基于數(shù)字技術(shù)股骨后髁角的三維測量研究.pdf

1、研究背景： 近年來，國內(nèi)開展全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(thetotalkneearthroplasty,TKA)逐漸增多。與國外相比，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率相對較高，髕股關(guān)節(jié)并發(fā)癥猶為突出，而對國人膝關(guān)節(jié)的解剖特點(diǎn)缺乏足夠的研究是其重要原因。股骨假體旋轉(zhuǎn)力線異常導(dǎo)致髕骨軌跡不良，是出現(xiàn)髕骨關(guān)節(jié)并發(fā)癥重要原因之一。股骨外科髁上軸的確定與后髁角(posteriorcondylarangle，PCA)的精確測量直接決定著股骨假體的旋轉(zhuǎn)力線，對于手術(shù)過

2、程極為重要，已經(jīng)成為解剖學(xué)和骨科醫(yī)生關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后旋轉(zhuǎn)力線不良可加速膝關(guān)節(jié)假體的磨損，導(dǎo)致關(guān)節(jié)脫位、半脫位，甚至造成髕骨骨折。因此，PCA的準(zhǔn)確測量對膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的關(guān)節(jié)功能有著重要的影響，正確的截骨能夠減少膝關(guān)節(jié)翻修的發(fā)生率，增加膝關(guān)節(jié)假體的使用年限。 目前股骨遠(yuǎn)端后髁角測量主要方法有傳統(tǒng)的解剖學(xué)測量和影像學(xué)測量。傳統(tǒng)的解剖學(xué)是通過對尸體標(biāo)本的剖切、觀察、測量等手段進(jìn)行研究，難免有人為因素，且受標(biāo)本數(shù)量

3、的限制，傳統(tǒng)的解剖學(xué)研究的成本也越來越高。隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，CT和MR影像已包含了人體解剖的三維信息，但我們得到的仍然是逐層排列的二維影像，二維平面圖像也難以說明人體的三維立體結(jié)構(gòu)，常常會掩蓋一些重要的信息。且外科髁上軸與后髁線構(gòu)成的后髁角的測量是個(gè)三維概念測量，在二維的CT和MRI圖像上測量難免后出現(xiàn)誤差。 數(shù)字化三維重建技術(shù)通過利用動態(tài)三維圖像對傳統(tǒng)二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行補(bǔ)充，對連續(xù)斷層圖像進(jìn)行三維重建可以精確地顯示生物組織復(fù)

4、雜的三維結(jié)構(gòu)，并從任意角度、方向?qū)ζ淙S立體解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。因此，數(shù)字技術(shù)可望為PCA的精確測量提供新的思路和技術(shù)方法。本課題在以往學(xué)者測量研究的基礎(chǔ)上，首次利用股骨遠(yuǎn)端CT影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化三維重建，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件工具進(jìn)行股骨三維重建模型上的PCA測量，探索PCA三維重建測量的可行性。 目的： 借助CT影像下數(shù)字化三維重建技術(shù)，介紹一種股骨后髁角三維測量的方法：通過正常人股骨遠(yuǎn)端CT影像數(shù)據(jù)，在Mimics10.0軟

5、件中三維重建膝關(guān)節(jié)的股骨遠(yuǎn)端部分，通過觀察并標(biāo)記股骨遠(yuǎn)端解剖標(biāo)志，測量股骨遠(yuǎn)端PCA的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，為國人全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)時(shí)旋轉(zhuǎn)對線的確定提供參考數(shù)據(jù)，同時(shí)也為個(gè)體化的膝關(guān)節(jié)置換中旋轉(zhuǎn)截骨的角度提供了測量方法。 方法： 一、受試對象及圖像采集 1.2007年6月～2007年10月，成人受試者男女共32人(包括志愿者10人)，男18人(36膝)，女14人(28膝)，年齡18～32歲，身高158～185cm，體重47～7

6、0kg，所有受試者既往無膝關(guān)節(jié)疾病和手術(shù)史，體檢均未發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)異常。 2.掃描設(shè)備為GEMedicalsystems/lightspeed16排多層螺旋CT。 3.以雙側(cè)膝關(guān)節(jié)間隙為中心線，劃定上下各10cm范圍為掃描范圍。對雙側(cè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行0°位的CT掃描，設(shè)備為GEMedicalsystems/liglltspeed16排多層螺旋CT。掃描條件：120kV，300mAs，掃描參數(shù)：準(zhǔn)直器寬度0.75mm，厚度0.75m

