基于CJFH分型的股骨头坏死三维分型及塌陷预测

基于CJFH分型的股骨头坏死三维分型及塌陷预测
周思佳;姜文学
【摘要】背景:研究报道股骨头坏死分型与坏死预后密切相关,基于三柱结构的中日友好医院(China-Japan Friendship Hospital,CJFH)分型对股骨头塌陷的预测准确性高,但其仅局限于二维层面,目前缺少基于此分型建立相应三维分型的研究.目的:通过建立股骨头坏死三柱结构的三维分型,探讨该分型的优势及在股骨头塌陷预测中的价值.方法:选取确诊为股骨头坏死的68例106髋的髋关节MRI和CT资料,基于CJFH分型方法,在三维层面上将股骨头划分为内侧、中央和外侧的三柱结构,并根据坏死区的大小及位置,建立3D-CJFH(Three-dimensional CJFH,3D-CJFH)分型方法.利用这2种分型方法对上述106髋进行分型,得到不同分型的转归.比较3D-CJFH分型和CJFH分型的股骨头坏死塌陷率.结果与结论:①3D-CJFH分型分为A 型(内侧型),B型(中央型)和C型(外侧型),其中C型包括C1型(次外侧型),C2型(极外侧型)和C3型(全股骨头型);②3D-CJFH分型的A、B和C型塌陷率分别为
5.6％,8.0％,58.7％;C1、C2和C3的塌陷率分别为25.0％,75.0％,9
6.3％;CJFH分型的A、B和C型塌陷率分别为5.3％,13.8％,59.3％;C1、C2和C3的塌陷率分别为32.3％,75.0％,95.7％;③3D-CJFH分型的A型和C3塌陷率大于CJFH分型,CJFH分型的B型和C1型塌陷率大于3D-CJFH分型,差异均无显著性意义;3D-CJFH分型的C2型塌陷率与CJFH分型相同.3D-CJFH分型的C型塌陷率小于CJFH分型,差异无显著性意义;④该研究结果表明,3D-CJFH分型对于股骨头塌陷的预测结果与CJFH分型相似,但3D-CJFH分型更符合股骨头的三维生物力学特性,为股骨头坏死的三维诊断和塌陷精准预测提供了理想的基础.
【期刊名称】《中国组织工程研究》
【年(卷),期】2018(022)019
【总页数】6页(P3033-3038)
【关键词】股骨头坏死;中日友好医院分型;3D-CJFH分型;塌陷;三维分型;骨科植入物
【作者】周思佳;姜文学
【作者单位】天津医科大学一中心临床学院,天津市 300192;天津医科大学一中心
临床学院,天津市 300192
【正文语种】中文
【中图分类】R318
文章快速阅读：
文题释义：
股骨头坏死的三柱结构三维分型：根据李子荣等基于股骨头三柱结构建立的关于股骨头坏死的中日友好医院(China-Japan Friendship Hospital，CJFH)分型，建立
股骨头坏死三柱结构的三维分型(Three-dimensional CJFH，3D-CJFH)，分为A
型(内侧型)，B型(中央型)和C型(外侧型)，其中C型包括C1型(次外侧型)，C2
型(极外侧型)和C3型(全股骨头型)。

股骨头坏死三柱结构三维分型对股骨头的塌陷预测：利用MRI对坏死股骨头进行
三维重建的方法，建立基于CJFH分型的股骨头坏死三维分型(Three-dimensional CJFH，3D-CJFH)，再现了股骨头坏死区在三维空间中的范围和分布，
并以此确定股骨头坏死的3D-CJFH分型，对股骨头坏死的三维诊断和塌陷预测提供了一定的基础，从而实现股骨头坏死的个体化精准治疗。

0 引言Introduction
股骨头坏死是临床最常见的骨关节疾病之一，尽管激素、酗酒等危险因素已在临床得到证实，但其发病机制仍不明确。

若股骨头坏死患者不接受有效的治疗，往往会进展至股骨头塌陷并破坏髋关节，最终只能接受手术治疗[1]。

股骨头坏死主要发生于中青年患者，尽管全髋关节置换治疗晚期股骨头坏死具有良好的中远期临床疗效[2-3]，但存在潜在二次翻修和翻修困难等缺陷，因此需要在早期尽可能通过非关节置换的治疗方法预防股骨头塌陷，从而保护患者髋关节的自身功能。

