圖像疊加融合技術(shù)研究橈骨頭骨折形態(tài)特點(diǎn)

張英琪，王 欣，張世民，李 雙.同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院骨科，上海 00065；.同濟(jì)大學(xué)附屬楊浦醫(yī)院骨科，上海 00090

圖像疊加融合技術(shù)研究橈骨頭骨折形態(tài)特點(diǎn)

張英琪1，王 欣1，張世民2，李 雙2
1.同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院骨科，上海 200065；2.同濟(jì)大學(xué)附屬楊浦醫(yī)院骨科，上海 200090

目的通過(guò)圖像疊加融合法，研究橈骨頭骨折塊的面積、位置等特點(diǎn)，并對(duì)三聯(lián)征骨折患者的橈骨頭骨折形態(tài)進(jìn)行總結(jié)、描述。方法采集23例橈骨頭骨折患者肘關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)（肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征12例，非三聯(lián)征11例）。對(duì)橈骨頭骨折塊進(jìn)行重建并虛擬復(fù)位。測(cè)量橈骨頭骨折塊中心點(diǎn)坐標(biāo)，并繪制骨塊中心分布圖。結(jié)果23例橈骨頭骨折，共計(jì)產(chǎn)生43塊骨折塊，平均為（1.9±0.7）塊。三聯(lián)征骨折者，橈骨頭骨折塊26塊，平均（2.2±0.6）塊，非三聯(lián)征骨折者橈骨頭骨折塊17塊，平均為（1.5±0.7）塊。結(jié)論肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征的橈骨頭骨折塊大多分布于前臂中立位的前外側(cè)，絕大多數(shù)具有2～3塊骨折塊，屬于Mason分型的Ⅱ型/Ⅲ型。計(jì)算機(jī)重建及虛擬復(fù)位、圖像重疊融合技術(shù)，可以更好、更精確地對(duì)骨折塊進(jìn)行定量描述和統(tǒng)計(jì)分析。有助于提高醫(yī)師對(duì)疾病的理解。

橈骨小頭骨折；3D建模；圖像融合

橈骨頭骨折是臨床常見(jiàn)的一類損傷。通常由 肘關(guān)節(jié)壓縮應(yīng)力或者外翻應(yīng)力經(jīng)肱骨向橈骨傳遞時(shí)導(dǎo)致。橈骨頭骨折根據(jù)骨折特點(diǎn)，有數(shù)種分類方式。最早的Mason分類將橈骨頭骨折分為三類：Ⅰ型，小塊骨折無(wú)移位；Ⅱ型，骨折伴有移位；Ⅲ型，粉碎骨折累及整個(gè)橈骨頭[1]。Mason-Johnson分類將橈骨頭骨折分為4類：Ⅰ型，小塊骨折無(wú)移位；Ⅱ型，部分關(guān)節(jié)面骨折移位＞2 mm；Ⅲ型，粉碎骨折累及整個(gè)橈骨頭；Ⅳ型，橈骨頭骨折伴肘關(guān)節(jié)脫位。Hotchkiss提出改良的Mason-Johnson分類：Ⅰ型，小塊骨折移位＜2 mm；Ⅱ型，部分關(guān)節(jié)面骨折或橈骨頸骨折移位＞2 mm，影響肘關(guān)節(jié)活動(dòng)；Ⅲ型，粉碎骨折累及整個(gè)橈骨頭，需要進(jìn)行橈骨頭切除或假體置換；Ⅳ型，橈骨頭骨折伴肘關(guān)節(jié)脫位。

以上各種分類均未對(duì)橈骨頭骨折線及骨折塊進(jìn)行詳細(xì)描述。有文獻(xiàn)提示，在肘關(guān)節(jié)屈曲狀態(tài)下，橈骨頭骨折通常發(fā)生在關(guān)節(jié)面前部，并且與前臂旋轉(zhuǎn)位置相關(guān)[2]。既往有多項(xiàng)研究對(duì)橈骨頭骨折形態(tài)及損傷程度進(jìn)行了分析[3-6]，其匯總結(jié)果大多采用文字表述，缺乏直觀的圖像總結(jié)。

在肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征中，對(duì)尺骨冠突的三維形態(tài)研究已有報(bào)道。Mellema等[7]通過(guò)對(duì)82例冠突骨折進(jìn)行三維重建，分析了三聯(lián)征冠突骨折和經(jīng)鷹嘴骨折脫位等不同損傷下，冠突骨折的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)。結(jié)果顯示，三聯(lián)征冠突骨折塊較小，而經(jīng)鷹嘴骨折骨折塊較大。

本研究通過(guò)采用圖像疊加融合法，繪制不同損傷下的橈骨頭骨折線，研究橈骨頭骨折塊的面積、位置等特點(diǎn)，并對(duì)三聯(lián)征骨折患者的橈骨頭骨折形態(tài)進(jìn)行總結(jié)、描述。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

收集2011年—2015年之間的橈骨頭骨折CT數(shù)據(jù)，包括橈骨骨折、橈骨頭骨折、孟氏骨折、肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征、肘關(guān)節(jié)骨折脫位等。共收集37例伴有橈骨頭骨折的CT資料。排除條件為：患者年齡＜18歲；CT層厚＞1.25 mm；病史描述中有肘關(guān)節(jié)畸形等影響正常肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的因素。

最終納入研究的病例23例。其中12例為肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征損傷。11例非肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征損傷，包含7例單純橈骨頭骨折，3例尺骨干骨折合并橈骨頭骨折，1例伴有經(jīng)鷹嘴骨折脫位。平均年齡（34.0± 12.6）歲（范圍18～65歲），左側(cè)10例，右側(cè)13例。男性17例，女性6例。均為外傷后急診收治。

1.2 方法

橈骨頭模型三維重建：將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件。在軟件內(nèi)分別區(qū)分并重建橈骨頭及每個(gè)骨折塊骨折塊。小于3%面積的游離骨塊不計(jì)（圖1）。

南通一些特定的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)如跳馬伕等可以借助于其雄渾的氣勢(shì)、整齊的節(jié)奏等表達(dá)守土有責(zé)、勇敢無(wú)畏的意識(shí)，而通過(guò)演繹鐘馗嬉蝠則容易使人在亦莊亦諧的氛圍中感受到民間對(duì)懲惡揚(yáng)善、四季平安的期盼。而海安花鼓、十番鑼鼓等可讓人在享受各種感官盛宴的同時(shí)體悟不同文化相互包容借鑒學(xué)習(xí)的積極意義。

圖1 橈骨頭游離骨塊重建Fig.1 Reconstruction of fracture fragments of radial head

1）骨折虛擬復(fù)位：根據(jù)骨折線，手工對(duì)橈骨頭骨塊進(jìn)行虛擬復(fù)位（圖2）。將橈骨頭拼裝為完整的橈骨頭關(guān)節(jié)面。根據(jù)橈骨頭關(guān)節(jié)面，自動(dòng)生成與之相匹配的擬合圓面；并標(biāo)記圓心與橈骨粗隆最突出點(diǎn)之間的連線。橈骨粗隆的三維標(biāo)記方法依據(jù)van Leeuwen 2012年文獻(xiàn)所述[5]。

圖2 橈骨頭游離骨塊復(fù)位及定位Upper Fig.Visual restoration of reconstructed fracture fragments of radial head;Lower Fig.Visual circle of radial head joint and location of bicipital tubercle,with circle center and bicipital tubercle as markersFig.2 Restoration and location of fracture fragments of radial head fracture

2）旋轉(zhuǎn)橈骨頭至肘關(guān)節(jié)中立位：以橈骨頭關(guān)節(jié)面為中心，旋轉(zhuǎn)橈骨。當(dāng)俯視圖上橈骨粗隆位與矢狀面呈42.6°夾角時(shí)，前臂為中立位[8]。

