膝關(guān)節(jié)2D-3D配準(zhǔn)動(dòng)態(tài)還原和靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性研究.pdf

1、目的: 盡管膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性測試目前已應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能的評價(jià)，但由于膝關(guān)節(jié)的離體標(biāo)本研究無法模擬膝關(guān)節(jié)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，而在體的運(yùn)動(dòng)測試又無法獲得骨結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)信息，因而不能得到準(zhǔn)確的膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，也就無法對膝關(guān)節(jié)損傷的早期診斷及防治措施進(jìn)行深入的研究。 計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)近年來發(fā)展很快，它利用圖像、圖形技術(shù)讓醫(yī)生直觀地看到患者體內(nèi)的結(jié)構(gòu)，特別是對骨及軟組織的立體顯示是常規(guī)方法無法比擬的。但由于受到CT、MRI等掃描速度的

2、限制，只能進(jìn)行靜態(tài)掃描，因而目前的計(jì)算機(jī)圖像三維重建圖像都是靜止的，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)過程跟蹤。利用X線透視可以獲得骨的運(yùn)動(dòng)信息，但其影像資料為二維圖像，不能直接用于三維模型的運(yùn)動(dòng)仿真。2D/3D配準(zhǔn)技術(shù)可以解決此問題。對已知的三維結(jié)構(gòu)通過二維平面圖像進(jìn)行位置配準(zhǔn)，再現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，簡稱2D/3D配準(zhǔn)技術(shù)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)、2D/3D圖像配準(zhǔn)技術(shù)及圖像處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的三維仿真運(yùn)動(dòng)，這樣就可以進(jìn)行膝關(guān)節(jié)在體穩(wěn)定性研究，

3、全面地評價(jià)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能。國內(nèi)至今尚無應(yīng)用2D/3D圖像配準(zhǔn)方法對膝關(guān)節(jié)在體穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)研究的報(bào)道。 本研究將： 1、應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)、2D/3D圖像配準(zhǔn)技術(shù)及圖像處理技術(shù)構(gòu)建膝關(guān)節(jié)在體穩(wěn)定性測試系統(tǒng)。 2、在2D/3D圖像配準(zhǔn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對人體膝關(guān)節(jié)生理負(fù)重屈曲過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)還原在體穩(wěn)定性研究： ①通過連續(xù)采集生理負(fù)重屈曲膝關(guān)節(jié)在不同角度的瞬間兩幅二維圖像，采用2D/3D配準(zhǔn)的方法，還原出

4、生理負(fù)重屈曲膝關(guān)節(jié)在不同角度時(shí)的瞬間三維空間位置；通過圖像鏡像、配準(zhǔn)并加載各自運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對膝關(guān)節(jié)在生理負(fù)重屈曲過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)還原。 ②通過采集正常膝關(guān)節(jié)生理負(fù)重屈曲不同角度時(shí)的瞬間兩幅二維圖像，采取2D/3D圖像配準(zhǔn)技術(shù)，還原出生理負(fù)重屈曲膝關(guān)節(jié)在不同角度時(shí)的瞬間三維空間位置；提取、分析動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)還原過程的在體穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，獲得正常膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)在體穩(wěn)定性參數(shù)。 ③通過采集ACL斷裂膝關(guān)節(jié)生理負(fù)重屈曲不同角度時(shí)的瞬間兩幅二維圖

5、像，采取2D/3D圖像配準(zhǔn)技術(shù)，還原出生理負(fù)重屈曲膝關(guān)節(jié)在不同角度時(shí)的瞬間三維空間位置；提取、分析靜態(tài)加載過程的在體穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，獲得ACL斷裂膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)。與正常膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)在體穩(wěn)定性參數(shù)對比，為ACL斷裂膝關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)還原在體穩(wěn)定性診斷提供參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并為其它膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的動(dòng)態(tài)在體穩(wěn)定性診斷提供思路和參考。 3、在膝關(guān)節(jié)生理負(fù)荷下的膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)還原在體穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，開展膝關(guān)節(jié)靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性研究，進(jìn)一步評價(jià)膝關(guān)節(jié)的在

