基于CT圖像三維重建測量股骨外翻角

肖建林,劉 潼,秦彥國,李學州,劉亮,王曉玲,王金成,高忠禮

(吉林大學中日聯誼醫院骨科,吉林長春 130033）

膝關節是人體結構最復雜的運動關節,運動功能要求高。膝關節病變,如類風濕關節炎、骨性關節炎、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量。除常規保守的治療方法外,對于嚴重的病例,需行人工全膝關節置換術。隨著人工關節置換技術的發展,越來越多膝關節疾病患者接受全膝置換手術,期望恢復功能,減少痛苦。全膝置換手術確定患者下肢的力線是至關重要的,因為恢復下肢的力線是手術的基本原則。人工膝關節置換后,要求達到負重、伸屈、外展及旋轉活動,穩定性好。盡管全膝關節置換術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據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掃描數據,借助于mimics及geomagic的技術來模擬膝關節置換術中情況,提供一種模擬術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:吉林大學白求恩第三醫院骨科 對象:吉林大學白求恩第三醫院住院患者,進行了下肢CTA掃描,無骨骼疾患者(35歲男 膝關節無疾病、無畸形的成年人）。方法:雙下肢均進行CTA(TOSHIBA Aquilion 320排）Dicom影像數據,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據。圖像處理及建模、測量軟件:mimics10.0,geomagic12.0

1.2 數據處理

為了能從CTA掃描影像數據中提取與股骨相關的特征點,在股骨三維模型重建前,必須在mimics10.0中對原始的二維CTA數據進行必要的預處理,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的原始影像數據中包括骨骼、血管、肌肉和軟組織等部分,為獲取骨骼的三維數據,需對原始的二維CT斷層圖像進行分割處理。根據骨骼在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的信息。在“灰度閾值法”中閾值的選擇至關重要,閾值過高會造成過度分割,我們選擇閾值范圍(180-3071）,特別是對骨質比較疏松的數據會產生股骨頭不完整,反之,將產生不同骨骼之間的黏連。

圖1 股骨部分斷層的分割結果

1.2.2 填充 在閾值分割處理后,在股骨骨質比較疏松的地方CT圖像的灰度比較低,經過二值化處理后會產生骨皮質不連續,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,皮質邊緣平滑、連續

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的一張橫斷面,即為髁間窩最頂點,在該處皮質上做近似內切圓,選擇該圓心為髓內定位桿的入針點A,于此點向股骨近端做一直徑為4 mm長度為200 mm的圓柱,通過調整圓柱的方向,找到髓內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,得出髓內定位桿另一端中心B的三維坐標。

圖4 所示圓心即為髓內定位桿的入針點A

圖5 調整后的髓內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入geomagic中,經過平滑處理,形成三維股骨數據。

1.2.6 股骨頭旋轉中心的確定 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。

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 我們根據三個特征點的三維坐標,求出三維中∠BAC 結果 外翻角:左4.89°右4.91°。

2 討論

本文利用人體下肢CTA掃描影像數據,利用mimics,經過對二維圖像的閾值二值化分割、區域填充等處理后,進行三維重建形成三維骨骼模型,模擬術中髓內定位桿的位置與方向,于二維圖像上找到膝關節中心即髁間窩最頂點,wangroongsub等[4]指出:髓內定位桿入針點應在股骨髁間切跡頂部內側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節中心的方法,由于我們只有股骨相關參數及前面已經準確找到髁間窩頂點,我們要求髓內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節中心,并將此點作為髓內定位桿的入針點。通過調整髓內定位桿的位置,由于正常人股骨具有前弓,髓內定位桿遠端與前皮質相切,結合股骨遠端解剖軸的定義與術中髓內定位桿的植入方法與方向,J.A.Jeffery[6]指出術中股骨髓內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定位桿定義為術中股骨遠端解剖軸。然后將mimics重建的股骨三維模型導入geomagic中。黃雪梅等[7]利用光學定位追蹤儀來確定的股骨頭中心,蘇永松等[8]報道基于CT影像數據,利用髖關節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節中心,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中心,通過上述操作我們準確的找到了目標的特征點,就確定了股骨解剖軸線及機械軸線,指導術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,以指導適合國人的截骨參數。

[1]郭文正.人工膝設計應考慮的因素.國外醫學?生物醫學工程分冊,1994,17(5）:259.

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[3]Maquet P.Biomechanics of the knee.Springer-Verlag,Berlin,1976.

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[8]蘇永松,許忠信,李浩宇,等.先天性髖脫位手術計算機虛擬規劃中的測量技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2004,16(8）:1159.

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[10]Y.Wang,Y.Zeng,K.Dai,Z.Zhu and L.Xie,Normal lower-extremity alignment parameters in healthy southern Chinese adults as a guide in total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2010,25:563.