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人体膝关节相关数字解剖学研究及在体稳定性测试系统的建立

李鉴轶  
【摘要】: 目的 近几年兴起的针对膝关节损伤的数字化虚拟研究很多,人体膝关节的三维重建是这些研究的基础。但由于膝关节结构的复杂性以及影像技术的限制,这些三维重建往往只重建了膝关节的骨结构。本研究将结合膝关节的CT、MRI图像,利用三维重建技术及图像配准技术,构建膝关节的骨、半月板、前/后交叉韧带、关节软骨,为开展膝关节的数字医学研究进行有关模型构建及应用等方面的探索。 临床膝关节手术中要求尽可能保护局部血液循环,以避免局部骨坏死的出现。由于膝关节局部血供复杂,传统影像学检查无法观察血管,血管造影可以较好显示局部血管走行,但其质量受造影剂流动速度控制、图像分割处理技术等影响。为克服以上不足,本研究将进行动脉造影灌注后行CT扫描,重建膝关节骨与血管,旨在准确、完整地显示膝关节动脉的走行与分布,为膝关节外科及解剖的教学、科研提供一种清楚、准确、有价值的显像手段。 人体解剖学是一门形态科学,目前基于二维图像的教学方法教学难度很大。随着计算机图形图像技术的不断完善以及虚拟人研究的不断进展,已出现多种图像的三维重建方法,但目前大多数三维图像的显示都需要专业软件,价格昂贵且存在知识产权问题,无法用于三维解剖图谱的普及与推广应用。本研究将利用先进的VRML语言,编写相关的程序,建立基于web的膝关节三维浏览网页,为完成三维解剖图谱奠定基础。 尽管膝关节的稳定性测试目前已应用于膝关节运动功能的评价,但由于膝关节的离体标本研究无法模拟膝关节的真实运动,而在体的运动测试又无法获得骨结构的运动信息,因而不能得到准确的膝关节稳定性数据,也就无法对膝关节微损伤的早期诊断及防治措施进行深入的研究。本研究将利用图像三维重建、2D/3D图像配准技术以及图像处理技术探讨建立膝关节在体稳定性评价系统的可行性。 逆向工程是是基于一个已获得的实物模型来构造出CAD模型,并通过调整相关参数来达到对实物模型的逼近、修改和完善,进而将这些CAD模型用于产品的分析和制造。基于利用三维激光扫描仪开展的逆向工程测量精度高的优点,本研究将探讨在离体状态下利用逆向工程技术开展膝关节运动还原的方法,并对利用激光三维扫描仪的逆向工程运动还原方法的测试精度进行标定。 应用计算机三维重建技术、2D/3D图像配准技术及图像处理技术构建了膝关节在体稳定性测试系统。本研究将以逆向工程运动还原方法为对照,研究膝关节在体稳定性测试系统的精度。 材料与方法 人体成年新鲜膝关节标本1例,进行CT扫描共387层,层厚为0.299mm,随后进行MRI扫描,共64层,层厚为1.497mm,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、软骨、韧带及半月板等结构。 新鲜成人完整下肢标本1例,用填充剂配成合适浓度,对标本的动脉进行灌注。随后进行CT扫描,层厚0.499mm,取膝关节部分共671层用于本研究。采用Mimic进行膝关节骨及血管等结构的三维重建,分别采用Mimics和3ds max进行动脉的透明化显示及效果比较。 采用BS Contact VRML 6.1和Vrmlpad作为VRML显示插件及程序编辑软件,将已三维重建膝关节各部分结构转为wrl文件,并进行VRML编程及网页制作。 对健康成年志愿者膝关节进行CT扫描,采集志愿者保持某一姿势时互成直角的正侧位X线平片,进行膝关节CT图像的三维重建,并在软件中建立虚拟X线放射系统再现2张互成直角的X线平片,采用2D/3D图像配准还原摄平片时膝关节的位置,计算两种位置之间的相对位移及角度变化。 人体膝关节标本上、下端包埋后由激光三维扫描仪采集包埋块的位置信息,通过Geomagic软件进行膝关节的位置还原,并将标志物固定于精度可达0.01mm及0.01°的KOHZU精密测试平台上,由激光三维扫描仪采集标志物的运动信息,通过软件计算其运动参数,检测逆向工程运动还原方法的测试精度。 人体膝关节标本3例,利用G型臂X线机获得正侧位X线片,同时利用激光三维扫描仪扫描包埋块的三维点云信息,每个标本采集2次任意角度的正侧位X线片和包埋块的三维点云信息。采用虚拟X线放射系统和逆向工程运动还原方法分别进行位置还原,将还原出来的位置分别计算与CT图像构建的膝关节模型的相对运动,并进行配对样本T检验。对由虚拟X线放射系统和逆向工程技术系统导出膝关节的相对运动数据,采用描述性统计观察两者在平移和旋转各个轴上的差异。 结果 利用CT对骨结构显示较好的特点,将CT图像导入图像三维重建软件Mimics10.01中进行重建,然后将骨的三维模型分别以stl文件格式保存于电脑中。