三维立体可视化测量国人肱骨近端解剖学参数

刘蓬然，申澳，吕静，陈宇飞，袁剑，廖胜辉，刘立宏*

1.中南大学湘雅二医院骨科，长沙 410010；2.华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科，武汉 430022；3.中南大学湘雅二医院放射科，长沙 410010;4.中南大学计算机学院，长沙 410083

肱骨近端处于骨松质与骨皮质交界的力学薄弱区域，外伤后骨折发生率在全身骨折中占近10%[1]。伴有移位的肱骨近端骨折常需手术治疗以保证肩关节功能恢复[2]。而在我国，手术治疗后仍有部分患者出现骨折不愈合、畸形愈合、关节僵直和创伤性关节炎等并发症[3]，这可能是由于目前术中所选用的骨科内植物（如肱骨近端钢板、螺钉、肱骨头假体等）大多由欧美国家根据国外人口群体的骨骼解剖参数所设计生产，无法精准匹配我国患者。并且，既往骨骼解剖学参数多基于二维层面进行测量，测量过程中关键解剖定位点难以确定，缺乏三维层面精准定位[4]。因此，开展新型三维层面的骨骼解剖学测量，对于术中辅助骨折复位及设计符合我国患者解剖特征的骨科内植物十分关键。数字骨科是由临床骨科与计算机相结合产生新型技术，可以通过术前三维重建、有限元分析、辅助导航甚至术中混合现实导航来辅助骨科手术开展[5,6]。以中南大学计算机学院自主研发的E-3D数字医疗建模软件为例，该软件能够通过数字骨科技术重建患者CT数据，并在重建后的可视化三维立体模型上测量骨骼的解剖参数，精准获取患者个体化解剖数据。因此，本研究选用E-3D数字医疗建模软件对肱骨近端外伤患者的骨骼数据进行重建（复位），并创新性地通过三维立体可视化模型测量分析骨骼解剖参数，旨在为骨科手术中骨折端复位、内植物放置及设计匹配我国患者的内植物提供技术参考。

1 资料和方法

1.1 一般资料

回顾性选取2013～2019年因肩部外伤于中南大学湘雅二医院骨科就诊的患者，并将其中诊断肱骨近端骨折者设置为骨折组，未见明显骨折者设置为正常组。选取时排除标准如下：（1）未满18岁、骨骼发育不完全者；（2）肱骨近端曾有陈旧性骨折病史或手术病史影响局部参数测量者；（3）存在骨性关节炎、骨肿瘤等疾病导致骨骼形态结构发生变化者；（4）存在小儿麻痹症导致肢体发育不全、畸形者。获取并整理患者肱骨CT扫描数据，以DICOM格式导出后备用。

1.2 CT数据处理与骨骼三维重建

将所有纳入研究患者的肱骨近端扫描CT数据分别导入至E-3D数字医疗建模软件（V17.06）中，使用“剪切范围”选项在原始CT数据的冠状位、矢状位、轴位窗口中选取保留肱骨骨骼区域，随后使用“容积重建”和“容积编辑”选项进一步选取感兴趣区域(ROI)，使用“体绘制分割”调节ROI阈值并进行自动优化后，即得到初步三维重建的整体骨骼模型，留备用于后续三维模式下解剖参数测量。对于骨折组，骨折模型重建后继续使用“分离操作”选项对不同骨折块进行分离，随后使用“骨折复位”选项在三维条件下进行模拟骨折复位操作，复位满意后保存模型，用于后续三维模式下解剖参数测量（图1 A～D）。

图1 E-3D软件重建、复位骨骼流程A：骨折组患者肱骨近端建模 B：对建模后的骨折模型分离骨折块 C：模拟骨折块复位D：复位满意后用于参数测量的三维模型Fig.1 The processes of bone reconstruction and reset in E-3DA:Modeling of proximal humerus in the fracture group;B:Separated the fracture fragments from the fracture model;C:Simulated fracture block reduction;D:3D model for measuring parameter after satisfactory reduction

