术前CT亨氏单位评估预测全膝关节置换术中非骨水泥固定的外科医生偏好：一项回顾性队列研究

本刊推荐：本研究通过回顾性分析630例机器人辅助全膝关节置换术（TKA）病例，证实术前CT亨氏单位（HU）测量可作为骨密度的有效替代指标，与非骨水泥固定选择显著相关（p<0.001）。研究发现联合人口统计学数据与HU值可提高预测模型效能（AUC=0.853），为TKA术前规划提供了客观的决策支持工具，具有重要临床转化价值。

　　

引言

全膝关节置换术（TKA）是美国最成功的择期手术之一。预计到2030年，每年将实施超过300万例TKA手术，其中45-54岁年龄组的需求增长最大，超过一半患者年龄在65岁或以下。植入物设计的进步使年轻患者能够接受TKA，且降低因无菌性松动导致的长期翻修风险。非骨水泥植入物的偏好日益增加，以实现持久的生物固定，避免传统骨水泥植入物出现的松动风险。根据2023年美国关节置换登记处（AJRR）数据，非骨水泥TKA的使用率从2013年的2.2%稳步上升至2023年的21.8%。随后的研究证实了这些现代非骨水泥植入物的成功长期结局。

使用非骨水泥植入物并非没有风险。非骨水泥TKA的早期失败主要归因于术后2年内胫骨植入物的下沉，导致生物固定薄弱，随后易发生无菌性松动。研究表明，无论年龄如何，骨矿物质密度（BMD）较差的患者使用非骨水泥植入物的失败风险较高。此外，研究显示TKA后胫骨BMD降低，突出了术前高骨密度对生物植入物固定重要性。因此，评估骨密度（作为骨质量的标志）可能构成术前计划的重要部分，以识别哪些患者不会从非骨水泥植入物技术中受益。

通过计算机断层扫描（CT）测量亨氏单位（HU）是评估骨密度的客观方法。HU测量CT成像期间组织对X射线的辐射密度，可作为BMD的替代测量。HU测量已显示与多种解剖位置的BMD评估呈正相关。此外，HU可在术前CT成像时测量，使其成为一种省时且几乎无额外成本的工具。

因此，本研究的目的是确定客观的HU评估是否与主观的术中骨骼评估相关，从而影响TKA中非骨水泥固定的使用。我们假设非骨水泥固定与较高的HU值相关。

材料与方法

研究设计与患者样本

这是一项回顾性分析，对象为2022年6月至2024年6月期间在同一机构接受MAKO机器人辅助原发性TKA（Stryker Corp, Kalamazoo, MI, USA）的患者。所有手术均由一名外科医生使用标准化协议进行术前评估和手术技术。年龄≥18岁且进行了术前MAKO协议CT扫描的患者纳入本研究。排除标准包括缺乏在我们机构进行的术前CT扫描（这是为了确保成像协议的一致性、图像质量和患者间的可比性）。此外，为避免干扰准确测量，还排除了既往胫骨平台截骨术、胫骨缺损、膝关节既往螺钉或钉固定史，以及因TKA或其他手术植入物存在显著金属伪影的CT扫描图像。最后，我们排除了使用全稳定器（TS）（中等级别约束）聚乙烯垫片的病例。在这些病例中，固定决策主要基于软组织松弛度考虑而非骨质量评估，且TS垫片与非压配/非骨水泥植入物不兼容。所有CT扫描均在我们机构使用标准化MAKO协议进行。采集参数包括固定管电压120千伏峰值（kVp）和切片厚度0.625毫米。该协议采用自动曝光控制，根据个体患者特征（包括身体习惯）自动调整管电流毫安（mA）。

亨氏单位测量

HU测量用作骨密度的替代指标，以评估胫骨骨骼特征。HU值从术前轴向CT扫描图像中提取，使用iSite/Intellispace PACS（Phillips Healthcare N.A., Andover Massachusetts, USA），采用与Scheele等人描述相似的技术。

