凌銘 占師 胡海

股骨髖臼撞擊征(FAI)的概念于2001年由Ganz等[1]正式提出。FAI是由于髖關(guān)節(jié)解剖形態(tài)學(xué)異常所致，如髖臼過深、后傾和前突，股骨頸前外側(cè)緣骨贅增生，股骨頭-頸偏心距減小，股骨頭形狀異常等。這些因素可使股骨近端與髖臼在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)終末期發(fā)生不正常接觸或撞擊，引起軟骨和盂唇的早期損傷。根據(jù)形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，F(xiàn)AI被分為3型：凸輪型(Cam型)，表現(xiàn)為股骨頭-頸連接處凸輪樣改變；鉗夾型(Pincer型)，由于髖臼緣增生產(chǎn)生鉗夾樣改變；混合型，兼具前兩型的特征。

由于髖關(guān)節(jié)解剖及活動(dòng)形式的復(fù)雜性，二維的影像學(xué)描述(如X線)難以滿足FAI的生物力學(xué)分析要求，往往需要建立三維結(jié)構(gòu)，并兼顧靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。因此，基于CT/MRI圖像的三維重建對FAI進(jìn)行生物力學(xué)分析，可以立體、動(dòng)態(tài)地觀察FAI的形態(tài)異常、病變發(fā)生過程和病變程度，并可研究關(guān)節(jié)內(nèi)、外的受力情況，探究其深層病因。

1 基于三維重建的FAI解剖形態(tài)觀察

對于股骨頭的形態(tài)學(xué)評價(jià)，α角是重要指標(biāo)之一。一般來說，α角>50°被認(rèn)為與FAI發(fā)生相關(guān)[2]。然而，該指標(biāo)在應(yīng)用中往往僅用于反映股骨頭-頸連接處在單一拍攝平面上的信息，對股骨頭-頸連接處的全方位評估是近年研究的一大熱點(diǎn)。對確診的Cam型FAI，Khan等[3]測量了繞股骨頸軸不同方向上的α角，發(fā)現(xiàn)后(“9:00”方向)至前(“3:00”方向)平均為64.6°，以“2:00”方向α角最大。對無癥狀髖，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，若采用以往的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Cam畸形發(fā)生率可達(dá)18%～52%[4-8]。對此，不少研究者認(rèn)為，以往的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)造成了較高的假陽性率，應(yīng)當(dāng)提高α角閾值，且該閾值依測量平面而有所不同。Golfam等[9]在大樣本無癥狀髖研究中測得，“1:30”方向的α角在MRI斜軸位視圖和放射狀視圖中的均值分別為45.1°和50.3°，建議將α角閾值[95%置信區(qū)間(CI)上限]提高至63°(斜軸位視圖)和66°(放射狀視圖)。Mascarenhas等[10-11]采用大樣本對無癥狀髖進(jìn)行詳盡的形態(tài)學(xué)研究，他們發(fā)現(xiàn)，α角增加以“1:00”和“1:30”方向最為明顯，在多個(gè)測量平面上α角的閾值均高于以往研究結(jié)果；他們建議，將“12:00”和“3:00”方向的α角閾值提高至60°，其他前上方向α角閾值提高至65°～70°。然而，基于三維重建的多平面測量較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在臨床應(yīng)用中難以普及。因此，“以X線拍攝平面替代三維重建的測量平面來盡可能滿足診斷的準(zhǔn)確性”是另一條思路。Hellman等[12]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)假斜位(false-profile)X線片測量的α角與CT圖像測量者一致性最高，尤其對于“2:00”和“3:00”方向的畸形。在與MRI圖像的對比中，45°和90° Dunn位X線片也顯示了較高的一致性和準(zhǔn)確率[13-15]。

髖臼的形態(tài)學(xué)評價(jià)一般以中心邊緣角(CEA)為主要指標(biāo)。CEA>39° 時(shí)，髖臼覆蓋過大，可能導(dǎo)致Pincer型FAI發(fā)生。對于Pincer型FAI的研究相對較少，研究者主要關(guān)注髖臼在多平面上的覆蓋程度。Mascarenhas等[10]測量了無癥狀人群的CEA，“11:00”“12:00”和“1:00”方向上對應(yīng)的CEA均值分別為32.5°、35° 和25.6°，95%CI上限為45°。Valera等[16]發(fā)現(xiàn)，在早發(fā)的髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎受試者中，橫斷面髖臼覆蓋角增大，且與CEA(相當(dāng)于冠狀面髖臼覆蓋角)正相關(guān)，提示Pincer型髖臼改變可導(dǎo)致早發(fā)的髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，且髖臼加深往往體現(xiàn)在多個(gè)平面。Pun等[17]將Pincer型髖臼歸納為2種類型：1型，具有正常大小的髖臼窩和偏大的月狀面軟骨；2型，具有偏大的髖臼窩和偏小的月狀面軟骨。他們認(rèn)為，2型由于軟骨覆蓋欠缺，不宜行骨軟骨成形術(shù)，否則可能由于軟骨面減小而造成應(yīng)力增大。

