股骨颈前倾角测量方法的回顾与展望

徐高翔，唐佩福

解放军总医院第一医学中心 骨科，北京 100853

股骨颈前倾角即股骨颈轴与髁平面(由股骨干轴和股骨髁轴确定)所成的夹角。随着对髋关节疾病认识的加深，人们发现股骨颈前倾角的大小与髋关节受力、发育异常有着密切关系，并对手术时机及方式的选择有着重要意义[1-6]。因此，如何准确测量股骨颈前倾角一直是骨科领域的关注热点。以往的X 线片及CT 扫描层片，只能从二维角度进行股骨颈前倾角的大致测量。随着三维重建技术及计算机辅助设计(computer aided design，CAD)的出现，测量者已实现股骨颈前倾角的三维准确测量，并在临床大量应用。但由于CT 扫描范围受限、三维重建过程繁琐和手术视野受限等不足，实现患者术前及术中前倾角的便捷精准测量仍存在一定困难。但随着计算机技术及混合现实技术的发展，这些难题都正在逐渐解决。本文就以上的测量方法进行综述，旨在为临床提供指导参考。

1 股骨颈前倾角的实体测量

自19 世纪股骨颈前倾角被Wolff 提出后，人们开始进行前倾角具体数值的测量以满足临床的需要。Billing[7]于1954 年对股骨颈前倾角做了明确的定义，即股骨颈平面与髁平面的夹角，其对前倾角的定义得到了广泛的认同[8-10]。Broca 通过实体测量最先提出股骨颈前倾角为2° ～ 38°；随后许多研究者通过研究，认为前倾角范围是11.9° ～ 25°[11]；Kingsley 和Olmsted[12]将前倾角定义为股骨颈轴线与股骨干轴线和股骨髁中线所确定平面的夹角，通过测量638 例股骨，证实前倾角小于以往认为的25°。1989 年，Wedge 等[13]在研究髋关节炎时，发现以往测量前倾角时所确定的股骨颈中轴线并未与实际中轴线重合，与之前的定义并不相符，其将股骨头颈经过股骨头中心与股骨颈基底部进行横向切割，切割平面并与股骨颈中轴平行，测量的结果为12.0°±7.45°。通过对尸体股骨的测量，普遍认为股骨颈前倾角平均为8.021°，女性8.11°，男性7.94°，大于10°为接近异常，大于15°为异常。随后更多学者开始着重于通过影像学方法测量股骨颈前倾角以满足临床需要。

2 股骨颈前倾角的X 线片测量

在临床工作中，人们为了能够通过X 线片快速便捷地测量股骨颈前倾角，对患者体位、投照方式、前倾角的计算方法进行了许多研究和探索。Dunn[14]提出将患者呈仰卧、屈髋屈膝90°、两侧股骨同时外展15°的体位进行测量。并通过比较标本实体股骨颈前倾角在X 线片上的投照位置与真实位置的差异，发现随着前倾角度的增大，X 线片测量值与实际值间的差异越大。Dunlap 等[15]通过测量髋部平片颈干角及髋部侧位片前倾角来计算实际前倾角。测量结果表明在髋外展10°时，随着颈干角的增大，测量误差也迅速增大。并认为影响其准确性的主要因素为：1)股骨屈曲、外展和髋关节旋转的程度；2)颈干角的大小；3)投照方向；4)股骨干前弓的曲度。Ryder 和Crane[16]借鉴了Dunlap 的方法，设计了更为简单的体位架，在外展30°的体位下进行实际前倾角的测量与计算，认为在任何外展角度下，实际前倾角值与颈干角及测量前倾角存在稳定关系：tan A=tan a×cos (i-θ)/cos i(A：实际前倾角；a：测量前倾角；i：外展角-90°；θ：股骨外展角)。但其所标定的股骨头、股骨颈和股骨干的中轴线均为目测，使测量的精确性受到质疑。Magilligan[8]借鉴Laage 与Ryder 的测量方法并参照Billing[7]的定义，提出了一种新的测量计算方法，弥补了以往测量时轴线标定不明确的缺点。鉴于X 线片测量时拍片体位及器械的复杂性，Ogata 与Goldsand[17]于1979 年提出了一种更为简便的方法：患者股骨干及股骨髁远端平面与摄片台平行拍摄正位X 线片；屈髋屈膝90°，外旋大腿使股骨髁连线与摄片台垂直拍摄侧位X线片。分别在正侧位X 线片上测量颈干角α、β，前倾角θ 与α、β 的关系是tanθ=tanβ/tanα。其方法相对比较简单，单仅在4 例股骨标本中进行精确性验证，可信度受到质疑。然而由于X 线片提供的是空间叠加信息，特别是股骨近端形态严重不规则及对患者体位要求较高，使得股骨近端前后位及侧位X 线片上只能提供粗略的二维信息，这是使用X 线片测量的固有缺陷。

