基于CT图像三维重建测量股骨外翻角

肖建林,刘 潼,秦彦国,李学州,刘亮,王晓玲,王金成,高忠礼

(吉林大学中日联谊医院骨科,吉林长春 130033）

膝关节是人体结构最复杂的运动关节,运动功能要求高。膝关节病变,如类风湿关节炎、骨性关节炎、肿瘤等引起的疼痛、畸形、运动障碍等,严重影响患者的生活质量。除常规保守的治疗方法外,对于严重的病例,需行人工全膝关节置换术。随着人工关节置换技术的发展,越来越多膝关节疾病患者接受全膝置换手术,期望恢复功能,减少痛苦。全膝置换手术确定患者下肢的力线是至关重要的,因为恢复下肢的力线是手术的基本原则。人工膝关节置换后,要求达到负重、伸屈、外展及旋转活动,稳定性好。尽管全膝关节置换术在我国已开展十多年,但使用的多为进口人工膝假体[1],股骨截骨都参照西方人的测量数据6[2,3]。进行截骨,正常国人的外翻角并没有大量样本报道。作者通过CTA扫描数据,借助于mimics及geomagic的技术来模拟膝关节置换术中情况,提供一种模拟术中正常国人股骨外翻角测量的一种方法。

1 材料与方法

1.1 对象

单位:吉林大学白求恩第三医院骨科 对象:吉林大学白求恩第三医院住院患者,进行了下肢CTA扫描,无骨骼疾患者(35岁男 膝关节无疾病、无畸形的成年人）。方法:双下肢均进行CTA(TOSHIBA Aquilion 320排）Dicom影像数据,CT扫描间距0.5 mm,分辨率为512×512,像素尺寸为扫描。扫描范围是从股骨顶端到胫骨远端共计2673层左右的断层切片数据。图像处理及建模、测量软件:mimics10.0,geomagic12.0

1.2 数据处理

为了能从CTA扫描影像数据中提取与股骨相关的特征点,在股骨三维模型重建前,必须在mimics10.0中对原始的二维CTA数据进行必要的预处理,其步骤主要是:图像分割及切割,二值图像的填充,三维模型重建等。

1.2.1 图像分割 CTA的原始影像数据中包括骨骼、血管、肌肉和软组织等部分,为获取骨骼的三维数据,需对原始的二维CT断层图像进行分割处理。根据骨骼在CT图像中灰度值的分布特点,利用“灰度阈值法”对图像进行分割,以及运用橡皮擦等工具对骨盆、胫腓骨以及血管等信息进行切割,通过分割、切割与二值化处理,分割后的图像中仅包括了股骨相关的信息。在“灰度阈值法”中阈值的选择至关重要,阈值过高会造成过度分割,我们选择阈值范围(180-3071）,特别是对骨质比较疏松的数据会产生股骨头不完整,反之,将产生不同骨骼之间的黏连。

图1 股骨部分断层的分割结果

1.2.2 填充 在阈值分割处理后,在股骨骨质比较疏松的地方CT图像的灰度比较低,经过二值化处理后会产生骨皮质不连续,因此,需要对上述各层二值图像做填充处理。通过以上处理得到骨边缘连续的断层二值图像。

1.2.3 三维模型的重建 将上述处理后的二维图像序列在mimics中进行三维重建,形成三维股骨模型。

图2 通过填充处理后的断层图像,皮质边缘平滑、连续

图3 使用mimics软件使用二维图像进行三维重建后所得到的股骨模型

1.2.4 在二维横断面上找到股骨远端髁间窝的最远端存在皮质的一张横断面,即为髁间窝最顶点,在该处皮质上做近似内切圆,选择该圆心为髓内定位杆的入针点A,于此点向股骨近端做一直径为4 mm长度为200 mm的圆柱,通过调整圆柱的方向,找到髓内定位杆与股骨前弓相切,并与股骨近端相交的的最近端一张横断面,固定该位置,得出髓内定位杆另一端中心B的三维坐标。

