引用本文： 黃贊, 李彥林, 胡猛, 李建, 尤志敏, 王國梁, 何川. 基于MRI和CT二維圖像重建膝關節三維數字化模型的股骨髁扭轉角差異性研究. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(2): 167-170. doi: 10.7507/1002-1892.20150036 復制
人工全膝關節置換術（total knee arthroplasty，TKA）是目前治療嚴重膝關節疾患的重要方法[1-2]。TKA手術成功關鍵是恢復正常下肢力線，保證假體旋轉位置良好，以及膝關節周圍軟組織的平衡[3]。股骨髁扭轉角（femoral condylar twist angle，CTA）是確定股骨假體旋轉定位的最主要參考標志。股骨后髁最突出點的連線為后髁線，股骨內外側髁的連線為臨床上髁軸線，二者夾角即是CTA。計算機輔助三維重建技術可在術前無創情況下測量CTA，并定位股骨假體旋轉力線，其受股骨發育和關節病變影響小，易于測量，可避免髕骨外側支持帶松解，從而保證對髕骨外側的血供，并將髕骨缺血性壞死和骨折發生率降至最低[3-4]。謝詩娟等[5]在基于CT二維圖像重建的三維膝關節模型上測量CTA，經比較發現性別間CTA差異無統計學意義，采用外科上髁軸作為股骨假體外旋的參考標志有助于術中股骨截骨及假體安放的準確性，可對TKA術中股骨假體旋轉位置進行精確的術前規劃。陳欣等[6]和潘哲爾等[7]分別用不同方法建立了膝關節三維模型，但基于CT和MRI二維圖像重建膝關節三維數字化模型關節軟骨對CTA測量的影響鮮有報道。本研究通過在基于CT和MRI二維圖像重建的膝關節三維數字化模型上分別測量CTA，并與尸體標本實體數據進行比較分析，旨在為臨床尋找可靠的CTA測量方法。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及主要儀器
新鮮成人膝關節標本10具，由昆明醫科大學解剖教研室提供；標本捐贈者年齡24～55歲，平均37.1歲；左、右側各5具；無膝關節手術史及骨折、腫瘤、畸形史；軟骨完整且無損傷。GE 1.5T超導型磁共振機（GE公司，美國）；Siemens 128排雙源螺旋CT機（Siemens公司，德國）；戴爾工作站Precision T7500及Mimics10.0交互式醫學圖像處理軟件由美國George Mason大學計算機系提供。
1.2 膝關節三維數字化模型重建及CTA測量
1.2.1 MRI及CT掃描
取10具膝關節標本，采用GE 1.5T超導型磁共振機及Siemens 128排雙源螺旋CT機分別行MRI及CT掃描，獲取二維圖像，并以DICOM格式儲存。MRI掃描參數：重復時間11 000 ms，回波時間25 ms；層厚 1.0 mm；層間距0.2 mm；回波鏈 14；激勵2次；矩陣 192/320；成像視野18。CT掃描參數：管電壓120 kV和70 kV，管電流100 mA和60 mA，自脛骨近端5 cm處至股骨遠端20 cm，層厚0.6 mm，層間隔0.6 mm，螺距0.5。
1.2.2 重建三維數字化模型
在計算機工作站上，將膝關節掃描圖像導入Mimics10.0交互式醫學圖像處理軟件，顯示矢狀位、冠狀位、額狀位的二維圖像。選擇“分割菜單”（Segmentation Menu）中的“界定閾值”（Thresholding），通過“界定閾值”大小調整至完全“蒙罩”（Masks）所有層面的股骨及其軟骨，選擇“修正蒙罩”（Edit Masks）中的“擦除”（Erase），擦除股骨周圍多余的“蒙罩”，選擇“分割菜單”中的“從蒙罩計算三維結構”（Calculate 3D from Masks），采用“高質量”（High Quality）計算方法，重建膝關節三維數字化模型。見圖 1。
圖1
基于MRI及CT二維圖像重建的三維數字化模型 ? MRI ? CT? ?圖 2 在三維數字化模型上測量CTA ? 標記測量點并連線 ? 去掉股骨模型后測量CTA? ?圖 3 尸體標本CTA（箭頭）測量示意圖
Figure1.
