前交叉韌帶三維空間結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

李盛吳冰崔家鳴朱偉民王大平陸偉

1深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科（廣東 深圳 518000）2深圳市運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室（廣東 深圳 518000）3深圳市組織工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣東 深圳 518000）

前交叉韌帶三維空間結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

李盛1，2，3吳冰2，3崔家鳴1，2，3朱偉民1，2，3王大平1，2，3陸偉1，2，3

1深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科（廣東 深圳 518000）2深圳市運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室（廣東 深圳 518000）3深圳市組織工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣東 深圳 518000）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是一種常見且嚴(yán)重的膝關(guān)節(jié)損傷，關(guān)節(jié)鏡下ACL重建手術(shù)是目前治療ACL損傷最普遍的術(shù)式，理想的ACL重建移植物附著點(diǎn)應(yīng)近似于生理性ACL止點(diǎn)，即達(dá)到解剖重建。但是ACL起止點(diǎn)的大小、形態(tài)、位置具有個(gè)體化差異，甚至性別也是引起個(gè)體化差異的一個(gè)重要因素，運(yùn)用一般的解剖概念及骨道定位方法具有較大的局限性，難以達(dá)到個(gè)性化手術(shù)的要求。建立ACL三維空間結(jié)構(gòu)模型是了解膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)和功能的手段之一，一個(gè)逼真的模型可以完整再現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及功能，在任何平面、任何角度觀察想要研究的點(diǎn)和面，使得解剖研究在三維空間中具有準(zhǔn)確的定位，并能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬與分析，獲得準(zhǔn)確的膝關(guān)節(jié)及ACL的解剖數(shù)據(jù)，使測(cè)量數(shù)據(jù)更具有代表性。精確的ACL三維空間結(jié)構(gòu)能為重建手術(shù)提供術(shù)前參考、術(shù)中定位及術(shù)后隨訪，提高手術(shù)準(zhǔn)確性，完善手術(shù)評(píng)估，減少并發(fā)癥。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，ACL三維空間結(jié)構(gòu)還能進(jìn)行有限元分析，獲得ACL的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，為移植物的選擇提供參考。

前交叉韌帶；三維空間結(jié)構(gòu)；個(gè)性化手術(shù)；臨床應(yīng)用

膝關(guān)節(jié)是人體最大且構(gòu)造最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，日常活動(dòng)中膝關(guān)節(jié)承擔(dān)著較大的負(fù)荷，因此也比較容易受到損傷。前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是臨床較為常見而又嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的損傷，極大地影響患者生活質(zhì)量。ACL解剖復(fù)雜，其分支的解剖變異比較多，多數(shù)由2支構(gòu)成，也可以由1束或3束組成[1-4]。雖然ACL重建手術(shù)有很高的成功率，然而文獻(xiàn)報(bào)道仍有一定的失敗率和翻修率[5，6]。究其原因有隧道的定位及是否達(dá)到解剖重建，因此，對(duì)ACL的解剖研究顯得尤為重要。

20世紀(jì)80年代末啟動(dòng)的可視人計(jì)劃（visible human plan，VHP）是解剖學(xué)界的一大飛躍，計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及三維重建技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并快速發(fā)展。但是，由于ACL的解剖特點(diǎn)存在較大的個(gè)體差異[7-9]，僅使用單一的模型并不能適用于所有ACL患者的手術(shù)指導(dǎo)。在ACL重建手術(shù)中，如果統(tǒng)一使用一種解剖模型做參考往往難以達(dá)到準(zhǔn)確的手術(shù)效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及個(gè)性化手術(shù)的要求，一個(gè)能夠快速建立起來(lái)的精確的ACL三維空間結(jié)構(gòu)，將有利于指導(dǎo)ACL重建手術(shù)的進(jìn)一步完善。

