一种测量股骨扭转角的新方法及不同测量方法间的差异性与可靠性比较

肖凯,张洪,任宁涛,张建立,程徽,罗殿中*

(1.航天中心医院骨科,北京 100048;2.解放军总医院第四医学中心骨科学部,北京 100048)

股骨扭转角作为评估股骨近端扭转畸形的重要指标,临床中常常需要根据其数值大小决定是否需要进行股骨旋转截骨术[1],或在行人工髋关节置换时选择可调扭转角的特殊假体或技术[2-3]。精确测量股骨扭转角对于临床治疗畸形的评估及治疗方案的决策有重要的作用。

股骨扭转角的测量方式最早采用双平面X线法[4]。随着CT技术的发展,其逐渐取代X线法,成为测量股骨扭转角的主流方法。测量时需要对髋关节层面及股骨髁层面进行平扫,分别确定两层面轴线。不同作者在单层面、跨层面或在进行叠加处理后的图像上选择不同解剖标记点定义股骨颈的轴线[5-8]。有文献报道的不同方法测量股骨扭转角数值有较大差异[9-11]。股骨髁层面则大多选择可重复性最好的股骨后髁的连线[8]。

本研究的目的是评估不同股骨扭转角测量方法的观测者间及观测者内差异;提出测量股骨扭转角的新方法,并验证其观测者间及观测者内差异;比较不同测量方法的结果差异,现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2020年9月至2021年5月因发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)在解放军总医院第四医学中心就诊,拟行保髋手术的患者。所有患者均有完整的骨盆(含股骨髁)CT影像。排除标准包括:严重骨关节炎;严重髋内翻/外翻;股骨头畸形。本研究共纳入20例患者(40髋),均为女性,年龄19～40岁,平均(29.4±5.7)岁。

1.2 测量方法 选取了文献中报道的4种具有代表性的股骨扭转角测量方法,分别为Reikerås法[5]、Murphy法[8]、Weiner法[6]、Batailler法[7]。同时,本研究团队也提出了一种新的股骨扭转角测量方法。本研究共有3名观测者,分别应用5种测量方法独立完成对所有病例的测量,每人重复测量2次,2次间隔时间不小于1个月。测量工具选用影像归档和通信系统(picture archiving and communication systems,PACS)系统。

测量开始前,观测者分别阅读了4种文献报道测量方法的原文献,同时也明确新方法的标记点定位旋转标准。在股骨颈层面各测量方法的层面选择及解剖定位点如下。Reikerås法(见图1a):双层面结合确定股骨颈轴线,一个层面选择股骨头最大的层面确定股骨头中心,另一个层面选择股骨颈前后皮质尽量平行的层面,将过股骨头中心平分股骨颈的线为股骨颈轴线。Weiner法(见图1b):将股骨头颈所有层面进行叠级投影到一张图片(由CT室完成),选择等距的3个股骨颈前后皮质中心点的连线为股骨颈轴线。Batailler法(见图1c):选择切到股骨头与股骨颈前上方的层面,此层面大转子前后缘连线的中点与股骨头中心的连线为股骨颈轴线。Murphy法(见图1d):双层面结合确定股骨颈轴线,一个层面选择股骨头最大的层面确定股骨头中心,另一个层面选择股骨颈基底部中心,两个中心的连线为股骨颈轴线。新方法(见图1e):测量层面选择大转子的最高点层面,即从股骨头顶点向远端翻看图像,至刚露出大转子骨质的层面,本研究团队将股骨头中心与露出的大转子骨质中心的连线作为股骨颈的轴线。通常股骨颈轴线的测量可在一层图像上完成,若大转子最高点层面股骨头圆度不好或位于股骨头偏下的区域,则可跨层面测量,即分别选择股骨头中心层面与大转子顶点层面,将两个中心的连线作为股骨颈轴线。所有测量方法在股骨髁层面均选择股骨后髁连线作为股骨髁轴线(见图1f)。

a Reikerås法 b Weiner法 c Batailler法

d Murphy法 e 新方法 f 股骨后髁连线

1.3 统计学分析 计算每种测量方法所有测量结果的平均值,应用ANOVA方差分析,比较5种测量方法间是否存在差异,若存在差异则进一步进行两两比较。分别计算3名观测者对5种测量方法前后两次测量结果的组内相关系数(interclass correlation coefficient,ICC),同时应用配对t检验比较两次测量结果的均值。取每名观测者前后2次测量结果的平均值,计算3名观测者每种测量方法的ICC,同行进行ANOVA方差分析,明确3组数据均值是否相等。