3-D digital model based on MRI and CT images ? MRI ? CT? ? Fig. 2 CTA measurement in the 3-D digital models ? Marker of measurement point and attachment ? CTA measurement without the femur model? ? Fig. 3 CTA measurement (arrow) of the cadaveric knee joint
CT數據對骨性結構分辨率較高，對軟組織分辨率不足，因此三維數字化模型僅包含骨性結構。MRI數據對軟組織分辨率較高，除骨性結構外，還能重建出膝關節軟骨、半月板、前后交叉韌帶等軟組織結 構。
1.2.3 CTA測量
分別標記股骨后髁最突出點（a、b點）和股骨內外側髁的最突出點（c、d點），股骨后髁最突出點的連線為后髁線（A線），股骨內外側髁最突出點的連線為臨床上髁軸線（B線）。在三維模型上將A線平移，使其與B線相交于d點，在A、B線組成的平面上∠cdb即是CTA。見圖 2。測量均由同一人員完成，重復測量3次，取均值。最終獲得兩組數據：基于MRI三維影像測量組（A組）和基于CT三維影像測量組（B組）。
1.3 尸體標本CTA測量
將10具膝關節標本進行解剖，完整保留膝關節軟骨。使用定位器以點對點精確貫穿1枚克氏針，確保克氏針貫通股骨內外髁最突出點。將另1枚克氏針固定于股骨后髁最突出點。
將照相機固定于水平桌面正上方30 cm處，相機視野垂直于桌面，固定照相機確保拍攝所有標本時位置不變。標本位于照相機視野正中，以后髁線為基準，使后髁連線投射于外科上髁線。將圖片導入PhotoshopCS5軟件，沿2條克氏針畫出2條直線并標出交點，使用軟件自帶標尺工具獲得后髁線和外科上髁線的夾角，即為CTA（圖 3）。測量由同一人員在相同條件下完成，重復3次，取均值，得到完整膝關節CTA（C組）。然后完整去除膝關節標本軟骨及周圍軟組織，不破壞骨性結構，暴露軟骨下骨。按照相同方法測量膝關節標本去除軟骨后的CTA（D組）。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，A、B組間及C、D組間CTA比較，采用配對t 檢驗；A、B、C組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
三維數字化模型中A、B組CTA分別為（6.43±0.53）、（3.31±1.07）°，比較差異有統計學意義（t=10.235，P=0.000）。膝關節標本中C、D組CTA分別為（5.21±1.28）、（3.33±1.12）°，比較差異亦有統計學意義（t=5.770，P=0.000）。
A、C組間CTA比較差異無統計學意義（t=3.219，P=0.110），B、C組間差異有統計學意義（t=5.779，P=0.000）。提示在基于MRI二維圖像重建的膝關節三維數字化模型上測量CTA更接近膝關節保留軟骨狀態下的實際測量值。
3 討論
多位學者研究認為股骨內外上髁是股骨旋轉對位的可靠參照軸[8-12]。作為股骨遠端定位標志的角度參數，CTA發生變化，必然會導致股骨遠端旋轉力線定位標志的變化，從而影響股骨遠端旋轉力線，導致股骨遠端旋轉力線對位不良。股骨遠端旋轉力線對位不良直接導致髕股關節間接觸點異常，應力增加，發生術后髕骨軌跡異常、髕骨脫位或半脫位、髕前痛以及假體早期磨損、松動等問題[13-14]。在TKA中股骨遠端恰當的旋轉對線，不僅直接影響膝關節穩定性和髕骨溝的位置，還能保證術后膝關節內外側間隙的平衡和減少髕骨并發癥的發生[14-15]。
