王發(fā)圣，陳杰，謝昀

福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，福州 350005

橈骨粗隆是肱二頭肌在橈骨上的止點(diǎn)，是臨床定位橈骨小頭的重要骨性標(biāo)志，普遍存在于橈骨頸下內(nèi)側(cè)且位置固定[1]。既往關(guān)于橈骨粗隆在水平面上的定位研究具有一定的主觀性[2]。本研究利用工程學(xué)慣量主軸原理[3]建立一個(gè)基于橈骨慣量主軸的穩(wěn)定參考系，定量描述和分析CT 水平面圖像上橈骨粗隆標(biāo)志點(diǎn)相對(duì)橈骨長(zhǎng)軸的旋轉(zhuǎn)角度。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

研究對(duì)象為44例完全去除軟組織的無(wú)明顯缺損的橈骨標(biāo)本，其中左橈骨17例，編號(hào)為L(zhǎng)1-L17；右橈骨27例，編號(hào)為R1-R27。標(biāo)本由福建醫(yī)科大學(xué)解剖學(xué)教研室提供，實(shí)驗(yàn)過(guò)程符合福建醫(yī)科大學(xué)尸體標(biāo)本使用倫理要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 肉眼觀察 對(duì)橈骨粗隆上軸向嵴的數(shù)量和分布進(jìn)行觀測(cè)，依據(jù)Mazzocca 等[1]的方法對(duì)其進(jìn)行分類。

1.2.2 CT 掃描及圖像傳輸 將標(biāo)本分批放置于固定架中進(jìn)行CT 掃描，每根橈骨以不同擺放位置掃描4次，測(cè)量結(jié)果取其平均值。本研究掃描參數(shù)為：球管電流190 mA，球管電壓：140 kv，掃描速度0.35 s/360°，掃描范圍：500 mm×500 mm 視窗，掃描層厚度：1 mm。掃描數(shù)據(jù)以DICOM 格式存儲(chǔ)。

1.2.3 圖像處理及構(gòu)建橈骨三維模型 使用Mimics21.0 讀取圖像文件，該軟件自動(dòng)識(shí)別并對(duì)讀取的CT 圖像中每個(gè)像素分配其密度值。在Mimics 軟件上對(duì)原始圖像進(jìn)行閾值分割，在選定的閾值區(qū)間將所選取的像素集合成三維圖像，即完成橈骨CT 圖像的三維模型的建立。

1.2.4 計(jì)算橈骨模型慣量主軸 用Mimics 軟件自帶的數(shù)據(jù)分析工具對(duì)橈骨三維模型進(jìn)行幾何表征。對(duì)于每一根橈骨，根據(jù)橈骨三維模型中的像素分布通過(guò)質(zhì)心算法[4]計(jì)算出該模型的質(zhì)心，進(jìn)一步計(jì)算出經(jīng)過(guò)其質(zhì)心的3 條互為垂直的慣量主軸X、Y、Z 軸，其中第一主軸Z 軸是由構(gòu)成模型的所有點(diǎn)集所描述的回歸線，對(duì)應(yīng)橈骨的主旋轉(zhuǎn)軸即橈骨長(zhǎng)軸（圖2）。

圖2 橈骨三維模型慣量主軸（紅線為X 軸，綠線為Y 軸，藍(lán)線為Z 軸，白色箭頭指質(zhì)心）a：橈骨模型的質(zhì)心及3 條慣量主軸X、Y、Z 軸b：X、Z 軸所確定的矢狀面c：Y、Z 軸所確定的冠狀面d：X、Y 軸所確定的水平面Fig.2 The inertia principal axis of the 3D model of radius(the red line was X axis,the green line was Y axis,the blue line was Z axis,and the white arrow pointed to the center of mass)a:The center of mass and three axes of inertia(X、Y and Z)of the radius model；b:The sagittal plane was determined by the X and Z axes; c:The coronal plane was determined by the Y and Z axes;d:The horizontal plane was determined by the X and Y axes

