基於 CT 影像進行髖關節修復手術中大髖臼缺損的統計形狀建模
概述
統計形狀模型 (SSM) 可以幫助導出存在較大髖臼缺損的患者髖關節中通常不存在的標誌，從而可以將重建的骨盆與先前接受過翻修手術的患者進行比較。
在這項研究中，使用了由 38 名患有 Paprosky IIIb 型缺陷的患者組成的回顧性隊列，並使用 Simpleware 軟體根據 100 個健康骨盆構建了 SSM，採用 SSM 對所有病例的原生骨盆形態進行虛擬建模，結果測量為 SSM 與患病髖關節、SSM 與手術計劃以及 SSM 與對側健康髖關節之間 CoR 的差異，從這些分析中獲得了 CoR 的中位數差異，並用於顯示 SSM 的優勢。
亮點
- Simpleware 軟體用於分割 50 個男性和 50 個女性半骨盆以建立統計形狀模型
- SSM 與患病髖關節、手術計劃和對側健康髖關節進行比較，以測量旋轉中心 (CoR) 的差異
- SSM 工作流程為複雜髖關節重建的手術規劃和患者特定植入物設計提供了寶貴的工具
髖關節置換術的挑戰
全髖關節置換術（THA）是一種常見的骨科手術，用於在嚴重髖臼缺陷時恢復髖關節功能。 然而，使用傳統方法進行全髖關節置換術時，處理嚴重的髖臼骨流失具有挑戰性，通常會因植體失敗而導致翻修率較高。
客製化的髖臼植入物透過將植入物安裝到殘留的宿主骨上來幫助克服這些障礙，從而幫助更準確地定位髖臼部件，從而提高性能並降低翻修手術的風險。 規劃這些手術的方法包括鏡像健康的對側半骨盆以測量可接受的髖關節旋轉中心 (CoR)，但受到人體解剖結構不對稱、病理或金屬加工的限制。
雖然骨盆統計形狀模型（SSM）提供了重建骨盆骨缺損的解決方案，但這些主要僅限於與患者數據無關或基於非常小的患者群體的計算模型。 在本案例研究中，研究人員進一步利用 SSM 來測試其在重建患有大髖臼缺損的患者髖關節中缺乏的重要骨骼標誌方面的價值。 透過使用這種方法，可以將 SSM 的 CoR 與先前因未計劃使用 SSM 技術而計劃的大髖臼缺損接受髖關節翻修手術的患者進行比較。
手術計畫與分析方法
該計畫使用的數據集是一項回顧性隊列研究，涉及 38 名患有 Paprosky IIIb 型缺陷的患者，包括髖臼邊緣和淚滴狀的嚴重破壞。使用 50 個健康骨盆對 SSM 進行訓練，然後用於虛擬重建所有 38 個病例的原生骨盆形態，其中 18 個病例具有健康的對側。
然後，可以將 SSM 與術前基於 CT 的計劃進行比較，這些患者的手術計劃沒有使用 SSM 技術，並發現 SSM 和患病髖關節、SSM 和術前計劃之間的 CoR 之間的差異以及結果測量結果。SSM 和對側健康髖關節。 此分析顯示如何改善未來的手術計劃。
Simpleware 軟體自動分割骨盆 CT 影像
將無骨異常的患者（50 名男性和 50 名女性）的 100 份骨盆 CT 掃描導入 Simpleware 軟體，並使用基於 AI 的機器學習工具自動分割，以獲得每個半骨盆的 3D 重建。 髖臼骨缺損 (Paprosky) 患者群組的術前 CT 掃描也使用手動和自動分割工具的組合在 Simpleware 軟體中進行了分割。
圖：使用 Simpleware AS Ortho 進行自動化骨盆 CT 分割
38 例患者的 3D 虛擬計畫被用來測試使用不存在植入物的對側半骨盆的統計模型，其中 38 例中有 2 例沒有接受翻修手術，只有虛擬計畫。 驗證集由訓練集中的 10 個健康半骨盆組成，用於驗證虛擬重建過程。
建立骨盆的統計形狀模型 (SSM)
訓練集中的 50 個骨盆最初對齊，以確保資料集的固定姿勢。 然後使用點映射技術將半骨盆的平均形狀配準到每個半骨盆，以平均形狀作為參考對象來提供要映射的點的位置。 對資料集應用主成分分析 (PCA)，以研究平均形狀與模型集之間的相關性。
研究假設測試集中患病髖部的健康部分可以預測解剖結構的形狀，從而去除髖臼，剩餘部分用於構建 SSM。 健康的零件與平均形狀產生的最佳擬合模型以及原始幾何形狀的密集數據點對齊。
