基于数字化三维重建技术的新西兰兔桡骨解剖学观测及研究

芮 敏, 郑 欣, 李成宇, 姜 伟, 姚圣城, 郭开今

(徐州医科大学附属医院骨科, 徐州 221006)

基于数字化三维重建技术的新西兰兔桡骨解剖学观测及研究

芮 敏, 郑 欣, 李成宇, 姜 伟, 姚圣城, 郭开今

(徐州医科大学附属医院骨科, 徐州 221006)

目的 利用CT图像三维重建技术获取不同月龄新西兰兔桡骨的解剖学数据，为兔骨缺损实验研究及制造骨组织工程支架提供参考。方法 选取3月龄及6月龄雄性新西兰白兔各20只，根据兔月龄不同分为A组(3月龄)及B组(6月龄)，所有兔双侧桡骨行CT扫描，应用Mimicsl0.0软件行数字化三维重建技术重建桡骨, 标定桡骨解剖标志后测量桡骨长度, 桡骨中点矢状径、横径, 前曲角及侧曲角。结果 新西兰白兔桡骨两端粗大、中间细小, 中段存在明显弧形凸起, A组及B组前曲角分别为(24.19±1.18)°及 (23.97±1.35)°, 侧曲角分别为(26.13±1.04)°及 (25.66±1.23)°,二者差异均无统计学意义 (P＞0.05); A组桡骨线性长及曲线长分别为(63.05±1.33) mm及 (65.03±1.10) mm，B组分别为 (66.56±1.53) mm及(70.41±1.06) mm，组间比较差异均具有统计学意义(P＜0.05)。A组、B组桡骨中点横径分别为(4.24±0.19) mm及(4.30±0.23) mm; 中点矢状径分别为(3.23±0.16 mm)及(3.29±0.18) mm。中点横径、矢状径与桡骨长度均无相关性(P＞0.05)。结论 基于CT影像的新西兰白兔桡骨数字化三维重建技术能良好反映桡骨外形, 可清晰识别桡骨解剖标志并进行解剖学测量，为兔骨缺损实验研究及组织工程支架制造提供解剖数据。

数字化三维重建; 新西兰白兔; 桡骨

在骨组织工程实验研究中，骨缺损动物模型是应用最为广泛的模型[1]，理想的骨缺损动物模型是获得可靠实验数据的基础。新西兰白兔是最常使用的实验动物，既往实验研究多采用游标卡尺等传统工具测量桡骨标本以获得相关解剖学参数，但该方法具有一定局限性[2]，如动物需处死后方能获得骨标本进行测量，成本较大、可重复性低等[3]。

随着医学数字技术快速发展，数字化三维重建技术可对连续性断层图像进行三维重建，不仅能够精确显示骨骼三维外形，且能设置为任意角度及方向观察其三维立体解剖结构，并利用计算机软件精确测量相关参数[4]。本实验通过对不同月龄新西兰白兔桡骨经CT扫描后行三维重建及相关解剖学参数测量，并探讨兔桡骨解剖学参数间的相关性以期为兔桡骨骨缺损动物模型及相关骨组织工程支架制备提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

3月龄及6月龄普通级雄性新西兰白兔各20只由江苏省动物实验中心提供[SCXK(苏)2014-005]排除骨骼发育畸形等疾病。3月龄兔体质量(2.24±0.09) kg，6月龄兔体质量(3.24±0.10) kg。依据兔月龄将实验兔分为A组(3月龄组)及B组(6月龄组[SYXK(苏)2014-005]，每组共计40例桡骨标本

1.2 图像采集与保存

所有兔经肌肉注射地西泮注射液(2 mg/kg), 镇静麻醉后取仰卧位，并使双侧前肢完全伸直，使用128排CT机(Definition Flash, 德国Siemens公司)行双侧前肢平扫。扫描范围为肘关节至腕关节以确保获取完整桡骨数据。扫描参数： 80 kV，300 mAs;层厚0.625mm，螺距0.6mm，旋转时间1.0s。所获得的连续性断层图像以Dicom格式存储，每组共获取40组兔桡骨CT影像数据。