图4 所示圆心即为髓内定位杆的入针点A

图5 调整后的髓内定位杆显示于三维图像上

1.2.5 将mimics中的股骨三维模型导入geomagic中,经过平滑处理,形成三维股骨数据。

1.2.6 股骨头旋转中心的确定 在geomagic将股骨头与髋臼接触面拟合成球面,得出该球体的球心C的三维坐标。

图6 将股骨头与髋臼的接触面拟合为球面,得出该球面的圆心

1.2.7 我们根据三个特征点的三维坐标,求出三维中∠BAC 结果 外翻角:左4.89°右4.91°。

2 讨论

本文利用人体下肢CTA扫描影像数据,利用mimics,经过对二维图像的阈值二值化分割、区域填充等处理后,进行三维重建形成三维骨骼模型,模拟术中髓内定位杆的位置与方向,于二维图像上找到膝关节中心即髁间窝最顶点,wangroongsub等[4]指出:髓内定位杆入针点应在股骨髁间切迹顶部内侧1.5-2.0 mm、上方12 mm.Moreland JR等[5]给我们提供了五种确定膝关节中心的方法,由于我们只有股骨相关参数及前面已经准确找到髁间窝顶点,我们要求髓内定位杆尽可能接近股骨远端解剖轴,故我们选择髁间窝最顶点作为膝关节中心,并将此点作为髓内定位杆的入针点。通过调整髓内定位杆的位置,由于正常人股骨具有前弓,髓内定位杆远端与前皮质相切,结合股骨远端解剖轴的定义与术中髓内定位杆的植入方法与方向,J.A.Jeffery[6]指出术中股骨髓内定位杆的位置与远端中轴线基本吻合,因此我们将此得到的髓内定位杆定义为术中股骨远端解剖轴。然后将mimics重建的股骨三维模型导入geomagic中。黄雪梅等[7]利用光学定位追踪仪来确定的股骨头中心,苏永松等[8]报道基于CT影像数据,利用髋关节球面中心差值的方法计算股骨头中心点,丁辉等[9]基于CT图像重建股骨三维模型,通过计算的方法得出股骨头及膝关节中心,You Wang等[10]通过CAD软件将股骨头边缘拟于成闭合的球体,将此球体的球心作为股骨头中心。我们采用Geomagic将股骨头与髋臼接触面最佳拟合成球体,将其球心定义为股骨头旋转中心,通过上述操作我们准确的找到了目标的特征点,就确定了股骨解剖轴线及机械轴线,指导术中股骨远端的截骨外翻角度。下一步工作我们将利用此方法进行大样本的测量,得出国人正常的外翻角,以指导适合国人的截骨参数。

[1]郭文正.人工膝设计应考虑的因素.国外医学◦生物医学工程分册,1994,17(5）:259.

[2]Kapandji IA.The physiology of Joint.Vol.2.Churchill Livingstone,Edinburgh,1970.

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

[4]Wangroongsub Y,Cherdtaweesup S.Proper entry point for femoral intramedullary guide in total knee arthroplasty[J].J Med Assoc Thai,2009,92 Suppl 6:S1.

[5]Moreland JR,Bassett LW,Hank GJ.Radiographic analysis of the axial alignment of lower extremity[J].J Bone Joint Surg,1987,69:745.

[6]J.A.Jeffery.The accuracy of the intramedullary Femoral alignment in total knee[J].The Knee,1999,12(6）:211.

[7]黄雪梅,王成焘.计算机辅助全膝置换中股骨力线定位精度的实验研究[J].生物医学工程学杂志,2006,23(1）:82.

[8]苏永松,许忠信,李浩宇,等.先天性髋脱位手术计算机虚拟规划中的测量技术[J].计算机辅助设计与图形学学报,2004,16(8）:1159.

[9]丁 辉,刘文博,王广志.基于CT数据的股骨轴线获取[J].医用生物力学,2009,24(4）:290.

[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.