对于股骨头塌陷，其预防的关键环节在于早期的准确预测[4-5]，并进行分期和分型。

合理的股骨头坏死分型可以帮助判断预后和评估疗效，目前已有多种股骨头坏死的分型方法[6]，但均存在一定的不足。

李子荣等[7]基于股骨头的三柱结构提出了关于股骨头坏死的中日友好医院(China-Japan Friendship Hospital，CJFH)分型，并证明了该分型在预测股骨头塌陷中的简便性和准确性。

但CJFH分型仅选取MRI冠状位正中的单层面进行测定，不可避免地会造成测量结果出现一定程度的偏倚。

随着近年来影像学及计算机技术的提高，已有学者通过三维重建技术对影像学资料进行重新整合及重建[8-9]，相比于二维资料，三维资料能够为疾病诊断提供更多的图像信息及计量资料[10]。

该研究拟通过三维重建股骨头坏死患者的髋关节MRI或CT资料，基于CJFH分型建立股骨头坏死三柱结构的三维分型，即3D-CJFH分型(Three-dimensional CJFH，3D-CJFH)，结合患者的临床转归结果，探讨并分析该三维分型在预测股骨头塌陷中的准确性和价值。

1 对象和方法Subjects and methods
1.1 设计回顾性病例资料分析。

1.2 时间及地点于2002年9月至2012年9月在天津市第一中心医院骨科完成。

1.3 对象收集2002年9月至2012年9月在天津市第一中心医院骨科确诊为
股骨头坏死的病例资料，均为ARCO分期Ⅰ-Ⅲ期，共68例106髋，其中激素性25例44髋，酒精性13例21髋，创伤性5例5髋，不明原因25例36髋；男
49例77髋，女19例29髋；右髋异常13例，左髋异常17例，双髋异常38例；年龄17-72岁，平均(44.7±13.4)岁。

所有患者未接受手术治疗，确诊后均获得随访，随访时间38-112个月，平均(71.9±19.5)个月。

纳入标准：①ARCO分期Ⅰ期，包括ⅠA期(仅MRI上坏死范围<15%)、ⅠB期(仅MRI上坏死范围15%-30%)和ⅠC期(仅MRI上坏死范围>30%)；②ARCO分期Ⅱ期，包括ⅡA期(坏死范围<15%)、ⅡB期(坏死范围15%-30%)和ⅡC期(坏
死范围>30%)；③ARCO分期Ⅲ期，包括ⅢA期(新月征<15%)、ⅢB期(新月征15%-30%)和ⅢC期(新月征>30%)；④股骨近端骨质量良好。

排除标准：①基于Singh指数[11]的严重股骨近端骨质疏松症(定义为Singh指数≥4)；②骨肿瘤；③接受了保留关节的手术治疗。

统一导出患者的髋关节MRI原始影像学资料，将髋关节T1WI的MRI以Dicom
格式储存，随后选取并储存冠状位T1WI的MRI正中层面图像。

根据股骨头坏死
的影像学特点和诊断方法，对于ARCO分期Ⅱ-Ⅲ期患者，在缺少MRI资料的前
提下，可选择CT作为替代的影像学资料进行储存并分型。

1.4 3D-CJFH分型的建立
1.4.1 股骨头和坏死区三维重建将Dicom格式的髋关节T1WI的MRI数据(或ARCO分期Ⅱ-Ⅲ期的CT数据)导入至Mimics 15.0(Materialise，比利时)，选定
自动计算界定值作为阈值范围，在冠状面的视窗中选中具有不同灰度值的组织，逐层在图像中作蒙版编辑和空洞处理，得到分离的骨组织及软组织，任意选取股骨头
上一点作区域增长，可获得初始的股骨头蒙版。

随后在矢状面和横断面对各层图像做上述处理，从而对股骨头蒙版做进一步的完善，得到最终的股骨头蒙版。

通过上述方法在3个视窗中对坏死区的图像进行逐层编辑，可获得坏死区蒙版。

选中股
骨头蒙版和坏死区蒙版，运用Calculate 3D和Smoothing功能对股骨头和坏死
区分别进行重建和光滑处理，最后可以分别建立股骨头和坏死区的三维模型，见图1。

1.4.2 3D-CJFH分型方法①三柱结构的三维划分方式：在股骨头表面上任意取
4个点，通过Create Analytical Sphere功能得到拟合的股骨头球体，取该球体
中心作为股骨头中心。