術中選擇后髁軸作為參考軸線時，如不考慮軟骨，則可能導致股骨遠端旋轉對位不良，從而導致相關并發癥甚至手術失敗。有研究表明，同一個人膝關節軟骨在股骨不同部位的厚度亦不同，其中股骨內側髁軟骨較外側髁軟骨厚[3, 16]。因此，與保留軟骨時相比，去除膝關節軟骨后，股骨后髁最突出點的連線（即后髁線）在三維空間中向下偏移。但外科上髁線位置無明顯變化，最終導致保留膝關節軟骨情況下的CTA較去除軟骨后的CTA大。本研究通過在尸體標本上對比保留和去除膝關節軟骨情況下的CTA，表明兩種情況下CTA存在顯著差異，提示膝關節軟骨對CTA測量有影響。
隨著計算機技術的發展，計算機輔助三維重建技術已廣泛應用于醫學領域，其優點是可在無創情況下從任意角度、任意方向上對三維數字化模型進行觀察，準確測量三維解剖數據等[17-18]，從而制定準確的術前規劃。因此本研究分別以MRI、CT二維圖像為數據源，建立膝關節三維數字化模型，在兩種模型上進行CTA測量。結果顯示，在基于MRI二維圖像重建的膝關節三維數字化模型上測量的CTA顯著大于基于CT二維圖像重建模型，且更接近膝關節保留軟骨狀態下的實際測量值。我們認為導致該差異的原因可能是：CT對軟組織分辨率較低，雖然中等密度的肌肉、肌腱、軟骨和骺軟骨在低密度脂肪組織的襯托下也能顯示，但在重建三維模型時需人工分割，增加了操作時的人為誤差。而MRI圖像具有良好的對比度，可清晰顯示關節軟骨和軟組織的解剖形態，并能觀察矢狀面、冠狀面、橫斷面三個方向的切面圖像；對于X線、CT不能顯示或顯示不佳的組織結構，如纖維軟骨、關節軟骨、韌帶、半月板等結構，均具有很高的分辨率[19-20]。所以基于CT和MRI影像下建立的三維模型對CTA的測量有差異性。
綜上述，基于MRI影像下建立的三維模型對CTA的測量更準確，故磁共振圖像測量可作為一種較理想的臨床CTA個性化測量方法。但本研究也存在一定不足，觀測標本較少，結果有局限性，研究結果有待后續相關臨床研究明確。
人工全膝關節置換術（total knee arthroplasty，TKA）是目前治療嚴重膝關節疾患的重要方法[1-2]。TKA手術成功關鍵是恢復正常下肢力線，保證假體旋轉位置良好，以及膝關節周圍軟組織的平衡[3]。股骨髁扭轉角（femoral condylar twist angle，CTA）是確定股骨假體旋轉定位的最主要參考標志。股骨后髁最突出點的連線為后髁線，股骨內外側髁的連線為臨床上髁軸線，二者夾角即是CTA。計算機輔助三維重建技術可在術前無創情況下測量CTA，并定位股骨假體旋轉力線，其受股骨發育和關節病變影響小，易于測量，可避免髕骨外側支持帶松解，從而保證對髕骨外側的血供，并將髕骨缺血性壞死和骨折發生率降至最低[3-4]。謝詩娟等[5]在基于CT二維圖像重建的三維膝關節模型上測量CTA，經比較發現性別間CTA差異無統計學意義，采用外科上髁軸作為股骨假體外旋的參考標志有助于術中股骨截骨及假體安放的準確性，可對TKA術中股骨假體旋轉位置進行精確的術前規劃。陳欣等[6]和潘哲爾等[7]分別用不同方法建立了膝關節三維模型，但基于CT和MRI二維圖像重建膝關節三維數字化模型關節軟骨對CTA測量的影響鮮有報道。本研究通過在基于CT和MRI二維圖像重建的膝關節三維數字化模型上分別測量CTA，并與尸體標本實體數據進行比較分析，旨在為臨床尋找可靠的CTA測量方法。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及主要儀器
新鮮成人膝關節標本10具，由昆明醫科大學解剖教研室提供；標本捐贈者年齡24～55歲，平均37.1歲；左、右側各5具；無膝關節手術史及骨折、腫瘤、畸形史；軟骨完整且無損傷。GE 1.5T超導型磁共振機（GE公司，美國）；Siemens 128排雙源螺旋CT機（Siemens公司，德國）；戴爾工作站Precision T7500及Mimics10.0交互式醫學圖像處理軟件由美國George Mason大學計算機系提供。
