引用本文: 王永欽, 徐子環, 李鵬飛, 張英琪, 蘇志豪, 倪明. 基于骨折地圖技術的青壯年股骨頸骨折特征分析. 中國修復重建外科雜志, 2022, 36(9): 1078-1083. doi: 10.7507/1002-1892.202204035 復制
臨床上將18~60歲年齡段的股骨頸骨折患者稱為“青壯年股骨頸骨折患者”[1]。該群體股骨頸骨折大多為嚴重暴力致傷,因此骨折形態復雜,治療困難,即使采用手術治療,術后股骨頭壞死和骨折不愈合等并發癥發生率仍較高[2-3]。骨折形態是決定治療方案和判斷預后的關鍵因素,但目前對青壯年股骨頸骨折形態的研究較少。骨折地圖技術是一種全新的描述骨折特征方法,通過對骨折線的提取疊加,可以準確地描述骨折形態和骨折線分布特征。本研究通過醫學影像分析結合骨折地圖技術,分析青壯年股骨頸骨折形態,旨在為臨床治療提供參考。
1 研究對象與方法
1.1 研究對象
患者納入標準:① 股骨頸骨折;② 年齡18~60歲。排除標準:① 合并股骨轉子區骨折;② 開放性骨折;③ 病理性骨折;④ 陳舊性骨折。
2018年12月—2019年7月,上海市浦東新區人民醫院共收治483例股骨頸骨折患者,其中159例符合選擇標準納入研究。其中,男99例,女60例;年齡18~60歲,平均47.9歲。致傷原因:摔傷114例,高處跌落傷14例,交通事故傷17例,扭傷5例,其他傷9例。骨折側別:左側77例,右側82例。
1.2 研究方法
1.2.1 圖像處理
收集患者術前X線片及CT資料,觀察骨折線位置、骨折形態、骨折端缺損,測量Pauwels角,根據Pauwels角以及Garden分型標準對骨折進行分型。
將CT圖像以DICOM格式輸入Mimics19.0圖像處理軟件(Materialise公司,比利時),經過灰度設定、區域增長、三維重建等處理,建立股骨頸骨折三維模型。將模型透明化,提取骨折面。測量骨折面與人體矢狀面夾角(圖1),如骨折面由后內向前外方向走行(頭頸段后側骨質少于前側),數據記為“?”;骨折面由后外向前內方向走行(頭頸段后側骨質多于前側),數據記為“+”。以股骨頸軸心為中心,將骨折面沿逆時針方向分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個象限(圖2),觀察骨折端有無缺損,記錄其在斷面的位置。


1.2.2 繪制骨折地圖
繪制過程如圖3所示。將1.2.1建立的股骨頸骨折三維模型導入Geomagic Wrap 2017軟件(3D Systems公司,美國),通過移動和旋轉等操作復位骨折。以健側完整股骨頸為模板,將骨折復位模型疊加于模板,兩者匹配后導入3-matic軟件(Materialise公司,比利時),繪制骨折線,觀察骨折線走行情況。

為了更好地理解不同類型骨折的骨折線分布,將骨折線疊加圖導入E-3D疊加斷裂映射軟件(中南大學E-3D數字醫療與虛擬現實研究中心),并轉換為三維熱力圖,得到股骨頸上、下、前、后方4個角度骨折地圖,用不同顏色表示骨折線相對頻率(藍色至紅色表示發生率從低到高,線寬5 mm),從不同角度觀察骨折線分布情況。
2 結果
本組股骨頸骨折根據Garden分型標準:Ⅰ型6例,Ⅱ型61例,Ⅲ型54例,Ⅳ型38例;根據Pauwels角:外展型12例,中間型78例,內收型69例。骨折面與人體矢狀面夾角為?39°~+30°。各型骨折特征詳見表1、2。


本組粉碎性骨折13例(8.18%),多為Garden Ⅱ、Ⅳ型和Pauwels中間型骨折,形態以“兩大+一小”(即股骨頭斷裂伴體積較小的股骨頸碎片掉落,圖4)為主,占比 61.5%(8/13);其他形態包括3例骨質碎裂成4塊、2例碎裂成5塊,占比38.5%(5/13)。本組粉碎性骨折類型有橫向斷裂、斜向斷裂和壓縮型斷裂,骨折塊多呈寬基底三角形,主要分布于股骨頭頸交界區下方。