3）將骨折塊及擬合面導(dǎo)入Photoshop進(jìn)行處理，計(jì)算游離骨塊占關(guān)節(jié)面面積比例，并提取游離骨塊的中心點(diǎn)。與橈骨干相連的關(guān)節(jié)面不計(jì)入游離骨塊，不作處理。

以圓心為原點(diǎn)（0，0），外側(cè)為X軸正向，前方為Y軸正向建立坐標(biāo)系。

骨塊中心點(diǎn)坐標(biāo)公式為：

X等于骨折塊內(nèi)所有像素橫坐標(biāo)之和除以像素?cái)?shù)。

Y等于骨折塊內(nèi)所有像素縱坐標(biāo)之和除以像素?cái)?shù)。

多個(gè)游離骨塊可提取出多個(gè)骨折塊中心。

以所有橈骨頭擬合圓的平均直徑為直徑，統(tǒng)一圖像規(guī)格。將所有游離骨折塊中心點(diǎn)重疊至標(biāo)準(zhǔn)視圖中。獲取游離骨塊中心分布圖（圖3）。

圖3 游離骨塊圖像提取Dotted lines show the free fragment edge，blue points are the centers，and blue curves indicate the fracture line.Non-free fragment edge is not included.The image is rotated，and the position of bicipital tubercle is indicatedFig.3 Image extract of fracture fragments

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

記錄每例患者的橈骨頭關(guān)節(jié)面擬合圓的直徑，骨折Mason分型，游離骨折塊數(shù)量，游離骨折塊面積占橈骨頭關(guān)節(jié)面比例、骨折塊中心坐標(biāo)等。

2 結(jié)果

23例橈骨頭骨折，共計(jì)產(chǎn)生43塊骨折塊，平均（1.9±0.7）塊。三聯(lián)征損傷者，橈骨頭骨折塊26塊，平均（2.2±0.6）塊，非三聯(lián)征損傷者橈骨頭骨折塊17塊，平均為（1.5±0.7）塊。二者有顯著差異（表1）。

MasonⅠ型骨折4例，均為非三聯(lián)征骨折，均產(chǎn)生游離骨塊1塊。MasonⅡ型骨折13例，產(chǎn)生游離骨塊24塊，平均（1.8±0.5）塊。其中三聯(lián)征病例7例，產(chǎn)生14塊，平均（2±0.5）塊；非三聯(lián)征病例6例，產(chǎn)生10塊，平均（1.7±0.5）塊。MasonⅢ型骨折6例，產(chǎn)生游離骨塊15塊，平均（2.5±0.5）塊。其中三聯(lián)征病例5例，產(chǎn)生12塊，平均（2.4±0.5）塊；非三聯(lián)征病例1例，產(chǎn)生3塊（圖4～7）。

圖4 游離骨塊中心點(diǎn)疊加融合圖Twenty-three cases with 43 fragments are shown.The centers of fracture fragments are in blueFig.4 Overlay fusion graph of centers of fracture fragments

骨折塊面積比及各象限分布數(shù)據(jù)如下（表1）

表1 橈骨頭骨塊數(shù)據(jù)Tab.1 Data of fracture fragments of radial head

3 討論

通過(guò)三維重建，虛擬復(fù)位技術(shù)，可以對(duì)骨折塊大小，位置分布進(jìn)行定量數(shù)據(jù)分析?；跀?shù)字圖像的分析可以更加準(zhǔn)確地對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行描述，同時(shí)能最大程度地減少人為因素導(dǎo)致的誤差。

圖6 游離骨塊中心點(diǎn)分類圖Red points represent cases of traid injuryFig.6 Classification graph of centers of fracture fragments

圖7 游離骨塊中心點(diǎn)分類圖Green points represents cases of traid injuryFig.7 Classification graph of centers of fracture fragments