具体而言，三个圆形感兴趣区域（ROI），每个面积为2.1平方厘米，放置在胫骨平台的内侧、中间和外侧区域，紧接在最硬化区域下方，大约在轴向扫描中腓骨头最近端切片的水平。三个ROI沿着与胫骨结节最突出前部分垂直的线绘制。选择ROI位置以在胫骨平台相关区域采样骨骼特征，以评估植入物-骨骼界面。每个ROI小心定位，避免任何光束硬化伪影区域，如硬化、骨囊肿或其他结构异常，或皮质干扰。这种标准化方法允许在患者间进行一致测量，同时在胫骨植入物龙骨通常与骨骼接触的深度采样骨密度。收集每个这些ROI的HU值 separately。获取值的平均值以评估骨密度。选择这种单切片方法是为了优先考虑测量标准化和临床实用性，同时在植入物-骨骼界面水平采样骨骼特征。在手术前或手术时未进行胫骨HU测量。

兴趣变量

胫骨植入物的最终固定类型基于术中外科医生对骨质量的主观评估选择。骨质量评估通过触觉反馈和骨骼视觉检查指导。患者分为非骨水泥和骨水泥胫骨植入物组。主要结局指标包括平均HU值。收集的其他兴趣变量包括性别、年龄、体重指数（BMI）和侧别；这些从医疗记录中提取。

数据分析

使用Shapiro-Wilk检验评估变量的正态性。使用卡方检验比较分类数据，使用独立t检验比较连续数据。统计显著性水平设定为p值<0.05。额外分析 across demographic factors including sex, age (<65 vs. ≥65) and BMI (nonobese [<30] vs. obese [≥30]), to explore the impact of age-related bone density changes on fixation type. We performed point biserial correlation tests to define the strength of relationship between HU measurements and fixation type. Unadjusted and adjusted regression analyzes assessed the association between HU measurements and fixation type. Finally, we performed a receiver-operating curve (ROC) analysis to evaluate the diagnostic ability of HU measurements to predict the use of cemented versus cementless tibial implant fixation. To assess the potential additive value of HU measurements beyond demographic factors, we developed and compared predictive models using HU measurements alone, demographics alone, and combined approaches, evaluating both discriminatory ability and clinical classification performance. All statistical analyzes were performed using STATA Version 18.0 (StataCorp LLC, College Station, TX, USA).

结果

在研究期间识别了760例机器人辅助TKA，其中630例符合纳入标准。患者平均年龄为70.9岁，60.5%患者为女性。总体而言，367例（58.3%）患者接受非骨水泥固定，263例（41.7%）患者接受骨水泥固定。女性占骨水泥胫骨的89.4%，而男性占非骨水泥胫骨的60.2%。平均而言，非骨水泥患者更年轻（年龄68.8 vs. 74.0, p<0.001）且BMI更高（31.5 vs. 29.7, p<0.001） than cemented patients.

总体而言，接受非骨水泥固定的患者平均HU测量值显著高于接受骨水泥固定的患者（152.7 vs. 105.6, p<0.001）。类似地，在胫骨的每个区域，非骨水泥患者的HU测量值在内侧（224.4 vs. 160.4; p<0.001）、中间（70.1 vs. 38.8; p<0.001）和外侧区域（163.7 vs. 117.5; p<0.001）均显著高于骨水泥胫骨患者。

当比较<65岁患者与≥65岁患者时，年轻患者更可能有更高的BMI（33.2 vs. 30.1, p<0.001）并接受非骨水泥固定（53% vs. 47%, p<0.001）。<65岁患者也有显著更高的总体平均HU测量值（150.1 vs. 128.9, p<0.001），以及更高的内侧（227.2 vs. 190.6, p<0.001）、中间（66.2 vs. 54.8, p<0.05）和外侧区域（156.8 vs. 141.5, p<0.05）平均HU测量值。