1.3 三维重建与解剖参数测量

将扫描获取的Dicom格式尺桡骨CT数据导入Mimics l0.0软件(比利时Materialise公司)，对其进行数字化三维重建，并去除附着的软组织及关节面软骨。根据三维图像中解剖标志定位确认桡骨干中点标记点，以此为参考获得桡骨中点解剖平面及桡骨干解剖轴线，利用Mimics软件进行影像解剖学参数测量。桡骨全长分别采用与大体测量技术相同的直线测量法及基于计算机软件的曲线测量法，并对比这两种技术所获取的结果是否存在差异性；选取桡骨中点并分割出与中点处骨干垂直平面定义为桡骨中点横截面。测量参数包括：桡骨全长(线性长及曲线长)、桡骨干中点矢状径、横径，前曲角，侧曲角。其中，定义线性长为桡骨两端关节面中点连线长；曲线长为经曲线测量工具所获得的桡骨外侧皮质长。前曲角及侧曲角分别为侧位图、正位图中桡骨曲度最高点与桡骨两端皮质骨中点连线夹角。所有图像均放大3倍以上进行操作，测量操作过程及结果均经两人复查确认并取平均值以减少误差。

1.4 统计学分析

应用SPSS16.0软件进行统计分析, 所有数据均经正态性分布检验。计量资料以x-± s表示, 应用t检验比较两组间测量参数，对兔桡骨长度与中点矢状径、中点横径进行相关性检验(Pearson/Spearman相关分析), P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 桡骨数字化三维重建影像

数字化重建后的新西兰白兔尺桡骨三维图像与大体标本相比无明显失真，可清晰显示桡骨形态，并能任意旋转角度，从不同角度观察兔桡骨的解剖特点，精确标定相应解剖标志、测量桡骨解剖参数。新西兰白兔尺桡骨由上下尺桡关节紧密连接，桡骨近端外径较远端明显粗大，且由两端向桡骨中段逐渐减小，桡骨中段外径相对恒定(图1); 侧位图可见桡骨中部向桡侧呈明显弧形凸出，与尺骨凸起弧度基本一致(图2); 正位图可见桡骨中部呈弧形向外侧稍凸出(图3)。桡骨中点横断面图像显示桡骨断面近似椭圆形，横径略大于矢状径(图4)。

2.2 桡骨解剖参数测量

所有参数测量结果均经正态性检验分析，A组(3月龄)桡骨长度短于B组(6月龄)桡骨长度 (P＜0.05);A组及B组桡骨线性长度均短于曲线长度(t=7.261,P＜0.05; t=13.103, P＜0.05); 两组桡骨中点横径、矢状径间的差异均无统计学意义(P＞0.05)(表1)。Pearson相关分析结果显示, A、B两组桡骨中点横径、矢状径与桡骨长度均无相关性(P＞0.05)(表2)。

图1 数字化重建尺桡骨侧位图

图2 桡骨侧位及前曲角测量示意图

图3 桡骨正位及侧曲角测量示意图

图4 桡骨中点横截面及横径、矢状径示意图

3 讨论

新西兰白兔桡骨解剖学参数是制备兔骨缺损动物模型及骨组织工程支架的重要参考数据，但目前尚没有兔桡骨解剖学影像学测量的实验研究。传统的解剖学测量方法多是通过对动物尸体标本进行解剖、剥离后, 利用游标卡尺等工具进行测量，受实验标本数量的限制，成本也较大、可重复性差[5]。鉴于此，作者采用计算机辅助的三维重建技术通过对连续性断层图像按其原始空间结构、位置进行三维重建，能够保证样本量及测量方法的可重复性虚拟解剖测量技术重建图像时可去除附着于桡骨的肌肉、肌腱等组织，从任意角度及方向观察兔桡骨大体形态，精确定位相关解剖标记点; 同时，还可利用相关软件对桡骨任意平面切割，进行距离、角度等相关参数的测量，以求测量数据能够更好地应用于兔桡骨骨组织工程实验研究[6]。