合并骨缺損26例(16.35%),多為GardenⅢ、Ⅳ型和Pauwels 中間型骨折(圖5),位于股骨頸后側。根據股骨頸骨折面分區,本組5例骨缺損局限在1個象限,其余均累及2~4個象限;其中骨缺損位于第Ⅰ象限7例(26.92%)、第Ⅱ象限11例(42.31%)、第Ⅲ象限16例(61.54%)、第Ⅳ象限5例(19.23%)。

骨折地圖顯示股骨頸骨折線呈閉環狀圍繞股骨頸,起于頭頸交界區上方,在股骨頸前后表面沿頭頸交界線下移,并逐漸向外下移行累及股骨距,在股骨頸下方閉合成環。股骨頸上方骨折線較密集,向下移行過程中逐漸分散,股骨頸下方最分散,分析與骨折碎片主要集中于股骨頸下方有關,骨折碎片和缺損導致骨折線彌散分布,給骨折復位和固定帶來一定困難。見圖6。

a. 上方視角;b. 前方視角;c. 下方視角;d. 后方視角
Figure6. Map of comminuted femoral neck fracturea. Superior view; b. Anterior view; c. Inferior view; d. Posterior view
3 討論
3.1 青壯年股骨頸骨折地圖表現
骨折地圖技術是將骨折模型疊加于完整模型模板后提取骨折線來顯示骨折的典型特征。該技術由Armitage等[4]首次報道,并應用于肩胛骨部位骨折特征分析。國內張英琪等[5]首次報道采用該技術分析股骨近端外側壁骨折特征,明確了其骨折線分布。本課題組前期采用該技術對跟骨骨折特征進行分析[6]。本次研究共收集159例青壯年股骨頸骨折患者資料,以期明確該群體股骨頸骨折的典型特征,為分析骨折機制和制定治療策略提供參考。
本研究結果顯示青壯年股骨頸骨折患者其股骨頸上方骨折線位于頭頸交界區,且呈密集分布,分析可能與股骨頸上方骨結構相對薄弱及受力方式有關。Nissen等[7]利用圖像處理軟件建立了骨皮質厚度及分布云圖,發現所有股骨近端在頭頸交界區上方均有一明顯骨質薄弱區,該區域位置與本組患者股骨頸骨折線位置高度一致。Rogalski[8]的研究發現股骨頸中段骨皮質分布存在差異,上方骨皮質厚度明顯低于下方,男性群體該差異更顯著;股骨頸上方的骨皮質是抵御骨折的重要因素,也是最先發生骨折的部位。從骨小梁分布看,股骨頸上方主要是張力骨小梁,由于骨組織抗張應力能力較弱, 故骨折多發生在承受張力最大的部位,即股骨頸外上頭頸交界處。本研究骨折地圖分析結果與上述研究一致。
3.2 青壯年股骨頸骨折形態的影像學特征
青壯年股骨頸骨折主要為高能量損傷所致,常見于交通事故傷或高處跌落傷,多為復合創傷,因此移位明顯的不穩定骨折比例較高[2,9-10]。Stockton等[11]研究顯示65例青壯年股骨頸骨折患者(年齡42~56歲)中,移位骨折比例達75%。本組移位骨折(Garden Ⅲ、Ⅳ型)明顯多于非移位骨折(Garden Ⅰ、Ⅱ型),與既往報道結果類似。本組Pauwels 中間型和內收型骨折占比達92.5%(147/159),略高于Sarfani等[12]報道的54%,分析可能與兩研究中患者數量和年齡不同有關。
粉碎性骨折合并骨缺損是青壯年股骨頸骨折的重要特征。Collinge等[13]對156例青壯年股骨頸骨折特征進行分析,其中33例Pauwels角>50°,24%為粉碎性骨折,骨缺損主要位于股骨頸下方(94%)和后側(82%)。本組粉碎性骨折及骨缺損患者約占全部患者的25%,骨折塊多呈寬基底三角形,主要位于股骨頭頸交界區下方,一般為“兩大+一小”形態。骨折塊的寬基底便于利用骨皮質的Buttress效應,但粉碎性骨塊增加了治療難度。粉碎性骨折會導致股骨頸骨皮質發生缺損,本組骨缺損大部分位于股骨頸骨折面的第Ⅱ、Ⅲ象限(股骨頸后側),且累及2~4個象限。骨缺損會嚴重降低股骨頸骨折手術固定的穩定性[14],是骨折不愈合和股骨頸短縮的重要因素。由于骨缺損多位于股骨頸后側,術中顯露和固定極為困難,如何對其進行有效治療是目前亟待解決的臨床難題。
3.3 青壯年股骨頸骨折特征與股骨頭壞死的關系
股骨頭壞死是青壯年股骨頸骨折最常見和最嚴重的并發癥,發生率為10%~23%[15]。股骨頭壞死的發生與股骨頭頸血供受損相關。從解剖上看,旋股內、外側動脈分出的上、下和前支持帶動脈是股骨頭頸部最重要的動脈,尤其是上支持帶動脈[16-17]。支持帶動脈在走行中又發出數量不等的分支進入股骨頸表面滋養孔,最后呈樹根樣進入股骨頭軟骨邊緣的滋養孔,營養股骨頭頸部。從骨折地圖看,青壯年股骨頸骨折的骨折線主要位于股骨頸中部,是支持帶動脈走行路徑的中點。因此,骨折發生后勢必會對股骨頭血供造成破壞,尤其是移位明顯時,支持帶動脈受到牽拉扭曲或壓迫作用,進一步加重股骨頭缺血程度[18]。股骨頸骨折手術時,骨折端解剖復位有助于消除血管扭曲和壓迫,恢復股骨頭頸血供。因此,解剖復位應作為股骨頸骨折手術的首要原則。如果術前評估骨折復位困難或難以復位,且患者年齡偏大,可直接采用關節置換術。