還有部分研究對股骨頭和髖臼以外的因素進(jìn)行了分析。Atkins等[18]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者的股骨近端皮質(zhì)增厚，在出現(xiàn)Cam改變的部分尤為明顯。Ng等[19]對比了FAI患者的患側(cè)髖與健側(cè)髖，發(fā)現(xiàn)患側(cè)髖的頸干角、股骨近端內(nèi)側(cè)角偏小，提示這2個(gè)因素可預(yù)測FAI的發(fā)生。Weinberg等[20]發(fā)現(xiàn)，混合型FAI的發(fā)生與骨盆入射角減小之間存在相關(guān)性?？梢奆AI的誘因不僅局限于髖關(guān)節(jié)本身，近端股骨和骨盆等也應(yīng)當(dāng)納入到FAI的研究中。

多重指標(biāo)、多平面數(shù)據(jù)在應(yīng)用中缺少簡便性和直觀性，許多學(xué)者希望通過一個(gè)整合指標(biāo)對FAI進(jìn)行形態(tài)學(xué)描述。Bouma等[21]提出“Ω表面”的概念，即綜合考慮α角、CEA、髖臼和股骨方向、股骨頸干角等因素而計(jì)算得到的股骨頭的特定區(qū)域?！唉副砻妗笔且粋€(gè)考慮了動(dòng)態(tài)因素的概念，旨在反映髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)中“無撞擊區(qū)域”的大小。他們通過小樣本研究證實(shí)，Cam型FAI的“Ω表面”較無癥狀組小。隨后，他們將“Ω表面”簡化為“Ω區(qū)”，利用更大的樣本研究證實(shí)“Ω區(qū)”與FAI的形態(tài)異常具有相關(guān)性，即在屈髖過程中，Cam型髖的“Ω區(qū)”小于無癥狀髖[22]。Mascarenhas等[11]將繞股骨頸1周測量所得的α角中超出閾值部分所對應(yīng)的圓周定義為“Ω角”。他們發(fā)現(xiàn)，在無癥狀髖中，以50°、55°、60°為閾值所對應(yīng)的“Ω角”分別為65°、35°和17°，提示Cam型改變在人群中的普遍性。Harris等[23]利用蚌線和球形最佳適配的方法推算股骨頭的理想輪廓，發(fā)現(xiàn)無癥狀髖突出理想輪廓的高度<2.5 mm，而Cam型髖該值則為4～5 mm。Kang等[24]借鑒“世界地圖”的形式，繪制了“股骨頭地圖”，更為直觀地展示了股骨頭形態(tài)異常的位置和程度。

FAI的盂唇和軟骨損傷是異常生物力學(xué)作用的結(jié)果，也是觀測髖關(guān)節(jié)預(yù)后的重要指標(biāo)。對于盂唇和軟骨損傷，臨床常用的影像學(xué)檢測方法各有側(cè)重。經(jīng)Meta分析發(fā)現(xiàn)，CT和MRI檢查更具診斷價(jià)值。Reiman等[25]發(fā)現(xiàn)，CT關(guān)節(jié)腔造影(CTA)診斷FAI和盂唇損傷的準(zhǔn)確性最高。Saied等[26]發(fā)現(xiàn)，MR關(guān)節(jié)腔造影(MRA)對盂唇和軟骨損傷的診斷價(jià)值優(yōu)于常規(guī)MRI檢查，而MRA和MRI檢查對盂唇損傷的診斷準(zhǔn)確率均高于對軟骨損傷的診斷。此外，由MRI技術(shù)衍生的各項(xiàng)檢查方法可定量分析軟骨損傷的范圍和程度。Bulat等[27]和Henn等[28]分別利用軟骨延遲增強(qiáng)MRI、T2 mapping技術(shù)繪制了“髖關(guān)節(jié)軟骨地圖”，使得評價(jià)軟骨損傷更具準(zhǔn)確性和簡便性。Ferro等[29]通過T2 mapping成像發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者髖關(guān)節(jié)負(fù)重區(qū)的軟骨存在早期損傷改變。Anwander等[30-31]通過T1ρ mapping成像發(fā)現(xiàn)，除了股骨髖臼撞擊部位本身，F(xiàn)AI患者在撞擊部位內(nèi)側(cè)也存在不同程度的軟骨損傷；此外，無癥狀Cam型FAI也存在軟骨早期損傷改變，主要分布于前外側(cè)?？梢?，F(xiàn)AI的軟骨損傷并非局限于某一部位，并且可以在臨床癥狀出現(xiàn)前發(fā)生。