表 1 桡骨参数测量值

表 2 参数间相关性分析(Pearson相关分析)

本研究三维重建图像显示新西兰白兔桡骨并非规则的线性柱状结构 (图1)，其中段存在一定弧度，因而通过测量大体解剖标本的方法无法获得精确的桡骨长度数据。作者通过模拟传统方法测量桡骨全长，即直线测量法，并与曲线测量法对比，结果显示桡骨线性长度小于曲线长度(P＜0.05)。这可能是由于传统的线性测量法仅能测量桡骨两端关节面间的直线距离，而兔桡骨中段存在明显弧度，将其弧线长度简单计算为线性距离往往导致测量误差增大。本实验6月龄兔桡骨直线长度与沈为栋等[2]的实验结果存在一定差异，他们在实验中使用游标卡尺测量5～6月龄新西兰白兔桡骨, 其平均长度约为(70.66±1.91) mm。Özkadif等[4]采用多排CT对16只12～18月龄新西兰白兔(8只雌性, 8只雄性)尺桡骨进行扫描三维重建后, 行解剖学测量表明, 雄性新西兰白兔右侧及左侧桡骨直线长度分别(64.5±10.76)mm及(66.65±10.92) mm，二者间差异无统计学意义，其测量结果与本实验6月龄组桡骨直线距离较为接近。本实验及Özkadif等[4]的结果与沈为栋等[2]的结果不同，可能与桡骨大体标本两端软组织剥离不充分，部分附着于关节面有关。三维重建图像时并未包括桡骨两端关节面软骨，而常规测量技术往往将关节软骨计算在内，这些干扰因素可能是导致其测量结果大于本实验结果的主要原因。另外，两组实验可能选取了不同封闭群的新西兰白兔,它们的遗传差异也可能导致二者桡骨参数不同。

在本研究中，3月龄兔桡骨长度约为6月龄兔桡骨长度的92.4%，相关性分析结果显示，新西兰白兔桡骨长度与体质量呈正相关。桡骨生长趋势基本与Rivas等[7]研究结果一致，他们通过对新西兰白兔长骨在不同生长阶段的生长方式进行研究表明，16周龄兔长骨长度可达成年兔长骨长度的95%, 且其长骨在19～32周龄停止生长。本实验三维重建图像显示新西兰白兔桡骨形态不规则状, 存在一定弧度, 其外径由两端向中段呈渐进性减小趋势, 中段横截面图像显示其横径略长于矢状径(图4)。Giannoudis等[8]提出“骨组织工程菱形概念”，他们认为骨组织工程支架与骨缺损断端间的机械稳定性对断端骨愈合至关重要。因此，在实验中选取规则的圆柱形结构支架往往导致支架与桡骨横断面及桡骨弧度不能完全匹配，而引起植入物与骨断端间断端机械性不稳、过度活动，甚至发生骨不愈合[9]，另外骨组织工程支架与宿主骨形态的不匹配也可能引起断端新生骨的畸形愈合。

本实验主要不足是未对兔桡骨大体解剖标本进行测量，并与影像学测量结果进行对比分析。后期作者将通过结合尸体标本的大体测量及数字化虚拟解剖测量技术，以获得更完整的新西兰白兔桡骨解剖形态数据，为兔桡骨骨缺损模型制作及骨组织工程支架设计提供更精确的数据参考。

综上所述, 数字化三维重建技术能良好反映新西兰兔桡骨外形, 清晰识别桡骨解剖标志并进行解剖学测量, 为兔骨缺损模型构建及组织工程支架制造提供解剖数据, 同时也为测量兔骨形态参数提供了方法。

[1] 李东亚, 郑欣, 邱旭升, 等. 兔桡骨骨缺损动物模型中骨缺损长度及缺损位置的影像学比较研究[J]. 中国矫形外科杂志, 2014, 22(8)：737-741.

[2] 沈为栋, 刘昌戎, 张铁洪, 等. 新西兰大白兔桡骨的解剖学观测[J]. 中华实验外科杂志, 2010, 27(9)：1331-1332.