6、體穩(wěn)定性： ①通過采集正常膝關(guān)節(jié)靜態(tài)加載不同角度時(shí)的二維圖像，采取2D/3D圖像配準(zhǔn)技術(shù)，還原出靜態(tài)加載膝關(guān)節(jié)在不同角度時(shí)的瞬間三維空間位置；提取、分析靜態(tài)加載過程的在體穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，獲得正常膝關(guān)節(jié)靜態(tài)在體穩(wěn)定性參數(shù)。 ②通過采集ACL斷裂膝關(guān)節(jié)靜態(tài)加載不同角度時(shí)的二維圖像，采取2D/3D圖像配準(zhǔn)技術(shù)，還原出靜態(tài)加載膝關(guān)節(jié)在不同角度時(shí)的瞬間三維空間位置；提取、分析靜態(tài)加載過程的在體穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，獲得ACL斷裂膝關(guān)節(jié)靜態(tài)穩(wěn)定性

7、參數(shù)。與正常膝關(guān)節(jié)靜態(tài)在體穩(wěn)定性參數(shù)對比，為ACL斷裂膝關(guān)節(jié)的靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性診斷提供參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并為其它膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性診斷提供思路和參考。 ③對麻醉后的正常和ACL損傷膝關(guān)節(jié)進(jìn)行靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性研究，并與麻醉前比較，評價(jià)肌張力對膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響。 材料與方法: 1、對健康成年志愿者膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描，采集志愿者保持某一姿勢時(shí)互成直角的正側(cè)位X線平片，進(jìn)行膝關(guān)節(jié)CT圖像的三維重建，并在軟件中建

8、立虛擬X線放射系統(tǒng)再現(xiàn)2張互成直角的X線平片，采用2D/3D圖像配準(zhǔn)還原攝平片時(shí)膝關(guān)節(jié)的位置，計(jì)算兩種位置之間的相對位移及角度變化。 2、選取2008年1月至2008年6月在廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院住院的單側(cè)前交叉韌帶斷裂而對側(cè)膝關(guān)節(jié)正常的患者8名（所有的患者均在在體穩(wěn)定性測試結(jié)束后的關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中確診），用計(jì)算機(jī)圖像重建技術(shù)對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行三維重建；重心放在測試側(cè)關(guān)節(jié)，在0度，15度，30度、60度、90度生理負(fù)重屈曲時(shí)采用兩臺同步的C型

9、臂采集患側(cè)和健側(cè)膝關(guān)節(jié)骨結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)信息，通過二維/三維（2D/3D）圖像配準(zhǔn)技術(shù)，獲得膝關(guān)節(jié)的即時(shí)三維運(yùn)動(dòng)信息，對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)還原在體穩(wěn)定性研究： ①將二維動(dòng)態(tài)的X線影像轉(zhuǎn)化為三維模型的仿真運(yùn)動(dòng)，并通過鏡像的方法使兩側(cè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)比較，觀察患膝的仿真運(yùn)動(dòng)變化； ②將健側(cè)膝關(guān)節(jié)的股骨及脛骨stl文件導(dǎo)入Geomagic中，通過鏡像方法將健側(cè)膝關(guān)節(jié)映射到患側(cè)，將鏡像健側(cè)與患側(cè)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計(jì)算出健/患側(cè)膝

10、關(guān)節(jié)在負(fù)重情況下的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)差異。 ③通過2D/3D配準(zhǔn)獲得膝關(guān)節(jié)各個(gè)狀態(tài)不同屈曲角度的三維位置，根據(jù)前/后交叉韌帶，內(nèi)/外側(cè)副韌帶等主要韌帶在骨面上的附著點(diǎn)，通過止點(diǎn)還原的方法獲得膝關(guān)節(jié)不同屈曲角度時(shí)健/患膝各主要韌帶的長度，并進(jìn)行健患兩側(cè)膝關(guān)節(jié)韌帶長度參數(shù)對比。 3、上述患者，用計(jì)算機(jī)圖像重建技術(shù)對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行三維重建；健側(cè)及患側(cè)膝關(guān)節(jié)分別位于屈曲0°、30°、60°、90°位置，通過自制的加載裝置對膝關(guān)節(jié)施加1

11、34N向前或向后加載，利用G型臂X線機(jī)（Biplanar400）采集麻醉“前/后”志愿者“患/健膝”在“0/前/后”134N加載時(shí)互成直角的膝關(guān)節(jié)X線影像，通過二維/三維（2D/3D）圖像配準(zhǔn)技術(shù)，獲得膝關(guān)節(jié)的即時(shí)即時(shí)三維運(yùn)動(dòng)信息，對其進(jìn)行靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性研究： ①在圖像處理軟件Geomagic8．0中導(dǎo)入兩種位置的膝關(guān)節(jié)脛/股骨stl文件，在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行原點(diǎn)歸零、脛骨和股骨的配準(zhǔn)，將加載前后加載后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計(jì)算