1.2 膝關節三維數字化模型重建及CTA測量
1.2.1 MRI及CT掃描
取10具膝關節標本，采用GE 1.5T超導型磁共振機及Siemens 128排雙源螺旋CT機分別行MRI及CT掃描，獲取二維圖像，并以DICOM格式儲存。MRI掃描參數：重復時間11 000 ms，回波時間25 ms；層厚 1.0 mm；層間距0.2 mm；回波鏈 14；激勵2次；矩陣 192/320；成像視野18。CT掃描參數：管電壓120 kV和70 kV，管電流100 mA和60 mA，自脛骨近端5 cm處至股骨遠端20 cm，層厚0.6 mm，層間隔0.6 mm，螺距0.5。
1.2.2 重建三維數字化模型
在計算機工作站上，將膝關節掃描圖像導入Mimics10.0交互式醫學圖像處理軟件，顯示矢狀位、冠狀位、額狀位的二維圖像。選擇“分割菜單”（Segmentation Menu）中的“界定閾值”（Thresholding），通過“界定閾值”大小調整至完全“蒙罩”（Masks）所有層面的股骨及其軟骨，選擇“修正蒙罩”（Edit Masks）中的“擦除”（Erase），擦除股骨周圍多余的“蒙罩”，選擇“分割菜單”中的“從蒙罩計算三維結構”（Calculate 3D from Masks），采用“高質量”（High Quality）計算方法，重建膝關節三維數字化模型。見圖 1。
圖1
基于MRI及CT二維圖像重建的三維數字化模型 ? MRI ? CT? ?圖 2 在三維數字化模型上測量CTA ? 標記測量點并連線 ? 去掉股骨模型后測量CTA? ?圖 3 尸體標本CTA（箭頭）測量示意圖
Figure1.
3-D digital model based on MRI and CT images ? MRI ? CT? ? Fig. 2 CTA measurement in the 3-D digital models ? Marker of measurement point and attachment ? CTA measurement without the femur model? ? Fig. 3 CTA measurement (arrow) of the cadaveric knee joint
CT數據對骨性結構分辨率較高，對軟組織分辨率不足，因此三維數字化模型僅包含骨性結構。MRI數據對軟組織分辨率較高，除骨性結構外，還能重建出膝關節軟骨、半月板、前后交叉韌帶等軟組織結 構。
1.2.3 CTA測量
分別標記股骨后髁最突出點（a、b點）和股骨內外側髁的最突出點（c、d點），股骨后髁最突出點的連線為后髁線（A線），股骨內外側髁最突出點的連線為臨床上髁軸線（B線）。在三維模型上將A線平移，使其與B線相交于d點，在A、B線組成的平面上∠cdb即是CTA。見圖 2。測量均由同一人員完成，重復測量3次，取均值。最終獲得兩組數據：基于MRI三維影像測量組（A組）和基于CT三維影像測量組（B組）。
1.3 尸體標本CTA測量
將10具膝關節標本進行解剖，完整保留膝關節軟骨。使用定位器以點對點精確貫穿1枚克氏針，確保克氏針貫通股骨內外髁最突出點。將另1枚克氏針固定于股骨后髁最突出點。
將照相機固定于水平桌面正上方30 cm處，相機視野垂直于桌面，固定照相機確保拍攝所有標本時位置不變。標本位于照相機視野正中，以后髁線為基準，使后髁連線投射于外科上髁線。將圖片導入PhotoshopCS5軟件，沿2條克氏針畫出2條直線并標出交點，使用軟件自帶標尺工具獲得后髁線和外科上髁線的夾角，即為CTA（圖 3）。測量由同一人員在相同條件下完成，重復3次，取均值，得到完整膝關節CTA（C組）。然后完整去除膝關節標本軟骨及周圍軟組織，不破壞骨性結構，暴露軟骨下骨。按照相同方法測量膝關節標本去除軟骨后的CTA（D組）。