以往對(duì)于ACL的研究絕大多數(shù)在尸體上進(jìn)行，需要切除膝關(guān)節(jié)的部分穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，暴露股骨髁間窩的外側(cè)面，這樣膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性很難維持，不能保持ACL的生理位置。而且尸體標(biāo)本的軟組織還存在水分丟失和變形等問(wèn)題，影響數(shù)據(jù)的可靠性。隨著計(jì)算機(jī)及圖像技術(shù)的迅猛發(fā)展和社會(huì)信息化進(jìn)程，計(jì)算機(jī)輔助三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，建立的ACL三維解剖模型可以從任意角度、方向上觀察和操作，對(duì)立體空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確測(cè)量，獲得長(zhǎng)度、面積、體積和角度等精確的解剖參數(shù)。在ACL三維空間模型上進(jìn)行測(cè)量，可以避免在尸體上直接測(cè)量的局限，為研究ACL的解剖提供了精確的方法。所構(gòu)建的ACL三維模型還能被賦予生物力學(xué)材料特性，進(jìn)行有限元分析，得出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布等力學(xué)特征。ACL三維空間結(jié)構(gòu)可以用于臨床輔助診斷、輔助手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)模擬等方面，讓傳統(tǒng)的手術(shù)過(guò)程由“開放—觀察—手術(shù)”轉(zhuǎn)變到“觀察—開放—手術(shù)”，最終達(dá)到外科手術(shù)的個(gè)性化、精確化、微創(chuàng)化及遠(yuǎn)程化[10]。

1 ACL三維重建技術(shù)

目前用于臨床的三維重建技術(shù)主要是基于序列斷層圖像的三維重建。通過(guò)獲取觀察對(duì)象的連續(xù)斷層圖像，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理并建立三維空間結(jié)構(gòu)，即逆向工程原理。具體步驟為圖像采集—圖像分割—三維重建。

1.1圖像采集

MRI在顯示膝關(guān)節(jié)半月板和韌帶等軟組織方面具有相當(dāng)強(qiáng)的特異性及敏感性，有學(xué)者利用各向同性3D Cube T2加權(quán)序列及其斜冠狀位重建圖像在體顯示ACL雙束解剖結(jié)構(gòu)并精確測(cè)量其長(zhǎng)度、股骨止點(diǎn)寬度、脛骨止點(diǎn)寬度及走行角度等指標(biāo)[11]。錢曾[12]等應(yīng)用3D Cube T2WI序列顯示完整ACL解剖結(jié)構(gòu)，且膝關(guān)節(jié)MRI掃描序列總時(shí)間縮短，具有較高的臨床實(shí)用價(jià)值。損傷的ACL常伴隨關(guān)節(jié)水腫及炎癥反應(yīng)，但是并不影響MRI精確地獲取ACL圖像。以關(guān)節(jié)鏡檢查作為診斷標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)節(jié)鏡術(shù)前行MRI檢查能準(zhǔn)確診斷ACL損傷及其損傷程度[13]，并且圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于CT掃描[14]。MRI不僅可清楚顯示ACL正常形態(tài)，還可顯示損傷ACL撕裂部位、范圍及合并骨折、半月板撕裂及側(cè)副韌帶損傷等情況[15]。通過(guò)MRI獲得精確的斷層圖像，能提高圖像分割的準(zhǔn)確度。因此對(duì)于ACL等軟組織的圖像采集一般采用MRI。

1.2圖像分割

從采集到的圖像中把感興趣區(qū)分離出來(lái)是醫(yī)學(xué)圖像分割的重點(diǎn)，很多學(xué)者基于hounsfield值、灰度值和RGB分量值，提出許多分割方法，主要有：閾值分割法、區(qū)域生長(zhǎng)法、模式識(shí)別法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變化法、遺傳算法等?？筛鶕?jù)觀察對(duì)象及運(yùn)用方向的不同選擇適合的方法，達(dá)到最佳的分割效果[16]。

