基于數字化三維重建技術的新西蘭兔橈骨解剖學觀測及研究

芮 敏, 鄭 欣, 李成宇, 姜 偉, 姚圣城, 郭開今

(徐州醫科大學附屬醫院骨科, 徐州 221006)

基于數字化三維重建技術的新西蘭兔橈骨解剖學觀測及研究

芮 敏, 鄭 欣, 李成宇, 姜 偉, 姚圣城, 郭開今

(徐州醫科大學附屬醫院骨科, 徐州 221006)

目的 利用CT圖像三維重建技術獲取不同月齡新西蘭兔橈骨的解剖學數據，為兔骨缺損實驗研究及制造骨組織工程支架提供參考。方法 選取3月齡及6月齡雄性新西蘭白兔各20只，根據兔月齡不同分為A組(3月齡)及B組(6月齡)，所有兔雙側橈骨行CT掃描，應用Mimicsl0.0軟件行數字化三維重建技術重建橈骨, 標定橈骨解剖標志后測量橈骨長度, 橈骨中點矢狀徑、橫徑, 前曲角及側曲角。結果 新西蘭白兔橈骨兩端粗大、中間細小, 中段存在明顯弧形凸起, A組及B組前曲角分別為(24.19±1.18)°及 (23.97±1.35)°, 側曲角分別為(26.13±1.04)°及 (25.66±1.23)°,二者差異均無統計學意義 (P＞0.05); A組橈骨線性長及曲線長分別為(63.05±1.33) mm及 (65.03±1.10) mm，B組分別為 (66.56±1.53) mm及(70.41±1.06) mm，組間比較差異均具有統計學意義(P＜0.05)。A組、B組橈骨中點橫徑分別為(4.24±0.19) mm及(4.30±0.23) mm; 中點矢狀徑分別為(3.23±0.16 mm)及(3.29±0.18) mm。中點橫徑、矢狀徑與橈骨長度均無相關性(P＞0.05)。結論 基于CT影像的新西蘭白兔橈骨數字化三維重建技術能良好反映橈骨外形, 可清晰識別橈骨解剖標志并進行解剖學測量，為兔骨缺損實驗研究及組織工程支架制造提供解剖數據。

數字化三維重建; 新西蘭白兔; 橈骨

在骨組織工程實驗研究中，骨缺損動物模型是應用最為廣泛的模型[1]，理想的骨缺損動物模型是獲得可靠實驗數據的基礎。新西蘭白兔是最常使用的實驗動物，既往實驗研究多采用游標卡尺等傳統工具測量橈骨標本以獲得相關解剖學參數，但該方法具有一定局限性[2]，如動物需處死后方能獲得骨標本進行測量，成本較大、可重復性低等[3]。

隨著醫學數字技術快速發展，數字化三維重建技術可對連續性斷層圖像進行三維重建，不僅能夠精確顯示骨骼三維外形，且能設置為任意角度及方向觀察其三維立體解剖結構，并利用計算機軟件精確測量相關參數[4]。本實驗通過對不同月齡新西蘭白兔橈骨經CT掃描后行三維重建及相關解剖學參數測量，并探討兔橈骨解剖學參數間的相關性以期為兔橈骨骨缺損動物模型及相關骨組織工程支架制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及分組

3月齡及6月齡普通級雄性新西蘭白兔各20只由江蘇省動物實驗中心提供[SCXK(蘇)2014-005]排除骨骼發育畸形等疾病。3月齡兔體質量(2.24±0.09) kg，6月齡兔體質量(3.24±0.10) kg。依據兔月齡將實驗兔分為A組(3月齡組)及B組(6月齡組[SYXK(蘇)2014-005]，每組共計40例橈骨標本

1.2 圖像采集與保存

所有兔經肌肉注射地西泮注射液(2 mg/kg), 鎮靜麻醉后取仰臥位，并使雙側前肢完全伸直，使用128排CT機(Definition Flash, 德國Siemens公司)行雙側前肢平掃。掃描范圍為肘關節至腕關節以確保獲取完整橈骨數據。掃描參數： 80 kV，300 mAs;層厚0.625mm，螺距0.6mm，旋轉時間1.0s。所獲得的連續性斷層圖像以Dicom格式存儲，每組共獲取40組兔橈骨CT影像數據。

1.3 三維重建與解剖參數測量

將掃描獲取的Dicom格式尺橈骨CT數據導入Mimics l0.0軟件(比利時Materialise公司)，對其進行數字化三維重建，并去除附著的軟組織及關節面軟骨。根據三維圖像中解剖標志定位確認橈骨干中點標記點，以此為參考獲得橈骨中點解剖平面及橈骨干解剖軸線，利用Mimics軟件進行影像解剖學參數測量。橈骨全長分別采用與大體測量技術相同的直線測量法及基于計算機軟件的曲線測量法，并對比這兩種技術所獲取的結果是否存在差異性；選取橈骨中點并分割出與中點處骨干垂直平面定義為橈骨中點橫截面。測量參數包括：橈骨全長(線性長及曲線長)、橈骨干中點矢狀徑、橫徑，前曲角，側曲角。其中，定義線性長為橈骨兩端關節面中點連線長；曲線長為經曲線測量工具所獲得的橈骨外側皮質長。前曲角及側曲角分別為側位圖、正位圖中橈骨曲度最高點與橈骨兩端皮質骨中點連線夾角。所有圖像均放大3倍以上進行操作，測量操作過程及結果均經兩人復查確認并取平均值以減少誤差。

