凸轮型股骨髋臼撞击综合征中α角的研究进展

栗智,刘学淼,万璞,田康

(大连医科大学附属第一医院运动医学科,辽宁 大连 116021)

股骨髋臼撞击综合征(femoroacetabular impingement syndrome,FAIS)是一种常见的髋关节解剖异常疾病,可以分为三种类型:凸轮型(Cam型)、钳型(Pincer型)和混合型(Mixed型)[1]。其中Cam型FAIS的特点是股骨头呈非球形和/或股骨头颈偏心距不足,导致股骨头颈交界处前上区的凸轮畸形在运动中撞击并滑入髋臼,造成盂唇与关节软骨损伤,引起继发性骨关节炎,对其进行早期识别和干预有望改善自然病史,因此准确地发现并评估凸轮畸形的大小和位置就非常重要。α角是评估股骨头颈交界处轮廓异常的量化参数,常用于诊断Cam型FAIS和评估其术后效果。然而,α角是从凸轮畸形的三维形状中提取出的二维图像信息,存在极大的局限性和不确定性,并不能可靠地反映凸轮畸形的三维特征,准确的测量也仍然存在挑战。因此,本文就Cam型FAIS中α角的研究进展作一综述,以期为临床医生提供参考。

1 α角与凸轮畸形

Cam型FAIS的凸轮畸形最常发生在头颈连接部的前上区[2]。任何影响正常髋关节解剖结构的疾病或不良病理过程,如青少年过度运动、Legg-Calvé-Perthes病、股骨头骨骺滑脱和髋关节发育不良都会增加凸轮畸形风险[3-4]。α角实际上反映了头颈前上偏心距和股骨头的非球面部分[5]。α角的测量最初基于髋关节MRI的斜轴位,目前已扩展至X线和CT)(见图1)。经典的α角测量方法如下:在髋关节斜轴位图像髋臼窝水平的股骨头轮廓上放置1个圆圈,定位圆心即股骨头中心,通常使用Mose同心圆模板[6]。然后找出股骨颈最窄部分的中心点,绘制1条连接圆心与股骨颈中心点的线,即股骨颈轴线。最后从圆的中心画第2条线连接至股骨头出圆位置,出圆位置即股骨头或头颈部连接处的轮廓首先离开股骨头圆的点。两条线的夹角即为α角。α角在X线片与CT中均以此种方法测量。一般认为凸轮畸形的边界越宽,α角越大。

a MRI上测量α角 b CT上测量α角 c X线片上测量α角

目前普遍认为无论在哪种测量视图中,α角>55 °即存在凸轮畸形,也有一些学者支持60 °作为Cam型FAIS的诊断标准[7]。α角也是Cam型FAIS骨软骨成形术后评估的重要依据,一项系统综述显示术后α角可降至平均45.6 °[8]。α角可以准确的反映骨骼畸形特征,但作为三维实体的单一截面或二维投影,同一股骨不同拍摄角度的α角都可能不同。因此,可靠、准确地测量α角仍然是一个挑战。下文将探讨X线片、CT、及MRI三种技术手段中α角测量的重点与难点。

2 X线片

传统上使用骨盆前后(anterior-posterior,AP)位和髋关节侧位X线片识别FAIS并测量α角,同时这也被认为是最低限度的影像学检查[7]。拍摄骨盆AP位X线片时患者呈仰卧位(也有研究采用负重位[9]),髋关节内旋15 °,焦距1.2 m,中心光束指向连接髂前上棘连线与穿过耻骨联合的垂直线的交点。良好的AP位X线片闭孔和髂嵴对称,尾骨投影到耻骨联合上1～2 cm。然而,单纯AP位投影无法准确地显现出前上方凸轮畸形的真实大小,患者体位或股骨颈前倾角的变化也可能影响测量结果,因此涌现了许多种侧位拍摄方法。目前主要有9种:穿桌侧位、蛙式位、改良蛙式位、假斜位、改良假斜位、90 ° Dunn位、45 ° Dunn位、改良45 ° Dunn位和Meyer侧位。(1)穿桌侧位:患者仰卧,对侧髋和膝关节屈曲超过80 °,患肢内旋15 °,以暴露股骨头颈连接处的前外侧表面,X线束应与台面平行,与患肢成45 °,光束对准股骨头中心。(2)蛙式位:患者仰卧,患肢膝关节弯曲30 °～40 °,髋关节外展45 °,足搭于对侧膝关节内侧,类似于4字试验,股骨大约外旋60 °,光束对准髂前上棘和耻骨联合之间的中点。(3)改良蛙式位或称蛙式45 °/45 °/30 °位:髋关节屈曲45 °,外展45 °,外旋30 °,光束以股骨头为中心[10]。(4)假斜位:患者站立,患髋靠在底板上,骨盆旋转65 °,患足平行于底板,光束对准股骨头中心。(5)改良假斜位:拍摄假斜位时股骨内旋转35 °[11]。(6)90 ° Dunn位:患者仰卧,患髋屈曲90 °,外展20 °,无内外旋,光束指向髂前上棘和耻骨联合之间的中点。(7)45 ° Dunn位:患者仰卧,患髋屈曲45 °,外展20 °,无内外旋。(8)改良45 ° Dunn位:患者仰卧,患髋屈曲45 °,外展20 °,外旋40 °[12]。(9)Meyer侧位:Meyer等[13]提出的Dunn位改良假设,患者仰卧,患髋屈曲25 °,外展20 °,无内外旋。以左股骨头为例,在股骨头上投影表盘以指示方位,12点向上、3点向前,此时能够反映凸轮畸形的最佳成像方式,按顺时针方向从12点至3点依次为AP位、Meyer侧位、45 ° Dunn位,改良假斜位、改良蛙式位、改良45 ° Dunn位、蛙式位、穿桌位、90 ° Dunn位、假斜位[12]。