1.3 测量参数与方法

使用E-3D数字医疗建模软件（V17.06）“水平旋转”选项调整重建后的肱骨骨骼模型为竖直状态，并建立竖直参考线保持模型直立，于模型视觉前方新建投影面标记为“冠状面”，通过冠状面、矢状面、轴位面两两垂直的关系，建立相应侧方视角的“矢状面”和上方视角的“轴位面”。随后使用“测量分析”选项，根据待测量参数的解剖特点，对重建后的三维模型在立体空间中上逐个设置解剖参考点、参考线，随后在“冠状面”、“矢状面”或“轴位面”上对中对以上参考点、参考线之间的距离和角度进行测量，测量结果视为肱骨近端骨骼相关解剖参数。研究中主要测量参数如下：

（1）肱骨头参数：肱骨头高度（Head height of humerus,HH）：肱骨头关节面弧顶（肱骨头关节面直径的中垂线与头关节面相交点）至肱骨头关节面直径的垂直距离（如图2 A、F线段EC）；肱骨头关节面直径（Articular surface diameter of humerus head,ASD）：肱骨头关节面变化最显著处的直线距离（如图2 A、F线段AB）；肱骨头关节面曲率半径（Radius of curvature of humerus head,ROC）：肱骨头关节面圆心(旋转中心)与关节面弧顶之间的距离（如图2.A、F线段OC或OF）。

（2）肱骨干髓腔参数：肱骨解剖颈平面下缘（肱骨头关节面直径下缘）所在水平面的髓腔直径标记为L0（如图2.B、E线段JK），肱骨解剖颈下缘平面以远20 mm、40 mm 处所在平面的直径分别标记为L20、L40（如图2.B、E线段LM、NP）。

（3）肱骨头干间关系参数：颈干角（Neck shaft angle,NSA）：肱骨头的中轴线与肱骨干近端的中轴线所夹钝角（如图2.B∠CHO2）。向内偏心距（Medial offset,MO）：肱骨头的旋转中心与肱骨干近端的中轴线在冠状面上的垂直距离（如图2.B线段OG）；向后偏心距（Posterior offset,PO）：肱骨头的旋转中心与肱骨干近端的中轴线在矢状面上的垂直距离（如图2.D线段OG）。

（4）肱骨头以及大、小结节相关垂直距离参数：D1：冠状位上大结节顶点与参考点（参考点设置为冠状位上肱骨头中轴线与肱骨外侧骨面的交点D）之间距离（如图2.C L2与L6之间的垂直距离）；D2：冠状位上大结节顶点与肱骨头顶点之间距离，即头结节间距（如图2.C L1与L2之间的垂直距离）；D3：冠状位上大结节顶点与肱骨头旋转中心之间距离（如图2.C L2与L4之间的垂直距离）；D4：冠状位上大结节顶点与肱骨头下缘之间距离（如图2.C L2与L5之间的垂直距离）；D5：冠状位上小结节顶点与肱骨头顶点之间距离（如图2.CL1与L3之间的垂直距离）。

