雙下肢負重位三維CT檢查技術與步態分析結合初步應用進展

朱 珊，王 植，郭 林

(天津大學天津醫院放射科，天津 300211)

傳統醫學影像檢查技術是對骨肌系統疾病診斷和治療的基本支持。X線攝片、計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)和計算機透視技術已廣泛應用于臨床多學科，特別是骨科。醫學影像檢查技術可以直觀展現人體解剖結構和手術植入物形態結構，因此經常被用于輔助制定骨科手術計劃。醫學影像學新技術對于骨肌系統臨床診療發展也是必不可少的。在2019年6月搜索“醫學影像骨科”，顯示了超過32000篇文章和近2700篇評論。其中，只有8篇使用錐束計算機體層攝影(Cone beam computed tomography，CBCT)技術。CBCT技術最初僅應用于口腔和頜面部診療[1-2]。它是一種新興醫學影像技術，具有CT掃描的原始特征[3-4]，在小范圍局域解剖相關病變的診斷和治療中起到越來越重要的作用。對于骨肌系統疾患的診斷和治療，臨床越來越傾向于使用靜態和動態相結合的定量評估方法。使用傳統三維計算機斷層掃描(Three-dimension computed tomography，3DCT)和MRI設備可以很好地呈現目標關節靜態解剖結構，但這種掃描模式通常采用仰臥位，與運動中所需位置相去甚遠。換句話說，用傳統醫學影像學成像方法很難獲得負重位條件下的下肢影像學圖像。運動醫學評估通常對于日?；顒訝顟B，特別是人體運動狀態下目標關節解剖結構變化進行分析，同時在手術干預前后對目標關節進行肌電圖以及足底壓力測量，以確定生物力學變量模式的異常?；谶@一需求，CBCT技術被引入了骨肌系統診療。這一新技術如今可以呈現負重位條件下的3D圖像，又稱負重計算機斷層掃描(Weight-bearing computed tomography，WBCT)。這一新技術具有輻射劑量相對較低、空間分辨率較高、便于人體工程學研究等優勢。由于負重位狀態是理解骨肌系統解剖結構功能機制的基礎，尤其是足、踝關節和膝關節，還有手、腕關節和肘關節，因此應用這一新技術可以對骨肌系統疾病進行更精確的診斷和評估。負重位3DCT檢查也可以被應用于特定的動態姿勢掃描，如對單腿或雙腿直立姿勢或其他關節在特定旋轉角度下的姿勢等進行評估。這種技術可以改變長期以來用于呈現靜態解剖結構的傳統影像學檢查方法的平面測量[5]?，F對這一技術在骨科學的初步應用進展進行闡述。

1 WBCT概述

WBCT技術現在多應用于患有下肢關節疾患的患者，大多使用單腿直立姿勢采集負重位下肢關節影像學數據(包括膝關節、踝關節和足)。在幾分鐘內，掃描數據的三維重建圖像即自動生成。三維數據的虛擬斷層圖像沿著任何所選定位軸，可以在最薄層厚為0.26 mm的基礎上獲得CT數字成像和醫學通信(DICOM)圖像。此數據集經過工作站進行后處理，以STL格式生成相應的三維模型。在這些骨模型上，可以根據傳統或新的技術來定義解剖軸。這里以跟骨模型作為舉例說明：主成分分析(PCA)是能夠自動計算點云的最大、中間和最小方差的正交軸[6]。如果這些是骨質結構，依據一般骨骼解剖學結構，分別提供縱向、垂直和中外側軸向。連接足底或足背解剖標志的解剖軸也可以定義為其他可能的掃描方向，仍然在三維掃描中成像，更符合輻射角度[7]，如跟骨傾角(CIA)[8]。對于每一個解剖軸或在與地面相交軸的平面上，相對于地面的傾角也可以利用三維模型計算。類似的計算模式可以應用于任何骨質結構。除了單一骨的絕對傾斜方向外，還可以通過計算三維角度來測量兩個骨之間的相對方向。例如，對于跟骨和第1跖骨，可以通過計算得出二者縱向軸間的角度，正如文獻中已經報道的“跟骨第1跖骨角”[9]和Hibb角[10]。因此，通過WBCT技術及三維模型計算方法，可以精準測量患者負重位以及運動狀態下的下肢骨骼形態及結構絕對及相對關系，從而明確骨肌系統運動機制及生物力學動態變化情況。

