雙下肢負(fù)重位三維CT檢查技術(shù)與步態(tài)分析結(jié)合初步應(yīng)用進(jìn)展

朱 珊，王 植，郭 林

(天津大學(xué)天津醫(yī)院放射科，天津 300211)

傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)是對(duì)骨肌系統(tǒng)疾病診斷和治療的基本支持。X線攝片、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)和計(jì)算機(jī)透視技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床多學(xué)科，特別是骨科。醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)可以直觀展現(xiàn)人體解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)植入物形態(tài)結(jié)構(gòu)，因此經(jīng)常被用于輔助制定骨科手術(shù)計(jì)劃。醫(yī)學(xué)影像學(xué)新技術(shù)對(duì)于骨肌系統(tǒng)臨床診療發(fā)展也是必不可少的。在2019年6月搜索“醫(yī)學(xué)影像骨科”，顯示了超過(guò)32000篇文章和近2700篇評(píng)論。其中，只有8篇使用錐束計(jì)算機(jī)體層攝影(Cone beam computed tomography，CBCT)技術(shù)。CBCT技術(shù)最初僅應(yīng)用于口腔和頜面部診療[1-2]。它是一種新興醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，具有CT掃描的原始特征[3-4]，在小范圍局域解剖相關(guān)病變的診斷和治療中起到越來(lái)越重要的作用。對(duì)于骨肌系統(tǒng)疾患的診斷和治療，臨床越來(lái)越傾向于使用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相結(jié)合的定量評(píng)估方法。使用傳統(tǒng)三維計(jì)算機(jī)斷層掃描(Three-dimension computed tomography，3DCT)和MRI設(shè)備可以很好地呈現(xiàn)目標(biāo)關(guān)節(jié)靜態(tài)解剖結(jié)構(gòu)，但這種掃描模式通常采用仰臥位，與運(yùn)動(dòng)中所需位置相去甚遠(yuǎn)。換句話(huà)說(shuō)，用傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像學(xué)成像方法很難獲得負(fù)重位條件下的下肢影像學(xué)圖像。運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)評(píng)估通常對(duì)于日?；顒?dòng)狀態(tài)，特別是人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下目標(biāo)關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，同時(shí)在手術(shù)干預(yù)前后對(duì)目標(biāo)關(guān)節(jié)進(jìn)行肌電圖以及足底壓力測(cè)量，以確定生物力學(xué)變量模式的異常。基于這一需求，CBCT技術(shù)被引入了骨肌系統(tǒng)診療。這一新技術(shù)如今可以呈現(xiàn)負(fù)重位條件下的3D圖像，又稱(chēng)負(fù)重計(jì)算機(jī)斷層掃描(Weight-bearing computed tomography，WBCT)。這一新技術(shù)具有輻射劑量相對(duì)較低、空間分辨率較高、便于人體工程學(xué)研究等優(yōu)勢(shì)。由于負(fù)重位狀態(tài)是理解骨肌系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)功能機(jī)制的基礎(chǔ)，尤其是足、踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，還有手、腕關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，因此應(yīng)用這一新技術(shù)可以對(duì)骨肌系統(tǒng)疾病進(jìn)行更精確的診斷和評(píng)估。負(fù)重位3DCT檢查也可以被應(yīng)用于特定的動(dòng)態(tài)姿勢(shì)掃描，如對(duì)單腿或雙腿直立姿勢(shì)或其他關(guān)節(jié)在特定旋轉(zhuǎn)角度下的姿勢(shì)等進(jìn)行評(píng)估。這種技術(shù)可以改變長(zhǎng)期以來(lái)用于呈現(xiàn)靜態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)影像學(xué)檢查方法的平面測(cè)量[5]?，F(xiàn)對(duì)這一技術(shù)在骨科學(xué)的初步應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 WBCT概述

