨扭转角对颈干角-3D的影响。
由于投影成像的特点,X线平片无法体现股骨颈扭转对股骨颈干角的影响,从而造成使用前后位X线平片测量股骨颈干角会出现平均3.45°的偏差。遗憾的是,目前尚无方法通过X线平片准确判断股骨颈扭转程度,建议尽量通过CT三维重建图像准确测量股骨颈干角。与以往研究不同,本研究不仅证明了使用前后位X线平片测量股骨颈干角不准确,而且利用统计学模型发现扭转角是导致差异的最主要相关因素,进一步采用倾向性评分匹配消除混杂因素影响后,对扭转角的影响作用进行了验证,同时解释了扭转角导致前后位X线测量股骨颈干角不准确的原因,为将来进一步研究如何通过X线平片准确判断股骨颈干角提供参考。此研究方法还可用于其他骨科解剖参数的研究。本研究仍存在一定局限性:①本研究为回顾性研究,其结果有待在前瞻性随机对照试验进一步研究;②本研究为单中心且病例数有限,研究结果需更大样本量进行验证。
股骨颈干角是评估股骨近端畸形的重要解剖参数,但即使严格控制拍摄体位,在前后位X线平片上测量结果也会有50%以上几率发生大于3°的偏差。股骨扭转角是导致差异的主要相关因素,较大的股骨颈外旋扭转角会造成股骨颈干角的X线测量结果偏大。
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