图像叠加融合技术研究桡骨头骨折形态特点

张英琪，王 欣，张世民，李 双.同济大学附属同济医院骨科，上海 00065；.同济大学附属杨浦医院骨科，上海 00090

图像叠加融合技术研究桡骨头骨折形态特点

张英琪1，王 欣1，张世民2，李 双2
1.同济大学附属同济医院骨科，上海 200065；2.同济大学附属杨浦医院骨科，上海 200090

目的通过图像叠加融合法，研究桡骨头骨折块的面积、位置等特点，并对三联征骨折患者的桡骨头骨折形态进行总结、描述。方法采集23例桡骨头骨折患者肘关节CT数据（肘关节三联征12例，非三联征11例）。对桡骨头骨折块进行重建并虚拟复位。测量桡骨头骨折块中心点坐标，并绘制骨块中心分布图。结果23例桡骨头骨折，共计产生43块骨折块，平均为（1.9±0.7）块。三联征骨折者，桡骨头骨折块26块，平均（2.2±0.6）块，非三联征骨折者桡骨头骨折块17块，平均为（1.5±0.7）块。结论肘关节三联征的桡骨头骨折块大多分布于前臂中立位的前外侧，绝大多数具有2～3块骨折块，属于Mason分型的Ⅱ型/Ⅲ型。计算机重建及虚拟复位、图像重叠融合技术，可以更好、更精确地对骨折块进行定量描述和统计分析。有助于提高医师对疾病的理解。

桡骨小头骨折；3D建模；图像融合

桡骨头骨折是临床常见的一类损伤。通常由 肘关节压缩应力或者外翻应力经肱骨向桡骨传递时导致。桡骨头骨折根据骨折特点，有数种分类方式。最早的Mason分类将桡骨头骨折分为三类：Ⅰ型，小块骨折无移位；Ⅱ型，骨折伴有移位；Ⅲ型，粉碎骨折累及整个桡骨头[1]。Mason-Johnson分类将桡骨头骨折分为4类：Ⅰ型，小块骨折无移位；Ⅱ型，部分关节面骨折移位＞2 mm；Ⅲ型，粉碎骨折累及整个桡骨头；Ⅳ型，桡骨头骨折伴肘关节脱位。Hotchkiss提出改良的Mason-Johnson分类：Ⅰ型，小块骨折移位＜2 mm；Ⅱ型，部分关节面骨折或桡骨颈骨折移位＞2 mm，影响肘关节活动；Ⅲ型，粉碎骨折累及整个桡骨头，需要进行桡骨头切除或假体置换；Ⅳ型，桡骨头骨折伴肘关节脱位。

以上各种分类均未对桡骨头骨折线及骨折块进行详细描述。有文献提示，在肘关节屈曲状态下，桡骨头骨折通常发生在关节面前部，并且与前臂旋转位置相关[2]。既往有多项研究对桡骨头骨折形态及损伤程度进行了分析[3-6]，其汇总结果大多采用文字表述，缺乏直观的图像总结。

在肘关节三联征中，对尺骨冠突的三维形态研究已有报道。Mellema等[7]通过对82例冠突骨折进行三维重建，分析了三联征冠突骨折和经鹰嘴骨折脱位等不同损伤下，冠突骨折的形态学特点。结果显示，三联征冠突骨折块较小，而经鹰嘴骨折骨折块较大。

本研究通过采用图像叠加融合法，绘制不同损伤下的桡骨头骨折线，研究桡骨头骨折块的面积、位置等特点，并对三联征骨折患者的桡骨头骨折形态进行总结、描述。

1 材料与方法

1.1 临床资料

收集2011年—2015年之间的桡骨头骨折CT数据，包括桡骨骨折、桡骨头骨折、孟氏骨折、肘关节三联征、肘关节骨折脱位等。共收集37例伴有桡骨头骨折的CT资料。排除条件为：患者年龄＜18岁；CT层厚＞1.25 mm；病史描述中有肘关节畸形等影响正常肘关节结构的因素。

最终纳入研究的病例23例。其中12例为肘关节三联征损伤。11例非肘关节三联征损伤，包含7例单纯桡骨头骨折，3例尺骨干骨折合并桡骨头骨折，1例伴有经鹰嘴骨折脱位。平均年龄（34.0± 12.6）岁（范围18～65岁），左侧10例，右侧13例。男性17例，女性6例。均为外伤后急诊收治。