将MRI与CT分别构建的骨模型导入Geomagic软件中进行位置配准,对CT的三维模型进行坐标变换使其适合MRI图像的坐标系,使CT构建的骨模型可以准确地导入MRI图像中。利用MRI对软骨、韧带等组织显示较好的特点,用Mimics10.01软件构建出半月板、前/后交叉韧带和关节软骨的三维模型,导入Geomagic软件中进行三维修饰,使其结构稍平滑。关节软骨需要再次导入CT影像中使其边缘平滑。最终建立具有骨、半月板、前/后交叉韧带和关节软骨的三维膝关节模型。 利用血管造影灌注后CT扫描数据,用Mimics软件成功构建膝关节骨-血管三维立体结构模型,能够清晰地显示膝关节骨结构及血管之间的相互位置关系及立体形态。对于关节的局部血供也可以清楚展现,如髌周的血管网。利用Mimics和3ds max都可实现膝关节动脉三维模型的透明化,两者显示效果相近。相比较而言,利用Mimics软件操作比较简单,但软件设定的透明度不能任意调节。而3ds max软件操作相对复杂一些,特别是对于容量较大的文件,导入3ds max的过程较慢,但它可以任意设定透明度,具有较强的可视化设计能力。 通过Vrmlpad编辑软件,将色彩、三维文字标注及各结构组装等功能通过各个程序实现,并用Frontpage软件建立了膝关节的三维解剖图谱,此三维解剖图谱包括了文字内容、二维及三维图像,便于学生理论与标本相结合、二维与三维相对照地学习解剖学知识,提高学习效率。 通过图像重建、2D/3D图像配准及相应的图像处理后,计算出股骨在G型臂X线机摄片位与CT扫描位之间的相对位移及角度。与CT扫描时的位置相比,摄X线平片时股骨下段前屈5.72°,内翻1.02°,左旋13.22°。 通过点云重建、位置还原等步骤,可计算出激光三维扫描时与CT扫描时的膝关节位置的相对运动。与CT扫描时的位置相比,激光三维扫描时的股骨后伸6°,内翻1.2°,右旋6.16°。激光三维扫描仪在各角度时的测试结果与KOHZU精密测试台的测试结果相比,各角度时测试精度均可控制在0.1°以内。利用SPSS10.0统计软件进行单因素方差分析发现各角度组之间的误差率无显著性差异(P=0.206)。 对膝关节在体稳定性测试系统与逆向工程运动还原系统导出的图像分别与CT扫描时的位置计算其相对运动数据,经配对样本T检验后发现,膝关节在体稳定性测试系统计算的相对运动与逆向工程技术计算的相对运动之间不存在显著性差异(t=0.132,P=0.895)。对平移及旋转各个轴单独进行配对样本T检验,发现除Z轴平移数据两者存在显著性差异(t=3.214,P=0.024)外,其余各个轴的平移及旋转数据均不存在显著性差异(P>0.05))。将两个配准系统导出的股骨、胫骨三维位置直接进行相对运动计算,可发现各个轴的配准误差。其中在X轴的平均平移误差最大,达到6.98mm;Z轴的平均旋转误差最大,达到了6.92°。 结论 本研究通过采集同一标本的CT和MRI数据,利用CT显示精度高、对骨的显示好的特点以及MRI对软组织显示好的特点,取长补短,对CT或MRI数据在个人计算机上进行图像重建,并且结合先进的逆向工程技术,构建了具有骨、关节软骨、半月板及前/后交叉韧带的膝关节。 本研究模型清楚显示膝关节周围血管的形态,三维直观再现了Scapinelli描述的髌周动脉环结构。重建的膝部骨—动脉三维模型,直观再现膝部动脉走行、分布特点与常用手术入路之间的关系,并能测量其空间距离,有利于帮助判断手术操作对血运的影响程度。可用于改进解剖教学手段,同时利于直观、形象地与临床应用要点相结合地开展教学,利于医学生迅速、准确掌握局部解剖特点。 三维解剖图谱在解剖学教学中可以方便教学,提高教学效率。重建的三维模型及二维图像可以在普通的个人计算机上使用,帮助学生们直观地理解并记忆各解剖结构,提高学习效率。同时网页版的三维解剖图谱可以建立虚拟解剖学实验室,实现解剖学的远程教学。 本研究采用计算机图像重建技术对患者膝关节进行三维重建,采用G型臂X线机采集患者膝关节骨结构的运动信息,通过二维/三维(2D/3D)图像配准技术,将二维动态的X线影像转化为三维模型的仿真运动,建立膝关节在体稳定性测试系统。 利用逆向工程技术可以实现膝关节的位置还原,具有以下优点:1.实验精度高,精度可达到0.1°;2.测量为非接触式,对实验影响较小。3.对于运动范围较大的测试,可采用点云拼接的方法,在实验精度不受影响的情况下实现稳定性评价。 本研究建立的膝关节在体稳定性测试精度与逆向工程运动运动还原系统的测试精度无显著性差异,说明本系统可以用于膝关节的在体稳定性研究。但精度不高,今后要注意实验细节,改进实验方法,进一步提高测试精度以更好地服务临床。


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