1.2.5 測(cè)量點(diǎn)選取及參考系確定 此次研究選取的橈骨粗隆標(biāo)志點(diǎn)為橈骨粗隆內(nèi)側(cè)嵴最突出點(diǎn)，利用Mimics 軟件基于橈骨的慣量主軸創(chuàng)建新的CT 水平面視圖，在該CT 水平面視圖上對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，在建立的三維模型上自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)，該標(biāo)志點(diǎn)及三維模型上任意點(diǎn)有其對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)。慣量主軸X、Y、Z 在Mimics 軟件原始三維坐標(biāo)系中分別有其對(duì)應(yīng)的向量坐標(biāo)，見(jiàn)圖3。

1.3 角度計(jì)算及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究定義：橈骨粗隆旋轉(zhuǎn)角α為橈骨粗隆標(biāo)志點(diǎn)與橈骨長(zhǎng)軸（Z 軸）軸心連線在水平面相對(duì)X 軸的投影角，由內(nèi)前側(cè)向內(nèi)后側(cè)角度增加。利用坐標(biāo)通過(guò)幾何計(jì)算方法算出投影角α度數(shù)（圖3d）。最后所有數(shù)據(jù)錄入SPSS Statistics 26.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，計(jì)數(shù)資料以百分比表示，并以K-S 檢驗(yàn)正態(tài)性，sig＞0.05 為正態(tài)分布，反之為非正態(tài)分布。

圖3 橈骨粗隆標(biāo)志點(diǎn)及角αa：標(biāo)記CT 水平面圖像上橈骨粗隆后側(cè)嵴最突出點(diǎn) b：三維模型上對(duì)應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn) c：橈骨三維模型水平面視圖（AL.外前側(cè) AM.內(nèi)前側(cè) PM.內(nèi)后側(cè)PL.外后側(cè) 紅線為X 軸，綠線為Y 軸）d：水平面慣量主軸坐標(biāo)系Fig.3 The mark point of radius tuberosity and Angle αa: The most prominent point（P）of the posterior ridge of the radial tuberosity was marked on the CT horizontal image(arrow); b: Point P on the 3D model; c:Horizontal view of the 3D model of radius (AL，anterolateral； AM，anterolateral；PM，posterolateral；PL，posterolateral,the red line was X axis,the green line was Y axis); d: Horizontal coordinate frame of the inertia axis

2 結(jié)果

2.1 橈骨粗隆分類

圖1 Mimics 構(gòu)建橈骨三維模型a：橈骨原始CT 掃描圖像b：閾值分割c：計(jì)算模型多義線d：橈骨三維模型Fig.1 3D model of radius constructed by Mimicsa：Original CT scan image of radius; b：Threshold segmentation; c:The polysemous lines of the model; d:3D model of radius

表1 橈骨粗隆類型統(tǒng)計(jì)Tab.1 Summary of radius tuberosity type

根據(jù)橈骨粗隆上軸向嵴的數(shù)量，可分為光滑型（0條嵴）、單嵴型（1 條嵴）、雙嵴型（2 條嵴）3 種類型[1]。本研究中未發(fā)現(xiàn)光滑型橈骨粗隆，且所有橈骨粗隆存在后側(cè)嵴（圖4），結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下。

圖4 橈骨粗隆肉眼觀及其CT 圖像（黃色箭頭指前側(cè)嵴，紅色箭頭指后側(cè)嵴）a：雙嵴型橈骨粗隆R1 標(biāo)本b：?jiǎn)吾招蜆锕谴致27 標(biāo)本c：R1 的CT 水平面圖像d：R27 的CT 水平面圖像Fig.4 Radius tuberosity specimen and its CT image (The yellow arrow indicated the anterior ridge,and the red arrow indicated the posterior ridge)a:The double-ridge type radius tuberosity specimen R1;b:The single-ridge type radius tuberosity specimen R27; c: The CT horizontal image of R1; d: The CT horizontal image of R27

2.2 慣量主軸穩(wěn)定性驗(yàn)證

在同一根橈骨標(biāo)本按不同擺放位置掃描4 次分別構(gòu)建的模型中，觀察到模型的質(zhì)心位置、慣量主軸方向與模型擺放位置、CT 掃描方向無(wú)關(guān)，質(zhì)心、慣量主軸在模型上的相對(duì)位置始終一致（圖5）。

圖5 根據(jù)L1 不同擺放位置掃描構(gòu)建CT 三維模型及其質(zhì)心、慣量主軸Fig.5 The 3D model,center of mass and inertia principal axis were constructed by scanning CT according to different positions of L1