2 WBCT骨肌系統臨床應用

2.1 踝關節置換假體定制 全踝關節置換目前被認為是一種治療踝關節病變的長期解決方案，以達到恢復踝關節運動和減輕關節炎疼痛癥狀的目的，也可以通過踝關節融合手術來保持關節穩定性，已有研究報道證實通過這一治療方法可獲得良好的臨床預后[11]。然而，假體與關節大小不匹配是導致術后并發癥的重要因素之一。目前臨床使用的假體組件大部分采取批量統一設計的方法，其尺寸、數量、種類有限，因此假體定制表現出很大的優勢，它依據患者特定尺寸和角度調節假體設計，從而改善臨床治療效果，減少術后并發癥的發生概率。這一新技術稱為建模或3D打印技術，使用專門用于骨科植入物制作的粉末取代了傳統金屬假體，制作出一個緊湊的三維物體作為定制假體用于關節置換手術[12]。初步研究[13]表明，包括醫學成像、關節建模、假體設計和3D打印在內的SIVE程序可以成功定制踝關節置換假體，甚至可以進一步應用于醫學生物力學設計。目前，這種全踝關節置換假體定制程序已逐漸投入使用。由一些研究者多年前開發的盒子踝關節設計被用于這個整體定制過程[14]。部分研究利用負重位3DCT方法評估踝關節病變和假體置換后關節對位情況，脛距關節和距下關節對位情況在冠狀位和矢狀位、軸位得到更真實、精準的展示。該研究的目的是評估個性化假體定制程序的可行性以及假體質量和假體組件定制的有效性，以盡量減少尺寸不匹配情況，并前瞻性地改善治療結果。具體方法為：使患者下肢和骨盆軸向對齊，以單腿直立姿勢進行患側踝關節WBCT掃描，得到掃描數據后通過半自動分割方法獲得患者特異性骨模型，再使用Creo軟件對標準假體部件進行參數化，根據得到的最佳匹配骨模型定制相應假體部件，根據骨質密度和幾何形狀尋找近端植入假體的最佳水平，模擬骨切除對應于定制設計的假體，然后使用多邊形執行操作。通常使用距離映射計算假體接觸面積和骨切除體積。距離映射演示了與切除骨的關節匹配改善程度。假體表面覆蓋度較傳統方法平均增加6%～10%。除了進行植入假體的個性化定制之外，使用WBCT的三維建模也能一定程度上改善假體尺寸及其植入成分選擇，從而提高假體支撐力及耐受力。研究表明，雖然建模過程依舊存在局限性，但通過改善假體大小和放置位置可以大大減少假體不匹配概率，減少術后并發癥的發生。踝關節假體定制對生物力學、骨與假體負荷和磨損的影響有待于進一步研究，以評估其臨床意義。WBCT輻射劑量雖然存在，但是有限，它的使用提高了改善假體關節匹配度的可行性，具有巨大潛在價值。研究[15]還表明，CBCT設備結合最先進的MRI可以在同一研究中提供多重幾何設計參數，進行醫學圖像算法分析，從而重建完整的骨與軟骨關節模型。由于在儀器和內植物方面存在工業限制，因此目前對踝關節假體定制的研究仍然具有局限性。但在不久的將來，患者專用的定制儀器和聚乙烯材料也將被引入，以便于全面實施定制計劃。未來也可以通過對側關節的運動測量來增強患側形態學分析。

2.2 膝關節髕內側支持帶重建術后髕股關節對位關系評估 髕股關節失穩一般采用傳統CT掃描方法進行評估，患者體位通常為伸膝和放松肌肉的仰臥位。然而研究表明，在膝關節屈曲和股四頭肌收縮時更符合真實膝關節負荷狀態，因此在評估時必須通過醫學成像真實重現負重位髕股關節不穩定狀態?；谶@一點，有研究[16]對于髕內側支持帶重建手術治療髕骨不穩定的患者進行傳統CT掃描和WBCT掃描，分析描述髕骨排列和脛骨結節-滑車溝(TT-TG)距離的幾個參數，隨訪5年至全功能恢復，結果發現兩種評估方法顯示出顯著的差異，在膝關節負重情況下得到的一致性和傾斜角比仰臥位大，而TT-TG距離則相反。