做经过股骨头中心且平行于冠状面的平面，并将该平面作为冠状面的正中层面。

根据股骨头坏死的CJFH分型方法，在股骨头的正中冠状面上做2条切割线进行划分，使得外侧柱、中央柱和内侧柱分别占股骨头宽度的30%，40%和30%。

随后建立垂直于冠状面且分别经过上述2条切割线的2个平面，利用这2个平面对股骨头进行切割，从而获得由外侧柱、中央柱和内侧柱组成的股
骨头三维形式的三柱结构，见图2；②3D-CJFH的不同分型：参考CJFH分型的
方法，将股骨头坏死的3D-CJFH分型分为A型，B型和C型(包括C1型，C2型，C3型)，见表1，图3。

基于CJFH分型建立3D-CJFH分型，两者的分型方式和
基本观点相似，其中三柱结构均是在股骨头正中平面上按照相同的宽度比例对其进行划分，但3D-CJFH分型将三柱结构的二维形式扩展至三维形式，进一步提高了分型方式的真实性和可信性。

1.5 3D-CJFH分型的临床验证通过3D-CJFH和CJFH分型方法对上述68例106髋的髋关节T1WI MRI数据进行分型。

上述操作均由2位医师同时进行，当
结果出现不同时则交由第3位医师进行重复操作，随后将其结果作为最后结果。

所有患者的转归分为未塌陷和塌陷两类，根据得到的转归结果分别计算两个类别的数量及比例，并对2种分型方法预测的塌陷率进行比较。

1.6 主要观察指标①3D-CJFH分型的确定：在Mimics软件中根据重建的股骨头和坏死区三维结构判断坏死的范围及位置，并以此对其进行3D-CJFH分型；
②CJFH分型的确定：根据MRI上的带状低信号逐层判断股骨头坏死的范围和位置，并得到CJFH的具体分型；③患髋的定期影像学检查：从股骨头坏死确诊开始，第1，3个月和每6个月定期进行MRI检查，并判断坏死股骨头是否塌陷。

1.7 统计学分析使用SPSS 23.0软件对测量数据进行统计学分析，组内和组间的不同分型塌陷率的比较均采用卡方检验，P<0.05为差异有显著性意义。

2 结果Results
2.1 参与者数量分析68例106髋的数据均进入统计学分析。

2.2 研究对象入组流程见图4。

2.3 3D-CJFH与CJFH分型结果通过对所有T1WI MRI数据的逐步操作，可获得3D-CJFH和CJFH两种分型结果，见表2。

尽管两种分型方法在正中层面上划
分三柱的方法相同，但将三柱由二维层面转至三维层面时，部分患者的分型结果出现了变化，两种分型中A型、B型、C1型和C3型的病例数不同。

2.4 3D-CJFH与CJFH分型方法的转归根据随访结果，可以得到3D-CJFH和CJFH分型方法的转归，见表3和表4。

其中3D-CJFH分型的A、B和C型的股
骨头塌陷率分别为5.6%，8.0%，58.7%，差异有显著性意义(精确概率法，
P=0.000<0.05)；CJFH分型的A、B和C型的股骨头塌陷率分别为5.3%，
13.8%，60.3%，差异有显著性意义(精确概率法，P=0.000<0.05)。

在3D-CJFH 分型方法中，C型的塌陷率按从大到小为C3，C2和C1，差异有显著性意义(精确概率法，P=0.000<0.05)；在CJFH分型方法中，C型的塌陷率大小依次为C3，
C2和C1，差异有显著性意义(精确概率法，P=0.000<0.05)。

因此，对于2种分
型方法，C型中塌陷率均为C3最大，C1最小，反映了坏死范围以及坏死位置与
股骨头塌陷率具有密切的关系。

2.5 3D-CJFH与CJFH分型方法的股骨头塌陷率比较通过对两种分型方法中5
种不同分型塌陷率的比较，见表5。

其中，3D-CJFH分型的A型和C3型塌陷率
大于CJFH分型，CJFH分型的B型和C1型塌陷率大于3D-CJFH分型，差异均
无显著性意义；3D-CJFH分型的C2塌陷率与CJFH分型相同。

3D-CJFH分型的
C型塌陷率小于CJFH分型，差异无显著性意义。

3 讨论Discussion
图1 股骨头和坏死区的三维结构Figure 1 Three-dimensional reconstruction of femoral head and necrotic area图注：左、右分别为坏死股骨头及坏死区三
维结构。