12、出六個(gè)自由度的相對運(yùn)動(dòng)，獲得靜態(tài)加載參數(shù)；并將健側(cè)和患側(cè)參數(shù)進(jìn)行對比。 ②通過2D/3D配準(zhǔn)獲得膝關(guān)節(jié)各個(gè)狀態(tài)不同屈曲角度的三維位置，根據(jù)前/后交叉韌帶，內(nèi)/外側(cè)副韌帶等主要韌帶在骨面上的附著點(diǎn)，通過止點(diǎn)還原的方法獲得靜態(tài)加載下膝關(guān)節(jié)不同屈曲角度時(shí)健/患膝各主要韌帶的長度，獲得靜態(tài)加載韌帶參數(shù)，并進(jìn)行健患兩側(cè)膝關(guān)節(jié)韌帶長度參數(shù)對比。 ③同法采集麻醉后健患膝靜態(tài)加載數(shù)據(jù)，獲得靜態(tài)加載麻醉后六個(gè)自由度及韌帶長度參數(shù)，并與麻醉

13、前數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。 4、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì): 采集的數(shù)據(jù)采用SPSS13．0（南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室）軟件進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)指數(shù)采用（mean±stddev）描述，同一狀態(tài)不同角度間采用重復(fù)測量方差分析和兩兩比較的LSD方法；兩組不同的狀態(tài)間比較采用配對t檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)的顯著性設(shè)在α=0．05。 結(jié)果: 通過圖像重建、2D/3D圖像配準(zhǔn)及相應(yīng)的圖像處理后，計(jì)算出股骨在G型臂X線機(jī)攝片位與CT掃描位之間的相對位移及

14、角度。與CT掃描時(shí)的位置相比，攝X線平片時(shí)股骨下段前屈5．72°，內(nèi)翻1．02°，左旋13．22°。 結(jié)論: 1、本研究采用計(jì)算機(jī)圖像重建技術(shù)對患者膝關(guān)節(jié)進(jìn)行三維重建，采用G型臂X線機(jī)采集患者膝關(guān)節(jié)骨結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)信息，通過二維/三維（2D/3D）圖像配準(zhǔn)技術(shù)，將二維動(dòng)態(tài)的X線影像轉(zhuǎn)化為三維模型的仿真運(yùn)動(dòng)，建立了膝關(guān)節(jié)在體穩(wěn)定性測試系統(tǒng)。 2、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)還原在體穩(wěn)定性研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明： ①通過2D/3D圖像配準(zhǔn)

15、技術(shù)，將二維動(dòng)態(tài)的X線影像轉(zhuǎn)化為三維模型的仿真運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)。前交叉損傷后膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性受到影響，膝關(guān)節(jié)有著明顯運(yùn)動(dòng)學(xué)變化；隨著影像技術(shù)和配準(zhǔn)精度的提高，通過膝關(guān)節(jié)的仿真運(yùn)動(dòng)還原可以實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)和損傷的早期診斷。 ②正常膝關(guān)節(jié)在生理負(fù)重屈曲過程中，隨屈曲角度的變化，不同的韌帶有不同的在體運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)獲得了國人正常膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)在體穩(wěn)定性參數(shù)，為膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的診斷提供了在體穩(wěn)定性韌帶參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 ③ACL損傷后膝關(guān)節(jié)后膝關(guān)節(jié)

16、穩(wěn)定性受到明顯的影響，各韌帶在體穩(wěn)定性參數(shù)和正常比有明顯差別。通過和正常膝關(guān)節(jié)比較，可以實(shí)現(xiàn)ACL損傷的診斷。 3、靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明： ①正常膝關(guān)節(jié)在134N前、后加載時(shí)其韌帶的參數(shù)變化、6個(gè)自由度在不同角度有不同的變化。本實(shí)驗(yàn)獲得了國人正常膝關(guān)節(jié)靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性參數(shù)，為膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的診斷進(jìn)一步提供了靜態(tài)加載在體穩(wěn)定性診斷依據(jù)。 ②ACL斷裂后膝關(guān)節(jié)在134N前、后加載時(shí)其韌帶的參數(shù)變化、6個(gè)自