手術前後的髖部 CT 影像分析與比較
使用球體配對技術計算 SSM 的 CoR，與計算患病髖部、計劃和健康對側的 CoR 的方法相同。 計算每個患病髖關節與其各自的 SSM 之間的 CoR 差異，以量化缺陷的嚴重程度。 最後，計算 SSM 與計畫、SSM 與健康側之間的 CoR 差異。 使用解剖學定義、用於創建平面的參考點和計算的質心距離相對於前骨盆平面改變座標系。
使用 GraphPad Prism 進行統計分析，調查各組之間的統計顯著差異。 數據被確定為非常態分佈，隨後進行非參數獨立值的 Mann-Whitney U 檢驗，顯著性水準設定為 p > 0.05。 使用訓練集建構的 SSM 虛擬重建了 10 名健康患者的半骨盆，並透過球體匹配技術測量了他們的 CoR。 計算 CoR 相對於對應 SSM 的差異，以測試模型作為規劃工具的效能。
圖：(A)前後視圖。 (B)統計形狀模型與患病髖關節之間旋轉中心 (CoR) 差異的側視圖 – 觀察到 Z 軸的顯著變化。(C)術前拍攝的前後位平片。(D)術後顯示 CoR 的恢復。（圖片由 De Angelis 等人/CC BY 4.0 提供）
結果與討論
影像分析和驗證結果審查了患病髖部與 SSM、計劃與 SSM、以及健康對側與 SSM 之間的 CoR 差異，這個最終指標用來驗證模型，最大的差異出現在患病髖部和相應的 SSM 之間 (p < 0.0001)，計劃和 SSM 之間的 CoR 以及對側與 SSM 之間的 CoR 差異沒有發現統計差異。 驗證表明，CoR 的最大位移出現在冠狀面。
圖：(A)前後視圖。(B)統計形狀模型與患病髖關節之間旋轉中心 (CoR) 差異的側視圖 – 觀察到 Z 軸的顯著變化。(C)術前拍攝的前後位平片。(D)術後顯示 CoR 的恢復。（圖片由 De Angelis 等人/CC BY 4.0 提供）
圖：(A)前後視圖。 (B)統計形狀模型與計劃之間旋轉中心差異的側視圖。（圖片由 De Angelis 等人/CC BY 4.0 提供）
圖：(A)前後視圖。(B)統計形狀模型與對側健康側之間旋轉中心差異的側視圖。（圖片由 De Angelis 等人/CC BY 4.0 提供）
分析發現，病理性髖關節 CoR 與 SSM 重建模型的平均 CoR 在 31mm 以內； 手術計畫的 CoR 位於 SSM 模型的 9 mm 範圍內，不包括外科醫生選擇保留高旋轉中心而不恢復原始 CoR 的 7 例。 健康對側的 CoR 與 SSM 的距離在 8 mm 以內，對於計劃恢復天然 CoR 的患者，計劃與 SSM 以及對側與 SSM 之間的 CoR 差異沒有發現統計學差異。
結果表明，在對側患病或有植入物的情況下，使用 SSM 作為參考工具來指導髖關節翻修手術的手術計劃是有希望的，未來的研究可能會針對更大的患者群體，以更好地評估 SSM 是否可以應對不同類型的嚴重髖臼缺陷或畸形。
圖：旋轉中心 (CoR)，表示為統計形狀模型 (SSM) 與 X、Y 和 Z 中患病、計劃和對側值之間的差異（圖片由 De Angelis 等人提供/CC BY 4.0）。
圖：(A) 前後視圖和 (B) 統計形狀模型與健康側之間旋轉中心差異的側視圖（圖片由 De Angelis 等人/CC BY 4.0 提供）。
結論
患有大髖臼缺損的患者的髖關節重建具有挑戰性，因為他們缺乏解剖標誌，這是解剖結構變形和對側髖關節經常被置換的結果。 此外，失敗的植入物可能會產生金屬偽影，從而模糊 CT 掃描中的骨骼讀數，使 3D 重建變得具有挑戰性。 本案例研究中的 SSM 工作流程透過成功重建患病解剖結構中缺失的骨標誌，克服了這些限制，無論缺陷的嚴重程度如何； 這對於在骨缺損發生之前估計 CoR 的原始位置非常重要，然後可以將其用作工程師設計客製化植入物的起點，這些植入物不太可能失敗或為患有大髖臼缺陷的患者產生併發症。
參考資料
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