图2 股骨头的三维三柱结构Figure 2 Three-dimensional three pillars structures of femoral head图注：从左至右分别为外侧柱，中央柱和内侧柱。

图3 股骨头坏死3D-CJFH分型示意图Figure 3 Schematic diagram of
three-dimensional China-Japan Friendship Hospital(3D-CJFH)classification for osteonecrosis of the femoral head图注：A型：坏死区累及内侧柱；B型：坏死区累及中央柱和内侧柱；C1型：坏死区累及三柱，外侧柱部分正常；C2型：坏死区累及外侧柱和部分中央柱；C3型：坏死区累计整个股骨头三柱。

图4 研究对象入组流程图Figure 4 Flow chart of participant assignment
表1 3D-CJFH分型中各分型的特点Table 1 Characteristics of each type in
3D-CJFH classification3D-CJFH分型特点A 坏死区累及内侧柱B 坏死区累及
中央柱和内侧柱C坏死区累及外侧柱C1 坏死区累及三柱，但外侧柱部分存留
C2 坏死区累及外侧柱及部分中央柱C3 坏死区累及整个股骨头的三柱
表2 3D-CJFH和CJFH 分型结果(髋)Table 2 Results of 3D-CJFH and CJFH classifications分型A型B型C型C1 C2 C33D-CJFH 18 25
32 4 27 CJFH 19 29 31 4 23
表3 股骨头坏死患者3D-CJFH分型方法的转归(髋/%)Table 3 Outcomes
of the patients with osteonecrosis of the femoral head by 3D-CJFH classification3D-CJFH分型n(髋) 未塌陷塌陷A型18 17/94.4 1/5.6
B型25 23/92.0 2/8.0 C1型32 24/75.0 8/25.0 C2型 4 1/25.0
3/75.0 C3型27 1/3.7 26/96.3总计106 66/62.3 40/37.7
表4 股骨头坏死患者CJFH分型方法的转归(髋/%)Table 4 Outcomes of
the patients with osteonecrosis of the femoral head by CJFH classificationCJFH分型n(髋) 未塌陷塌陷A型19 18/94.7 1/5.3 B型29 25/86.2 4/13.8 C1型31 21/67.7 10/32.3 C2型 4 1/25.0
3/75.0 C3型23 1/4.3 22/95.7总计106 66/62.3 40/37.7
表5 3D-CJFH和CJFH分型的塌陷率比较(%)Table 5 Comparison of collapse rate between 3D-CJFH and CJFH classifications分型A型B型
C1型C2型C3型C型3D-CJFH 5.6 8.0 25.0 75.0 96.3 58.7 CJFH 5.3 13.8 32.3 75.0 95.7 59.3统计值精确概率法精确概率法
χ2=0.406精确概率法精确概率法χ2=0.004P值 1.000 0.675 0.524 1.000 1.000 0.947
3.1 股骨头坏死分型在预测股骨头塌陷中的必要性目前股骨头坏死的发病率逐
年升高，并呈年轻化的趋势[12]。

对于股骨头坏死，若未能实施有效的治疗，最终会导致股骨头塌陷[13-15]，影响髋关节活动度和功能，是目前世界上公认的骨科
治疗难题之一。

许多学者已经证实，股骨头出现塌陷主要与坏死范围和坏死位置密切相关。

Liu等[16]设计了三维有限元模型来测量不同坏死范围股骨头的应力变化，结果发现坏死范围更大的股骨头出现了更高的应力集中，股骨头塌陷的风险也更大。

Floerkemeier等[17]通过有限元分析指出，股骨头坏死应力集中的区域与负重区
大致吻合，当坏死发生在这些区域时，股骨头易发生塌陷。

因此，使用合理的股骨
头坏死分型方法可准确测量和描述坏死范围和位置，对坏死股骨头进行分型，并进一步对塌陷作出预测，有助于更好地确定治疗方法和改善预后[18-19]。

3.2 3D-CJFH与CJFH分型的分型结果比较根据3D-CJFH与CJFH的分型结果，3D-CJFH分型中A型18髋、B型25髋，分别少于后者的A型19髋和B型29髋，证明了3D-CJFH分型避免了单层面测量坏死范围，将三柱结构扩展至三
维层面后，能够反映股骨头坏死区在三维空间内真实的坏死范围和分布，将部分在CJFH分型中仅为A型或B型的坏死股骨头修改为3D-CJFH分型中的B型或C型，因此该研究中3D-CJFH分型的A型和B型数量均小于CJFH分型。

