實驗犬股骨的三維CT重建及髓腔測量

王毅 賈明鳴

(哈醫(yī)大一院骨外科 黑龍江哈爾濱 150001)

由于目前因疾病、運動創(chuàng)傷和老齡化等因素導致的關(guān)節(jié)病變逐漸增多,許多患者需借助人工關(guān)節(jié)置換恢復關(guān)節(jié)功能,保證生活質(zhì)量。目前的關(guān)節(jié)假體材料不能完全滿足人體生理環(huán)境、關(guān)節(jié)生物力學、及服役壽命的要求。對于人工關(guān)節(jié)假體的材料、生物力學、假體松動等實驗研究,需要實驗動物犬。實驗過程中假體的設(shè)計和制作需要有相對準確的關(guān)于實驗犬股骨的數(shù)據(jù),目前報道甚少。本研究通過對正常犬股骨進行CT三維重建,測量髓腔的解剖學參數(shù),為動物實驗及動物實驗假體設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本來源

成年健康犬10只(20根股骨),體重20～25kg,不限。犬齡1年,由哈爾濱醫(yī)科大學實驗室提供。采用頸總動脈放血法處死,剝離后得到實驗犬股骨。將股骨煮1～2h,利用燒煮法去除殘留肌肉。再置入預先配置的氫氧化鈉溶液浸泡2d,使剩余肌肉腐蝕干凈,同時脫去部分脂類物質(zhì),然后用清水漂洗干凈,晾干,得到實驗犬股骨標本。

1.2 二維CT圖像

使用德國西門子16層CT機。對股骨標本沿長軸方向進行橫斷面掃描,掃描基本參數(shù)如下:床速1mm/s,螺距12.5,層厚0.6mm,窗寬200HU,窗位1500HU。

1.3 股骨的三維重建

掃描后儲存在主機的EMI格式的CT圖像數(shù)據(jù)傳送到CT三維重建的工作平臺內(nèi),經(jīng)由圖像儲存庫的USB端口傳入移動硬盤內(nèi),再將移動硬盤的數(shù)據(jù)傳至小型計算機工作平臺內(nèi)待后期處理。再根據(jù)圖像工作站的三維菜單所提示的操作,同時使用表面陰影顯示及多平面重建和傾斜重建兩種方法處理。將圖像任意轉(zhuǎn)動,取最佳角度觀察。

1.4 犬股骨髓腔的測量

掃描范圍自轉(zhuǎn)子間至股骨髁上,分別在所需測量的層面利用計算機進行切割,共切割20層,測量其斷端髓腔內(nèi)徑,包括橫徑和長徑。將所獲取的數(shù)據(jù)搜集整理后,利用SPSS 10.0統(tǒng)計軟件計算其均值。

2 討論

近年來,國內(nèi)外學者對重建人體骨骼的三維數(shù)字化模型的研究日益增多。例如,Flachi等利用螺旋CT重建骨盆三維模型,用于診斷骨盆骨折,并制定手術(shù)方案。騰勇[1]等經(jīng)CT數(shù)據(jù)計算機重建膝關(guān)節(jié)三維輪廓,實現(xiàn)個性化膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計。股骨的三維重建,能夠準確、完整地描述出股骨的立體結(jié)構(gòu),有助于測量股骨的解剖形態(tài),設(shè)計適合患者髓腔形狀的假體,選擇正確的手術(shù)入路,以減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。

隨著社會人口的老齡化趨勢,關(guān)節(jié)病患者日益增多,人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)也在不斷增加。美國每年實施人工全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)達15萬例。目前,臨床上應用的人工髖關(guān)節(jié)多為預先制好的標準假體,而病人個體存在較大差異,很難保證標準的假體柄與病人的骨髓腔能夠形成良好的匹配。在多數(shù)情況下,假體柄與股骨上段骨髓腔的接觸面積小,往往存在較大的間隙,從而使載荷傳遞效果和應力分布情況變差,難以保證人工關(guān)節(jié)的長期穩(wěn)定。即使使用具有生物學固定作用的多孔表面假體,由于骨組織不能充分長入微孔內(nèi),假體仍將發(fā)生松動。隨著人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的增多,需要手術(shù)翻修的病例也越來越多,由于翻修手術(shù)的復雜性,當假體周圍有大量骨缺損又不能使用標準假體時,僅有常規(guī)型號假體明顯滿足不了臨床需要。股骨上段髓腔形態(tài)結(jié)構(gòu)與股骨假體柄的形態(tài)是否匹配及匹配的程度是假體柄使用壽命的關(guān)鍵。無論是骨水泥型還是非骨水泥型人工髖關(guān)節(jié),股骨假體與股骨上段髓腔的匹配與否都直接影響到手術(shù)的近期及遠期效果。只有股骨假體與股骨上段髓腔非常匹配,假體與骨緊密接觸時,股骨上段才能對假體起最大的支撐作用,否則,強度和剛度都非常差的松質(zhì)骨難以承受假體的負荷,最終出現(xiàn)松動。骨水泥周圍的松質(zhì)骨不能給予假體足夠的支持,是導致假體松動的主要原因。假體與髓腔的不匹配導致骨—假體界面或骨—骨水泥界面在負荷下產(chǎn)生機械性微動。

越來越多關(guān)于人工髖關(guān)節(jié)假體的材料、生物力學、假體松動等實驗研究,實驗動物多選擇實驗犬。然而,現(xiàn)今國內(nèi)外還缺少犬類股骨的正常解剖數(shù)據(jù)值的相關(guān)報道,對應用于實驗犬股骨假體的設(shè)計缺少有力數(shù)據(jù)依據(jù)。以往對股骨的有限元分析,均對其作簡化處理,假設(shè)股骨為實心結(jié)構(gòu),忽略了股骨髓腔的存在,分析結(jié)果必然引起一定誤差。并且大部分股骨模型由于形狀復雜,只是簡單建立了近端股骨模型,而沒有建立完整的股骨模型。本文通過三維CT重建技術(shù),獲取實驗犬股骨圖像,通過專業(yè)軟件在計算機上測量了精確地髓腔內(nèi)徑的數(shù)據(jù),真實地描述了股骨的解剖形態(tài),有利于相應匹配假體的設(shè)計,為人工髖關(guān)節(jié)置換犬動物試驗奠定基礎(chǔ)。同時該數(shù)據(jù)在此基礎(chǔ)上有利于完整三維實體圖像的制作,能明顯降低研究的成本,提高研究的效果。

[1]滕勇.應用快速成型技術(shù)制造骨科個體化內(nèi)植物[J].中國矯形外科雜志,2004,12(14):1077～1079.