3.4 青壯年股骨頸骨折特征對治療的指導意義
Buttress鋼板(支撐鋼板)輔助固定是股骨頸粉碎性骨折的最新治療方案,通過將支撐鋼板固定于股骨頸前內緣,可以中和骨折端的剪切力,促進骨折愈合。但目前臨床對支撐鋼板治療的有效性存在爭議,因為該方案并不能避免術后股骨頸短縮和內固定物退出等并發癥[19-20]。支撐鋼板術后退釘可能與骨折端在矢狀面的傾斜角有關。如果傾斜角朝向前外,頭頸骨折塊在垂直載荷下會向前下方移位,支撐鋼板可以抵住骨折尖端,發揮支撐作用并中和剪切力。但如果傾斜角朝向后外,位于前內緣的鋼板只能發揮牽拉效應,不能避免骨折二次位移,內固定物退出亦難以有效避免。本研究結果顯示Pauwels 內收型骨折傾斜角朝向后外,不適合Buttress鋼板固定。另外,由于傾斜角的存在,股骨頸骨折采用空心螺釘內固定時,可以將螺釘適當斜向垂直骨折面植入,以更好地發揮加壓作用。
本研究存在以下不足:① 樣本量偏小;② 主要對股骨頸骨折特征進行分析,未分析影響骨折愈合的股骨頭頸血供;③ 由于股骨頸解剖結構多樣,患者CT圖像存在差異,手動復位骨折、繪制骨折線及角度測量存在誤差。
綜上述,青壯年股骨頸骨折中移位骨折和不穩定骨折比例較高,常伴有后下方粉碎性骨折和骨缺損;骨折線在股骨頸上方密集分布、下方散在分布,可累及股骨距;股骨頸骨折面與人體矢狀面存在一定夾角,這是骨折術后繼發移位和影響Buttress鋼板支撐效應的重要因素。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突;經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的分析及其報道
倫理聲明 研究獲得上海市浦東新區人民醫院醫學倫理委員會批準(2019-16);患者均知情同意
作者貢獻聲明 徐子環、李鵬飛、蘇志豪:數據收集、處理與分析;張英琪:圖像處理與骨折地圖生成;王永欽、倪明:數據整理分析及文章撰寫
臨床上將18~60歲年齡段的股骨頸骨折患者稱為“青壯年股骨頸骨折患者”[1]。該群體股骨頸骨折大多為嚴重暴力致傷,因此骨折形態復雜,治療困難,即使采用手術治療,術后股骨頭壞死和骨折不愈合等并發癥發生率仍較高[2-3]。骨折形態是決定治療方案和判斷預后的關鍵因素,但目前對青壯年股骨頸骨折形態的研究較少。骨折地圖技術是一種全新的描述骨折特征方法,通過對骨折線的提取疊加,可以準確地描述骨折形態和骨折線分布特征。本研究通過醫學影像分析結合骨折地圖技術,分析青壯年股骨頸骨折形態,旨在為臨床治療提供參考。
1 研究對象與方法
1.1 研究對象
患者納入標準:① 股骨頸骨折;② 年齡18~60歲。排除標準:① 合并股骨轉子區骨折;② 開放性骨折;③ 病理性骨折;④ 陳舊性骨折。
2018年12月—2019年7月,上海市浦東新區人民醫院共收治483例股骨頸骨折患者,其中159例符合選擇標準納入研究。其中,男99例,女60例;年齡18~60歲,平均47.9歲。致傷原因:摔傷114例,高處跌落傷14例,交通事故傷17例,扭傷5例,其他傷9例。骨折側別:左側77例,右側82例。
1.2 研究方法
1.2.1 圖像處理
收集患者術前X線片及CT資料,觀察骨折線位置、骨折形態、骨折端缺損,測量Pauwels角,根據Pauwels角以及Garden分型標準對骨折進行分型。
將CT圖像以DICOM格式輸入Mimics19.0圖像處理軟件(Materialise公司,比利時),經過灰度設定、區域增長、三維重建等處理,建立股骨頸骨折三維模型。將模型透明化,提取骨折面。測量骨折面與人體矢狀面夾角(圖1),如骨折面由后內向前外方向走行(頭頸段后側骨質少于前側),數據記為“?”;骨折面由后外向前內方向走行(頭頸段后側骨質多于前側),數據記為“+”。以股骨頸軸心為中心,將骨折面沿逆時針方向分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個象限(圖2),觀察骨折端有無缺損,記錄其在斷面的位置。


