应用3D打印模型验证髋臼前倾角三维CT测量法的准确性及应用价值

蔡振存，孙明，周宏宇，冉佳卓，朴成哲

（1．沈阳医学院附属中心医院骨一科，辽宁 沈阳 110024；2．沈阳医学院研究生院2016级研究生；3．沈阳医学院临床医学专业2014级17班）

髋 臼 前 倾 角（acetabular anteversion angle，AcAvA）是指髋臼前后缘连线与矢状面的夹角，它代表髋臼开口方向在轴面上的内收程度，适当的髋臼前倾有利于股骨头的理想包容，而过度前倾则会导致髋关节不稳定［1-2］。近年来，大多数学者认为AcAvA的准确测量是指导人工髋关节置换的重要前提，髋臼假体安放时合理的前倾角度是治疗成败的关键因素，因此准确地测量AcAvA至关重要。目前，测量AcAvA的方法多样，如间接计算法、X平片测量法、CT测量法等，但不同方法的测量结果间存在较大差异，其中最常用的是二维CT（2D-CT）测量法。由于CT扫描时患者体位的不标准，或者测量角度时断层平面选择的不同，测量结果呈不确定性，且可重复性差，因此有的学者认为2D-CT测量法并不准确［3-4］。本研究组于2001年开始应用三维（3D）CT重建图像测量AcAvA，对临床治疗有一定的参考价值。3D打印技术可以得到与人体高度一致的器官模型，本研究旨在通过比较AcAvA的3D模型测量和3D-CT测量结果，明确3D-CT测量法测量AcAvA的准确性，以指导临床治疗。

1 资料与方法

1．1 临床资料 选择2017年6月至12月沈阳医学院附属中心医院收治的单侧髋关节病变的成年患者为研究对象，共20例，其中男10例，女10例；年龄20～40岁，平均（33±12．5）岁。所有研究对象均为单侧髋关节病变，另一髋关节发育正常，其中髋臼或者股骨头骨折患者11例，股骨头坏死或者退行性髋关节病患者9例。排除患有神经肌肉性疾病、先天畸形患者。本研究经患者知情同意。

1．2 测量方法

1．2．1 测量3D-CT图像的AcAvA 首先进行骨盆CT成像（美国Marconi公司生产的MxS000型CT机），测试者仰卧，双脚尖并拢，从髂前上棘扫描至股骨小转子。管球电压120 kV，电流100 mA，扫描层厚 1 mm，层间距 1．0 mm，螺距 0．8 mm。在CT工作平台上，进行骨盆及髋关节3D表面成像。去除股骨头，通过旋转3D图像得到骨盆的前正面、左右侧面及下面观图像，并运用CT工作站和PACS影像系统进行测量。将CT数据以DICOM格式导出并存储。然后进行测量，在计算机图像处理平台上，旋转图像从骨盆的下面观查图像，髋臼前后缘的连线与两耻骨支上缘连线垂线的夹角即为AcAvA，见图1。

图1 骨盆三维CT成像图（α为AcAvA）

1．2．2 测量3D打印出的骨盆模型的AcAvA 首先打印3D模型，通过 Mimics 10．01软件（Materialise，比利时）将DICOM格式的文件提取后进行骨盆三维图像重建。通过软件阈值调整及图像分割、填充等功能将骨盆原始蒙罩（Mask）进行去噪处理，然后给予蒙板进行骨盆三维模型重建。重建后的骨盆大小与实际骨盆设定为1∶1，将重建的骨盆3D模型数据以STL格式存储后导入3D打印机（MakerBot，USA）打印。然后进行测量，耻骨联合前缘与两侧髂前上棘三点确定的平面即是骨盆前平面，将骨盆前平面放置于水平面上。把电子角度测量仪的一条边固定于测量平台的水平方向，调整角度测量仪，使可旋转边紧密接触髋臼的前缘和后缘，同时保证髋臼中心和所测量的前后缘处于同一平面，这时，显示屏显示的角度就是髋臼前后缘连线与竖直方向夹角，也就是实际测量AcAvA。见图2。

