基于CT圖像三維重建測(cè)量股骨外翻角

肖建林,劉 潼,秦彥國(guó),李學(xué)州,劉亮,王曉玲,王金成,高忠禮

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院骨科,吉林長(zhǎng)春 130033）

膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié),運(yùn)動(dòng)功能要求高。膝關(guān)節(jié)病變,如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨性關(guān)節(jié)炎、腫瘤等引起的疼痛、畸形、運(yùn)動(dòng)障礙等,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。除常規(guī)保守的治療方法外,對(duì)于嚴(yán)重的病例,需行人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。隨著人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多膝關(guān)節(jié)疾病患者接受全膝置換手術(shù),期望恢復(fù)功能,減少痛苦。全膝置換手術(shù)確定患者下肢的力線是至關(guān)重要的,因?yàn)榛謴?fù)下肢的力線是手術(shù)的基本原則。人工膝關(guān)節(jié)置換后,要求達(dá)到負(fù)重、伸屈、外展及旋轉(zhuǎn)活動(dòng),穩(wěn)定性好。盡管全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在我國(guó)已開展十多年,但使用的多為進(jìn)口人工膝假體[1],股骨截骨都參照西方人的測(cè)量數(shù)據(jù)6[2,3]。進(jìn)行截骨,正常國(guó)人的外翻角并沒(méi)有大量樣本報(bào)道。作者通過(guò)CTA掃描數(shù)據(jù),借助于mimics及geomagic的技術(shù)來(lái)模擬膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中情況,提供一種模擬術(shù)中正常國(guó)人股骨外翻角測(cè)量的一種方法。

1 材料與方法

1.1 對(duì)象

單位:吉林大學(xué)白求恩第三醫(yī)院骨科 對(duì)象:吉林大學(xué)白求恩第三醫(yī)院住院患者,進(jìn)行了下肢CTA掃描,無(wú)骨骼疾患者(35歲男 膝關(guān)節(jié)無(wú)疾病、無(wú)畸形的成年人）。方法:雙下肢均進(jìn)行CTA(TOSHIBA Aquilion 320排）Dicom影像數(shù)據(jù),CT掃描間距0.5 mm,分辨率為512×512,像素尺寸為掃描。掃描范圍是從股骨頂端到脛骨遠(yuǎn)端共計(jì)2673層左右的斷層切片數(shù)據(jù)。圖像處理及建模、測(cè)量軟件:mimics10.0,geomagic12.0

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了能從CTA掃描影像數(shù)據(jù)中提取與股骨相關(guān)的特征點(diǎn),在股骨三維模型重建前,必須在mimics10.0中對(duì)原始的二維CTA數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理,其步驟主要是:圖像分割及切割,二值圖像的填充,三維模型重建等。

1.2.1 圖像分割 CTA的原始影像數(shù)據(jù)中包括骨骼、血管、肌肉和軟組織等部分,為獲取骨骼的三維數(shù)據(jù),需對(duì)原始的二維CT斷層圖像進(jìn)行分割處理。根據(jù)骨骼在CT圖像中灰度值的分布特點(diǎn),利用“灰度閾值法”對(duì)圖像進(jìn)行分割,以及運(yùn)用橡皮擦等工具對(duì)骨盆、脛腓骨以及血管等信息進(jìn)行切割,通過(guò)分割、切割與二值化處理,分割后的圖像中僅包括了股骨相關(guān)的信息。在“灰度閾值法”中閾值的選擇至關(guān)重要,閾值過(guò)高會(huì)造成過(guò)度分割,我們選擇閾值范圍(180-3071）,特別是對(duì)骨質(zhì)比較疏松的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生股骨頭不完整,反之,將產(chǎn)生不同骨骼之間的黏連。

圖1 股骨部分?jǐn)鄬拥姆指罱Y(jié)果

1.2.2 填充 在閾值分割處理后,在股骨骨質(zhì)比較疏松的地方CT圖像的灰度比較低,經(jīng)過(guò)二值化處理后會(huì)產(chǎn)生骨皮質(zhì)不連續(xù),因此,需要對(duì)上述各層二值圖像做填充處理。通過(guò)以上處理得到骨邊緣連續(xù)的斷層二值圖像。

1.2.3 三維模型的重建 將上述處理后的二維圖像序列在mimics中進(jìn)行三維重建,形成三維股骨模型。

圖2 通過(guò)填充處理后的斷層圖像,皮質(zhì)邊緣平滑、連續(xù)

圖3 使用mimics軟件使用二維圖像進(jìn)行三維重建后所得到的股骨模型

1.2.4 在二維橫斷面上找到股骨遠(yuǎn)端髁間窩的最遠(yuǎn)端存在皮質(zhì)的一張橫斷面,即為髁間窩最頂點(diǎn),在該處皮質(zhì)上做近似內(nèi)切圓,選擇該圓心為髓內(nèi)定位桿的入針點(diǎn)A,于此點(diǎn)向股骨近端做一直徑為4 mm長(zhǎng)度為200 mm的圓柱,通過(guò)調(diào)整圓柱的方向,找到髓內(nèi)定位桿與股骨前弓相切,并與股骨近端相交的的最近端一張橫斷面,固定該位置,得出髓內(nèi)定位桿另一端中心B的三維坐標(biāo)。