1.2.2 繪制骨折地圖
繪制過程如圖3所示。將1.2.1建立的股骨頸骨折三維模型導入Geomagic Wrap 2017軟件(3D Systems公司,美國),通過移動和旋轉等操作復位骨折。以健側完整股骨頸為模板,將骨折復位模型疊加于模板,兩者匹配后導入3-matic軟件(Materialise公司,比利時),繪制骨折線,觀察骨折線走行情況。

為了更好地理解不同類型骨折的骨折線分布,將骨折線疊加圖導入E-3D疊加斷裂映射軟件(中南大學E-3D數字醫療與虛擬現實研究中心),并轉換為三維熱力圖,得到股骨頸上、下、前、后方4個角度骨折地圖,用不同顏色表示骨折線相對頻率(藍色至紅色表示發生率從低到高,線寬5 mm),從不同角度觀察骨折線分布情況。
2 結果
本組股骨頸骨折根據Garden分型標準:Ⅰ型6例,Ⅱ型61例,Ⅲ型54例,Ⅳ型38例;根據Pauwels角:外展型12例,中間型78例,內收型69例。骨折面與人體矢狀面夾角為?39°~+30°。各型骨折特征詳見表1、2。


本組粉碎性骨折13例(8.18%),多為Garden Ⅱ、Ⅳ型和Pauwels中間型骨折,形態以“兩大+一小”(即股骨頭斷裂伴體積較小的股骨頸碎片掉落,圖4)為主,占比 61.5%(8/13);其他形態包括3例骨質碎裂成4塊、2例碎裂成5塊,占比38.5%(5/13)。本組粉碎性骨折類型有橫向斷裂、斜向斷裂和壓縮型斷裂,骨折塊多呈寬基底三角形,主要分布于股骨頭頸交界區下方。