3 股骨颈前倾角的CT 测量

随着CT 的出现，研究者的焦点逐渐转移到如何在CT 断层图像中测量前倾角。Weiner 等[18]于1978 年系统地描述了CT 测量前倾角的方法：患者通过扫描得到较为理想的股骨颈横切面和股骨远端横切面，并将其重叠于同一平面中，在同一平面上测量股骨颈轴线与通髁线的夹角，即为股骨颈的前倾角；试验结果表明CT 测量与X 线片测量之间的差异为6°。Hernandez 等[9]在Weiner 的基础上，补充了CT 扫描时患者的体位与扫描范围。Murphy 等[10]在前人的基础上对不同扫描方式、不同的轴线标定及角度测量方法进行了实验对比，建议遵循Billing 的定义，在2 个平面上分别确定股骨头及股骨颈基底部中心以确定股骨颈的中轴线。再选择股骨髁最大平面做后髁切线，从而测量前倾角。该方法得到了广泛的认同和应用，并成为CT 测量的标准之一。但Hermann 和Egund[19]认为由于疼痛等原因患者很难达到标准体位。患者在尽量达到股骨平行于摄片台，但不采用体位架或过分强迫的条件下，传统两平面测量值与参考值间平均差异为8.8°。因此，他提出用数学校正的方法来消除下肢体位的影响，通过公式校正后测量值与参考值间差异为0.1°。同时，其认为前倾角是个3D 空间的概念，只有在3D 的图像上测量，才能得到真正的前倾角值。Jarrett 等[20]也认为传统的CT 测量方法，由于个体颈干角及体位的差异会产生较大的误差，作者建议用斜轴位CT 测量法代替传统CT 测量方法以减小测量误差。虽然CT测量在精度、可信度及拍片测量方法的简易程度方面优于双平面X 线法，但由于CT 同样受患者体位及个体解剖学差异影响，与真实值间仍有一定差异[21-22]。而随着CAD及CT三维重建技术的发展，解决了CT 在测量方面的不足。

