基於 CT 影像構建回收髖關節植入物中髖臼磨損在體內位置的統計形狀模型

概述

已知髖臼杯的邊緣磨損與更大的材料體積損失有關，但這種磨損模式在體內的位置卻尚不清楚。本研究在Simpleware 軟體中開發了一個使用 CT 影像、檢索分析和統計形狀模型（SSM）識別體內最常見磨損位置的工作流程。

對 20 個回收的金屬對金屬髖臼表面進行了形狀變異數研究，這些表面在平均 90 個月的時間後進行了修改。該研究還研究了佩戴量、位置、時間、尺寸和性別對體內佩戴位置的影響，提供有助於更好地了解髖關節植入物功能的見解，為未來的設計和安全區的完善提供信息。植體定位。

亮點

對 20 個回收的金屬對金屬髖臼表面進行掃描，觀察磨損模式。
使用 Simpleware 軟體識別體內生成最常見的髖臼磨損模式特徵，構建統計形狀模型（SSM）。
SSM 可以提升對髖關節植入物功能的理解，從而為未來的設計決策提供資訊和細化植入物定位的安全區。

案例介紹

髖關節置換術的支撐表面的機械磨損會影響臨床表現，導致功能受損和有害碎片的釋放，由於金屬對金屬（MOM）髖關節失效的發生率很高，因此進行了檢索研究來調查這些表面的磨損程度，並確定了髖臼杯邊緣的磨損與大量磨損碎片之間的關係，雖然 MOM 植入物現在很少用於髖關節植入物，但它們仍然為分析髖關節置換的力學提供了有價值的數據。此外，儘管已知髖臼邊緣磨損發生在體內，但對其在髖臼腔內的定向知之甚少。

統計形狀模型（SSM）為描述相關幾何形狀群體的形狀和位置提供了一種有價值的方法，特別是在以可以可視化群組內的平均形狀和形狀方差的方式分析解剖特徵時。在本研究中，目標是透過結合 CT 影像和檢索分析技術在 Simpleware 軟體中創建 SSM，確定髖關節置換術髖臼組件中最常見的體內磨損模式。

圖：研究設計和工作流程，以及伯明罕髖臼組件的背面及其不對稱穩定鰭（紅色圓圈）

（圖片由 Bergiers 等人提供/CC BY 4.0）

根據納入標準，選擇了 20 個回收的 MOM 伯明罕髖關節置換物 (BHR) 的髖臼組件用於研究，該納入標準需要在移除前顯示骨盆骨和植入物的預翻修 3D CT 影像。兩位研究作者在平均體內時間為 90 個月後，對植入物進行了修改，並因金屬碎片的不良反應、不明原因的疼痛或無菌性鬆動而進行了手術。

使用客製化軟體解決方案（Robin’s 3D）計算每個 BHR 的體內位置，該解決方案使用骨盆前平面 (APP) 作為標準化坐標係並報告解剖傾斜和前傾角值。然後使用卡爾蔡司坐標測量機 (CMM) 將每個回收的髖臼的關節表面幾何形狀捕獲為點雲，同時使用先前經過驗證的自動化軟體解決方案計算每個髖臼表面的材料損失體積。

Simpleware 中的影像分割與配準

將體內植入物預修訂 CT 影像以 DICOM 檔案匯入 Simpleware 軟體，並使用半自動化工具進行分割，以產生植入物和骨盆骨模型，使用最少的後處理來減少金屬製品的存在，同時保持幾何精度，然後將球體最適合股骨頭，並透過布林運算減去，以將髖臼杯與植入物模型隔離，然後將平面最適合杯邊緣以去除模型的相對下部部分，包括股骨釘的剩磁。根據 CMM 資料產生的髖臼杯的開放表面表示作為 STL 檔案導入並註冊到隔離杯模型，並具有半自動功能來對齊其穩定鰭，隨後對註冊的髖臼杯表面和骨模型進行鏡像並適當縮放。

圖：(1) 髖臼表面（紫色）與髖臼杯（灰色）的 3D 模型配準，從 3D CT 影像中分割出來； (2) 使用 CAPP 軸記錄所有 20 個髖臼表面，保持其體內方向； (3) CAPP 軸（紅色）用於將髖臼表面分為四個像限（圖片由 Bergiers 等人提供/CC BY 4.0）。