1.4 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，A、B組間及C、D組間CTA比較，采用配對t 檢驗；A、B、C組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
三維數字化模型中A、B組CTA分別為（6.43±0.53）、（3.31±1.07）°，比較差異有統計學意義（t=10.235，P=0.000）。膝關節標本中C、D組CTA分別為（5.21±1.28）、（3.33±1.12）°，比較差異亦有統計學意義（t=5.770，P=0.000）。
A、C組間CTA比較差異無統計學意義（t=3.219，P=0.110），B、C組間差異有統計學意義（t=5.779，P=0.000）。提示在基于MRI二維圖像重建的膝關節三維數字化模型上測量CTA更接近膝關節保留軟骨狀態下的實際測量值。
3 討論
多位學者研究認為股骨內外上髁是股骨旋轉對位的可靠參照軸[8-12]。作為股骨遠端定位標志的角度參數，CTA發生變化，必然會導致股骨遠端旋轉力線定位標志的變化，從而影響股骨遠端旋轉力線，導致股骨遠端旋轉力線對位不良。股骨遠端旋轉力線對位不良直接導致髕股關節間接觸點異常，應力增加，發生術后髕骨軌跡異常、髕骨脫位或半脫位、髕前痛以及假體早期磨損、松動等問題[13-14]。在TKA中股骨遠端恰當的旋轉對線，不僅直接影響膝關節穩定性和髕骨溝的位置，還能保證術后膝關節內外側間隙的平衡和減少髕骨并發癥的發生[14-15]。
術中選擇后髁軸作為參考軸線時，如不考慮軟骨，則可能導致股骨遠端旋轉對位不良，從而導致相關并發癥甚至手術失敗。有研究表明，同一個人膝關節軟骨在股骨不同部位的厚度亦不同，其中股骨內側髁軟骨較外側髁軟骨厚[3, 16]。因此，與保留軟骨時相比，去除膝關節軟骨后，股骨后髁最突出點的連線（即后髁線）在三維空間中向下偏移。但外科上髁線位置無明顯變化，最終導致保留膝關節軟骨情況下的CTA較去除軟骨后的CTA大。本研究通過在尸體標本上對比保留和去除膝關節軟骨情況下的CTA，表明兩種情況下CTA存在顯著差異，提示膝關節軟骨對CTA測量有影響。
隨著計算機技術的發展，計算機輔助三維重建技術已廣泛應用于醫學領域，其優點是可在無創情況下從任意角度、任意方向上對三維數字化模型進行觀察，準確測量三維解剖數據等[17-18]，從而制定準確的術前規劃。因此本研究分別以MRI、CT二維圖像為數據源，建立膝關節三維數字化模型，在兩種模型上進行CTA測量。結果顯示，在基于MRI二維圖像重建的膝關節三維數字化模型上測量的CTA顯著大于基于CT二維圖像重建模型，且更接近膝關節保留軟骨狀態下的實際測量值。我們認為導致該差異的原因可能是：CT對軟組織分辨率較低，雖然中等密度的肌肉、肌腱、軟骨和骺軟骨在低密度脂肪組織的襯托下也能顯示，但在重建三維模型時需人工分割，增加了操作時的人為誤差。而MRI圖像具有良好的對比度，可清晰顯示關節軟骨和軟組織的解剖形態，并能觀察矢狀面、冠狀面、橫斷面三個方向的切面圖像；對于X線、CT不能顯示或顯示不佳的組織結構，如纖維軟骨、關節軟骨、韌帶、半月板等結構，均具有很高的分辨率[19-20]。所以基于CT和MRI影像下建立的三維模型對CTA的測量有差異性。
綜上述，基于MRI影像下建立的三維模型對CTA的測量更準確，故磁共振圖像測量可作為一種較理想的臨床CTA個性化測量方法。但本研究也存在一定不足，觀測標本較少，結果有局限性，研究結果有待后續相關臨床研究明確。