隨著圖像處理軟、硬件的飛速發(fā)展，基于CT/MRI圖像的三維重建在處理速度和精度上有很大提高。由于髖關(guān)節(jié)圖像中股髖間隙小，且含較多松質(zhì)骨，普通的圖像分割算法無法準(zhǔn)確提取髖關(guān)節(jié)的所有輪廓，而手動(dòng)提取亦存在準(zhǔn)確性和便捷性低的弊端。對此，馬安邦等[32]采用基于貝葉斯決策的自動(dòng)分割方法提高了圖像分割的準(zhǔn)確性和效率。此外，Mimics 19.0軟件也具備圖像快速自動(dòng)分割功能。

2 基于三維重建的FAI運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

股髖撞擊是動(dòng)態(tài)過程，在三維重建基礎(chǔ)上對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可明確FAI患者的關(guān)節(jié)活動(dòng)度、撞擊部位，進(jìn)而指導(dǎo)手術(shù)以達(dá)到最優(yōu)臨床效果。

學(xué)者們對于“FAI可導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)活動(dòng)受限”已有共識，近年來的研究不僅拓展到更為復(fù)雜的髖關(guān)節(jié)活動(dòng)形式，也涵蓋了對骨盆姿勢的探討。Kapron等[33]利用雙平面透視配準(zhǔn)的方法研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者在前撞擊試驗(yàn)中有髖內(nèi)收、內(nèi)旋受限，在“4字”試驗(yàn)中有外展、外旋受限而屈曲增加。Kobayashi等[34]通過運(yùn)動(dòng)仿真研究發(fā)現(xiàn)，Cam型髖關(guān)節(jié)的最大屈髖角度減小，前撞擊試驗(yàn)時(shí)內(nèi)旋受限。Ross等[35]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI患者在站立時(shí)骨盆后傾增加，通過延遲撞擊而增加了屈髖幅度。對于FAI患者的下蹲動(dòng)作，Ng等[36]報(bào)道患者的骨盆活動(dòng)度明顯下降，Bagwell等[37]報(bào)道患者髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋和骨盆后傾減少。由此可見，F(xiàn)AI患者的髖關(guān)節(jié)活動(dòng)以屈曲、內(nèi)旋受限為主；同時(shí)，骨盆角度差異也會(huì)對髖關(guān)節(jié)活動(dòng)產(chǎn)生一定影響。

此外，許多學(xué)者致力于直觀、動(dòng)態(tài)地展示股髖撞擊過程。Kobayashi等[34]通過運(yùn)動(dòng)仿真研究發(fā)現(xiàn)，Cam型FAI的股髖撞擊主要分布于股骨頭-頸連接處前側(cè)，且無明顯分布規(guī)律。Wassilew等[38]采用4D-CT觀察股髖撞擊過程，證實(shí)撞擊部位與術(shù)中所見一致。Fernquest等[39]利用4D-CT觀察FAI患者，發(fā)現(xiàn)在屈髖早期(約40° )即可發(fā)生股髖撞擊，較嚴(yán)重(α角>78° )和較靠前(“2:00”或“3:00”方向)的Cam畸形可使股髖撞擊更早出現(xiàn)。

以股骨側(cè)和髖臼側(cè)的骨性接觸定義“撞擊”是研究FAI的常用策略，也有學(xué)者采用非骨性接觸的分析方式。Kapron等[40]在探究非骨性接觸時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AI髖與無癥狀髖在撞擊試驗(yàn)時(shí)均存在盂唇-股骨接觸，而接觸位置和面積存在差異，提示非骨性接觸存在個(gè)體差異。在實(shí)際應(yīng)用中，Radetzki等[41]和Kuhn等[42]通過運(yùn)動(dòng)仿真來展示FAI的發(fā)生部位，用于指導(dǎo)手術(shù)規(guī)劃；Yoshimoto等[43]結(jié)合CT模型的密度值，通過單平面匹配的方法發(fā)現(xiàn)，骨軟骨成形術(shù)后患髖的α角明顯減小，碰撞間隙明顯增大。