圖4 所示圓心即為髓內(nèi)定位桿的入針點(diǎn)A

圖5 調(diào)整后的髓內(nèi)定位桿顯示于三維圖像上

1.2.5 將mimics中的股骨三維模型導(dǎo)入geomagic中,經(jīng)過(guò)平滑處理,形成三維股骨數(shù)據(jù)。

1.2.6 股骨頭旋轉(zhuǎn)中心的確定 在geomagic將股骨頭與髖臼接觸面擬合成球面,得出該球體的球心C的三維坐標(biāo)。

圖6 將股骨頭與髖臼的接觸面擬合為球面,得出該球面的圓心

1.2.7 我們根據(jù)三個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo),求出三維中∠BAC 結(jié)果 外翻角:左4.89°右4.91°。

2 討論

本文利用人體下肢CTA掃描影像數(shù)據(jù),利用mimics,經(jīng)過(guò)對(duì)二維圖像的閾值二值化分割、區(qū)域填充等處理后,進(jìn)行三維重建形成三維骨骼模型,模擬術(shù)中髓內(nèi)定位桿的位置與方向,于二維圖像上找到膝關(guān)節(jié)中心即髁間窩最頂點(diǎn),wangroongsub等[4]指出:髓內(nèi)定位桿入針點(diǎn)應(yīng)在股骨髁間切跡頂部?jī)?nèi)側(cè)1.5-2.0 mm、上方12 mm.Moreland JR等[5]給我們提供了五種確定膝關(guān)節(jié)中心的方法,由于我們只有股骨相關(guān)參數(shù)及前面已經(jīng)準(zhǔn)確找到髁間窩頂點(diǎn),我們要求髓內(nèi)定位桿盡可能接近股骨遠(yuǎn)端解剖軸,故我們選擇髁間窩最頂點(diǎn)作為膝關(guān)節(jié)中心,并將此點(diǎn)作為髓內(nèi)定位桿的入針點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整髓內(nèi)定位桿的位置,由于正常人股骨具有前弓,髓內(nèi)定位桿遠(yuǎn)端與前皮質(zhì)相切,結(jié)合股骨遠(yuǎn)端解剖軸的定義與術(shù)中髓內(nèi)定位桿的植入方法與方向,J.A.Jeffery[6]指出術(shù)中股骨髓內(nèi)定位桿的位置與遠(yuǎn)端中軸線基本吻合,因此我們將此得到的髓內(nèi)定位桿定義為術(shù)中股骨遠(yuǎn)端解剖軸。然后將mimics重建的股骨三維模型導(dǎo)入geomagic中。黃雪梅等[7]利用光學(xué)定位追蹤儀來(lái)確定的股骨頭中心,蘇永松等[8]報(bào)道基于CT影像數(shù)據(jù),利用髖關(guān)節(jié)球面中心差值的方法計(jì)算股骨頭中心點(diǎn),丁輝等[9]基于CT圖像重建股骨三維模型,通過(guò)計(jì)算的方法得出股骨頭及膝關(guān)節(jié)中心,You Wang等[10]通過(guò)CAD軟件將股骨頭邊緣擬于成閉合的球體,將此球體的球心作為股骨頭中心。我們采用Geomagic將股骨頭與髖臼接觸面最佳擬合成球體,將其球心定義為股骨頭旋轉(zhuǎn)中心,通過(guò)上述操作我們準(zhǔn)確的找到了目標(biāo)的特征點(diǎn),就確定了股骨解剖軸線及機(jī)械軸線,指導(dǎo)術(shù)中股骨遠(yuǎn)端的截骨外翻角度。下一步工作我們將利用此方法進(jìn)行大樣本的測(cè)量,得出國(guó)人正常的外翻角,以指導(dǎo)適合國(guó)人的截骨參數(shù)。

[1]郭文正.人工膝設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素.國(guó)外醫(yī)學(xué)?生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè),1994,17(5）:259.

[2]Kapandji IA.The physiology of Joint.Vol.2.Churchill Livingstone,Edinburgh,1970.

[3]Maquet P.Biomechanics of the knee.Springer-Verlag,Berlin,1976.

[4]Wangroongsub Y,Cherdtaweesup S.Proper entry point for femoral intramedullary guide in total knee arthroplasty[J].J Med Assoc Thai,2009,92 Suppl 6:S1.

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[6]J.A.Jeffery.The accuracy of the intramedullary Femoral alignment in total knee[J].The Knee,1999,12(6）:211.

[7]黃雪梅,王成燾.計(jì)算機(jī)輔助全膝置換中股骨力線定位精度的實(shí)驗(yàn)研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2006,23(1）:82.

[8]蘇永松,許忠信,李浩宇,等.先天性髖脫位手術(shù)計(jì)算機(jī)虛擬規(guī)劃中的測(cè)量技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2004,16(8）:1159.

[9]丁 輝,劉文博,王廣志.基于CT數(shù)據(jù)的股骨軸線獲取[J].醫(yī)用生物力學(xué),2009,24(4）:290.

[10]Y.Wang,Y.Zeng,K.Dai,Z.Zhu and L.Xie,Normal lower-extremity alignment parameters in healthy southern Chinese adults as a guide in total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2010,25:563.