2 结 果

将3名观测者对40髋进行2次测量结果进行汇总分析,Reikerås法的平均股骨颈扭转角为(26.05±13.12) °、Weiner法为(34.22±13.72) °、Batailler法为(36.09±13.16) °、Murphy法为(38.16±13.33) °、新方法为(39.38±14.08) °(见图2)。ANOVA方差分析显示不同测量方法测得的结果不全相等(F=6.097,P<0.001)。进一步两两比较显示,除了Murphy法和新方法间差异无统计学意义(P=0.074),其余每两种方法间结果差异均存在统计学意义(P<0.001)。

图2 五种测量方法的结果分布图

对观测者应用同一方法前后两次测量结果进行配对t检验显示,Reikerås法有1人次前后测量结果差异有统计学意义(P=0.003),Batailler法有1人次前后测量结果差异有统计学意义(P=0.001),Murphy法有2人次前后测量结果差异有统计学意义(P=0.018,P<0.001),其余前后测量结果间差异均无统计学意义(见表1)。每种方法6人次测量的最大值与最小值的差值分别为Reikerås法4.13 °,Weiner法1.64 °,Bataller法3.66 °,Murphy法5.34 °,新方法2.41 °。进一步计算组内相关系数显示,各种方法的ICC均较高(见表2)。

表1 3名观测者两次测量的结果及测量差异比较

表2 观测者内一致性分析

将每名观测者每种方法前后两次测量数值取平均值,然后分别对每种测量方法对应的3组数据进行ANOVA方差分析。结果显示Reikerås法(P<0.001)、Batailler法(P=0.001)、Murphy法(P=0.016)这三种方法分别测量三组数据间均不全相等。Weiner法与新方法各自对应的三组数据间无明显差异。观测者间一致性分析显示,五种测量方法的组间一致性均较高(ICC 0.928～0.970,见表3)。

表3 观测者间差异及一致性分析

3 讨 论

通过对20例骨骼发育成熟的髋关节发育不良髋关节进行股骨扭转角测量,不同测量方法测得的股骨扭转角平均值在26.05 °～39.38 °间,显著大于文献中报道的正常值[12]。虽然纳入本研究的患者并非完全遵循随机抽样,但一定程度上也说明DDH患者的股骨扭转角存在不同程度的增大。

股骨扭转角的变化除了会对患者的关节活动度、步态产生影响[12-13],还可能通过改变髋关节力臂影响髋关节内生物力学,如扭转角增大会使髋关节外展肌力臂降低,同时增大屈髋肌的力臂[14-15]。有研究显示,相比-2 °的扭转角,扭转角为30 °时,髋关节应力高了24%,扭转角14 °时应力高了8%[16]。异常的应力可能加速髋关节骨关节炎的进展,Li等[14]研究发现髋关节骨关节炎侧的扭转角要大于对侧相对正常的扭转角。此外,本研究团队之前的研究也发现,异常增大的扭转角会影响DDH患者关节稳定性,导致症状出现时间提前[17]。因此,纠正异常增大的股骨扭转角是DDH患者治疗中的重要一环。而如何精确测量股骨扭转角则为畸形的纠正提供重要的参考标准。

随着CT及MRI技术的发展,基于CT及MRI图像的股骨扭转角测量成为目前主流的测量方法。测量时如何确定股骨颈的轴线成为不同测量方法间的核心差异。为了明确哪种测量方法的测量稳定性更高,本研究选择了4种文献中报道的代表性方法,同时提出了一种新的测量方法。将5种方法测量的数据分析显示,Reikerås法平均股骨颈扭转角为(26.05±13.12) °、Weiner法为(34.22±13.72) °、Batailler法为(36.09±13.16) °、Murphy法为(38.16±13.33) °、新方法为(39.38±14.08) °,不同测量方法结果间存在一定差异,部分测量方法间差异甚至超过10 °。除了Murphy法与新方法间结果差异无统计学意义,其余各方法间差异均有统计学意义。由于不同作者在二维CT选择的定位点不同,定义的股骨颈轴线间也存在差异,这导致不同方法间的测量结果存在较大的差异,这种差异甚至超过10 °,与Schmaranzer等结论相似[9-10]。因此,临床中在测量扭转角时需要注明测量方法,不同的测量方法结果不能混用。在股骨颈轴线的定义上,新方法和Murphy法均选择了股骨头的中心,不同的是在另一个点的选择上,新方法选择大转子顶点,而Murphy法选择股骨颈基底部的中心,两者结果的类似也提示大转子顶点与股骨颈基底部在横断面的投影较为一致。