1.3三維重建

將經(jīng)過(guò)分割的圖像導(dǎo)出特定的格式，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維重建。一般常用的計(jì)算機(jī)三維重建軟件主要有：Amira、Mimics、3D Med、3D Slicer等。研究人員亦可根據(jù)研究的需求靈活定制計(jì)算機(jī)軟件，以達(dá)到最佳的重建效果。Mimics是目前比較常用的一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，基于臨床醫(yī)學(xué)影像學(xué)的逆向工程及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)設(shè)置圖像識(shí)別范圍、像素間距、圖像層距等參數(shù)，具有良好的圖像編輯功能，可以重建再現(xiàn)人體復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。它能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)，建立3D模型進(jìn)行編輯，是目前使用最廣泛的醫(yī)學(xué)建模軟件之一。重建效果亦可以通過(guò)改變圖像分割和空間插值的算法得以改善[16]。

2 ACL三維重建模型的準(zhǔn)確性

構(gòu)建ACL三維空間結(jié)構(gòu)除可以研究膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)特征外，更重要的是運(yùn)用到ACL重建或修復(fù)手術(shù)中去，為外科醫(yī)生提供術(shù)前定位及手術(shù)參考，幫助臨床醫(yī)生在術(shù)前制定個(gè)性化手術(shù)方案，提高ACL手術(shù)的成功率及增加良好預(yù)后。

2.1ACL三維結(jié)構(gòu)模型的解剖數(shù)據(jù)

由于ACL的走形及解剖特點(diǎn)存在較大的個(gè)體差異，因此ACL三維空間的重建必須盡可能與正常的ACL解剖結(jié)構(gòu)相似才能起到精確的指導(dǎo)作用。尸體標(biāo)本的ACL三維空間結(jié)構(gòu)研究中，有學(xué)者利用MRI進(jìn)行尸體標(biāo)本ACL的圖像采集，將按照DICOM標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)的膝關(guān)節(jié)MRI斷層影像數(shù)據(jù)在電腦上導(dǎo)入醫(yī)學(xué)有限元仿真軟件Mimics進(jìn)行圖像分割與三維重建，并利用Mimics自帶測(cè)量工具獲取ACL解剖數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)與尸體標(biāo)本解剖測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，借此驗(yàn)證建立的ACL三維數(shù)字化模型的真實(shí)性及可靠性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尸體標(biāo)本ACL相關(guān)解剖與三維數(shù)字化實(shí)體模型測(cè)量指標(biāo)（包括ACL長(zhǎng)度、寬度、厚度，ACL起止點(diǎn)的前后徑、ACL起止點(diǎn)中心之間的距離、ACL前緣到脛骨平臺(tái)的距離、髁間隆起的前后左右徑，ACL水平位、冠狀位，矢狀位的角度等）之間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。據(jù)此可證明運(yùn)用MRI及Mimics軟件建立膝關(guān)節(jié)及ACL三維模型的準(zhǔn)確性和可靠性，加之重建模型可通過(guò)任意角度旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)分離及透視處理，突出重點(diǎn)觀察部位，排除鄰近組織的干擾，因此該技術(shù)有望為ACL重建手術(shù)提供較可靠參數(shù)測(cè)算[17，18]。

2.2ACL三維重建技術(shù)改進(jìn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和圖像處理功能的提升，ACL三維模型構(gòu)建的算法精確性有效提升。圖像分割是三維重建的基礎(chǔ)和難點(diǎn)，分割方法的精確化有助于提高重建模型的可靠性，提升其臨床指導(dǎo)意義。吳冰[19]等利用MRI獲取健側(cè)膝關(guān)節(jié)斷層圖像，并導(dǎo)入自主開發(fā)的針對(duì)特殊情況的ACL快速分割技術(shù)軟件（3D MIA）進(jìn)行分割，再以面繪制方式進(jìn)行三維重建，獲得膝關(guān)節(jié)及ACL的準(zhǔn)確模型，測(cè)量模型的ACL長(zhǎng)度、寬度、厚度及與人體三個(gè)解剖平面的角度，所得數(shù)據(jù)與前期解剖研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)此方法可以快速且較準(zhǔn)確地建立ACL三維數(shù)字化模型，為患側(cè)行重建手術(shù)提供參考，同時(shí)為計(jì)算機(jī)輔助ACL手術(shù)系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)ACL臨床仿真?zhèn)€體化解剖重建提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。該技術(shù)使用自行開發(fā)的，專門針對(duì)前交叉韌帶的分割方法，相對(duì)于以往的全手工分割，其簡(jiǎn)易、方便、快捷，為臨床工作節(jié)省大量時(shí)間，能夠在術(shù)前不到半小時(shí)的時(shí)間里迅速建立患者ACL的三維數(shù)字化模型，為手術(shù)提供及時(shí)有效的指導(dǎo)；而相對(duì)于Mimics的Mask（蒙罩）分割工具，此分割方法的分割精確度有了較大的提高。