1.2 方法

桡骨头模型三维重建：将CT数据导入Mimics软件。在软件内分别区分并重建桡骨头及每个骨折块骨折块。小于3%面积的游离骨块不计（图1）。

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图1 桡骨头游离骨块重建Fig.1 Reconstruction of fracture fragments of radial head

1）骨折虚拟复位：根据骨折线，手工对桡骨头骨块进行虚拟复位（图2）。将桡骨头拼装为完整的桡骨头关节面。根据桡骨头关节面，自动生成与之相匹配的拟合圆面；并标记圆心与桡骨粗隆最突出点之间的连线。桡骨粗隆的三维标记方法依据van Leeuwen 2012年文献所述[5]。

图2 桡骨头游离骨块复位及定位Upper Fig.Visual restoration of reconstructed fracture fragments of radial head;Lower Fig.Visual circle of radial head joint and location of bicipital tubercle,with circle center and bicipital tubercle as markersFig.2 Restoration and location of fracture fragments of radial head fracture

2）旋转桡骨头至肘关节中立位：以桡骨头关节面为中心，旋转桡骨。当俯视图上桡骨粗隆位与矢状面呈42.6°夹角时，前臂为中立位[8]。

3）将骨折块及拟合面导入Photoshop进行处理，计算游离骨块占关节面面积比例，并提取游离骨块的中心点。与桡骨干相连的关节面不计入游离骨块，不作处理。

以圆心为原点（0，0），外侧为X轴正向，前方为Y轴正向建立坐标系。

骨块中心点坐标公式为：

X等于骨折块内所有像素横坐标之和除以像素数。

Y等于骨折块内所有像素纵坐标之和除以像素数。

多个游离骨块可提取出多个骨折块中心。

以所有桡骨头拟合圆的平均直径为直径，统一图像规格。将所有游离骨折块中心点重叠至标准视图中。获取游离骨块中心分布图（图3）。

图3 游离骨块图像提取Dotted lines show the free fragment edge，blue points are the centers，and blue curves indicate the fracture line.Non-free fragment edge is not included.The image is rotated，and the position of bicipital tubercle is indicatedFig.3 Image extract of fracture fragments

1.3 统计学分析

记录每例患者的桡骨头关节面拟合圆的直径，骨折Mason分型，游离骨折块数量，游离骨折块面积占桡骨头关节面比例、骨折块中心坐标等。

2 结果

23例桡骨头骨折，共计产生43块骨折块，平均（1.9±0.7）块。三联征损伤者，桡骨头骨折块26块，平均（2.2±0.6）块，非三联征损伤者桡骨头骨折块17块，平均为（1.5±0.7）块。二者有显著差异（表1）。

MasonⅠ型骨折4例，均为非三联征骨折，均产生游离骨块1块。MasonⅡ型骨折13例，产生游离骨块24块，平均（1.8±0.5）块。其中三联征病例7例，产生14块，平均（2±0.5）块；非三联征病例6例，产生10块，平均（1.7±0.5）块。MasonⅢ型骨折6例，产生游离骨块15块，平均（2.5±0.5）块。其中三联征病例5例，产生12块，平均（2.4±0.5）块；非三联征病例1例，产生3块（图4～7）。

图4 游离骨块中心点叠加融合图Twenty-three cases with 43 fragments are shown.The centers of fracture fragments are in blueFig.4 Overlay fusion graph of centers of fracture fragments

骨折块面积比及各象限分布数据如下（表1）

表1 桡骨头骨块数据Tab.1 Data of fracture fragments of radial head

3 讨论

通过三维重建，虚拟复位技术，可以对骨折块大小，位置分布进行定量数据分析。基于数字图像的分析可以更加准确地对客观对象进行描述，同时能最大程度地减少人为因素导致的误差。

图6 游离骨块中心点分类图Red points represent cases of traid injuryFig.6 Classification graph of centers of fracture fragments

图7 游离骨块中心点分类图Green points represents cases of traid injuryFig.7 Classification graph of centers of fracture fragments

