肖建林,劉 潼,秦彥國,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,吉林長春 130033）

膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的運動關(guān)節(jié),運動功能要求高。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、運動障礙等,嚴重影響患者的生活質(zhì)量。除常規(guī)保守的治療方法外,對于嚴重的病例,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,因為恢復(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,要求達到負重、伸屈、外展及旋轉(zhuǎn)活動,穩(wěn)定性好。盡管全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在我國已開展十多年,但使用的多為進口人工膝假體[1],股骨截骨都參照西方人的測量數(shù)據(jù)6[2,3]。進行截骨,正常國人的外翻角并沒有大量樣本報道。作者通過CTA掃描數(shù)據(jù),借助于mimics及geomagic的技術(shù)來模擬膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中情況,提供一種模擬術(shù)中正常國人股骨外翻角測量的一種方法。

1 材料與方法

1.1 對象

單位:吉林大學(xué)白求恩第三醫(yī)院骨科 對象:吉林大學(xué)白求恩第三醫(yī)院住院患者,進行了下肢CTA掃描,無骨骼疾患者(35歲男 膝關(guān)節(jié)無疾病、無畸形的成年人）。方法:雙下肢均進行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端共計2673層左右的斷層切片數(shù)據(jù)。圖像處理及建模、測量軟件: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,在股骨三維模型重建前,必須在mimics10.0中對原始的二維CTA數(shù)據(jù)進行必要的預(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),需對原始的二維CT斷層圖像進行分割處理。根據(jù)骨骼在CT圖像中灰度值的分布特點,利用“灰度閾值法”對圖像進行分割,以及運用橡皮擦等工具對骨盆、脛腓骨以及血管等信息進行切割,通過分割、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,閾值過高會造成過度分割,我們選擇閾值范圍(180-3071）,特別是對骨質(zhì)比較疏松的數(shù)據(jù)會產(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 股骨部分斷層的分割結(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)過二值化處理后會產(chǎn)生骨皮質(zhì)不連續(xù),因此,需要對上述各層二值圖像做填充處理。通過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中進行三維重建,形成三維股骨模型。

圖2 通過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端髁間窩的最遠端存在皮質(zhì)的一張橫斷面,即為髁間窩最頂點,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A,于此點向股骨近端做一直徑為4 mm長度為200 mm的圓柱,通過調(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)三個特征點的三維坐標(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)過對二維圖像的閾值二值化分割、區(qū)域填充等處理后,進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,wangroongsub等[4]指出:髓內(nèi)定位桿入針點應(yīng)在股骨髁間切跡頂部內(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)準確找到髁間窩頂點,我們要求髓內(nèi)定位桿盡可能接近股骨遠端解剖軸,故我們選擇髁間窩最頂點作為膝關(guān)節(jié)中心,并將此點作為髓內(nèi)定位桿的入針點。通過調(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)定位桿遠端與前皮質(zhì)相切,結(jié)合股骨遠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)定位追蹤儀來確定的股骨頭中心,蘇永松等[8]報道基于CT影像數(shù)據(jù),利用髖關(guān)節(jié)球面中心差值的方法計算股骨頭中心點,丁輝等[9]基于CT圖像重建股骨三維模型,通過計算的方法得出股骨頭及膝關(guān)節(jié)中心,You Wang等[10]通過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,通過上述操作我們準確的找到了目標(biāo)的特征點,就確定了股骨解剖軸線及機械軸線,指導(dǎo)術(shù)中股骨遠端的截骨外翻角度。下一步工作我們將利用此方法進行大樣本的測量,得出國人正常的外翻角,以指導(dǎo)適合國人的截骨參數(shù)。

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