2.3 橈骨粗隆測(cè)量角α

橈骨粗隆測(cè)量角α的計(jì)算結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析如表2所示。

表2 橈骨粗隆測(cè)量角α數(shù)值統(tǒng)計(jì)Tab.2 The numerical analysis of angle α

上述結(jié)果中左右橈骨標(biāo)本角α數(shù)值均呈正態(tài)分布，左、右橈骨標(biāo)本α角經(jīng)t檢驗(yàn)（P>0.05）其差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。經(jīng)Pearson 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，α大小與所在橈骨長(zhǎng)度無(wú)顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 橈骨粗隆定位標(biāo)志選擇

橈骨粗隆是肱二頭肌在橈骨的附著點(diǎn)，肱二頭肌貢獻(xiàn)了肘關(guān)節(jié)20%旋后和40%屈肘的力量，這對(duì)于維持肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性極為重要[5]。橈骨粗隆的形態(tài)與大小盡管在個(gè)體之間存在差異，但普遍位于橈骨近端[1]。本研究的觀測(cè)結(jié)果也印證了這一點(diǎn)，且發(fā)現(xiàn)無(wú)論是肉眼觀察還是橈骨CT 影像，44 具橈骨標(biāo)本的橈骨粗隆均可辨識(shí)，將其作為CT 影像上橈骨近端的參照標(biāo)志是可行的。

基于橈骨粗隆的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，本研究選取橈骨粗隆上的后側(cè)嵴突出點(diǎn)作為橈骨三維空間結(jié)構(gòu)上相對(duì)位置的標(biāo)志點(diǎn)。Mazzocca 等[1]對(duì)128 具橈骨尸體標(biāo)本進(jìn)行解剖學(xué)研究，依據(jù)橈骨粗隆形態(tài)、橈骨粗隆上與橈骨長(zhǎng)軸平行的軸向嵴突的數(shù)量將橈骨粗隆分為光滑型（無(wú)嵴型）、單嵴型、雙嵴型。在本研究中，橈骨粗隆的嵴在大體標(biāo)本上清晰可辨別，在CT 水平面視圖上也表現(xiàn)為可識(shí)別的明顯突起；未見(jiàn)典型的光滑型橈骨粗隆，且發(fā)現(xiàn)在所有橈骨粗隆中后側(cè)嵴是恒定存在的，這一點(diǎn)是既往研究未曾描述的。肱二頭肌與屈肘、前臂旋后運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，因此橈骨粗隆后側(cè)嵴的存在可能與肱二頭肌遠(yuǎn)端肌腱的分布走行與受力方向有關(guān)[6]。由于后側(cè)嵴在橈骨粗隆上結(jié)構(gòu)恒定，CT 視圖上亦可清晰辨別，故本研究將其作為橈骨粗隆的精確解剖定位標(biāo)志。

3.2 解剖坐標(biāo)參考系選擇

精準(zhǔn)定位橈骨粗隆的前提是建立一個(gè)穩(wěn)定的空間坐標(biāo)參考系。Hutchinson 等[2]曾對(duì)20 具橈骨粗隆在水平面的位置進(jìn)行研究，固定橈骨遠(yuǎn)端的Lister’s 結(jié)節(jié)和橈骨尺側(cè)保持橈骨標(biāo)本穩(wěn)定，選擇通過(guò)橈骨橫斷面中心的水平線作為橫軸，與之垂直的直線作為縱軸建立平面坐標(biāo)系。筆者認(rèn)為這一位置和參考軸的確定容易受到研究者主觀因素和標(biāo)本擺放位置客觀因素的影響，其可重復(fù)性較差。為提高測(cè)量的精確性，需要建立穩(wěn)定性更好的空間坐標(biāo)參考系。