肥胖患者与非肥胖患者相比更可能接受非骨水泥固定（64.6% vs. 49.2%）。肥胖患者在内侧区域的HU测量值更高（210.0 vs. 183.7, p<0.001），以及总体（139.6 vs. 125.6, p<0.001）。中间和外侧区域的HU测量值无差异。

点二列相关结果如表3所示。植入物固定类型与HU测量值在所有ROI中均观察到显著的中等负相关：总体平均（-0.43, p<0.001）、内侧区域（-0.38, p<0.001）、中间区域（-0.31, p<0.001）和外侧区域（-0.35, p<0.001）。负相关表明较高的HU值与非骨水泥固定相关，而较低的HU值与骨水泥固定相关。在回归分析中，骨水泥固定与显著较低的总体平均HU测量值几率相关，无论是未调整（OR: 0.98; p<0.0001）还是调整了年龄、性别、BMI和侧别的分析（OR: 0.98; p<0.0001）。在敏感性分析中，比较不同ROI的HU测量值的模型显示，内侧区域的HU测量值具有最强的预测价值（Akaike information criterion [AIC]=612.06）。类似地，与其他区域相比，内侧ROI表现出最高的判别能力（AUC=0.851 vs. 0.822和0.835分别对于中间和外侧区域）。然而，总体平均HU显示出比内侧平均HU测量值稍高的预测价值和判别能力（AIC=604.25; AUC=0.853）。

为了评估HU测量值 beyond demographic factors 的潜在附加价值，我们比较了使用总体平均HU测量值（从表4中显示出最强的个体预测性能）的预测模型。这些比较模型的结果如表5所示。对于判别性能（AUC），仅HU测量值 achieved an AUC of 0.757, while demographic alone (age, sex, BMI, laterality) revealed an AUC of 0.808, compared to the combined model (AUC=0.853). Individual demographic variables as standalone predictors demonstrated much poorer predictive performance compared to these models, except for sex (AUC=0.748). Clinical classification performance at optimal balanced cut-points demonstrating sensitivity, specificity and overall classification accuracy is also shown in Table 5. Notably, while demographics alone achieved higher sensitivity (81.4%), they had lower specificity than the combined model, potentially leading to inappropriate cementless recommendations in 28% of patients who actually received cemented fixation. The combined model provided optimal balanced performance with the highest discriminatory ability and reduced false positive rates while maintaining excellent overall classification accuracy (76.8% sensitivity; 76.8% specificity; 76.8% overall accuracy).

讨论

在这项包括600多名患者的回顾性队列研究中，我们证明了术前CT扫描胫骨HU测量值与TKA中使用的植入物固定类型之间的关系。我们发现，与非骨水泥固定患者相比，骨水泥固定患者的总体平均HU测量值以及所有3个ROI均显著更高。HU测量值与固定之间存在中等负相关，较高值与非骨水泥固定相关。我们的研究结果支持术前HU评估与主观术中骨骼特征评估相关，这可能成为指导TKA中植入物固定的有价值工具。

骨矿物质密度（BMD）传统上通过双能X射线吸收测定法（DEXA）测量，是骨密度的标准测量方法，与骨折抵抗力直接相关。多项研究调查了HU与BMD之间的相关性。Pinto等人包括5300多名患者的大型系统评价发现，从腰椎CT扫描获得的HU与DEXA测量的T分数密切相关，表明HU在预测BMD方面的可靠性。其他研究在其他解剖位置（包括胸椎、肩部、足部和膝盖）显示了类似的发现。