进行观测者内及观测者间一致性分析显示,5种方法的组内ICC(0.798～0.981)及组间ICC(0.928～0.970)均超过0.75,提示各种方法的可重复性及可信度均较好。但是,ICC数值较高仅仅提示不同组别的数据在扭转角变化时,结果趋向一致性较高,即当测量较大的扭转角时,每名观测者两次测量结果或不同观测者的测量结果均较大。相反,测量较小的扭转角时,每名观测者两次测量结果或不同观测者的测量结果均较小。因此,单纯的ICC不能反应出不同组数据是否直接存在系统的差异。所以,本研究团队同时进行了t检验及方差分析。对同一观测者前后两次测量结果t检验显示,Reikerås法与Batailler法均有1人次前后测量结果存在统计学差异,而Murphy法有2人次存在差异。对不同观测者进行方差分析同样显示Reikerås法、Batailler法与Murphy法3名观测者间数据存在系统差异。Weiner法及新方法无论t检验还是方差分析均显示出均值一致性好。

通过测量过程中发现的问题进行总结,对5种测量方法的优缺点进行总结分析:(1)Reikerås法在定义股骨颈中心时需要选择股骨颈前后缘平行的层面,但是测量过程中发现大多数病例无法找到这一理想的层面,这可能是导致不同观测者间及1名观测者前后两次测量结果存在差异的原因。(2)Batailler法作为一种“功能性”的股骨扭转角测量方法,即通过选择大转子标志点进行定位。该方法需要找到测量平面大转子前后缘的中点,原文插图显示大转子前缘与大转子前后缘连线方近乎垂直,但实际测量中该层面大转子前缘常呈现出斜面,因而给大转子前缘的选点带来困扰。这可能是导致观测者间及1名观测者前后测量结果出现差异的原因。(3)Murphy法是文献中经常使用的测量方法。其原文中股骨颈轴线的定义是股骨头中心与股骨颈基底部的中心的连线。但股骨颈基底部这一概念极其不明确,从不同文献的描述及插图可以看出,不同作者对这一概念有着完全不同的理解[7,9]。本研究中,尽管3名观测者在测量前已经基本统一了测量方法,即选择小转子上方层面作为股骨颈基底部。但即使这样,3名观测者间及2名观测者前后测量结果间差异均有统计学意义。(4)Weiner法通过软件将股骨颈各层扫描图像进行叠加处理,得以将股骨头、股骨颈及大转子投影到一张图片。因为可以观测到股骨头颈部全貌,使得股骨颈轴线更加容易确定。无论观测者间还是观测者内均具有较好的一数性。但该方法需要特定软件的加持,可能会限制基层医疗机构的应用。(5)本研究提出的新方法类似Batailler法,解剖标志点选择了大转子,而非股骨颈,也可以理解为一种功能性股骨扭转角的测量方法。本研究选择了股骨头中心与大转子刚露出层面骨质的中心连线作为股骨颈轴线。大多数患者大转子刚露出的层面骨质呈现类似圆形,可以较为容易地选点测量。少数患者大转子刚露出的层面骨质呈现扁平不规则性,选点稍显复杂。新方法的观测者内及观测者间一致性均良好。应用新方法测量的结果与Murphy法测量结果相仿,二者均值比较差异无统计学意义,组内及组间差异均优于Murphy法,作者团队认为该方法一定程度上可以代替Murphy法。

综上所述,不同方法测量股骨扭转角的数值差异较大。本研究提出的新方法可有效测量股骨扭转角,数值与Murphy法相仿。五种方法的ICC均处于较高水平,但相比其他方法,Weiner法及新方法的可重复性及可靠性最高。

不足之处:本研究纳入病例数相对较少,新方法未对正常人群进行大规模测量,因此目前无法给出正常参考值。