既往研究已經(jīng)驗(yàn)證在旋轉(zhuǎn)、平移或尺寸改變時(shí)，骨骼保持其幾何特征不變[7]，CT 圖像能準(zhǔn)確地反映掃描骨骼的幾何特性。隨著CT、MRI 等橫斷面成像系統(tǒng)在臨床和研究中應(yīng)用的普及，引入橫斷面成像系統(tǒng)對(duì)標(biāo)本進(jìn)行更精確的測(cè)量是解剖學(xué)研究的趨勢(shì)[8]。CT 成像系統(tǒng)自帶的平面正交參考系較Hutchinson 等[2]在尸體標(biāo)本上建立的參考系顯然穩(wěn)定性更佳，但仍存在較大局限性，因?yàn)椴粌H每次標(biāo)本掃描時(shí)重復(fù)相同位置存在一定難度，且不同操作技師、不同儀器有不可避免的因素都可能導(dǎo)致掃描結(jié)果的偏差。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于在CT 精確掃描圖像的基礎(chǔ)上建立一個(gè)不受外界干擾而相對(duì)于掃描標(biāo)本保持穩(wěn)定的參考系。

3.3 基于慣量主軸原理構(gòu)建解剖參考系

自1750 年數(shù)學(xué)家歐拉發(fā)現(xiàn)并定義慣量主軸，慣量主軸在工程學(xué)、力學(xué)和微觀原子運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用[8]。目前對(duì)于慣量主軸的普遍觀點(diǎn)認(rèn)為：對(duì)于任一非完全對(duì)稱的剛體，通過(guò)其質(zhì)心存在3 條互為垂直的主軸，即為該剛體的慣量主軸，它與剛體的形狀和質(zhì)量分布有關(guān)，可通過(guò)一定數(shù)學(xué)計(jì)算得出[3]。結(jié)合前文論述，通過(guò)主觀劃分建立的參考系存在較大不穩(wěn)定性，而慣量主軸這一基于研究對(duì)象性質(zhì)客觀生成的參考軸是相對(duì)穩(wěn)定的。已有研究者應(yīng)用慣量主軸作為研究髕骨和腕骨形狀及結(jié)構(gòu)的解剖坐標(biāo)系[9,10]，研究顳下頜關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡變化[11]，研究肩關(guān)節(jié)內(nèi)各骨運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系[12]，或應(yīng)用慣量主軸的性質(zhì)客觀量化足骨等不規(guī)則骨的形狀[13]等等。

研究表明同一種族的健康人群中其橈骨的形態(tài)和密度分布具有高度相似性[14]。依據(jù)慣量主軸的原理，不同橈骨上的慣量主軸位置是相對(duì)恒定的。本研究中觀測(cè)到橈骨標(biāo)本以不同位置進(jìn)行CT 掃描，依據(jù)構(gòu)建模型計(jì)算生成的慣量主軸與模型的相對(duì)位置是恒定的，其不因模型空間位置的改變而變化（圖5）。當(dāng)不同橈骨的慣量主軸調(diào)整至統(tǒng)一的位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的橈骨便被擺放至相同的位置，便可建立以慣量主軸為基礎(chǔ)的解剖坐標(biāo)系。

此次研究的目的是測(cè)量CT 水平面圖像上橈骨粗隆相對(duì)橈骨的旋轉(zhuǎn)位置，因此選擇橈骨的慣量主軸中的X 軸（矢狀軸）、Y 軸（冠狀軸）建立平面坐標(biāo)參考系（圖3d），測(cè)得橈骨粗隆后側(cè)嵴相對(duì)于橈骨主旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度是（82.93±5.55）°。且發(fā)現(xiàn)在慣量主軸參考系中橈骨的位置與標(biāo)準(zhǔn)解剖學(xué)姿勢(shì)前臂處于旋后位時(shí)橈骨的位置相仿（圖2）。此外，此研究是基于CT 掃描結(jié)果，相較于尸體標(biāo)本研究而言，協(xié)助診斷肘關(guān)節(jié)疾病更切合臨床應(yīng)用。

需要指出的是本研究存在一定的局限性，依據(jù)慣量主軸生成的原理，慣量主軸的位置與剛體的形狀和質(zhì)量分布有關(guān)，因此慣量主軸的穩(wěn)定性是建立在剛體形狀和質(zhì)量分布穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上。此次研究以Mimics 模擬橈骨形狀和密度，但活體橈骨和離體橈骨標(biāo)本在形狀和密度上的差異目前還缺乏研究。就目前的研究發(fā)現(xiàn)，以慣量主軸為基礎(chǔ)建立的參考系是相對(duì)穩(wěn)定的解剖參考系，隨著后續(xù)研究，這一參考系可能有更廣闊的應(yīng)用前景及改進(jìn)。