概述
已知髋臼杯的边缘磨损与更大的材料体积损失有关，但这种磨损模式在体内的位置却尚不清楚。本研究在 Simpleware 软件中开发了一个使用 CT 成像、检索分析和统计形状模型（SSM）识别体内最常见磨损位置的工作流程。
回收 20 个在平均 90 个月后翻修过的金属对金属髋臼表面，进行形状方差分析。还研究了磨损量、植入位置、时间、尺寸和性别对体内磨损位置的影响，有助于更好地理解髋关节植入，为将来的产品设计和植入物定位中安全区域的细化提供重要信息。
亮点
- 对 20 个回收的金属对金属髋臼表面进行扫描，观察磨损模式。
- 使用 Simpleware 软件识别体内生成最常见的髋臼磨损模式特征，构建统计形状模型（SSM）。
- SSM 可以提升对髋关节植入物功能的理解，从而为未来的设计决策提供信息和细化植入物定位的安全区。
介绍
髋关节置换术中轴承表面的机械磨损会影响临床表现，导致功能受损和有害碎片的释放。由于金属对金属（MOM）髋关节置换失败的发生率很高，需要开展关于这些表面上的磨损程度和确定髋臼杯边缘磨损与大量磨损碎屑间关系的研究。虽然 MOM 植入物目前很少应用于髋关节植入，但仍能为分析髋关节置换术的力学提供有价值的数据。此外，尽管已知髋臼边缘磨损发生在体内，但对其在髋臼腔内的位置了解较少。
统计形状模型（SSM）为描述相关几何结构的形状和位置提供了一种有价值的方法，特别是在分析解剖特征时可以将平均形状和形状方差可视化。本研究的目标是通过结合 CT 成像和检索分析技术在 Simpleware 软件中创建一个 SSM，用于识别髋关节置换术中髋臼组件最常见的体内磨损模式。
根据纳入标准选择 20 例 MOM Birmingham 髋关节置换（BHRs）的髋臼组件进行研究，需要在取出前获得未翻修骨盆和植入物的 3D CT图像。研究人员对植入物进行修复，在体内的平均时间为 90 个月，手术原因是对金属碎片的不良反应、不明原因的疼痛或无菌性松动。
使用定制的软件解决方案（Robin 3D）计算每个 BHR 的体内位置，采用骨盆前平面（APP）作为标准化坐标系，并报告解剖倾斜度和前倾角的值。然后使用卡尔·蔡司的坐标测量机（CMM）将每个回收臼杯铰接表面的几何形状捕获为点云，同时通过经验证的自动化软件解决方案计算每个髋臼表面的材料损失体积。
Simpleware 中的分割和配准
将翻修前的体内植入物 CT 图像以 DICOM 文件格式导入 Simpleware 软件，使用半自动化工具分割生成植入物和骨盆模型，通过处理减少金属伪影的同时保留几何精度。然后将球体与股骨头贴合，利用布尔运算从植入物模型中分离出髋臼杯，平面与臼杯边缘完全贴合用于去除模型中相对较差的部分，包括股骨钉的剩余物。由 CMM 数据生成髋臼杯的开放表面并以 STL 文件导入 Simpleware 软件，使用半自动化工具将其与孤立的臼杯模型配准，对齐稳固的鳍状物。随后对配准的髋臼杯表面和骨骼模型进行镜像和适当缩放。
通过标准化的坐标体系对齐所有 20 个髋臼表面，利用骨盆前平面进行 BHR 表面的配准。该坐标体系由平行于骨盆前平面（APP）的平面定义，与臼杯表面的中心相交。鉴于与 APP 的关系，将该平面称之为 Cup-APP（CAPP），作为垂直站立位置的代表。然后创建一个新的坐标系建立最终轴和测量轴，从中可以确定主要磨痕的体内位置，并将髋臼表面分为四个象限（前上、前下、后上、后下）。
统计形状模型
为进行 SSM，将对齐的髋臼表面在臼杯-边缘过渡处裁剪，并封盖形成闭合的表面。然后将每个表面离散化以形成密集的点集，映射到基准的未磨损几何形状。使用 Simpleware 软件进行主成分分析（PCA），生成可以通过识别的变异模型（主成分）从平均髋臼表面几何形状变形的形状模型。
还可以生成表面偏差图，将平均髋臼表面模型与基准未磨损球体进行比较，根据超过制造公差的偏差值将磨损位置显示为彩图。采用同样的方法研究髋臼表面总体的主要方差模式，通过留一法评估每个髋臼表面对总体统计形状模型的贡献。
本研究还考虑了外科医生、植入物类型、患者以及体积材料损失、性别、翻修时间等因素的影响。因此将 20 个髋臼表面进行分组，研究它们的差异。采用相同的方法根据 Simpleware 软件中生成的表面偏差图计算每个髋臼表面的磨损量，并将结果与先前验证的软件中所获测量结果进行比较，发现两个值的平均误差在可接受范围。
结果
通过整个植入物的 PCA 生成平均髋臼表面，与制造的基准表面比较呈现为偏差图。另外，留一法研究表明单个髋臼表面显著影响平均磨痕的中心，因此被排除在进一步的分析之外。
PCA 生成模式是描述形状方差的特征向量，并根据其方向上的差异程度进行排序。PCA 产生的第一个和最主要的方差模式反映了主磨痕处的线性深度，第二个模式描述了磨痕位置与其朝向表面中心的覆盖范围之间的关系，第三个模式表示沿水平轴的挤压程度。
此外，还使用 Simpleware 软件复制了记录的材料损耗测量值，与经验证软件计算的植入物未磨损球体的中心和半径进行比较，平均误差为- 0.60 mm3（SD = 6.98）。
结论
值得注意的是，该项目是第一个使用统计形状模型分析回收骨科植入物的研究。成功地确定了髋臼磨损的平均体内位置，SSM 能够可视化和解释髋关节置换翻修的形状差异。此外，该方法产生的结果与文献中的研究结果一致，对髋关节置换术中力学的深入理解可以作为将来植入物设计和病理解剖学研究的一种方式。SSM 方法还可以用于细化植入物定位的安全区，协助外科医生获取优化最佳磨损性能的组件位置范围信息，并通过更大规模的研究进一步提高有效性。
参考
- 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/ssm-acetabular-wear.html
- Bergiers S, Henckel J, Hothi H, et al. Statistical Shape Modelling the In Vivo Location of Acetabular Wear in Retrieved Hip Implants[J]. Bioengineering, 2022, 10（1）: 46.