既往文獻(xiàn)對(duì)橈骨頭骨折塊形態(tài)特點(diǎn)研究較少。Guitton等[9]通過(guò)對(duì)46例橈骨頭骨折塊重建，分析橈骨頭骨塊數(shù)量和穩(wěn)定性之間的關(guān)系。其中3例MasonⅠ型病例均為穩(wěn)定骨折；26例MasonⅡ型病例中，有7例穩(wěn)定，19例不穩(wěn)定；17例MasonⅢ型病例均不穩(wěn)定。筆者認(rèn)為MasonⅡ型骨折大多伴隨多個(gè)骨折塊，并且骨折塊體積小，難以固定。van Leeuwen等[5]通過(guò)CT對(duì)MasonⅡ型骨折的骨折塊對(duì)應(yīng)弧度進(jìn)行定量分析，建立以橈骨粗隆為0°，順時(shí)針每隔30°劃分的鐘面對(duì)骨折線起止點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果提示，在肘關(guān)節(jié)中立位時(shí)，骨折塊起始位置平均為（97.0°±48.3°）（范圍31°～254°）；骨折塊結(jié)束位置平均為（241.6°±61°）（范圍19°～330°）；骨折塊對(duì)應(yīng)弧度平均為（170.0°±32.8°）（范圍99°～252°）；24例患者中22例骨折塊位于前外側(cè)，2例位于后外側(cè)。

本研究著重分析骨折塊中心點(diǎn)的分布。通過(guò)量化計(jì)算，分表標(biāo)記出所有骨折塊中心點(diǎn)位置。并將其統(tǒng)一至標(biāo)準(zhǔn)視圖上，進(jìn)行重疊融合。在所有23例肘關(guān)節(jié)骨折產(chǎn)生的43個(gè)骨折塊中，前方30塊多于后方13塊，外側(cè)24塊多于內(nèi)側(cè)19塊。其中前外象限分布最多16塊（37%），其次為前內(nèi)14（33%），后外8（19%），后內(nèi)5（12%）。數(shù)據(jù)支持既往文獻(xiàn)中所對(duì)橈骨頭骨折塊分布的描述。

肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征包含了肘關(guān)節(jié)后脫位損傷。既往文獻(xiàn)對(duì)這類損傷的橈骨頭骨折描述較少。本研究針對(duì)三聯(lián)征損傷的橈骨頭骨折塊分布進(jìn)行了描述，結(jié)果顯示，橈骨頭骨折塊前方游離骨塊數(shù)量約為后方的2.5倍（前方19后方7）。與肘關(guān)節(jié)后脫位時(shí)橈骨頭損傷機(jī)制相符合。其中前外側(cè)最多為10塊（38%），而后內(nèi)側(cè)最少為2塊（8%）。后內(nèi)側(cè)骨塊對(duì)應(yīng)的橈骨頭均為頸部斷裂的完全橈骨頭骨折。非三聯(lián)征損傷骨折塊同樣主要位于前方和外側(cè)，但分布相對(duì)均勻，不同的暴力方向可能導(dǎo)致不同區(qū)域的骨折。橈骨頭通常抵抗的是外翻應(yīng)力和后脫位，故損傷多位于前外側(cè)。

本研究的不足之處在于，所有CT數(shù)據(jù)均為肘關(guān)節(jié)部，不包含橈骨遠(yuǎn)端。導(dǎo)致旋前位置只能通過(guò)橈骨粗隆來(lái)進(jìn)行標(biāo)記，個(gè)體的解剖差異可能導(dǎo)致位置精度下降。

肘關(guān)節(jié)三聯(lián)征的橈骨頭骨折塊大多分布于前臂中立位的前外側(cè)，絕大多數(shù)具有2～3塊骨折塊，屬于Mason分型的Ⅱ型/Ⅲ型。

通過(guò)計(jì)算機(jī)重建及虛擬復(fù)位、圖像重疊融合技術(shù)，可以更好、更精確的對(duì)骨折塊進(jìn)行定量描述和統(tǒng)計(jì)分析。有助于提高醫(yī)師對(duì)疾病的理解。

[1] Mason ML.Some observations on fractures of the head of the radius with a review of one hundred cases[J].Br J Surg，1954，42（172）：123-132.