WBCT技術(shù)現(xiàn)在多應(yīng)用于患有下肢關(guān)節(jié)疾患的患者，大多使用單腿直立姿勢(shì)采集負(fù)重位下肢關(guān)節(jié)影像學(xué)數(shù)據(jù)(包括膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和足)。在幾分鐘內(nèi)，掃描數(shù)據(jù)的三維重建圖像即自動(dòng)生成。三維數(shù)據(jù)的虛擬斷層圖像沿著任何所選定位軸，可以在最薄層厚為0.26 mm的基礎(chǔ)上獲得CT數(shù)字成像和醫(yī)學(xué)通信(DICOM)圖像。此數(shù)據(jù)集經(jīng)過(guò)工作站進(jìn)行后處理，以STL格式生成相應(yīng)的三維模型。在這些骨模型上，可以根據(jù)傳統(tǒng)或新的技術(shù)來(lái)定義解剖軸。這里以跟骨模型作為舉例說(shuō)明：主成分分析(PCA)是能夠自動(dòng)計(jì)算點(diǎn)云的最大、中間和最小方差的正交軸[6]。如果這些是骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，依據(jù)一般骨骼解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，分別提供縱向、垂直和中外側(cè)軸向。連接足底或足背解剖標(biāo)志的解剖軸也可以定義為其他可能的掃描方向，仍然在三維掃描中成像，更符合輻射角度[7]，如跟骨傾角(CIA)[8]。對(duì)于每一個(gè)解剖軸或在與地面相交軸的平面上，相對(duì)于地面的傾角也可以利用三維模型計(jì)算。類(lèi)似的計(jì)算模式可以應(yīng)用于任何骨質(zhì)結(jié)構(gòu)。除了單一骨的絕對(duì)傾斜方向外，還可以通過(guò)計(jì)算三維角度來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)骨之間的相對(duì)方向。例如，對(duì)于跟骨和第1跖骨，可以通過(guò)計(jì)算得出二者縱向軸間的角度，正如文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道的“跟骨第1跖骨角”[9]和Hibb角[10]。因此，通過(guò)WBCT技術(shù)及三維模型計(jì)算方法，可以精準(zhǔn)測(cè)量患者負(fù)重位以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的下肢骨骼形態(tài)及結(jié)構(gòu)絕對(duì)及相對(duì)關(guān)系，從而明確骨肌系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)制及生物力學(xué)動(dòng)態(tài)變化情況。

2 WBCT骨肌系統(tǒng)臨床應(yīng)用

2.1 踝關(guān)節(jié)置換假體定制 全踝關(guān)節(jié)置換目前被認(rèn)為是一種治療踝關(guān)節(jié)病變的長(zhǎng)期解決方案，以達(dá)到恢復(fù)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和減輕關(guān)節(jié)炎疼痛癥狀的目的，也可以通過(guò)踝關(guān)節(jié)融合手術(shù)來(lái)保持關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，已有研究報(bào)道證實(shí)通過(guò)這一治療方法可獲得良好的臨床預(yù)后[11]。然而，假體與關(guān)節(jié)大小不匹配是導(dǎo)致術(shù)后并發(fā)癥的重要因素之一。目前臨床使用的假體組件大部分采取批量統(tǒng)一設(shè)計(jì)的方法，其尺寸、數(shù)量、種類(lèi)有限，因此假體定制表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，它依據(jù)患者特定尺寸和角度調(diào)節(jié)假體設(shè)計(jì)，從而改善臨床治療效果，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生概率。這一新技術(shù)稱(chēng)為建?；?D打印技術(shù)，使用專(zhuān)門(mén)用于骨科植入物制作的粉末取代了傳統(tǒng)金屬假體，制作出一個(gè)緊湊的三維物體作為定制假體用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)[12]。初步研究[13]表明，包括醫(yī)學(xué)成像、關(guān)節(jié)建模、假體設(shè)計(jì)和3D打印在內(nèi)的SIVE程序可以成功定制踝關(guān)節(jié)置換假體，甚至可以進(jìn)一步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生物力學(xué)設(shè)計(jì)。目前，這種全踝關(guān)節(jié)置換假體定制程序已逐漸投入使用。由一些研究者多年前開(kāi)發(fā)的盒子踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)被用于這個(gè)整體定制過(guò)程[14]。部分研究利用負(fù)重位3DCT方法評(píng)估踝關(guān)節(jié)病變和假體置換后關(guān)節(jié)對(duì)位情況，脛距關(guān)節(jié)和距下關(guān)節(jié)對(duì)位情況在冠狀位和矢狀位、軸位得到更真實(shí)、精準(zhǔn)的展示。該研究的目的是評(píng)估個(gè)性化假體定制程序的可行性以及假體質(zhì)量和假體組件定制的有效性，以盡量減少尺寸不匹配情況，并前瞻性地改善治療結(jié)果。具體方法為：使患者下肢和骨盆軸向?qū)R，以單腿直立姿勢(shì)進(jìn)行患側(cè)踝關(guān)節(jié)WBCT掃描，得到掃描數(shù)據(jù)后通過(guò)半自動(dòng)分割方法獲得患者特異性骨模型，再使用Creo軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)假體部件進(jìn)行參數(shù)化，根據(jù)得到的最佳匹配骨模型定制相應(yīng)假體部件，根據(jù)骨質(zhì)密度和幾何形狀尋找近端植入假體的最佳水平，模擬骨切除對(duì)應(yīng)于定制設(shè)計(jì)的假體，然后使用多邊形執(zhí)行操作。通常使用距離映射計(jì)算假體接觸面積和骨切除體積。距離映射演示了與切除骨的關(guān)節(jié)匹配改善程度。假體表面覆蓋度較傳統(tǒng)方法平均增加6%～10%。除了進(jìn)行植入假體的個(gè)性化定制之外，使用WBCT的三維建模也能一定程度上改善假體尺寸及其植入成分選擇，從而提高假體支撐力及耐受力。研究表明，雖然建模過(guò)程依舊存在局限性，但通過(guò)改善假體大小和放置位置可以大大減少假體不匹配概率，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。踝關(guān)節(jié)假體定制對(duì)生物力學(xué)、骨與假體負(fù)荷和磨損的影響有待于進(jìn)一步研究，以評(píng)估其臨床意義。WBCT輻射劑量雖然存在，但是有限，它的使用提高了改善假體關(guān)節(jié)匹配度的可行性，具有巨大潛在價(jià)值。研究[15]還表明，CBCT設(shè)備結(jié)合最先進(jìn)的MRI可以在同一研究中提供多重幾何設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像算法分析，從而重建完整的骨與軟骨關(guān)節(jié)模型。由于在儀器和內(nèi)植物方面存在工業(yè)限制，因此目前對(duì)踝關(guān)節(jié)假體定制的研究仍然具有局限性。但在不久的將來(lái)，患者專(zhuān)用的定制儀器和聚乙烯材料也將被引入，以便于全面實(shí)施定制計(jì)劃。未來(lái)也可以通過(guò)對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量來(lái)增強(qiáng)患側(cè)形態(tài)學(xué)分析。