所有图像和模型均由3个测量者（A、B和C）独立测量一次，3人的平均值为该模型的AcAvA。

图2 电子角度测量仪测量3D打印骨盆模型AcAvA

1．3 统计学方法 采用SPSS 17．0软件进行统计学处理，计量资料用均数±标准差表示，采用t检验，P＜0．05为差异有统计学意义。

2 结果

20例患者的20个未病变髋关节AcAvA，3D-CT 测量结果为（15．9±5．3）°，3D打印的骨盆模型实际测量结果为（15．6±3．4）°，3D-CT测量法和3D模型测量结果比较，差异无统计学意义（P=0．061）。

3 讨论

近年来，随着CT成像方法的不断发展，对髋关节髋臼病理形态的研究越来越细致，但多数关注的是髋臼上缘的病理改变，特别是外展角，而对髋臼前倾角的研究则相对较少。目前，AcAvA多是应用2D-CT进行测量，少有3D-CT方法对AcAvA测量的报道，未见有应用骨盆模型或者实体标本进行AcAvA测量报道。AcAvA是由髋臼前、后壁在横断面上的最外侧缘决定的，因此，髋臼前、后壁的发育情况将影响髋臼前倾的改变。外科治疗髋关节发育不良的关键是合理地矫正髋臼的畸形，如果增大的髋臼前倾畸形术前没有充分评估，术中得不到正确矫正，那么将导致髋关节的不稳定［5］，另外，如果髋臼前倾本身并不严重，而术中过度矫正则会造成髋臼后倾，那么将导致髋关节疼痛和骨性关节炎的发生［6］。因此，术前准确评估髋臼前倾畸形对于制定合理的矫形治疗方案，设计髋臼假体的安放角度，以及避免术后并发症，都具有十分重要的意义。

尽管X线平片一直是评估髋关节形态学畸形的重要手段，但由于患者体位和X线投射角度等原因，应用X线片对AcAvA进行测量精准性和直观性都较差。以往研究表明，不同的医师通过X线平片测量AcAvA在数值上存在较大的误差，即使是同一测量者在重复测量同一个患者的AcAvA时，也存在一定的差异，特别是对骨化尚未完全的婴幼儿，X线平片测量AcAvA的可靠性和重复性更差［7］。CT在准确评估髋臼的三维形态学畸形方面较X线片具有明显的优势，AcAvA是髋臼开口方向在水平面上的内收程度，CT的水平面断层可以明确看见这一病理变化。近年来，一部分学者应用2D-CT进行了AcAcA测量，Browning等［7］通过 2D-CT 对骨关节发育不良（DDH）患者的AcAvA进行观察，发现增大的AcAvA是DDH髋臼的主要病理改变之一。尽管2D-CT已广泛用于评估患者的髋臼前倾程度，但其准确性并不令人满意。由于患者病变区解剖形态学变异，以及采集图像时患者体位不标准，常导致2D-CT的测量结果不准确［3-4］，如骨盆在矢状轴面的任意旋转和横断面的任意倾斜都会导致2D-CT测量结果存在误差。另外，不同测量断面的选择对结果也有很大影响，而具体哪个CT断面能够真实地反映髋臼的前倾程度，目前尚不明确。

随着计算机科技的进步，3D-CT在评估髋臼畸形中逐渐显示出优越性。3D-CT不仅可以根据骨性坐标对不标准的患者体位进行校正后再分析，模型建成后还可以从任意角度和任意平面对其进行全方位整体观察［8］。本研究组结合3DCT图像的特点和AcAvA的定义，设计了一种3DCT测量AcAvA的方法，并应用于临床。因为这种测量方法是在电脑屏幕的平面上完成的，它是在3D图像建成后，从下面观察骨盆，测量髋臼前后缘最凸起点连线与失状轴的夹角，这是对3D立体图像的角进行2D平面的测量，因此测量结果的准确性并不十分肯定。

3D打印起源于20世纪80年代，已在医疗领域广泛应用［9-10］。3D打印技术可以得到与人体高度一致的器官模型，为验证AcAvA测量方法的准确性提供了方案。本研究组通过高分辨率的CT扫描的数据，重建了患者的骨盆图像，并成功打印出了与患者骨盆完全相同的骨盆模型。通过实物的观察与测量，发现3D-CT测量AcAvA的数值与实物测量的数值没有统计学差异，所以认为3D-CT测量法测量AcAvA是准确的，与实际髋臼前倾程度基本相符。在临床精确矫正髋关节的髋臼畸形和控制髋臼假体安放角度的过程中，可以依据术前3D-CT对患者AcAvA的测量结果对髋臼前倾进行个性化处理。