3D-CJFH分
型保留了股骨头内侧、中央和外侧的应力分布结构，其不同分型代表了坏死的不同位置，从而使分型和应力分布得到紧密的联系。

在2种分型方法的C型结果中，3D-CJFH分型的C1和C3型分别为32髋和27髋，均大于CJFH分型C1和C3型的31髋和23髋。

上述分型结果的差异主要原因是当坏死范围在正中冠状位仅累及1柱或2柱，但在整个股骨头上已扩展至2
柱和3柱时，CJFH分型存在显著的局限性，而3D-CJFH分型由于三柱结构的三
维化，将坏死范围覆盖至整个股骨头，显著减小了这一误差。

因此对于这些特殊病例，3D-CJFH分型的分型结果具备更高的准确性，从而进一步提高了对坏死区塌
陷风险评估的准确性。

3.3 3D-CJFH与CJFH分型的股骨头转归和塌陷率比较转归结果显示，3D-CJFH 分型中A型的和B型的未塌陷数量小于CJFH分型，B型的和C1型的塌陷数量小于后者，而C1型的未塌陷数量和C3型的塌陷数量均大于CJFH分型，差异均无
显著性意义。

由于3D-CJFH和CJFH分型的方法存在不同，导致了它们在A型至C3型中未塌陷和塌陷数量的差异。

两种分型的塌陷率比较显示，3D-CJFH分型中A型、B型和C1型的塌陷率均小
于CJFH分型，3D-CJFH分型C3型的塌陷率大于CJFH分型，但上述的具体数值
差异很小，均无显著的统计学意义，这一结果主要是由于3D-CJFH分型方法的基本理念来源于CJFH分型，可视为后者在三维层面上的一种扩展分型，而后者在测量时选取的正中冠状位图像具备一定的代表性，导致两者出现了相近的结果。

此外，研究的样本量相对较小，也是造成两种分型的塌陷率未出现明显差异的重要原因。

但3D-CJFH分型在测量层面的数量上远大于CJFH分型，得到的分型结果也更具
有代表性，因此，3D-CJFH分型可更准确地反映坏死的大小和位置，为塌陷率的
精准预测提供可靠的影像学基础。

3.4 3D-CJFH分型在预测股骨头塌陷中的作用股骨头的应力分布与位置高度联系[20]，因此坏死位置是影响坏死进展以及最终出现塌陷的重要因素[21-23]。

3D-CJFH分型的塌陷率结果显示，C2型和C3型的塌陷率也大于C1型，由此可
以证实一旦坏死累及至外侧柱时，股骨头极易出现塌陷。

这种现象主要与髋关节的解剖结构和不同位置的不同负重有关[24]，其应力主要集中于顶部及前外侧，也是坏死最常发生和塌陷的位置[25-26]。

此外，C3型的塌陷率也大于C1型和C2型，反映了当坏死范围扩大时股骨头塌陷率也由此显著增加。

3D-CJFH分型方法相比于CJFH分型，其三柱结构的三维分型充分考虑了股骨头
的空间力学结构，更符合其生物力学特性，从而有利于进一步提高股骨头塌陷预测结果的准确性。

近年来相关三维重建等技术在股骨头坏死的三维测量中展示出巨大的优势[20，27-29]，随着未来计算机自动模拟计算能力的发展，将显著提高股骨头坏死3D-CJFH分型的处理速度和精度，实现其在股骨头坏死的三维诊断和塌陷预测中的价值，从而促进股骨头坏死的个体化精准治疗。

作者贡献：试验设计为姜文学、周思佳，试验实施为周思佳，试验评估为姜文学、周思佳，资料收集为姜文学、周思佳。

经费支持：该文章接受了“天津市卫计委重点公关项目(16KG102)”的基金资助。

所有作者声明，经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其
报道。

利益冲突：作者声明在课题研究和文章撰写过程，不存在利益冲突。

伦理问题：临床试验研究的实施符合《赫尔辛基宣言》和医院对人体研究的相关伦理要求。

文章的撰写与编辑修改后文章遵守了《观察性临床研究报告指南》(STROBE指南)。

实施手术治疗的医生符合《医疗机构手术分级管理办法（试行）》、本地和国家卫生部门法规的资质要求。

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文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。

作者声明：第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。

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