图2 肱骨近端各参考点、参考线示意图A:肱骨近端三维模型冠状位视图（实体）：O点为肱骨头的旋转中心；AB为冠状位肱骨头关节面直径(ASD)；OC或OF为冠状位关节面曲率半径(ROC)；CE为冠状位肱骨头高(HH)。B:肱骨近端三维模型冠状位视图（半透明）：JK为冠状位解剖颈下缘水平面髓腔宽度L0；LM为解剖颈下缘平面以远20mm处髓腔宽度L20；NP为解剖颈下缘平面以远40mm处髓腔宽度L40；∠CHO2为肱骨颈干角(NSA)；OG(GI-ROC)为肱骨向内偏心距(MO)。C:肱骨近端三维模型冠状位视图（实体）：L2与L6之间的垂直距离为肱骨大结节顶点到参考点D的垂直距离（D1）；L1与L2之间的垂直距离为肱骨头顶点到肱骨大结节顶点的垂直距离（D2）；L2与L4之间的垂直距离为肱骨大结节顶点到肱骨头中心的垂直距离（D3）；L2与L5之间的垂直距离为肱骨大结节顶点到肱骨头下缘的垂直距离（D4）；L1与L3之间的垂直距离为肱骨头顶点到肱骨小结节顶点的垂直距离（D5）。D:肱骨近端三维模型矢状位视图（实体）：各参考点、参考线设定同前。E:肱骨近端三维模型矢状位视图（半透明）：各参考点、参考线设定同前。F:肱骨近端三维模型轴位视图（实体）：各参考点、参考线设定同前。Fig.2 Illustration of reference pointsand referencelinesof theproximal humerusA:Coronal view of 3D model of the proximal humerus(solid):point O was the rotation center of the humeral head;Line AB was coronal diameter of the articular surface of humeral head(ASD);Line OCor Line OFwas the radius of curvature of the coronal articular surface(ROC);Line CE was coronal humeral head height(HH)；B:Coronal view of 3D model of the proximal humerus(translucent):Line JK was width of the medullary cavity of anatomical neck inferior margin;L0;Line LM waswidth of the medullary cavity of anatomical neck inferior margin 20mm away:L20;Line NP was width of the medullary cavity of anatomical neck inferior margin 40mm away:L40;∠CHO2 was humeral neck shaft angle(NSA);Line OG(GI-ROC)was humeral medial offset(MO)；C:Coronal view of 3D model of the proximal humerus(solid):The vertical distance between L2 and L6 was the distance from the apex of greater tuberosity to the reference point D(D1);The vertical distance between L1 and L2 wasthe distance from the apex of the humeral head to the apex of the greater tuberosity(D2);Thevertical distance between L2 and L4 was the distance from the apex of greater tuberosity to the center of the humeral head(D3);The vertical distance between L2 and L5 wasthe distance from the apex of greater tuberosity to the inferior margin of the humeral head(D4);Thevertical distance between L1 and L3 wasthe distance from theapex of thehumeral head to the apex of the lesser tuberosity humerus(D5)；D:Sagittal view of 3D model of the proximal humerus(solid):The reference pointsand reference lineswere set the same as before；E:Sagittal view of 3D model of the proximal humerus(translucent):The reference points and reference lines were set the sameas before；F:Axial view of 3D model of theproximal humerus(solid):The referencepointsand referencelineswere set the sameasbefore.

测量结束后，收集所得参数结果，计算均数及标准差，对骨折组与正常组相关解剖参数进行统计学对比分析，检测E-3D数字医疗建模软件的复位效果，同时结合整体结果作为国人肱骨近端解剖数据参考。

1.4 统计学分析

本研究采用SPSS18.0对所得进行数据进行统计学意义分析，研究中的计量资料以()表示，采用独立样本t检验进行比较。当P＜0.05认为差异存在统计学意义。

2 结果

2.1 患者纳入情况

根据纳入标准，本研究共纳入患者90例，其中骨折组60例（其中男性25例，女性35例，平均年龄为57.6±11.4岁），正常组30例（其中男性14例，女性16例，平均年龄为46.1±9.3岁），根据其建模后的三维模型所测量的上述解剖参数全部进入结果分析。

2.2 骨折组与正常组肱骨近端解剖参数测量结果

骨折组与正常组患者肱骨近端解剖参数HH、ASD、ROC、NSA、MO、PO、L0、L20、L40、D1、D2、D3、D4、D5测量结果如表1和表2所示。

表1 正常组肱骨近端相关参数测量结果（n=30）Tab.1 Measurement results of relevant parameters of proximal humerusin thenormal group(n=30)