4 CT 三维重建测量股骨颈前倾角

三维重建技术就是将二维的CT 数据输入三维重建软件中，并在冠状位、矢状位及水平面三个平面上实现图像还原，同时通过容量计算法可以构建三维模型。三维重建技术被引入到骨科伊始，就被用来研究股骨近段结构[23-25]。Lee 等[26]认为以往由于设备、方法及体位的不同，股骨颈前倾角的测量值变异较大(0° ～ 40°)。同时，X 线片与二维的CT 并不能准确反映三维前倾角的大小，理想的方法是在3D 图像中测量。其改良了ORTHODOC 软件公司的ISS 方法，将三维中的股骨颈轴线与股骨通髁线整合于同一平面上，测量其夹角即为前倾角。此方法与以往测量方法的结果无统计学差异，但观察者间的误差为1.1°，个体误差为1.0°，可重复性较高，但该方法较复杂且受软件限制。随着Mimics 等软件的飞速发展，临床医生进行股骨解剖形态的测量更为精确与便捷。赵晶鑫等[27]运用Mimics 软件将股骨头拟合为球，并人为标定股骨颈最峡部圆心，连接球心和圆心的连线即为股骨颈轴，再通过3D Studio Max 软件建立代表测骨台水平板的空间直角坐标系，其中X-Y平面代表股骨远端双髁后方和大转子后方接触的标准冠状面。股骨颈轴与X-Y 平面的夹角即为股骨颈前倾角。Jia 等[28]在研究小儿先天性髋脱位时，对正常髋关节的前倾角3D 测量也进行了探讨。他在股骨三维重建模型上测量了股骨颈前倾角，并与普通二维CT 扫面测量方法进行了比较，认为三维像上测量与二维CT 测量无明显差异。张海峰等[29]对140 例干性股骨标本进行实际测量及CT 扫描重建测量，实体测量前倾角平均值为14.34°±0.86°，三维重建测量前倾角平均值为14.06°±0.57°，两参数无统计学差异(P ＞0.05)，证实三维重建测量可准确反映实际股骨前倾角大小。Li 等[30]对132例髋关节进行的三维重建测量，结果也证实三维测量的准确度最高。随着计算机导航技术的发展，其与三维重建技术也逐渐运用到手术过程当中。Zheng 等[31]术前利用Mimics17.0 对11 例髋部患儿进行股骨近端进行重建与解剖参数测量，术中利用个体导航板进行精确导航，实现了患者的精准化个体治疗，相比传统手术明显减少了手术时间、术中出血量和对患者及术者的损伤。随着计算机技术的发展及三维测量方法的不断改善，CT 三维重建在临床中的应用也逐渐增多，并体现出了其强大的优势。但由于CT 扫描范围受限、三维重建过程中股骨分割与测量较为繁琐、手术术野受限等不足，在一定程度上限制了其在临床上的广泛应用。

5 前倾角测量的新进展

利用Mimics 软件进行股骨三维重建时，股骨分割与解剖参数的测量十分繁琐，笔者在操作过程中也深有体会。介于这个问题，许多学者希望能通过计算机进行自动分割和测量。而由于股骨CT 扫描自动分割过程中存在骨骼边界模糊、关节间隙狭窄、股骨形状和密度存在变化以及腿部姿势不同等问题，该技术迟迟没有突破。而随着计算机人工智能技术的发展，特别是深度学习领域的研究，这些问题也逐渐迎刃而解。陈芳等[32]设计了新型的3D 特征增强网络，运用边缘探测及多维特征融合两个特征增强模块，实现了股骨的自动准确分割与三维重建，股骨的相似度高达96.88%，平均耗时0.93 s，在骨性结构分割方面实现了巨大突破。汪轶平等[33]自主研发的Femeter软件可读取股骨的STL 模型，手工选取目标解剖标志点，可实现股骨头半径、颈干角、前倾角等相关股骨近端参数的自动计算，其平均测量时间为(0.95±0.16) s，各解剖测量项的评定者内和评定者间可靠性较高。然而由于髋部CT 扫描大多只涵盖股骨近端区域，不涵盖股骨远端，单单依靠传统方法进行测量是无法实现的。所以如何利用近端股骨CT 进行前倾角的预测也是目前研究的热点。Veilleux 等[34]开发了一种自动识别股骨主要标志的算法，通过选取6 条近端轴线和200 个股骨模型测量参数建立了一个144 例正常股骨的近端股骨形状统计模型，得到了最佳线性相关函数，通过新的解剖标志预测的前倾角与真实前倾角之间的差值仅在0.00°±5.13°，平均绝对误差仅为4.14°，其相对于术前二维测量及术中目测方法有了极大改善。通过以上技术的进展，实现股骨近端解剖参数的便捷准确测量已不再是难题。但由于手术过程中患者解剖形态有赖于术者的大脑重组还原，而由于术者年资经验不同及术前信息了解不完善，手术方案的精确制订也会受到影响，给手术带来一定的安全隐患[35]。近年来随着混合虚拟现实技术在医学上的逐渐应用，可以将患者的骨骼解剖形态叠加在虚拟物理空间上，在术中不扩大切口的情况下实现病人股骨近端解剖形态的三维可视化，根据不同股骨的特定解剖学参数术前定制出髓内钉及其辅助手术器械用以定位最佳入钉点，并快速应用于接下来的关节成形或骨折手术[36-40]。