合并骨缺損26例(16.35%),多為GardenⅢ、Ⅳ型和Pauwels 中間型骨折(圖5),位于股骨頸后側。根據股骨頸骨折面分區,本組5例骨缺損局限在1個象限,其余均累及2~4個象限;其中骨缺損位于第Ⅰ象限7例(26.92%)、第Ⅱ象限11例(42.31%)、第Ⅲ象限16例(61.54%)、第Ⅳ象限5例(19.23%)。

骨折地圖顯示股骨頸骨折線呈閉環狀圍繞股骨頸,起于頭頸交界區上方,在股骨頸前后表面沿頭頸交界線下移,并逐漸向外下移行累及股骨距,在股骨頸下方閉合成環。股骨頸上方骨折線較密集,向下移行過程中逐漸分散,股骨頸下方最分散,分析與骨折碎片主要集中于股骨頸下方有關,骨折碎片和缺損導致骨折線彌散分布,給骨折復位和固定帶來一定困難。見圖6。

a. 上方視角;b. 前方視角;c. 下方視角;d. 后方視角
Figure6. Map of comminuted femoral neck fracturea. Superior view; b. Anterior view; c. Inferior view; d. Posterior view
3 討論
3.1 青壯年股骨頸骨折地圖表現
骨折地圖技術是將骨折模型疊加于完整模型模板后提取骨折線來顯示骨折的典型特征。該技術由Armitage等[4]首次報道,并應用于肩胛骨部位骨折特征分析。國內張英琪等[5]首次報道采用該技術分析股骨近端外側壁骨折特征,明確了其骨折線分布。本課題組前期采用該技術對跟骨骨折特征進行分析[6]。本次研究共收集159例青壯年股骨頸骨折患者資料,以期明確該群體股骨頸骨折的典型特征,為分析骨折機制和制定治療策略提供參考。
本研究結果顯示青壯年股骨頸骨折患者其股骨頸上方骨折線位于頭頸交界區,且呈密集分布,分析可能與股骨頸上方骨結構相對薄弱及受力方式有關。Nissen等[7]利用圖像處理軟件建立了骨皮質厚度及分布云圖,發現所有股骨近端在頭頸交界區上方均有一明顯骨質薄弱區,該區域位置與本組患者股骨頸骨折線位置高度一致。Rogalski[8]的研究發現股骨頸中段骨皮質分布存在差異,上方骨皮質厚度明顯低于下方,男性群體該差異更顯著;股骨頸上方的骨皮質是抵御骨折的重要因素,也是最先發生骨折的部位。從骨小梁分布看,股骨頸上方主要是張力骨小梁,由于骨組織抗張應力能力較弱, 故骨折多發生在承受張力最大的部位,即股骨頸外上頭頸交界處。本研究骨折地圖分析結果與上述研究一致。
3.2 青壯年股骨頸骨折形態的影像學特征
青壯年股骨頸骨折主要為高能量損傷所致,常見于交通事故傷或高處跌落傷,多為復合創傷,因此移位明顯的不穩定骨折比例較高[2,9-10]。Stockton等[11]研究顯示65例青壯年股骨頸骨折患者(年齡42~56歲)中,移位骨折比例達75%。本組移位骨折(Garden Ⅲ、Ⅳ型)明顯多于非移位骨折(Garden Ⅰ、Ⅱ型),與既往報道結果類似。本組Pauwels 中間型和內收型骨折占比達92.5%(147/159),略高于Sarfani等[12]報道的54%,分析可能與兩研究中患者數量和年齡不同有關。