Pervaiz等人进行了一项与我们的研究类似的研究，他们将接受肩关节置换术患者的BMD、HU和植入物固定相关联。他们发现近端肱骨HU与BMD T分数之间存在显著相关性。与本研究类似，他们发现老年患者更可能接受骨水泥组件。更直接相关的是，Borsinger等人发现，通过在CT扫描收集中使用标准化phantom评估的较高BMD值与年轻患者的非骨水泥固定相关。我们的研究支持HU与固定策略之间的关联，并且鉴于我们更大的队列，为这一主题的科学 body of research 增添了内容。我们认识到BMD参考phantom确保了研究中所有CT扫描的HU测量值的 equal standard。然而，本研究利用了多个ROI的收集， compared to a standard scale of HU given that all patients obtained preoperative imaging from the health system, each with identical imaging protocols. Andersen等人和Li均显示，术前胫骨BMD低是非骨水泥胫骨组件在术后24个月内移动的重要风险因素。其他人已经证明，非骨水泥胫骨植入物在24个月内的微动对骨整合失败构成重大风险。这些HU测量值与骨密度之间 established relationships 对TKA中的植入物固定具有重要影响。

我们的研究进一步与先前数据一致，这些数据表明手术时较年轻的年龄与较高的HU和较高的非骨水泥胫骨几率相关。这些发现得到了密歇根关节置换登记协作质量倡议（MARCQI）数据的支持。这项登记研究包括超过79,000例原发性TKA病例，显示非骨水泥TKA患者的平均年龄显著低于骨水泥TKA患者（64 vs. 67岁, p<0.0001）。类似地，分析2012年至2021年AJRR和加拿大关节置换登记处（CJRR）的研究发现，年轻患者更可能接受非骨水泥植入物。同时，高龄已被证明是非骨水泥TKA失败的风险因素。MARCQI数据库研究发现，>70岁患者的所有原因翻修率增加，而2023年AJRR发现>65岁女性也是如此。

我们发现所有ROI中较高的平均HU测量值，肥胖受试者中非骨水泥胫骨的显著更高比率，以及骨水泥胫骨固定的显著较低几率。我们与BMI相关的发现与先前研究一致，表明肥胖个体可能比非肥胖个体具有更好的骨密度，因此可能具有更好的骨质量。此外，有证据支持在肥胖个体中使用非骨水泥植入物。一项荟萃分析汇总样本量为817名肥胖患者，显示非骨水泥TKA与骨水泥TKA相比，所有原因翻修（OR=0.17）和无菌性松动（OR=0.15）的汇总几率显著降低。

比较分析表明，虽然 demographic factors alone achieved good discrimination (AUC=0.808), consistent with established literature on age, sex, and BMI effects on cementless outcomes, the combined model incorporating HU measurements achieved optimal performance (AUC=0.849), providing meaningful additive value beyond traditional clinical factors. The clinical classification analysis reveals important trade-offs for patient selection. Demographics alone showed high sensitivity (80.6%) but reduced specificity (71.9%), potentially leading to inappropriate cementless recommendations in patients with inadequate bone quality who actually required cemented fixation - a concern highlighted by studies showing increased revision rates with poor preoperative bone density. The combined model′s balanced performance (76.6% sensitivity and specificity) suggests that HU measurements help optimize patient selection by reducing false positive rates. These findings align with recent CT-derived bone density research, and support integrating HU measurements as a complementary tool for clinical decision-making. Future research should explore HU performance within demographic subgroups where objective bone quality assessment might provide enhanced predictive value.

我们的研究具有重要的实际意义。2023年AJRR显示，除了非骨水泥植入物的使用外，TKA中机器人的使用从2017年（1.8%）稳步上升至2023年（15.9%）。一些机器人辅助需要术前CT扫描以增强手术中植入物选择和放置的计划。我们展示了扫描如何在术前用于以尚未纳入实践的方式帮助术中计划。此外，利用现有术前CT扫描进行HU测量不需要额外的成像研究，可能提供一种评估骨密度并为TKA手术适当计划的方法，且无额外辐射风险或医疗支出。

TKA术前CT扫描的HU测量也可能帮助不同经验水平的关节置换外科医生在他们的计划和决策过程中。经验显著影响术中骨骼特征评估，可能造成植入物选择决策的 variability。研究表明，植入物固定偏好基于培训、既定实践指南甚至导师的影响而 vary。纳入HU测量提供了有价值的信息，既可以帮助经验不足的外科医生，也可以帮助年轻外科医生发展术中决策技能。