2.2 膝關(guān)節(jié)髕內(nèi)側(cè)支持帶重建術(shù)后髕股關(guān)節(jié)對(duì)位關(guān)系評(píng)估 髕股關(guān)節(jié)失穩(wěn)一般采用傳統(tǒng)CT掃描方法進(jìn)行評(píng)估，患者體位通常為伸膝和放松肌肉的仰臥位。然而研究表明，在膝關(guān)節(jié)屈曲和股四頭肌收縮時(shí)更符合真實(shí)膝關(guān)節(jié)負(fù)荷狀態(tài)，因此在評(píng)估時(shí)必須通過(guò)醫(yī)學(xué)成像真實(shí)重現(xiàn)負(fù)重位髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)?；谶@一點(diǎn)，有研究[16]對(duì)于髕內(nèi)側(cè)支持帶重建手術(shù)治療髕骨不穩(wěn)定的患者進(jìn)行傳統(tǒng)CT掃描和WBCT掃描，分析描述髕骨排列和脛骨結(jié)節(jié)-滑車(chē)溝(TT-TG)距離的幾個(gè)參數(shù)，隨訪5年至全功能恢復(fù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種評(píng)估方法顯示出顯著的差異，在膝關(guān)節(jié)負(fù)重情況下得到的一致性和傾斜角比仰臥位大，而TT-TG距離則相反。

