《Orthopaedic Surgery》：Investigation of Anatomical and Morphological Variations in the Femur of a Chinese Population Using Statistical Shape Model
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本研究通过构建209例中国人群股骨三维统计形状模型（SSM），结合主成分分析（PCA）量化股骨形态变异模式，发现前6个主成分（PC）累计解释94.8%的解剖变异，其中PC01（82.7%）主导整体尺寸变化。研究首次系统揭示中国人群股骨在长度、颈干角、前倾角等关键参数上的性别差异（PC01-PC04、PC06的p<0.05），为个性化假体设计和精准手术规划提供重要解剖学依据。
引言
股骨骨折是常见的骨科疾病，尤其在老年群体中发病率逐年攀升。作为人体最长的承重骨，股骨的解剖形态直接影响髋膝关节功能，其形态变异对假体设计和手术精准度提出严峻挑战。传统二维影像测量难以全面捕捉三维形态特征，而统计形状模型（Statistical Shape Model, SSM）能通过大规模样本分析揭示解剖结构的形态变异规律。本研究旨在构建中国人群股骨SSM，量化其主要变异模式并分析性别差异，为临床提供精准解剖学数据。
方法
数据来源与三维重建
研究纳入209例接受下肢血管造影患者的薄层CT数据（西门子128层CT，层厚1.2 mm），排除骨骼疾病、手术史或畸形病例。采用Mimics 19软件进行阈值分割和交互编辑，生成双侧股骨三维表面模型。以体积最大的右侧股骨为参考模型，通过R3DS Wrap软件进行密集同源网格映射，确保20,567个顶点拓扑结构一致。最终在Scalismo平台计算平均形状，并应用主成分分析提取形态变异主成分。
模型评估与统计分析
通过紧凑性、泛化能力和特异性三项指标评估SSM性能。采用留一交叉验证（LOOCV）计算重建误差，并利用独立样本t检验比较性别间主成分值（Bonferroni校正后显著性阈值p<0.00833），计算Cohen's d效应量。为控制年龄混杂效应，按年龄分层（≥61岁组与0-60岁组）进行亚组分析。
结果
模型性能与主成分特征
SSM仅需7个主成分即可解释95%的形态变异，24个主成分覆盖99%变异。最佳重建误差为0.459 mm（15个主成分时）。前6个主成分（PC01-PC06）方差贡献率分别为82.7%、3.4%、2.7%、2.5%、2.0%和1.5%，累计达94.8%。
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PC01主导整体尺寸变化：股骨长度变化范围344.6–473.2 mm，体积318.5–698.4 cm3，远端宽度68.32–88.15 mm，颈干角117.5°–123.5°，前倾角13.5°–21.6°。
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PC02反映股骨颈干角变异（112.7°–123.5°）与前倾角变化（10.2°–22.1°），股骨偏移量40.50–50.47 mm。
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PC03集中于近端股骨形态变化，颈干角118.5°–123.9°，前倾角15.2°–22.4°。
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PC04表现为股骨水平面旋转，前倾角13.8°–17.8°，偏移量35.98–44.56 mm。
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PC06显示非均匀性尺寸变化，远端股骨宽度差异达17.46 mm（67.98–85.44 mm）。
性别差异分析
性别比较显示PC01、PC02、PC03、PC04和PC06存在显著差异（p<0.00833）。PC01的性别差异效应量最大（Cohen's d=1.22），男性股骨整体尺寸更大；PC06次之（d=0.62），PC02-PC04为小效应（d=0.34–0.38）。年龄分层分析表明，老年组（≥61岁）性别差异模式与总体一致，而中青年组仅PC01和PC05存在显著差异，提示年龄对形态变异有调节作用。
讨论
主成分的临床意义
PC01揭示的尺寸变异直接关联假体匹配度，中国人群股骨参数较西方人群偏小，凸显本土化假体设计的必要性。PC02和PC04分别反映颈干角和旋转变异，这些参数对髋关节假体定位和稳定性至关重要。PC03和PC06提示近远端形态的非对称变化，为膝关节假体设计提供新视角。
性别差异的生物学基础
男性股骨更大的尺寸适应其较高体重和力学负荷，而女性股骨形态可能受生殖解剖需求影响。PC02-PC04虽方差贡献率低，但性别差异显著，说明细微形态特征仍具临床鉴别价值。
局限性与展望
样本性别比例不均和单中心数据可能限制泛化性。未来需结合多中心队列、遗传因素及生物力学模拟，深化形态-功能关联研究。SSM技术有望与3D打印结合，推动个性化假体自动生成系统发展。
结论
本研究首次构建中国人群股骨高精度SSM，系统量化主要形态变异模式及性别差异特征，为骨科手术规划、假体个性化设计和人群解剖数据库建立提供重要数据支撑。