眾多的研究結(jié)果證明，MRI能夠精確地重建ACL三維空間結(jié)構(gòu)[20]，為ACL重建提供術(shù)前指導(dǎo)，但ACL重建手術(shù)的關(guān)鍵除了要清晰ACL的解剖結(jié)構(gòu)外，骨道的選擇對(duì)手術(shù)效果及預(yù)后也起了很重要的作用。雖然MRI對(duì)ACL等軟組織有較高的敏感性，但是對(duì)骨質(zhì)病變及鈣化病灶的顯示較差。因此有學(xué)者提出，如果能將膝關(guān)節(jié)的MRI及CT成像結(jié)合在一起，將可以全面地反映正常組織結(jié)構(gòu)和異常改變，從而彌補(bǔ)其中任何一種單項(xiàng)檢查成像的不足。有學(xué)者利用國(guó)外數(shù)據(jù)庫(kù)中CT和MRI的斷層影像，基于Mimics軟件分別利用不同的算法進(jìn)行三維重建，將重建后的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間配準(zhǔn)后，對(duì)結(jié)果成功地進(jìn)行了融合，并對(duì)融合后的模型各組織進(jìn)行了測(cè)量[21]。張冰等[22]對(duì)46名健康志愿者雙側(cè)共92個(gè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT及MRI掃描，利用Mimics軟件通過(guò)閾值分割、形態(tài)學(xué)操作分別構(gòu)建ACL模型，并以stl格式導(dǎo)出保存。在逆向工程軟件Geomagic中導(dǎo)入stl格式數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，構(gòu)建CT與MRI影像融合的交叉韌帶及附著點(diǎn)的膝關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型，利用Geomagic軟件中的測(cè)量工具分別測(cè)量ACL股骨止點(diǎn)長(zhǎng)軸、短軸、后距、內(nèi)距、短距、長(zhǎng)軸角及面積。通過(guò)測(cè)量使ACL股骨止點(diǎn)有跡可循，前交叉韌帶附著區(qū)表面具有光滑、色白、致密、邊界較明顯的特點(diǎn)，可以在重建的圖像上辨別圈畫出ACL股骨止點(diǎn)的形態(tài)，應(yīng)用到ACL重建手術(shù)中，使ACL止點(diǎn)形態(tài)平面的選擇與關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)視野的平面角度保持一致，從而使測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)可用于術(shù)中骨道定位，并準(zhǔn)確診斷ACL損傷合并起止點(diǎn)微骨折的情況，對(duì)ACL重建手術(shù)具有較好的參考價(jià)值。同時(shí)此方法相對(duì)于全憑借肉眼觀察ACL股骨止點(diǎn)更加準(zhǔn)確有效，避免手工應(yīng)用卡尺測(cè)量ACL解剖數(shù)據(jù)的人為因素誤差。