1.4 統計學分析

應用SPSS16.0軟件進行統計分析, 所有數據均經正態性分布檢驗。計量資料以x-± s表示, 應用t檢驗比較兩組間測量參數，對兔橈骨長度與中點矢狀徑、中點橫徑進行相關性檢驗(Pearson/Spearman相關分析), P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 橈骨數字化三維重建影像

數字化重建后的新西蘭白兔尺橈骨三維圖像與大體標本相比無明顯失真，可清晰顯示橈骨形態，并能任意旋轉角度，從不同角度觀察兔橈骨的解剖特點，精確標定相應解剖標志、測量橈骨解剖參數。新西蘭白兔尺橈骨由上下尺橈關節緊密連接，橈骨近端外徑較遠端明顯粗大，且由兩端向橈骨中段逐漸減小，橈骨中段外徑相對恒定(圖1); 側位圖可見橈骨中部向橈側呈明顯弧形凸出，與尺骨凸起弧度基本一致(圖2); 正位圖可見橈骨中部呈弧形向外側稍凸出(圖3)。橈骨中點橫斷面圖像顯示橈骨斷面近似橢圓形，橫徑略大于矢狀徑(圖4)。

2.2 橈骨解剖參數測量

所有參數測量結果均經正態性檢驗分析，A組(3月齡)橈骨長度短于B組(6月齡)橈骨長度 (P＜0.05);A組及B組橈骨線性長度均短于曲線長度(t=7.261,P＜0.05; t=13.103, P＜0.05); 兩組橈骨中點橫徑、矢狀徑間的差異均無統計學意義(P＞0.05)(表1)。Pearson相關分析結果顯示, A、B兩組橈骨中點橫徑、矢狀徑與橈骨長度均無相關性(P＞0.05)(表2)。

圖1 數字化重建尺橈骨側位圖

圖2 橈骨側位及前曲角測量示意圖

圖3 橈骨正位及側曲角測量示意圖

圖4 橈骨中點橫截面及橫徑、矢狀徑示意圖

3 討論

新西蘭白兔橈骨解剖學參數是制備兔骨缺損動物模型及骨組織工程支架的重要參考數據，但目前尚沒有兔橈骨解剖學影像學測量的實驗研究。傳統的解剖學測量方法多是通過對動物尸體標本進行解剖、剝離后, 利用游標卡尺等工具進行測量，受實驗標本數量的限制，成本也較大、可重復性差[5]。鑒于此，作者采用計算機輔助的三維重建技術通過對連續性斷層圖像按其原始空間結構、位置進行三維重建，能夠保證樣本量及測量方法的可重復性虛擬解剖測量技術重建圖像時可去除附著于橈骨的肌肉、肌腱等組織，從任意角度及方向觀察兔橈骨大體形態，精確定位相關解剖標記點; 同時，還可利用相關軟件對橈骨任意平面切割，進行距離、角度等相關參數的測量，以求測量數據能夠更好地應用于兔橈骨骨組織工程實驗研究[6]。

表 1 橈骨參數測量值

表 2 參數間相關性分析(Pearson相關分析)

本研究三維重建圖像顯示新西蘭白兔橈骨并非規則的線性柱狀結構 (圖1)，其中段存在一定弧度，因而通過測量大體解剖標本的方法無法獲得精確的橈骨長度數據。作者通過模擬傳統方法測量橈骨全長，即直線測量法，并與曲線測量法對比，結果顯示橈骨線性長度小于曲線長度(P＜0.05)。這可能是由于傳統的線性測量法僅能測量橈骨兩端關節面間的直線距離，而兔橈骨中段存在明顯弧度，將其弧線長度簡單計算為線性距離往往導致測量誤差增大。本實驗6月齡兔橈骨直線長度與沈為棟等[2]的實驗結果存在一定差異，他們在實驗中使用游標卡尺測量5～6月齡新西蘭白兔橈骨, 其平均長度約為(70.66±1.91) mm。?zkadif等[4]采用多排CT對16只12～18月齡新西蘭白兔(8只雌性, 8只雄性)尺橈骨進行掃描三維重建后, 行解剖學測量表明, 雄性新西蘭白兔右側及左側橈骨直線長度分別(64.5±10.76)mm及(66.65±10.92) mm，二者間差異無統計學意義，其測量結果與本實驗6月齡組橈骨直線距離較為接近。本實驗及?zkadif等[4]的結果與沈為棟等[2]的結果不同，可能與橈骨大體標本兩端軟組織剝離不充分，部分附著于關節面有關。三維重建圖像時并未包括橈骨兩端關節面軟骨，而常規測量技術往往將關節軟骨計算在內，這些干擾因素可能是導致其測量結果大于本實驗結果的主要原因。另外，兩組實驗可能選取了不同封閉群的新西蘭白兔,它們的遺傳差異也可能導致二者橈骨參數不同。