7、m，層厚0.625mm，螺距為0.75，每層掃描時(shí)間200ms，總掃描時(shí)間約為10～12s。以DICOM文件格式保存到個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(PC)。 二、三維可視重建 在個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，將膝關(guān)節(jié)CT斷層影像數(shù)據(jù)DICOM標(biāo)準(zhǔn)存儲的導(dǎo)入輸入Mimics10.0軟件，用特定的重建參數(shù)重建出股骨遠(yuǎn)端三維模型。 三、影像分析與測量 通過Mimics10.0自帶工具從任意角度、方向上觀察股骨遠(yuǎn)端三維模型(圖3)，在三維

8、視圖上辨認(rèn)解剖標(biāo)志(圖4～7)，精確標(biāo)定外上髁最突出點(diǎn)(點(diǎn)1)和內(nèi)上髁的內(nèi)側(cè)溝最凹點(diǎn)(點(diǎn)2)，其連線即為股骨外科髁上軸。并連接內(nèi)、外后髁的表面(點(diǎn)3.4連線)即后髁線。后髁角(PCA)由后髁線和外科髁上軸之間的夾角構(gòu)成(圖8)。在三維重建的股骨上標(biāo)定這四個(gè)解剖標(biāo)志(點(diǎn)1.2.3.4)，用Mimics中simulation模塊meadeandanalyzeI具，定義點(diǎn)1和點(diǎn)2為股骨外科髁上軸，定義點(diǎn)3和點(diǎn)4為后髁線，測量兩條線之間的夾角即

9、后髁角。 四、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 所得數(shù)據(jù)用SPSS13.0軟件行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，數(shù)據(jù)記錄結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(X±s)表示。性別間采用兩獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)：側(cè)別間差異采用配對樣本的t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.05。 結(jié)果： 數(shù)字化三維重建后膝關(guān)節(jié)的股骨、脛腓骨部分具有良好的形態(tài)和清晰的邊界，通過Mimies10.0區(qū)域增長(regiongrowing)工具可去除脛、腓骨部分，單獨(dú)顯示股骨遠(yuǎn)端；可精確標(biāo)定股骨遠(yuǎn)端后髁角的解

10、剖標(biāo)志，準(zhǔn)確測量后髁角度數(shù)。 一、股骨遠(yuǎn)端數(shù)字化三維重建影像效果三維重建后的股骨遠(yuǎn)端像(圖3～8)無明顯失真，且立體感強(qiáng)，并可以從不同角度進(jìn)行觀察，能以任一角度旋轉(zhuǎn)，能夠較清楚的顯示股骨遠(yuǎn)端的解剖特點(diǎn)，較精確地標(biāo)定相應(yīng)的解剖標(biāo)志。 二、后髁角解剖學(xué)參數(shù)的測量結(jié)果 1.男性PCA為4.39°±0.69°，女性PCA4.57°±0.58°，性別間PCA差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-1.068；P=0.290)； 2

11、.左側(cè)PCA4.33°±0.67°，右側(cè)PCA4.45°±0.72°，側(cè)別間的PCA差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-1.039：P=0.307)： 3.32人(64膝)PCA總體數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布(P=0.685)，PCA的總體均數(shù)為4.46°±0.54°。 結(jié)論： 一、基于CT影像下數(shù)字化三維重建膝關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)圖像效果良好。 本課題通過目前較成熟的三維軟件成像技術(shù)，利用正常受試者薄層掃描后的CT影像數(shù)據(jù)三維重建膝

12、關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)，不僅可以清晰、直觀地觀察膝關(guān)節(jié)的立體結(jié)構(gòu)，而且可以將我們關(guān)心的部位分離或透視，并能以任一角度旋轉(zhuǎn)，排除臨近組織的干擾，因此，使用CT影像數(shù)據(jù)進(jìn)行膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的三維重建進(jìn)行測量研究是非?？尚械摹?二、運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件可精確測量后髁角。 計(jì)算機(jī)軟件對其解剖參數(shù)的測量減小了人為因素的誤差，能夠在三維空間中準(zhǔn)確的定位并獲得各種三維數(shù)據(jù)，為傳統(tǒng)解剖學(xué)的研究提供一種新的研究途徑。 三、三維重建測量股骨遠(yuǎn)端后髁角

13、的測量參數(shù)與其他方法測量參數(shù)的比較。 本課題后髁角的測量結(jié)果為PCA的總體均數(shù)為4.46°±0.54°。與歐美和國內(nèi)測量數(shù)據(jù)有一些差異，原因可能是國人股骨遠(yuǎn)端的解剖特點(diǎn)與歐美人不同和測量技術(shù)的進(jìn)步造成的。 四、個(gè)體化三維重建PCA測量方法在膝關(guān)節(jié)置換中的股骨遠(yuǎn)端截骨具有一定的指導(dǎo)意義。 隨著全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的個(gè)體化的發(fā)展要求，后髁角的個(gè)體化測量和股骨遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)截骨已經(jīng)成為全膝關(guān)節(jié)置換個(gè)體化的關(guān)鍵。本研究探索了一條新的