3 ACL三維空間結(jié)構(gòu)的臨床應(yīng)用

在發(fā)達(dá)國(guó)家，膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)是骨科手術(shù)中最常見的操作，以美國(guó)為例，其每年可行700，000例膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)[23]，主要用于關(guān)節(jié)腔沖洗、半月板切除或修復(fù)、軟骨成型及韌帶重建[24]，且關(guān)節(jié)鏡的使用量仍在快速增加。前交叉韌帶損傷作為常見的臨床疾病，已普遍使用關(guān)節(jié)鏡進(jìn)行重建治療，治療的目的是達(dá)到ACL的解剖重建，恢復(fù)ACL生理功能。但是由于內(nèi)鏡視野限制，難以暴露完整的解剖結(jié)構(gòu)，需要靠醫(yī)生在手術(shù)中注視患體的情況下，在大腦中“重構(gòu)”ACL空間結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施手術(shù)，因此手術(shù)效果很大程度上取決于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，難以達(dá)到統(tǒng)一的手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是隨著ACL三維空間結(jié)構(gòu)模型的建立及精細(xì)化，不但能為醫(yī)生提供術(shù)前ACL解剖參數(shù)，直觀地顯示人肉眼無(wú)法直接看到或被遮擋住的人體組織，協(xié)助醫(yī)生精確地確定術(shù)中骨道的路徑與長(zhǎng)度，制定手術(shù)方案，而且能結(jié)合計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，為ACL重建手術(shù)提供個(gè)體解剖信息的實(shí)時(shí)成像反饋，按規(guī)劃的路徑施行手術(shù)，提高準(zhǔn)確率。術(shù)后重建ACL三維空間模型可以觀察ACL重建的手術(shù)效果[25]，同時(shí)進(jìn)行有限元分析，指導(dǎo)術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練。

4 小結(jié)與展望

人體膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)比較復(fù)雜，且ACL周邊組織繁密，ACL損傷往往伴隨其他軟組織損傷，ACL重建手術(shù)中如果忽視了其他軟組織的作用，對(duì)手術(shù)的預(yù)后會(huì)產(chǎn)生一定影響[26]。利用三維重建技術(shù)構(gòu)建膝關(guān)節(jié)空間結(jié)構(gòu)，探討ACL與周圍軟組織的相互關(guān)系，可以為重建手術(shù)提供進(jìn)一步指導(dǎo)，然而這方面的文獻(xiàn)報(bào)道甚少，有待進(jìn)一步研究。

ACL三維空間結(jié)構(gòu)的重建主要依賴于MRI等影像學(xué)檢查，獲取的斷層圖像越清晰，構(gòu)建的ACL模型越精細(xì)。同時(shí)三維重建中主要的誤差來(lái)自圖像分割基于手工操作的誤差，因此對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展和圖像處理能力的提升也提出了一定的要求；同時(shí)圖像分割算法的討論都是相應(yīng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，任何算法上的改進(jìn)都有望使模型重構(gòu)的結(jié)果更加精確，故有關(guān)該方面的研究有待深入。

移植物撞擊是ACL重建術(shù)后常見的并發(fā)癥，利用顯微解剖方法，研究ACL纖維束結(jié)構(gòu)及其排列、走行規(guī)律，建立ACL纖維束三維立體構(gòu)像數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行ACL纖維束的有限元分析，探索減少移植物撞擊的方法，將有望成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

當(dāng)患者出現(xiàn)雙側(cè)ACL損傷時(shí)，由于缺乏健側(cè)膝關(guān)節(jié)[27]作為ACL三維空間結(jié)構(gòu)的模版，因此難以獲得ACL的走形等解剖數(shù)據(jù)，測(cè)量便局限于骨道的定位。如果能利用受損ACL三維空間結(jié)構(gòu)，通過(guò)ACL纖維束三維立體構(gòu)像數(shù)據(jù)庫(kù)逆行模擬出正常ACL結(jié)構(gòu)，將有利于為雙側(cè)ACL損傷患者提供手術(shù)指導(dǎo)。

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2016.01.25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.81572198），廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015A020212001，2014A020212656），深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（JCYJ20140414170821164，JSGG20140519105550503，JCYJ20140414170821200，JCYJ20140414170821160，CXZZ20140813160132596，JCYJ20140414170821213，201201023）

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