通過標準化的座標體系對齊所有 20 個髖臼表面，利用骨盆前平面進行 BHR 表面的配準。該座標體系由平行於骨盆前平面（APP）的平面定義，與臼杯表面的中心相交。鑒於與 APP 的關係，將該平面稱之為 Cup-APP（CAPP），作為垂直站立位置的代表。然後創建一個新的座標系建立最終軸和測量軸，從中可以確定主要磨痕的體內位置，並將髖臼表面分為四個象限（前上、前下、後上、後下）。

圖：CAPP 軸使用與 APP 平行的平面（左圖）定義，該平面與髖臼表面形成的球體中心相交（右圖）

（圖片由 Bergiers 等人提供/CC BY 4.0）。

統計形狀建模 (SSM)

為了進行統計形狀建模 SSM (Statistical Shape Modelling)，將對齊的髖臼表面在臼杯-邊緣過渡處裁剪，並封蓋形成閉合的表面。然後將每個表面離散化以形成密集的點集，映射到基準的未磨損幾何形狀。使用 Simpleware 軟體進行主成分分析（PCA），生成可以通過識別的變異模型（主成分）從平均髖臼表面幾何形狀變形的形狀模型。

還可以生成表面偏差圖，將平均髖臼表面模型與基準未磨損球體進行比較，根據超過製造公差的偏差值將磨損位置顯示為彩圖。採用同樣的方法研究髖臼表面總體的主要方差模式，通過留一法評估每個髖臼表面對總體統計形狀模型的貢獻。

圖：箱形圖和晶須圖顯示了主要磨損疤痕中心的位置，在留一法研究的每次迭代後進行測量。中位數與範圍（最小-最大）和四分位數範圍一起顯示。黑點代表單一異常值（圖片由 Bergiers 等人/CC BY 4.0 提供）。

本研究還考慮了外科醫生、植入物類型、患者以及體積材料損失、性別、翻修時間等因素的影響。因此將20個髖臼表面進行分組，研究它們的差異。採用相同的方法根據 Simpleware 軟體中生成的表面偏差圖計算每個髖臼表面的磨損量，並將結果與先前驗證的軟體中所獲測量結果進行比較，發現兩個值的平均誤差在可接受範圍。

研究結果

通過整個植入物的 PCA 生成平均髖臼表面，與製造的基準表面比較呈現為偏差圖。另外，留一法研究表明單個髖臼表面顯著影響平均磨痕的中心，因此被排除在進一步的分析之外。

圖：透過整個人群的 PCA 產生的平均髖臼表面 (n = 20)。這是與製造的參考表面進行比較的偏差圖，其中深藍色區域被認為是未磨損的 (mm)（圖片由 Bergiers 等人提供/CC BY 4.0）。

PCA 產生模式是描述形狀方差的特徵向量，並根據其方向上的差異程度進行排序。 PCA 產生的第一個和最主要的方差模式反映了主磨痕處的線性深度，第二個模式描述了磨痕位置與其朝向表面中心的覆蓋範圍之間的關係，第三個模式表示沿水準軸的擠壓程度。

圖：從髖臼表面群體計算出的前 3 個主成分（模式）的幾何形狀從-3SD 到+3SD 的變化，以與製造參考表面(mm) 比較的偏差圖的形式呈現

此外，還使用 Simpleware 軟體複製了記錄的材料損耗測量值，與經驗證軟體計算的植入物未磨損球體的中心和半徑進行比較，平均誤差為 -0.60 mm3（SD=6.98）。

結論

值得注意的是，該專案是第一個使用統計形狀模型分析回收骨科植入物的研究。成功地確定了髖臼磨損的平均體內位置，SSM 能夠可視化和解釋髖關節置換翻修的形狀差異。此外，該方法產生的結果與文獻中的研究結果一致，對髖關節置換術中力學的深入理解可以作為將來植入物設計和病理解剖學研究的一種方式。 SSM 方法還可以用於細化植入物定位的安全區，協助外科醫生獲取優化最佳磨損性能的元件位置範圍資訊，並通過更大規模的研究進一步提高有效性。

參考資料