2.3 扁平足矯形手術及距下關節融合手術術前及術后評估 繼發性成人扁平足是一種非常常見的畸形，包括后足外翻、內側縱弓扁平和前足外展。這是一個復雜的三維立體結構，將多個靜態和動態畸形與距下關節旋前畸形相結合，進行形態學及生物力學評估相對困難。有研究分別結合三維靜態和動態參數利用多種儀器評估平足畸形，全面研究患者靜態、動態畸形，進行手術前后WBCT和功能步態分析。靜態和動態畸形在所有三個解剖平面上都有占很大的成分，距下關節和足的其余結構與分析數據吻合。到目前為止，已有研究針對數名接受手術矯正治療的嚴重成人扁平足患者，于術前和術后8個月進行臨床檢查和儀器評估?；颊哒玖r用WBCT成像，幾分鐘后依據已建立的專有多段足部運動學分析計劃[17]，使用八攝像機運動系統[18-21]進行步態分析。該計劃需要在小腿和腳上獲取三個被動標記的三維軌跡，能夠跟蹤后、中、前足三維空間的絕對和相對運動。這些三維旋轉和數據測量包括第1跖趾關節的兩個主要旋轉、內側縱弓的角度，以及第1、第2和第5跖骨相對傾斜[22]。術前WBCT建模三維測量數據確定了3D扁平足畸形的嚴重程度，并以此為參考協助制定矯形手術計劃，術后得到了相應的測量結果。兩者都通過分析測量數據揭示手術后解剖和功能的改善，特別提出的是，術前預計動態后足旋前程度減少。研究使用WBCT和步態分析相結合并分析其相關性，最終為平足手術矯正計劃提供準確的評估，特別是在旋前、站立和行走狀態評估距下關節對位情況。這為臨床手術實施提供了極大支持，在精準醫療方面得到了極大的進展。

3 結 語

傳統概念中，負重位影像學測量僅限于2D并受到影像學技術人員對解剖學認識的影響，具有一定局限性。如今采取單腿或雙腿站立負重位檢查，通過CBCT設備進行三維成像建模、數據分析，成功實現了關節絕對和相對對位關系的量化。這些設備還具有輻射劑量較低的優點，意味著對操作人員和工作環境的輻射保護要求限制較少。另一個優點是保留了數據的原始三維立體掃描模式，使得傳統CT掃描可以沿任何方向和不同層厚重建圖像。我們研究了足踝關節和膝關節負重位三維CT成像、模型建立、數據分析，精確評估了在實際和特定負荷情況下病情診斷和治療的復雜性。因此，負重位3D影像技術可以真實呈現骨和關節對應情況，無論是原始畸形還是后續治療之后的隨訪都可應用。幾十年來，足踝關節和膝關節骨肌系統影像學測量已經被反復提出、研究、應用和討論。最近的1篇文獻[23]闡述了常用的足踝關節負重位X線測量方法，全面綜述并仔細匯總了與之相關的概念和圖解。米拉爾分析[5]描述了傳統X線角度測量，但其中大量測量數據并沒有得到廣泛應用，并缺少一個定量的數據分析。WBCT掃描克服了傳統CT、MRI和X線片設備的限制，為今后更全面的負重位骨關節對位關系力線測量奠定了良好基礎。目前的一系列研究是從骨肌系統研究的角度提出的，骨骼和關節顯然是重點研究內容，然而這些掃描也可以有效地對軟組織結構進行分析。也可以通過結合CBCT和MRI掃描來實現，從而有望實現負重位軟骨成像。通過將運動學、動力學和肌電信號測量相結合，完善評估模式及數據信息，可以得到骨肌系統形態學、功能學、生物力學傳導等完整信息，具有更大的臨床及科研意義?？傊?，現在單骨相對于地面傾斜角和相對關節角度可以在負重位3DCT掃描中獲得。相關的三維骨重建模型可以支持對患者制定更可靠的術前計劃和術后評估，在患側骨或關節嚴重損傷的情況下也可以對側為對照[24-25]。未來預計還將開發出其他負重位測量方法，部分已初步進入研究階段[26-27]。這些新的負重位三維骨形態學研究與當前運動醫學以及步態壓力分析相結合有很大的潛力，特別是它們的協同作用將有助于更多地支持這些解剖區域的生物技術以及臨床研究。