在本研究中，3月齡兔橈骨長度約為6月齡兔橈骨長度的92.4%，相關性分析結果顯示，新西蘭白兔橈骨長度與體質量呈正相關。橈骨生長趨勢基本與Rivas等[7]研究結果一致，他們通過對新西蘭白兔長骨在不同生長階段的生長方式進行研究表明，16周齡兔長骨長度可達成年兔長骨長度的95%, 且其長骨在19～32周齡停止生長。本實驗三維重建圖像顯示新西蘭白兔橈骨形態不規則狀, 存在一定弧度, 其外徑由兩端向中段呈漸進性減小趨勢, 中段橫截面圖像顯示其橫徑略長于矢狀徑(圖4)。Giannoudis等[8]提出“骨組織工程菱形概念”，他們認為骨組織工程支架與骨缺損斷端間的機械穩定性對斷端骨愈合至關重要。因此，在實驗中選取規則的圓柱形結構支架往往導致支架與橈骨橫斷面及橈骨弧度不能完全匹配，而引起植入物與骨斷端間斷端機械性不穩、過度活動，甚至發生骨不愈合[9]，另外骨組織工程支架與宿主骨形態的不匹配也可能引起斷端新生骨的畸形愈合。

本實驗主要不足是未對兔橈骨大體解剖標本進行測量，并與影像學測量結果進行對比分析。后期作者將通過結合尸體標本的大體測量及數字化虛擬解剖測量技術，以獲得更完整的新西蘭白兔橈骨解剖形態數據，為兔橈骨骨缺損模型制作及骨組織工程支架設計提供更精確的數據參考。

綜上所述, 數字化三維重建技術能良好反映新西蘭兔橈骨外形, 清晰識別橈骨解剖標志并進行解剖學測量, 為兔骨缺損模型構建及組織工程支架制造提供解剖數據, 同時也為測量兔骨形態參數提供了方法。

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Application of Digital Three-dimensional Reconstruction Technique in Anatomical Measurement and Investigation of Radius in New Zealand White Rabbits

RUI Min, ZHENG Xin, LI Cheng-yu, JIANG Wei, YAO Sheng-cheng, GUO Kai-jin
(Department of Orthopaedics, Affiliated Hospital of Xu Zhou Medical University, Xu Zhou 221006, China)

Objective To obtain anatomical data of radius in New Zealand white rabbits with different age by three-dimensional reconstruction technique of CT images and provide references for rabbit bone defect experiment and bone tissue engineering scaffold manufacture. Methods Forty male New Zealand white rabbits aged 3 months and 6 months were included respectively in this study. According to their age, the rabbits were divided into group A (3 month) and group B (6 month). Computed tomography(CT) scanning of bilateral radius was conducted and the contours of 3D-reconstructed radius were observed by Mimics l0.0, the anatomical parameters including the length of radius, transverse diameters and sagittal diameters of middle of radius, front curvature angleandlateral curvature angle were measured respectively. Results The contours of radius were bulky at ends, narrow in the middle. The obvious camber was observed in radial middle, and the mean front curvature were (24.19±1.18)° in group A and (23.97±1.35)°in group B, and the lateral curvature angles were (26.13±1.04)°in group A and(25.66±1.23)°in group B respectively, and there was no significant difference between the two groups(P＞0.05). The straight and curvilinear length of radius were (63.05±1.33) mm and (65.03±1.10) mm in group A, and (66.56±1.53) mm and (70.41±1.06) mm in group B respectively, with no significant difference (P＜0.05). The transverse diameters of the middle of radius were (4.24±0.19) mm in group A and (4.30±0.23) mm in group B. The sagittal diameters of the middle of radius were (3.23±0.16) mm in group A and (3.29±0.18) mm in group B respectively. There was no significant difference between the two groups with regard to sagittal diameters (P＞0.05). And the transverse diameters and the sagittal diameters of the middle of radius were not correlated with length of radius (P＞0.05). Conclusions It is feasible to accurately identify the contours and bony landmarks on the three-dimensional reconstruction of the radius. Digital measurement can provide accurate parameters for establishment of bone defect model and manufacture of bone-tissue engineering scaffold.

Digitalization; Three-dimensional reconstruction; New Zealand white rabbits; Radius

Q95-33

A

1674-5817(2017)04-0273-05

10.3969/j.issn.1674-5817.2017.04.003

2017-02-02

江蘇省衛生計生委面上項目(H201528), 江蘇省科技廳社會發展重點項目(BE2015627), 第59批中國博士后科學基金面上項目(2016M591929), 徐州市科技社會發展項目(KC15SH067)

芮 敏(1990-), 碩士研究生, 從事骨組織工程實驗研究。E-mail： ruimin325@163.com

郭開今。E-mail： xzgkj@sina.com