表2 骨折组经复位后肱骨近端相关参数测量结果（n=60）Tab.2 Measurement results of relevant parameters of proximal humerus after reduction in the fracturegroup(n=60)

2.3 骨折组与正常组肱骨近端解剖参数测量结果对比

统计学分析结果显示，骨折组与正常组患者肱骨近端解剖参数HH、ASD、ROC、NSA、MO、PO、L0、L20、L40、D1、D2、D3、D4、D5之间无统计学差异，结果如表3所示。

表3 骨折组与正常组肱骨近端相关参数测量值的比较()Tab.3 Comparison of measurements of relevant parameters in the proximal humerus between the fracture group and the normal group(Mean±SD)

表3 骨折组与正常组肱骨近端相关参数测量值的比较()Tab.3 Comparison of measurements of relevant parameters in the proximal humerus between the fracture group and the normal group(Mean±SD)

CV.冠状面AV.轴位面 SV.矢状面CV,coronal view;AV,axisview;SV,sagittal view

3 讨论

肱骨近端主要由肱骨头、大结节、小结节和肱骨干所共同构成，大结节与小结节之间为结节间沟，内有肱二头肌长头腱通过，它们对于肱骨近端骨骼的稳定性有着重要意义，并且肱骨近端作为骨松质和骨密质的交界部位容易发生骨折，尤其高龄伴随骨质疏松患者更是如此[7]。当骨折发生时，上述四个骨性解剖结构之间稳定的状态被破坏，相应肌腱功能也会出现障碍，因而导致肩关节前屈、后伸、内收、外展、内旋、外旋和环转运动一系列复杂功能失常。因此，在肱骨近端骨折的手术治疗中，肱骨头、大结节、小结节和肱骨干4个结构的解剖重建成为术后患者能否顺利恢复关节功能的关键因素。

目前根据上述4个解剖结构之间的位置关系已产生了临床上最为常用的Neer骨折分型，按照分型标准若达到两部分以上的骨折通常均需要外科手术（钢板、髓内钉内固定、肩关节置换术等）治疗才能恢复肱骨近端骨骼的完整性[8]，肱骨大、小结节顶端、结间沟等解剖部位作为术中重要的定位结构，关乎到钢板、螺钉的安置和固定[9,10]。近年来虽然肱骨近端骨折手术已发展纯熟，但患者术后肱骨头坏死、骨折再移位、骨折不愈合等并发症仍然高发，严重影响着患者预后恢复效果[11]。同时，由于肱骨近端骨折所使用的骨科内植物多由欧美国家公司设计，同我国患者骨骼的解剖适配情况并不乐观，因此加强我国患者群体肱骨近端解剖参数的测量对于术中骨折块复位、内植物安置以及生产我国自主设计的内植物有着重要意义。