目前较多证据表明Dunn位是观测凸轮畸形和测量α角的最佳选项,具有极高的敏感性和可重复性,尤其是45 ° Dunn位[14-15]。非放射科医生只需经过简单的培训就可以从AP位和双侧Dunn位X线片中准确地识别Cam型FAIS的凸轮畸形[9]。Barton等[16]比较了X线片AP位、穿桌侧位、Dunn位与MRI上的α角测量值,结果表明Dunn位表现最佳,敏感度为91%,特异性为88%。有研究显示,通过与三维重建比较,45 ° Dunn位、改良45 ° Dunn位以及穿桌侧位能更好的展示股骨头颈部非球面特征[17]。同样使用三维重建的Atkins等[18]则认为,Meyer侧视图和90 ° Dunn可以提供凸轮三维形状的最佳预测。Cavaignac等[10]通过在尸体骨上插入半椭圆形金属组件模拟凸轮畸形,比较了穿桌侧位、改良蛙式位、90 ° Dunn位和45 ° Dunn位的测量结果,结果表明α角平均值最高的是改良蛙式位,而最低的是穿桌侧位。但该研究使用的金属插件是片状的,而非椭圆球状,或许对结果有一定的影响。Lahner等[19]研究了下肢机械轴偏移量(mechanical axis deviation,MAD)与X线片α角的关系,80例FAIS患者拍摄了85张站立下肢全长AP位片,α角平均值为61.43 °,发现当MAD值较高时,α角显著增加。结果提示髋关节在功能和影像上都不是孤立的解剖单元。

综上,作者推荐在Cam型FAIS或怀疑Cam型FAIS的患者中使用骨盆AP位和髋关节45 ° Dunn位进行检查。

3 CT与MRI

如果X线片无法解释症状和/或需要进一步的解剖信息,通常会使用CT、单侧高分辨率(1.5T或3.0T)MRI和/或核磁共振关节造影(magnetic resonance arthrography,MRA)。MRI被认为是详细评估髋关节和FAIS患者的金标准成像技术,但CT与MRI中测量α角的方法和结果本质上没有区别,因此可以一并讨论。

传统方法使用CT或MRI的单一斜轴位视图测量,而如今CT和MRI数据可以重建为具有亚体素重建误差的髋关节三维模型,通过切割获取特定股骨颈轴位视图测量α角。将股骨颈轴线所在的平面以股骨颈轴线为中轴旋转,以一定角度增量创建平面,就可以按需得到轴向图像。这种重建的轴向图像不会受体位的影响。轴向序列中最小可接受平面数应为12个,即30 °增量。有学者提出所有可疑的FAIS病例都应重建轴向MRI图像[15]。值得注意的是,使用MRI图像绘制股骨头的轮廓圆时应包括股骨头软骨[20]。目前,1.5T MRI被视为检查所需的最低推荐场强,而3.0T MRI与1.5T MRA成像能力相当[15,21-22]。