粉碎性骨折合并骨缺損是青壯年股骨頸骨折的重要特征。Collinge等[13]對156例青壯年股骨頸骨折特征進行分析,其中33例Pauwels角>50°,24%為粉碎性骨折,骨缺損主要位于股骨頸下方(94%)和后側(82%)。本組粉碎性骨折及骨缺損患者約占全部患者的25%,骨折塊多呈寬基底三角形,主要位于股骨頭頸交界區下方,一般為“兩大+一小”形態。骨折塊的寬基底便于利用骨皮質的Buttress效應,但粉碎性骨塊增加了治療難度。粉碎性骨折會導致股骨頸骨皮質發生缺損,本組骨缺損大部分位于股骨頸骨折面的第Ⅱ、Ⅲ象限(股骨頸后側),且累及2~4個象限。骨缺損會嚴重降低股骨頸骨折手術固定的穩定性[14],是骨折不愈合和股骨頸短縮的重要因素。由于骨缺損多位于股骨頸后側,術中顯露和固定極為困難,如何對其進行有效治療是目前亟待解決的臨床難題。
3.3 青壯年股骨頸骨折特征與股骨頭壞死的關系
股骨頭壞死是青壯年股骨頸骨折最常見和最嚴重的并發癥,發生率為10%~23%[15]。股骨頭壞死的發生與股骨頭頸血供受損相關。從解剖上看,旋股內、外側動脈分出的上、下和前支持帶動脈是股骨頭頸部最重要的動脈,尤其是上支持帶動脈[16-17]。支持帶動脈在走行中又發出數量不等的分支進入股骨頸表面滋養孔,最后呈樹根樣進入股骨頭軟骨邊緣的滋養孔,營養股骨頭頸部。從骨折地圖看,青壯年股骨頸骨折的骨折線主要位于股骨頸中部,是支持帶動脈走行路徑的中點。因此,骨折發生后勢必會對股骨頭血供造成破壞,尤其是移位明顯時,支持帶動脈受到牽拉扭曲或壓迫作用,進一步加重股骨頭缺血程度[18]。股骨頸骨折手術時,骨折端解剖復位有助于消除血管扭曲和壓迫,恢復股骨頭頸血供。因此,解剖復位應作為股骨頸骨折手術的首要原則。如果術前評估骨折復位困難或難以復位,且患者年齡偏大,可直接采用關節置換術。
3.4 青壯年股骨頸骨折特征對治療的指導意義
Buttress鋼板(支撐鋼板)輔助固定是股骨頸粉碎性骨折的最新治療方案,通過將支撐鋼板固定于股骨頸前內緣,可以中和骨折端的剪切力,促進骨折愈合。但目前臨床對支撐鋼板治療的有效性存在爭議,因為該方案并不能避免術后股骨頸短縮和內固定物退出等并發癥[19-20]。支撐鋼板術后退釘可能與骨折端在矢狀面的傾斜角有關。如果傾斜角朝向前外,頭頸骨折塊在垂直載荷下會向前下方移位,支撐鋼板可以抵住骨折尖端,發揮支撐作用并中和剪切力。但如果傾斜角朝向后外,位于前內緣的鋼板只能發揮牽拉效應,不能避免骨折二次位移,內固定物退出亦難以有效避免。本研究結果顯示Pauwels 內收型骨折傾斜角朝向后外,不適合Buttress鋼板固定。另外,由于傾斜角的存在,股骨頸骨折采用空心螺釘內固定時,可以將螺釘適當斜向垂直骨折面植入,以更好地發揮加壓作用。
本研究存在以下不足:① 樣本量偏小;② 主要對股骨頸骨折特征進行分析,未分析影響骨折愈合的股骨頭頸血供;③ 由于股骨頸解剖結構多樣,患者CT圖像存在差異,手動復位骨折、繪制骨折線及角度測量存在誤差。
綜上述,青壯年股骨頸骨折中移位骨折和不穩定骨折比例較高,常伴有后下方粉碎性骨折和骨缺損;骨折線在股骨頸上方密集分布、下方散在分布,可累及股骨距;股骨頸骨折面與人體矢狀面存在一定夾角,這是骨折術后繼發移位和影響Buttress鋼板支撐效應的重要因素。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突;經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的分析及其報道
倫理聲明 研究獲得上海市浦東新區人民醫院醫學倫理委員會批準(2019-16);患者均知情同意
作者貢獻聲明 徐子環、李鵬飛、蘇志豪:數據收集、處理與分析;張英琪:圖像處理與骨折地圖生成;王永欽、倪明:數據整理分析及文章撰寫