髋关节翻修手术中髋臼大面积缺损的统计形状建模

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概述

统计形状模型(SSM)可以帮助获取髋臼大面积缺损患者在髋关节上常见缺失的标志,将重建骨盆与先前经历过翻修手术的患者进行比较。

本研究采用一个 38 人的 Paprosky III 型缺损患者回顾性队列和通过 Simpleware 软件处理 100 个健康骨盆创建的 SSM 进行研究。结果评估是 SSM 与患病髋关节、SSM 与术前规划及 SSM 与对侧健康髋关节的旋转中心CoR 之间的差异。从这些分析中了解中位 CoR,展现 SSM 的优势。

亮点

  • 使用 Simpleware 软件对 50 例男性和 50 例女性的半骨盆进行图像分割,建立统计形状模型
  • 将 SSM 与患侧髋关节、手术规划、健康对侧髋关节比较,评估 CoR 的差异。
  • SSM 工作流程为复杂髋关节重建手术规划和个性化假体设计提供一种有价值的工具。

介绍

全髋关节置换术(THA)是髋臼存在严重缺损时恢复髋关节功能的常见骨科手术。然而在使用传统方法进行 THA 翻修时,处理严重的髋臼骨缺损非常具有挑战性,通常会导致因植入失败造成较高的翻修率。

定制的髋臼植入物与残留宿主骨的匹配有助于克服这些障碍,能够更准确地定位髋臼组件,从而提高植入物性能和降低翻修手术风险。这些手术规划方法包括通过镜像健侧半骨盆测量可接受的髋关节 CoR,但受到人体解剖结构不对称、病理或金属加工的限制。

虽然骨盆统计形状模型为重建骨盆骨缺损提供了解决方案,但这些模型主要局限于与患者数据无关的计算模型或基于非常小的患者队列。在本案例中,研究人员进一步使用 SSM 测试其在重建大面积髋臼缺损患者髋关节中缺失的重要骨骼标志中的价值。这种方法可以将 SSM 的 CoR 与之前未使用 SSM 技术手术规划进行因大面积髋臼缺损接受髋关节翻修手术的患者进行比较。

研究设计与结果评估

本研究使用的数据集是一项回顾性队列研究,共纳入了 38 例 Paprosky Ⅲb 型缺损患者,包括髋臼边缘和泪滴严重破坏。采用健康骨盆对 SSM 进行训练,然后用 SSM 对所有 38 例患者的原始骨盆形态进行虚拟重建,其中 18 例为健康对侧。

对于所有未使用 SSM 技术进行手术规划的患者,可以将 SSM 与术前基于 CT 制定规划的情况进行比较。结果评估发现 SSM 与患病髋关节、SSM 与术前规划及 SSM 与对侧健康髋关节 CoR 之间的差异。此项分析展示了如何改进未来的手术规划。

Simpleware 中的数据准备

将 100 例(男女各 50 例)没有骨骼异常情况的患者骨盆 CT 扫描图像数据导入 Simpleware 软件,采用基于 AI 的机器学习工具模块 AS Ortho 进行自动分割,获得每个半骨盆的三维重建模型。Paprosky 患者队列的术前 CT 扫描也是在 Simpleware 软件中结合手动和自动分割工具的方法分割完成。

图2:使用 Simpleware AS Ortho 模块实现骨盆 CT 的自动分割

38 例患者的 3D 虚拟重建计划通过使用健侧不存在植入物的半骨盆测试统计形状模型。其中 2 例未进行翻修手术,仅为虚拟规划。验证集由训练集中的 10 个健康半骨盆组成,用于验证虚拟重建过程。

创建统计形状模型

对训练集的 50 个骨盆进行初步对齐,确保数据集为固定姿态。使用点映射技术将半骨盆的平均形状配准到每个半骨盆,将平均形状作为参考对象提供映射点的位置。对数据集进行主成分分析(PCA),研究平均形状与模型集之间的相关性。

本研究假设测试集中患病髋关节的健康部分可以预测解剖结构的形状,依据此去除髋臼,其余部分用于构建 SSM。将健康部分与由平均形状生成的最佳拟合模型及原始结构的密集数据点对齐。

图像分析与验证

采用球体匹配技术计算 SSM 和患侧髋关节、手术规划、健康对侧的 CoR。计算每个患病髋关节与其各自 SSM 之间的 CoR 差值,量化缺损的严重程度。最后计算 SSM 与手术规划和 SSM 与健康对侧的 Co R差值。使用解剖学定义、创建平面的参考点以及计算的质心距离更改相对于骨盆前平面的坐标系。

采用 GraphPad Prism 进行统计学分析,研究组间差异是否具有统计学意义。判定数据为非正态分布,随后对非参数独立值进行 Mann – Whitney U 检验,显著性水平设定为 p > 0.05。使用训练集构建的 SSM 虚拟重建 10 例健康患者的半骨盆,通过球体匹配技术测量 CoR,并计算其与相应 SSM 的差异以测试模型作为规划工具的表现。

图3:(A)前-后视图和(B)侧视图观察到统计形状模型和患病髋关节之间 CoR 在 Z 方向上的显著变化;(C)术前和(D)术后拍摄的前后位清晰射线显示 CoR 的恢复。

结果与讨论

图像分析和验证结果回顾了 SSM 和患侧髋关节、手术规划、健康对侧 CoR 的差异,最终的度量用于验证模型。患侧髋关节与对应 SSM (p < 0.0001)的差异最大,规划与 SSM 和健康对侧与 SSM 无统计学差异。验证发现,CoR 在冠状面的位移最大。

图4:(A)前-后视图和(B)侧视图的统计形状模型和患病髋关节之间 CoR 的差异
图5:(A)前-后视图和(B)侧视图的统计形状模型和规划之间 CoR 的差异
图6:(A)前-后视图和(B)侧视图的统计形状模型和健康对侧之间 CoR 的差异

分析发现,患病髋关节的 CoR 平均在 SSM 重建模型的 31 mm 以内;手术规划的 CoR 位于 SSM 模型的 9 mm 范围内,其中排除了 7 例术者选择保留高旋转中心并未恢复原本 CoR 的情况。健康对侧 CoR 在 SSM 模型的 8 mm范围内。

结果表明,在对侧患病或有植入物的髋关节翻修手术中,SSM 可以作为手术规划的参考工具。未来的研究可能针对更大的患者队列,以便更好地评估 SSM 是否能够应对不同类型的严重髋臼缺损或畸形。

图7:SSM 与患侧髋关节、手术规划、健康对侧 CoR 在 X、Y、Z 上的差异
图8:(A)前-后视图和(B)侧视图的统计形状模型和健康侧之间 CoR 的差异

结论

髋臼大面积缺损患者的髋关节重建由于缺乏解剖标志、畸形的解剖结果和对侧髋关节频繁置换而具有挑战性。此外,失败的植入物会产生金属伪影使 CT 扫描中的骨骼变得模糊,增加了三维重建的难度。本项目中的 SSM 工作流程克服了这些局限性,不论缺损的严重程度如何都能够帮助成功重建患病解剖结构中缺失的骨性标志。这对于在骨缺损发展之前预估 CoR 的原始位置很重要,也可以作为工程师设计定制植入物的起点,降低植入失败或产生较大面积髋臼缺损患者并发症的可能性。

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-pelvis.html
  • De Angelis, et al., 2023. Statistical shape modeling of the large acetabular defect in hip revision surgery. J Orthop Res, Mar 13.
 
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