三维CT重建股骨头坏死体积、分布、形状的测定及塌陷预测

【摘要】： 目的依据三维CT图像数据,计算机上重构出三维股骨头坏死模型,直观化确定坏死的部位,测出坏死病灶的体积、重建坏死立体形状并与股骨头坏死大体标本的体积比较,探讨其准确性及临床实际意义。 方法59例(92髋)ARCOⅡ期股骨头坏死患者,男44例,女15例,平均年龄37.5岁(26～58岁)。激素性坏死20例(35髋),酒精性坏死31例(49髋),创伤性坏死4例(4髋),特发性坏死4例(4髋)。ARCO分期:Ⅱ期92髋。所有患者行MRI检查确诊为ARCOⅡ期股骨头坏死后,每位患者双髋均进行三维CT扫描,层厚(Thick)为1mm,间隔(Gap)为0,获得髋关节三维CT图像的DICOM格式数据。利用自行研发的股骨头坏死测量软件将图像导入,提取出股骨头及其坏死区域的轮廓。并直接读取股骨头及其坏死组织区域的体积及两者之间的百分比、坏死占各个象限的百分比,同时提取坏死的立体形状。临床随诊以股骨头塌陷作为观察的终点,对未塌陷的患者至少观察24个月。使用SAS9.1软件对重建股骨头与真实股骨头及坏死体积的差异进行t检验,方差分析对不同病因的股骨头坏死体积进行分析,运用决策树(decision tree)和logistic回归方法分析各参数与塌陷的相关性。对发展到Ⅲ期或Ⅲ期以上的需要人工关节置换术的患者中,随机选择8髋,在行人工关节置换术之前再次三维CT扫描,术后将取出的完整股骨头颈部锯开,保留股骨头部分。劈成5～6份,在每一层断面上用咬骨钳去除坏死组织至硬化骨。使用移水法测出大体股骨头及其坏死病灶的体积,与计算机所得结果相比较,进行统计学分析。 结果重构的三维股骨头模型上可见股骨头坏死区域多位于股骨头的外上方,与大体股骨头坏死病灶的位置符合。计算机测量塌陷的58髋中股骨头坏死病灶的体积与整个股骨头的体积比为36.8%±12.5,无塌陷的34髋中骨头坏死病灶的体积与整个股骨头的体积比为17.3%±5.2。在塌陷的股骨头中,坏死在股骨头分布体积比为:q1象限:23.4%±8.7,q2象限:23.6%±11.7,q3象限:12.1%±8.1,q4象限:14.4%±7.9,q5象限:9.0%±6.8,q6象限:11.8%±7.9,q7象限:1.6%±2.6,q8象限:3.9%±5.3;未塌陷股骨头坏死在股骨头分布体积比为:q1象限:34.2%±5.8,q2象限:29.6%±14.9,q3象限:11.8%±9.8,q4象限:11.3%±12.1,q5象限:6.0%±8.1,q6象限:6.0%±6.8,q7象限:0.5%±2.5,q8象限:0.4%±1.3。计算机上测得整个股骨头的体积为50251.05±5630.49mm~3,大体测量整个股骨头的体积为50855.53±6056.49 mm~3,两者的体积差为604.48±114.6 mm~3,在统计学上无显著性差别(配对t=-1.49,P=0.179)。计算机上股骨头坏死病灶的体积为21756.48±3065.88 mm~3,大体测量股骨头坏死区域的体积为22213.67±2785.76mm~3,两者的体积差为457.19±849.71 mm~3,统计学上无显著性差别(配对t=-1.52,P=0.172)。所有病例中,酒精性股骨头坏死测量体积比为:33.55%±5.8,激素性坏死体积比:26.74%±9.6,创伤性坏死体积比:40.41%±10.3,特发性骨坏死体积比:18.39%±4.7。各组间比较有显著性差异(F=2.720,P=0.035)。所有92髋根据经计算机重建出坏死三维形状,分为穹窿状、分叶状、哑铃状、圆球状、橘瓣状,其中激素性坏死穹窿状23髋、分叶状3髋、哑铃状2髋、圆球状6髋、橘瓣状1髋;酒精性坏死穹窿状21髋、分叶状6髋、哑铃状7髋、圆球状8髋、橘瓣状7髋;创伤性坏死穹窿状1髋、分叶状0髋、哑铃状0髋、圆球状3髋、橘瓣状0髋;特发性坏死穹窿状1髋、分叶状0髋、哑铃状0髋、圆球状2髋、橘瓣状1髋;在58髋塌陷股骨头中,穹窿状30髋、分叶状4髋、哑铃状6髋、圆球状12髋、橘瓣状6髋,无塌陷的34髋中,穹窿状16髋、分叶状5髋、哑铃状3髋、圆球状7髋、橘瓣状3髋。对坏死体积比、分布象限体积比、坏死形状、病因与塌陷进行logistic回归分析发现,坏死体积比(vol),q2象限坏死体积比与塌陷相关性有统计学差异,P值分别为0.0001和0.0015。决策树分析显示,当坏死体积比(vol)＞23.48%,94.6%(53/56)髋出现塌陷,当坏死体积比(vol)≤23.48%,同时q2象限坏死体积比＞45.13%,83.3%(5/6)髋出现塌陷,q2象限坏死体积比≤45.13%则无塌陷发生(0/30)。结论CT图像计算机三维重建可以精确地重构出股骨头坏死的三维模型,可以帮助临床骨科医师直观、立体化地理解股骨头坏死病灶的形状和位置。能够准确地计算坏死病灶的体积,其结果可信,与大体测量相符合。股骨头坏死病灶体积的大小、坏死体积的分布位置与股骨头塌陷的危险性密切相关。Logistic回归分析及决策树(decision tree)分析结果表明股骨头坏死体积比在预测股骨头塌陷中起重要作用,当坏死体积比大于23%,即有塌陷的危险。股骨头坏死的分布在小范围坏死中对预测塌陷起重要作用,当坏死体积比小于23%,如果坏死分布在第二象限(股骨头前内上方)占整个坏死体积百分比大于45%,股骨头有塌陷的危险。