本研究通过使用E-3D数字医疗建模软件对我院60肱骨近端骨折和30例正常患者的肱骨近端骨骼进行了重建（复位），并在重建后的立体模型中创新性地采用了三维立体可视化的测量方法，测量了患者的解剖参数：HH、ASD、ROC、NSA、MO、PO、L0、L20、L40、D1、D2、D3、D4与D5（肱骨近端骨折手术内植物常根据大结节高度、结间沟位置等解剖位点作为参考进行安放，因此这些解剖参数对于术中骨折块的复位、钢板内植物的安置甚至指导产品生产都有着重要参考价值）。然而，在既往欧美国家的研究中，上述解剖参数的测量结果有所不同。例如，Iannotti等[12]通过对140例美国群体的肩部标本及影像学测量得出结论表示：HH的范围为15～24 mm，平均(19.0±2.4)mm，ROC的范围为19～28 mm，平均(24.0±2.1)mm，D2的范围为3～12 mm，平均(8.0±3.2)mm；相似地，Robertson等[13]通过对60例美国群体的肱骨标本CT数据的二维测量得出同样结论：HH在冠状面上平均高度为(19±2)mm；Hertel等[14]对200例瑞士群体的肱骨标本进行解剖测量后得出结论：ASD在冠状面上的范围为36～57 mm，平均(44.5±4)mm，矢状面上的范围为33.5～53.5 mm，平均(42±3.8)mm，肱骨干近端髓腔直径的范围为6～21 mm，平均(11.5±2.1)mm，NSA的范围为128°～145.5°，平均角度(137±3.62)°，MO的范围为3.9～8.6 mm，平均6 mm，PO的范围为0.4～3.2 mm，平均1.4 mm；同样也有法国学者专门针对法国人口的MO和PO进行研究，结果表明MO平均为6.9 mm，PO平均为2.6 mm[15]。上述学者对于欧美国家人群肱骨近端解剖参数的测量结果与本研究的结果相比，测量结果明显大于我国人口群体，这进一步证实了本研究先前提出的假设：由欧美国家根据其人口群体的骨骼解剖参数所设计生产的骨科内植物（如肱骨近端骨折钢板、螺钉、肱骨头假体等）不完全适合我国患者，这也是国内临床肱骨近端骨折患者术后并发症高发的重要原因之一。针对国内肱骨近端骨折患者，仍有必要设计生产针对国人群体的相应骨科内植物，本研究的测量结果可为其提供参考。

同样，我国既往也存在少数对国人肱骨近端骨骼参数的研究，整体结果于本研究结果相似，如袁本祥等[16]通过CT数据测量了180例正常国人的肱骨近端骨骼，得出HH的范围为12.4～22.0 mm，平均(16.7±1.9）mm，肱骨干近端髓腔直径的范围为7.2～17.1mm，平均(11.6±1.9)mm，NSA的范围为120.4°～139.3°，平均(129.7±4.3)°，MO的范围为0.4～9.6mm，平均(5.0±1.6)mm，PO的范围为0.2～8.0 mm，平均(3.5±1.6)mm；张等[17]通过对80例正常国人肩关节的CT数据检测后得出，国人ROC的范围为18.39～26.51 mm，平均(22.1±1.9)mm，ASD的范围为36.03～50.52 mm，平均距离(42.9±3.6)mm，NSA的范围为125.1°～139.7°，平均(133.0±3.1)°，MO的范围为4.02～8.57 mm，平均为(6.3±0.9)mm，PO范围为1.66～2.50 mm，平均(0.40±0.78)mm。这些研究结果和本研究有所相似，但本研究在L40（肱骨解剖颈平面下缘40 mm）基础上，还增加了L0（肱骨解剖颈平面下缘水平面）、L20（下缘以远20 mm处）两个位置的参数共同测量，这在既往研究中是未曾有的，可以为国人肩关节假体的设计提供更详细的数据参考。同时更重要的是，本研究所创新性地采用的三维立体可视化的测量方法，相对于传统X线或CT数据的二维平面测量来说更具备精准性与可靠性，可以实现通过重建后可视化的三维模型直接进行测量，从而获得更大量、更精准、更接近实体标本的解剖数据以提供参考，弥补了传统的二维测量中解剖关键点难定位、断层关键面难把握、数据易丢失以及实体测量中标本难获得、难保存的弊端。

并且，本研究结果还显示，骨折组模型经过复位后，其肱骨近端解剖参数的测量结果与正常组患者相比无明显统计学差异，这也证实了本研究所使用的E-3D数字骨科建模软件在骨骼三维重建、骨折块模拟复位、骨骼参数测量功能方面具备较高的准确性和可信度，值得广大骨科临床医师使用。

综上所述，本研究的结果能够对未来肱骨近端骨折患者的术前规划、术中复位以及国人个性化骨科植入物的生产提供良好参考。当然，本研究也有一定不足之处：样本数量较少、患者来源单一，所得肱骨近端解剖参数的测量结果可能存在偏差，未来仍有待于更大范围的深入研究。