2.3 扁平足矯形手術(shù)及距下關(guān)節(jié)融合手術(shù)術(shù)前及術(shù)后評(píng)估 繼發(fā)性成人扁平足是一種非常常見(jiàn)的畸形，包括后足外翻、內(nèi)側(cè)縱弓扁平和前足外展。這是一個(gè)復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，將多個(gè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畸形與距下關(guān)節(jié)旋前畸形相結(jié)合，進(jìn)行形態(tài)學(xué)及生物力學(xué)評(píng)估相對(duì)困難。有研究分別結(jié)合三維靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)利用多種儀器評(píng)估平足畸形，全面研究患者靜態(tài)、動(dòng)態(tài)畸形，進(jìn)行手術(shù)前后WBCT和功能步態(tài)分析。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畸形在所有三個(gè)解剖平面上都有占很大的成分，距下關(guān)節(jié)和足的其余結(jié)構(gòu)與分析數(shù)據(jù)吻合。到目前為止，已有研究針對(duì)數(shù)名接受手術(shù)矯正治療的嚴(yán)重成人扁平足患者，于術(shù)前和術(shù)后8個(gè)月進(jìn)行臨床檢查和儀器評(píng)估?；颊哒玖r(shí)用WBCT成像，幾分鐘后依據(jù)已建立的專(zhuān)有多段足部運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)劃[17]，使用八攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[18-21]進(jìn)行步態(tài)分析。該計(jì)劃需要在小腿和腳上獲取三個(gè)被動(dòng)標(biāo)記的三維軌跡，能夠跟蹤后、中、前足三維空間的絕對(duì)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這些三維旋轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)測(cè)量包括第1跖趾關(guān)節(jié)的兩個(gè)主要旋轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)縱弓的角度，以及第1、第2和第5跖骨相對(duì)傾斜[22]。術(shù)前WBCT建模三維測(cè)量數(shù)據(jù)確定了3D扁平足畸形的嚴(yán)重程度，并以此為參考協(xié)助制定矯形手術(shù)計(jì)劃，術(shù)后得到了相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。兩者都通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)揭示手術(shù)后解剖和功能的改善，特別提出的是，術(shù)前預(yù)計(jì)動(dòng)態(tài)后足旋前程度減少。研究使用WBCT和步態(tài)分析相結(jié)合并分析其相關(guān)性，最終為平足手術(shù)矯正計(jì)劃提供準(zhǔn)確的評(píng)估，特別是在旋前、站立和行走狀態(tài)評(píng)估距下關(guān)節(jié)對(duì)位情況。這為臨床手術(shù)實(shí)施提供了極大支持，在精準(zhǔn)醫(yī)療方面得到了極大的進(jìn)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)概念中，負(fù)重位影像學(xué)測(cè)量?jī)H限于2D并受到影像學(xué)技術(shù)人員對(duì)解剖學(xué)認(rèn)識(shí)的影響，具有一定局限性。如今采取單腿或雙腿站立負(fù)重位檢查，通過(guò)CBCT設(shè)備進(jìn)行三維成像建模、數(shù)據(jù)分析，成功實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)絕對(duì)和相對(duì)對(duì)位關(guān)系的量化。這些設(shè)備還具有輻射劑量較低的優(yōu)點(diǎn)，意味著對(duì)操作人員和工作環(huán)境的輻射保護(hù)要求限制較少。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是保留了數(shù)據(jù)的原始三維立體掃描模式，使得傳統(tǒng)CT掃描可以沿任何方向和不同層厚重建圖像。我們研究了足踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)負(fù)重位三維CT成像、模型建立、數(shù)據(jù)分析，精確評(píng)估了在實(shí)際和特定負(fù)荷情況下病情診斷和治療的復(fù)雜性。因此，負(fù)重位3D影像技術(shù)可以真實(shí)呈現(xiàn)骨和關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)情況，無(wú)論是原始畸形還是后續(xù)治療之后的隨訪都可應(yīng)用。幾十年來(lái)，足踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)骨肌系統(tǒng)影像學(xué)測(cè)量已經(jīng)被反復(fù)提出、研究、應(yīng)用和討論。最近的1篇文獻(xiàn)[23]闡述了常用的足踝關(guān)節(jié)負(fù)重位X線測(cè)量方法，全面綜述并仔細(xì)匯總了與之相關(guān)的概念和圖解。米拉爾分析[5]描述了傳統(tǒng)X線角度測(cè)量，但其中大量測(cè)量數(shù)據(jù)并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，并缺少一個(gè)定量的數(shù)據(jù)分析。WBCT掃描克服了傳統(tǒng)CT、MRI和X線片設(shè)備的限制，為今后更全面的負(fù)重位骨關(guān)節(jié)對(duì)位關(guān)系力線測(cè)量奠定了良好基礎(chǔ)。目前的一系列研究是從骨肌系統(tǒng)研究的角度提出的，骨骼和關(guān)節(jié)顯然是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，然而這些掃描也可以有效地對(duì)軟組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。也可以通過(guò)結(jié)合CBCT和MRI掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而有望實(shí)現(xiàn)負(fù)重位軟骨成像。通過(guò)將運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和肌電信號(hào)測(cè)量相結(jié)合，完善評(píng)估模式及數(shù)據(jù)信息，可以得到骨肌系統(tǒng)形態(tài)學(xué)、功能學(xué)、生物力學(xué)傳導(dǎo)等完整信息，具有更大的臨床及科研意義。總之，現(xiàn)在單骨相對(duì)于地面傾斜角和相對(duì)關(guān)節(jié)角度可以在負(fù)重位3DCT掃描中獲得。相關(guān)的三維骨重建模型可以支持對(duì)患者制定更可靠的術(shù)前計(jì)劃和術(shù)后評(píng)估，在患側(cè)骨或關(guān)節(jié)嚴(yán)重?fù)p傷的情況下也可以對(duì)側(cè)為對(duì)照[24-25]。未來(lái)預(yù)計(jì)還將開(kāi)發(fā)出其他負(fù)重位測(cè)量方法，部分已初步進(jìn)入研究階段[26-27]。這些新的負(fù)重位三維骨形態(tài)學(xué)研究與當(dāng)前運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)以及步態(tài)壓力分析相結(jié)合有很大的潛力，特別是它們的協(xié)同作用將有助于更多地支持這些解剖區(qū)域的生物技術(shù)以及臨床研究。