3 基于三維重建的FAI動(dòng)力學(xué)分析

與FAI相關(guān)的損傷是長期力學(xué)作用的結(jié)果，因此，明確髖關(guān)節(jié)的受力情況有助于進(jìn)一步探究損傷形成的機(jī)制。力學(xué)傳感器由于其“有創(chuàng)性”，難以用于活體研究。近年來，部分學(xué)者采用有限元分析的方法，簡化髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，探究運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，為闡明FAI的發(fā)生機(jī)制提供了理論依據(jù)。

Ng等[44]通過模擬Cam型髖關(guān)節(jié)在步行、深蹲過程中的受力情況發(fā)現(xiàn)，最大剪應(yīng)力(15.2 MPa)發(fā)生于深蹲過程中，為無癥狀髖的3.4倍；最大剪應(yīng)力位于髖關(guān)節(jié)前上方，與術(shù)中證實(shí)的軟骨損傷位置相符。Ng等[45]在另一項(xiàng)有限元分析研究中發(fā)現(xiàn)，Cam畸形可導(dǎo)致行走過程中髖臼軟骨剪應(yīng)力增大(5.9～7.0 MPa)，當(dāng)合并頸干角減小時(shí)軟骨剪應(yīng)力更大。Jorge等[46]模擬了髖關(guān)節(jié)在站立、屈曲、內(nèi)旋等動(dòng)作中的受力情況，發(fā)現(xiàn)軟骨和盂唇所受的最大應(yīng)力分別為12～14 MPa、15～16 MPa。Ng等[47]對探究FAI髖關(guān)節(jié)應(yīng)力的文獻(xiàn)進(jìn)行Meta分析發(fā)現(xiàn)，Cam型FAI導(dǎo)致髖臼軟骨接觸應(yīng)力(中位值10.4 MPa，8.5～12.2 MPa)和Mises應(yīng)力(中位值15.5 MPa，15.0～16.0 MPa)均增大，骨最大剪應(yīng)力(中位值15.2 MPa，14.3～16.0 MPa)也相應(yīng)增大。Hellwig等[48]對“站-坐”動(dòng)作進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)髖臼軟骨的各項(xiàng)應(yīng)力升高1.5～3.7倍，盂唇的各項(xiàng)應(yīng)力升高2.7倍?？梢姡珻am型FAI髖的應(yīng)力主要集中于髖關(guān)節(jié)前上方，最大應(yīng)力一般數(shù)倍于對照組。高應(yīng)力的累積效應(yīng)是FAI患者盂唇、軟骨損傷的生物力學(xué)因素。目前，對于Pincer型FAI的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)研究較少。

此外，還有學(xué)者探究生物力學(xué)因素對Cam畸形形成的影響。Roels等[49]采用有限元分析的方法在青少年髖關(guān)節(jié)模型中設(shè)置不同形態(tài)的生長板。他們發(fā)現(xiàn)，在行走、內(nèi)旋、外旋、屈曲時(shí)，股骨頸周圍的成骨指數(shù)與生長板的突出程度呈正相關(guān)，且依運(yùn)動(dòng)形式不同而有所差別；隨后，他們對青少年運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行隨訪，發(fā)現(xiàn)Cam型FAI者髖關(guān)節(jié)的病變部位與成骨指數(shù)升高部位一致。這表明生長板形態(tài)異常是Cam畸形的成因之一，也合理地解釋了Cam型FAI為何多發(fā)于喜好運(yùn)動(dòng)的青年[50]。

4 結(jié)語

FAI是在髖關(guān)節(jié)形態(tài)異常的基礎(chǔ)上，由力學(xué)因素長期作用而誘發(fā)的一類關(guān)節(jié)疾患。基于CT/MRI圖像的三維重建對FAI進(jìn)行生物力學(xué)分析，可以立體展示髖關(guān)節(jié)的異常形態(tài)，直觀再現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程中股髖撞擊情況，并能對受力狀態(tài)進(jìn)行定量分析。然而，基于三維重建診斷FAI尚不成熟，動(dòng)態(tài)仿真、力學(xué)模擬的結(jié)果與實(shí)際情況的關(guān)聯(lián)性仍缺乏大樣本研究驗(yàn)證，并且缺乏對髖周軟組織的探究。因此，建立快速有效的分析策略和統(tǒng)一的診斷標(biāo)準(zhǔn)，對大樣本人群進(jìn)行規(guī)范化的動(dòng)態(tài)仿真和力學(xué)模擬研究以及探究軟組織對疾病發(fā)展的影響，是今后FAI生物力學(xué)研究的要點(diǎn)。