實驗犬股骨的三維CT重建及髓腔測量

王毅 賈明鳴

(哈醫大一院骨外科 黑龍江哈爾濱 150001)

由于目前因疾病、運動創傷和老齡化等因素導致的關節病變逐漸增多,許多患者需借助人工關節置換恢復關節功能,保證生活質量。目前的關節假體材料不能完全滿足人體生理環境、關節生物力學、及服役壽命的要求。對于人工關節假體的材料、生物力學、假體松動等實驗研究,需要實驗動物犬。實驗過程中假體的設計和制作需要有相對準確的關于實驗犬股骨的數據,目前報道甚少。本研究通過對正常犬股骨進行CT三維重建,測量髓腔的解剖學參數,為動物實驗及動物實驗假體設計提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣本來源

成年健康犬10只(20根股骨),體重20～25kg,不限。犬齡1年,由哈爾濱醫科大學實驗室提供。采用頸總動脈放血法處死,剝離后得到實驗犬股骨。將股骨煮1～2h,利用燒煮法去除殘留肌肉。再置入預先配置的氫氧化鈉溶液浸泡2d,使剩余肌肉腐蝕干凈,同時脫去部分脂類物質,然后用清水漂洗干凈,晾干,得到實驗犬股骨標本。

1.2 二維CT圖像

使用德國西門子16層CT機。對股骨標本沿長軸方向進行橫斷面掃描,掃描基本參數如下:床速1mm/s,螺距12.5,層厚0.6mm,窗寬200HU,窗位1500HU。

1.3 股骨的三維重建

掃描后儲存在主機的EMI格式的CT圖像數據傳送到CT三維重建的工作平臺內,經由圖像儲存庫的USB端口傳入移動硬盤內,再將移動硬盤的數據傳至小型計算機工作平臺內待后期處理。再根據圖像工作站的三維菜單所提示的操作,同時使用表面陰影顯示及多平面重建和傾斜重建兩種方法處理。將圖像任意轉動,取最佳角度觀察。

1.4 犬股骨髓腔的測量

掃描范圍自轉子間至股骨髁上,分別在所需測量的層面利用計算機進行切割,共切割20層,測量其斷端髓腔內徑,包括橫徑和長徑。將所獲取的數據搜集整理后,利用SPSS 10.0統計軟件計算其均值。

2 討論

近年來,國內外學者對重建人體骨骼的三維數字化模型的研究日益增多。例如,Flachi等利用螺旋CT重建骨盆三維模型,用于診斷骨盆骨折,并制定手術方案。騰勇[1]等經CT數據計算機重建膝關節三維輪廓,實現個性化膝關節假體設計。股骨的三維重建,能夠準確、完整地描述出股骨的立體結構,有助于測量股骨的解剖形態,設計適合患者髓腔形狀的假體,選擇正確的手術入路,以減少術后并發癥的發生。

隨著社會人口的老齡化趨勢,關節病患者日益增多,人工關節置換手術也在不斷增加。美國每年實施人工全髖關節置換手術達15萬例。目前,臨床上應用的人工髖關節多為預先制好的標準假體,而病人個體存在較大差異,很難保證標準的假體柄與病人的骨髓腔能夠形成良好的匹配。在多數情況下,假體柄與股骨上段骨髓腔的接觸面積小,往往存在較大的間隙,從而使載荷傳遞效果和應力分布情況變差,難以保證人工關節的長期穩定。即使使用具有生物學固定作用的多孔表面假體,由于骨組織不能充分長入微孔內,假體仍將發生松動。隨著人工關節置換術的增多,需要手術翻修的病例也越來越多,由于翻修手術的復雜性,當假體周圍有大量骨缺損又不能使用標準假體時,僅有常規型號假體明顯滿足不了臨床需要。股骨上段髓腔形態結構與股骨假體柄的形態是否匹配及匹配的程度是假體柄使用壽命的關鍵。無論是骨水泥型還是非骨水泥型人工髖關節,股骨假體與股骨上段髓腔的匹配與否都直接影響到手術的近期及遠期效果。只有股骨假體與股骨上段髓腔非常匹配,假體與骨緊密接觸時,股骨上段才能對假體起最大的支撐作用,否則,強度和剛度都非常差的松質骨難以承受假體的負荷,最終出現松動。骨水泥周圍的松質骨不能給予假體足夠的支持,是導致假體松動的主要原因。假體與髓腔的不匹配導致骨—假體界面或骨—骨水泥界面在負荷下產生機械性微動。

越來越多關于人工髖關節假體的材料、生物力學、假體松動等實驗研究,實驗動物多選擇實驗犬。然而,現今國內外還缺少犬類股骨的正常解剖數據值的相關報道,對應用于實驗犬股骨假體的設計缺少有力數據依據。以往對股骨的有限元分析,均對其作簡化處理,假設股骨為實心結構,忽略了股骨髓腔的存在,分析結果必然引起一定誤差。并且大部分股骨模型由于形狀復雜,只是簡單建立了近端股骨模型,而沒有建立完整的股骨模型。本文通過三維CT重建技術,獲取實驗犬股骨圖像,通過專業軟件在計算機上測量了精確地髓腔內徑的數據,真實地描述了股骨的解剖形態,有利于相應匹配假體的設計,為人工髖關節置換犬動物試驗奠定基礎。同時該數據在此基礎上有利于完整三維實體圖像的制作,能明顯降低研究的成本,提高研究的效果。

[1]滕勇.應用快速成型技術制造骨科個體化內植物[J].中國矯形外科雜志,2004,12(14):1077～1079.