基于数字技术股骨后髁角的三维测量研究

论文摘要

研究背景近年来，国内开展全膝关节置换术（the total knee arthroplasty,TKA）逐渐增多。与国外相比，术后并发症发生率相对较高，髌股关节并发症犹为突出，而对国人膝关节的解剖特点缺乏足够的研究是其重要原因。股骨假体旋转力线异常导致髌骨轨迹不良，是出现髌骨关节并发症重要原因之一。股骨外科髁上轴的确定与后髁角（posterior condylar angle，PCA）的精确测量直接决定着股骨假体的旋转力线，对于手术过程极为重要，已经成为解剖学和骨科医生关注的焦点和热点之一。全膝关节置换术后旋转力线不良可加速膝关节假体的磨损，导致关节脱位、半脱位，甚至造成髌骨骨折。因此，PCA的准确测量对膝关节置换术后的关节功能有着重要的影响，正确的截骨能够减少膝关节翻修的发生率，增加膝关节假体的使用年限。目前股骨远端后髁角测量主要方法有传统的解剖学测量和影像学测量。传统的解剖学是通过对尸体标本的剖切、观察、测量等手段进行研究，难免有人为因素，且受标本数量的限制，传统的解剖学研究的成本也越来越高。随着影像学技术的发展，CT和MR影像已包含了人体解剖的三维信息，但我们得到的仍然是逐层排列的二维影像，二维平面图像也难以说明人体的三维立体结构，常常会掩盖一些重要的信息。且外科髁上轴与后髁线构成的后髁角的测量是个三维概念测量，在二维的CT和MRI图像上测量难免后出现误差。数字化三维重建技术通过利用动态三维图像对传统二维医学图像进行补充，对连续断层图像进行三维重建可以精确地显示生物组织复杂的三维结构，并从任意角度、方向对其三维立体解剖结构进行观察。因此，数字技术可望为PCA的精确测量提供新的思路和技术方法。本课题在以往学者测量研究的基础上，首次利用股骨远端CT影像数据进行数字化三维重建，应用计算机软件工具进行股骨三维重建模型上的PCA测量，探索PCA三维重建测量的可行性。目的借助CT影像下数字化三维重建技术，介绍一种股骨后髁角三维测量的方法：通过正常人股骨远端CT影像数据，在Mimics 10．0软件中三维重建膝关节的股骨远端部分，通过观察并标记股骨远端解剖标志，测量股骨远端PCA的解剖学数掘，为国人全膝关节置换术时旋转对线的确定提供参考数据，同时也为个体化的膝关节置换中旋转截骨的角度提供了测量方法。方法一、受试对象及图像采集1．2007年6月-2007年10月，成人受试者男女共32人（包括志愿者10人），男18人（36膝），女14人（28膝），年龄18～32岁，身高158～185cm，体重47～70kg，所有受试者既往无膝关节疾病和手术史，体检均未发现膝关节异常。2．扫描设备为GE Medical systems／light speed 16排多层螺旋CT。3．以双侧膝关节间隙为中心线，划定上下各10 cm范围为扫描范围。对双侧膝关节进行0°位的CT扫描，设备为GE Medical systems／light speed 16排多层螺旋CT。扫描条件：120 kV，300 mAs，扫描参数：准直器宽度0．75 mm，厚度0．75 mm，层厚0．625mm，螺距为0．75，每层扫描时间200 ms，总扫描时间约为10～12 s。以DICOM文件格式保存到个人计算机系统（PC）。二、三维可视重建在个人计算机系统上，将膝关节CT断层影像数据DICOM标准存储的导入输入Mimics 10．0软件，用特定的重建参数重建出股骨远端三维模型。三、影像分析与测量通过Mimics 10．0自带工具从任意角度、方向上观察股骨远端三维模型（图3），在三维视图上辨认解剖标志（图4～7），精确标定外上髁最突出点（点1）和内上髁的内侧沟最凹点（点2），其连线即为股骨外科髁上轴。并连接内、外后髁的表面（点3．4连线）即后髁线。后髁角（PCA）由后髁线和外科髁上轴之间的夹角构成（图8）。在三维重建的股骨上标定这四个解剖标志（点1．2．3．4），用Mimics中simulation模块meaure and analyze工具，定义点1和点2为股骨外科髁上轴，定义点3和点4为后髁线，测量两条线之间的夹角即后髁角。四、统计学分析所得数据用SPSS 13．0软件行统计学处理，数据记录结果以均值士标准差（（?）±s）表示。性别间采用两独立样本的t检验；侧别间差异采用配对样本的t检验，检验水准为α=0．05。结果数字化三维重建后膝关节的股骨、胫腓骨部分具有良好的形态和清晰的边界，通过Mimics 10．0区域增长（region growing）工具可去除胫、腓骨部分，单独显示股骨远端；可精确标定股骨远端后髁角的解剖标志，准确测量后髁角度数。一、股骨远端数字化三维重建影像效果三维重建后的股骨远端像（图3～8）无明显失真，且立体感强，并可以从不同角度进行观察，能以任一角度旋转，能够较清楚的显示股骨远端的解剖特点，较精确地标定相应的解剖标志。二、后髁角解剖学参数的测量结果1．男性PCA为4．39°±0．69°，女性PCA 4．57°±0．58°，性别间PCA差异无统计学意义（t=-1．068；P=0．290）；2．左侧PCA4．33°±0．67°，右侧PCA4．45°±0．72°，侧别间的PCA差异无统计学意义（t=-1．039；P=0．307）；3．32人（64膝）PCA总体数据呈正态分布（P=0．685），PCA的总体均数为4 46°±0.54°。结论一、基于CT影像下数字化三维重建膝关节的骨性结构图像效果良好。本课题通过目前较成熟的三维软件成像技术，利用正常受试者薄层扫描后的CT影像数据三维重建膝关节骨性结构，不仅可以清晰、直观地观察膝关节的立体结构，而且可以将我们关心的部位分离或透视，并能以任一角度旋转，排除临近组织的干扰，因此，使用CT影像数据进行膝关节骨性结构的三维重建进行测量研究是非常可行的。二、运用计算机软件可精确测量后髁角。计算机软件对其解剖参数的测量减小了人为因素的误差，能够在三维空间中准确的定位并获得各种三维数据，为传统解剖学的研究提供一种新的研究途径。三、三维重建测量股骨远端后髁角的测量参数与其他方法测量参数的比较。本课题后髁角的测量结果为PCA的总体均数为4．46°±0．54°。与欧美和国内测量数据有一些差异，原因可能是国人股骨远端的解剖特点与欧美人不同和测量技术的进步造成的。四、个体化三维重建PCA测量方法在膝关节置换中的股骨远端截骨具有一定的指导意义。随着全膝关节置换术的个体化的发展要求，后髁角的个体化测量和股骨远端旋转截骨已经成为全膝关节置换个体化的关键。本研究探索了一条新的膝关节置换的术前评估方案，即对膝关节置换患者术前进行CT扫描并数字化重建，通过对股骨远端解剖标志的精确定位，从而精确测量后髁角进行术中股骨进行截骨旋转对线。这种方法理论上能够更准确的保证股骨假体正常的旋转力线，从而提高TKA术后效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 3 结果
• 4 讨论
• 5 全文小结
• 6 参考文献
• 7 综述
• 8 附录缩略词
• 9 成果
• 10 致谢