重要的是要承认总体平均HU测量值为植入物固定选择提供了最强的预测价值。我们的结果表明，考虑所有区域测量值的全面特征评估 rather than focusing on any one area 为植入物固定决策和最终植入物存活提供了最有用的信息。这一前提也得到了我们相关性检验结果的支持。然而，从我们的ROC分析结果来看，胫骨内侧区域的HU测量值也提供了类似价值的可操作信息，在无法进行整体评估的情况下。

局限性

本研究有几个局限性。首先，该研究是回顾性的，在一个机构由一名外科医生使用一种植入物进行，可能引入选择偏倚。其次，HU值本质上受扫描仪采集参数影响，不是骨密度的直接测量。尽管使用了标准化成像协议，但在解释我们的发现时必须考虑这一局限性。然而，虽然DEXA衍生的BMD仍然是骨密度评估的金标准，但它并非在TKA前常规进行，并且通常评估腰椎和髋部而非我们研究感兴趣的胫骨平台区域。第三，HU测量在轴向CT扫描的不同水平进行。我们试图通过在最硬化区域下方的水平进行测量并标准化ROI的大小和位置来减轻这一局限性。这大致在腓骨头水平，但由于个体解剖变异，每个患者略有不同。此外，随着ROI大小在队列中保持一致，ROI面积相对于每个患者整体胫骨横截面积的总和是不同的。第四，我们无法解释独特的术中情况，如意外骨折或 aggressive reaming，这可能需要在 otherwise suitable for cementless fixation 的患者中进行胫骨水泥固定。第五，我们排除了需要TS（中等级别约束）垫片的病例，因为这些病例中的固定决策主要基于软组织松弛度而非骨质量评估。虽然这一排除加强了我们对骨质量驱动决策的关注，但可能限制了对需要约束的复杂原发性病例的普遍适用性。然而，本研究建立在先前工作的基础上，并进一步将TKA中非骨水泥植入物的使用与作为骨密度替代指标的较高HU相关联。需要进一步的长期前瞻性研究来探索较高的HU测量值是否能准确预测非骨水泥TKA中的成功骨整合。未来的研究应侧重于 larger prospective studies to evaluate whether preoperative HU thresholds can be established to guide fixation decisions, or whether HU measurements can be integrated into clinical decision algorithms. In addition, investigation into HU performance within demographic subgroups where objective bone quality assessment might provide enhanced predictive value should be explored. Also, longer term studies to evaluate the relationship between HU measurement and implant outcomes related to fixation such as revision rates and survivorship would be valuable. However, this would require large databases with extended follow-up periods to achieve adequate statistical power.

结论

这项概念验证研究证明，HU值可在术前用于辅助术中植入物固定决策。非骨水泥膝关节植入物患者表现出显著更高的平均HU测量值。当按年龄和BMI分层时，这种趋势持续存在。HU值可能提供一种客观的、替代的骨密度测量方法，暗示骨质量，可以纳入TKA的术前计划中，尤其是与人口统计学数据结合时。

作者贡献

Matthew Barra, Chukwuemeka U. Osondu, Hannah Mosher, Jonathan Brutti, and Juan C. Suarez conceptualized the project. Matthew Barra, Hannah Mosher, Jonathan Brutti, Hallie B. Remer conducted literature screening and data extraction. Matthew Barra, Chukwuemeka U. Osondu, and Hannah Mosher performed data analysis and interpretation. Matthew Barra, Chukwuemeka U. Osondu, Hannah Mosher, Jonathan Brutti, and Hallie B. Remer performed drafting of the article. Matthew Barra, Chukwuemeka U. Osondu, and Juan C. Suarez also provided subject matter expertise and supervision of the project. All authors provided critical revisions and gave final approval for the submitted article.