[2]Wake H，Hashizume H，Nishida K，et al.Biomechanical analysis of the mechanism of elbow fracture-dislocations by compression force[J].J Orthop Sci，2004，9（1）：44-50.

[3] Capo JT，Shamian B，F(xiàn)rancisco R，et al.Fracture pattern characteristics and associated injuries of high-energy，large fragment，partial articular radial head fractures：a preliminary imaging analysis[J].J Orthop Traumatol，2015，16（2）：125-131.

[4] Beingessner DM，Dunning CE，Beingessner CJ，et al.The effect of radial head fracture size on radiocapitellar joint stability[J]. Clin Biomech（Bristol，Avon），2003，18（7）：6776-6781.

[5] Van leeuwen DH，Guitton TG，Lambers K，et al.Quantitative measurement of radial head fracture location[J].J Shoulder Elbow Surg，2012，21（8）：1013-1017.

[6] Gupta C，Kalthur SG，Malsawmzuali JC，et al.A morphological and morphometric study of proximal and distal ends of Dry Radii with its Clinical Implications[J].Biomed J，2015，38（4）：323-328

[7] Mellema JJ，Janssen SJ，Guitton TG，et al.Quantitative 3-dimensional computed tomography measure-ments of coronoid fractures[J].J Hand Surg Am，2015，40（3）：526-533.

[8] Hutchinson HL，Gloystein D，Gillespie M.Distal biceps tendon insertion：an anatomic study[J].J Shoulder Elbow Surg，2008，17（2）：342-346.

[9] Guitton TG，van der werf HJ，Ring D.Quantitative threedimensional computed tomography measurement of radial head fractures[J].J Shoulder Elbow Surg，2010，19（7）：973-977.

Multiple-image fusion technique instudy of features of radial head fractures

ZHANG Yingqi1，WANG Xin1，ZHANG Shimin2，LI Shuang2
1.Department of Orthopaedics，Tonji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China；2.Department of Orthopaedics，Yangpu Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200090，China

ObjectiveTo investigate the features such as area and location of fracture fragments of radial head fractures using multiple-image fusion technique，and summarize the morphology of radial head fractures of traid injury.MethodsThe CT findings of elbow joint of 23 patients with radial head fractures were collected，including 12 cases of traid injury and 11 cases of non-traid injury.The fractured fragments were reconstructed and virtually restored.The locations of the centers of fracture fragments of radial head fractures were measured，and the scattergram was created to show the centers of fragments.ResultsThere were 43 fracture fragments in 23 patients with radial head fractures，with a mean of（1.9±0.7）fragments in each patient.There were 26 fragments in patients with radial head fractures of traid injury，with a mean of（2.2±0.6）fragments.There were 17 fragments in patients with radial head fractures of non-traid injury，with a mean of（1.5±0.7）fragments.ConclusionFor radial head fractures of traid injury，the most common location of fracture fragments is the anterolateral quadrant with the forearmin neutral rotation.There were 2 to 3 fracture fragments in most cases，belonging to Mason typeⅡ/Ⅲ.Computed reconstruction，virtual restoration and multipleimage fusion technique can help in the precise quantitative description and statistical analysis of fracture fragments.

Radial head fractures；3D reconstruction；Image fusion

R683.41

A

2095-378X（2016）04-0229-05

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.04.002

2016-10-28）

國(guó)家自然科學(xué)基金（81171701）

張英琪（1985—），男，博士，研究數(shù)字骨科，虛擬手術(shù)及快速成型技術(shù)在骨科的應(yīng)用；電子信箱：realzyq@126. com