既往文献对桡骨头骨折块形态特点研究较少。Guitton等[9]通过对46例桡骨头骨折块重建，分析桡骨头骨块数量和稳定性之间的关系。其中3例MasonⅠ型病例均为稳定骨折；26例MasonⅡ型病例中，有7例稳定，19例不稳定；17例MasonⅢ型病例均不稳定。笔者认为MasonⅡ型骨折大多伴随多个骨折块，并且骨折块体积小，难以固定。van Leeuwen等[5]通过CT对MasonⅡ型骨折的骨折块对应弧度进行定量分析，建立以桡骨粗隆为0°，顺时针每隔30°划分的钟面对骨折线起止点进行统计，结果提示，在肘关节中立位时，骨折块起始位置平均为（97.0°±48.3°）（范围31°～254°）；骨折块结束位置平均为（241.6°±61°）（范围19°～330°）；骨折块对应弧度平均为（170.0°±32.8°）（范围99°～252°）；24例患者中22例骨折块位于前外侧，2例位于后外侧。

本研究着重分析骨折块中心点的分布。通过量化计算，分表标记出所有骨折块中心点位置。并将其统一至标准视图上，进行重叠融合。在所有23例肘关节骨折产生的43个骨折块中，前方30块多于后方13块，外侧24块多于内侧19块。其中前外象限分布最多16块（37%），其次为前内14（33%），后外8（19%），后内5（12%）。数据支持既往文献中所对桡骨头骨折块分布的描述。

肘关节三联征包含了肘关节后脱位损伤。既往文献对这类损伤的桡骨头骨折描述较少。本研究针对三联征损伤的桡骨头骨折块分布进行了描述，结果显示，桡骨头骨折块前方游离骨块数量约为后方的2.5倍（前方19后方7）。与肘关节后脱位时桡骨头损伤机制相符合。其中前外侧最多为10块（38%），而后内侧最少为2块（8%）。后内侧骨块对应的桡骨头均为颈部断裂的完全桡骨头骨折。非三联征损伤骨折块同样主要位于前方和外侧，但分布相对均匀，不同的暴力方向可能导致不同区域的骨折。桡骨头通常抵抗的是外翻应力和后脱位，故损伤多位于前外侧。

本研究的不足之处在于，所有CT数据均为肘关节部，不包含桡骨远端。导致旋前位置只能通过桡骨粗隆来进行标记，个体的解剖差异可能导致位置精度下降。

肘关节三联征的桡骨头骨折块大多分布于前臂中立位的前外侧，绝大多数具有2～3块骨折块，属于Mason分型的Ⅱ型/Ⅲ型。

通过计算机重建及虚拟复位、图像重叠融合技术，可以更好、更精确的对骨折块进行定量描述和统计分析。有助于提高医师对疾病的理解。

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Multiple-image fusion technique instudy of features of radial head fractures

ZHANG Yingqi1，WANG Xin1，ZHANG Shimin2，LI Shuang2
1.Department of Orthopaedics，Tonji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China；2.Department of Orthopaedics，Yangpu Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200090，China

ObjectiveTo investigate the features such as area and location of fracture fragments of radial head fractures using multiple-image fusion technique，and summarize the morphology of radial head fractures of traid injury.MethodsThe CT findings of elbow joint of 23 patients with radial head fractures were collected，including 12 cases of traid injury and 11 cases of non-traid injury.The fractured fragments were reconstructed and virtually restored.The locations of the centers of fracture fragments of radial head fractures were measured，and the scattergram was created to show the centers of fragments.ResultsThere were 43 fracture fragments in 23 patients with radial head fractures，with a mean of（1.9±0.7）fragments in each patient.There were 26 fragments in patients with radial head fractures of traid injury，with a mean of（2.2±0.6）fragments.There were 17 fragments in patients with radial head fractures of non-traid injury，with a mean of（1.5±0.7）fragments.ConclusionFor radial head fractures of traid injury，the most common location of fracture fragments is the anterolateral quadrant with the forearmin neutral rotation.There were 2 to 3 fracture fragments in most cases，belonging to Mason typeⅡ/Ⅲ.Computed reconstruction，virtual restoration and multipleimage fusion technique can help in the precise quantitative description and statistical analysis of fracture fragments.

Radial head fractures；3D reconstruction；Image fusion

R683.41

A

2095-378X（2016）04-0229-05

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.04.002

2016-10-28）

国家自然科学基金（81171701）

张英琪（1985—），男，博士，研究数字骨科，虚拟手术及快速成型技术在骨科的应用；电子信箱：realzyq@126. com