Kobayashi等[14]的一项Ⅱ级证据研究纳入了39例患者的42个髋关节,其中22髋存在FAIS,20髋为交界性发育不良,通过3D多回波重组梯度回波(3D multiple echo recombined gradient echo MRI,MERGE)重建了股骨颈轴向图像,结果显示FAIS组的最大轴向α角明显高于发育不良组,且轴向MRI上最大的α角均高于X线片。Dudda等[23]回顾性分析55例髋关节,通过使用MRA轴向切片在14个位置测量了α角和凸轮高度,并根据X线片凸轮畸形可见性分组作比较。他们发现最大的α角位于头颈部交界处的前上方区域,即使常规X线片显示正常,前上方的实际α角也可以很大,仅依靠X线片进行诊断会遗漏34.6%的患者。Rakhra等[5]回顾了41例怀疑FAIS患者在1.5T MRA斜轴位图像上的α角,将其与轴向图像中获得的最大α角进行了比较,平均斜轴位和平均最大轴向α角的值分别为53.4 °和70.5 °,54%的受试者在斜轴位上α角<55 °但在最大轴向图像上>55 °。

虽然轴向CT或MRI是评估股骨头颈交界处最准确的成像方式,但轴向切面不能考虑到整个股骨头的几何形状,且单个图像可能无法捕获凸轮畸形的顶点。统计形状模型提供了使用CT或MRI图像重建来客观量化三维解剖形状的方法[18],数字重建X线片通过从CT图像堆栈中创建数字重建影像,以可控的角度模拟髋关节X线片,有助于同时从二维和三维进行评估。Harris等[17]使用股骨头最佳拟合球体生成一个球面,计算原股骨头非球面上的节点与最佳拟合球体表面之间的最大距离,最大距离可以评估凸轮畸形的方位和严重程度。但是他们没有进行形状评估,凸轮的整体形状将影响最大距离和α角的关系。若Cam形态短促高耸,则出现最大距离大,α角小;若Cam形态平缓,则出现最大距离小,α角大;这提示了α角并不是畸形大小的唯一客观指标。Ewertowski等[24]对19例FAI患者的3.0T MRI图像进行了人工和自动程序的多次测量,比较测量间一致性。人工使用多平面重建软件通过股骨头创建7个轴向重建,其测量准确性依赖于观察者熟练度,并不总是可靠;而程序自动测量α角所需的工作量很小,其α角测量结果客观可靠。

4 对α角的思考

临床中发现凸轮畸形的存在并不一定会导致FAIS症状的出现,而出现FAIS症状的患者也并非都具有典型的形态学改变。有研究显示,对110例无症状受试者拍摄穿桌侧位,41%的受试者α角度>50 °,证实了一些无症状的人在髋关节X线片上也会有Cam畸形迹象[25];而在临床表现为髋关节疼痛的年轻患者中,与FAIS一致的影像学检查阳性结果仅为60.5%[26]。FAIS的诊断往往会因影像学假阴性延迟1～2年[9]。总体来看,单纯X线片对凸轮畸形的识别不够,FAIS的影像学检查结果与症状不一定相关,这两个原因导致人群中Cam型FAIS的患病率可能被低估。对此作者认为,撞击是一种动态现象,而不是静态的畸形成像,α角不能反映关节中各个组成部分的动态相互作用,畸形最大的区域也不一定是导致撞击的区域。同样,尽管α角的恢复是评判骨软骨成形术术后效果的重要标准,且往往预示着良好的中长期临床效果[27],但其并不能准确代表成形的范围和程度。Bouma等[28]首次引入了新的参数ω区(omega zone),它将五个参数组合为一个:α角、中心边缘角、髋臼前倾角、股骨颈前倾角以及股骨颈干角,量化了股骨近端和髋臼之间的相互作用。基于CT重建,他们将股骨头投影为一个圆形,同时被髋臼覆盖的面积和α角囊括的凸轮畸形面积也投影在该圆形中,并计算百分比。覆盖区和α区之间的剩余区域被称为ω区,代表髋臼中头部无撞击的活动度(range of motion,ROM),得到三维形状的二维表示。他们比较了20例有症状Cam型FAIS男性患者与35例无症状男性的ω区,结果显示在髋关节屈曲60 °和90 °时,无论α角是正常还是偏大,Cam型FAIS患者的ω区始终比正常对照组小。这项研究一定程度上提供了未来的探索方向。

5 总 结

拍摄骨盆AP位和45 ° Dunn位X线片是测量Cam型FAIS α角的最佳射线照相方式,进一步精确可行CT和MRI股骨颈多角度轴向重建,推荐使用3.0T MRI或1.5T MRA。CT和MRI的三维重建似乎更为直观,但是缺少量化的评估标准。α角不能反映股骨与髋臼间的动态相对运动,未来需要一种更真实有效的、结合个性化躯体运动的可量化指标替代单纯的α角。