[3] 黎健伟, 雷蕾, 金丹, 等. 数字化组织瓣的虚拟临床解剖学测量[J]. 中国骨与关节外科, 2013, 6(1)：25-29.

[4] Özkadif S, Eken E, Beoluk K, et al. Three-dimensional reconstruction of New Zealand rabbit antebrachium by multidetector computed tomography[J]. Iran J Vet Res, 2015,16(2)：205-209.

[5] 马敏, 罗树林, 蔡俊丰, 等. 数字技术在全膝关节置换术股骨旋转控制中的应用[J]. 中华解剖与临床杂志, 2014, 19(6)：460-464.

[6] 孙辉红, 陈益光, 李晶, 等. 螺旋CT三维重建技术对股骨后髁角个体化测量的应用研究[J]. 中国CT和MRI杂志,2012, 10(5)：92-94.

[7] Rivas R, Shapiro F. Structural stages in the development of the long bones and epiphyses： a study in the New Zealand white rabbit[J]. J Bone Joint Surg Am, 2002, 84-A(1)：85-100.

[8] Giannoudis PV, Einhorn TA, Marsh D. Fracture healing： the diamond concept[J]. Injury, 2007, 38(Suppl 4)：S3-6.

[9] 刘建恒, 张里程, 唐佩福. 骨折延迟愈合和不愈合的诊治现状[J]. 中华外科杂志, 2015, 53(6)：464-467.

Application of Digital Three-dimensional Reconstruction Technique in Anatomical Measurement and Investigation of Radius in New Zealand White Rabbits

RUI Min, ZHENG Xin, LI Cheng-yu, JIANG Wei, YAO Sheng-cheng, GUO Kai-jin
(Department of Orthopaedics, Affiliated Hospital of Xu Zhou Medical University, Xu Zhou 221006, China)

Objective To obtain anatomical data of radius in New Zealand white rabbits with different age by three-dimensional reconstruction technique of CT images and provide references for rabbit bone defect experiment and bone tissue engineering scaffold manufacture. Methods Forty male New Zealand white rabbits aged 3 months and 6 months were included respectively in this study. According to their age, the rabbits were divided into group A (3 month) and group B (6 month). Computed tomography(CT) scanning of bilateral radius was conducted and the contours of 3D-reconstructed radius were observed by Mimics l0.0, the anatomical parameters including the length of radius, transverse diameters and sagittal diameters of middle of radius, front curvature angleandlateral curvature angle were measured respectively. Results The contours of radius were bulky at ends, narrow in the middle. The obvious camber was observed in radial middle, and the mean front curvature were (24.19±1.18)° in group A and (23.97±1.35)°in group B, and the lateral curvature angles were (26.13±1.04)°in group A and(25.66±1.23)°in group B respectively, and there was no significant difference between the two groups(P＞0.05). The straight and curvilinear length of radius were (63.05±1.33) mm and (65.03±1.10) mm in group A, and (66.56±1.53) mm and (70.41±1.06) mm in group B respectively, with no significant difference (P＜0.05). The transverse diameters of the middle of radius were (4.24±0.19) mm in group A and (4.30±0.23) mm in group B. The sagittal diameters of the middle of radius were (3.23±0.16) mm in group A and (3.29±0.18) mm in group B respectively. There was no significant difference between the two groups with regard to sagittal diameters (P＞0.05). And the transverse diameters and the sagittal diameters of the middle of radius were not correlated with length of radius (P＞0.05). Conclusions It is feasible to accurately identify the contours and bony landmarks on the three-dimensional reconstruction of the radius. Digital measurement can provide accurate parameters for establishment of bone defect model and manufacture of bone-tissue engineering scaffold.

Digitalization; Three-dimensional reconstruction; New Zealand white rabbits; Radius

Q95-33

A

1674-5817(2017)04-0273-05

10.3969/j.issn.1674-5817.2017.04.003

2017-02-02

江苏省卫生计生委面上项目(H201528), 江苏省科技厅社会发展重点项目(BE2015627), 第59批中国博士后科学基金面上项目(2016M591929), 徐州市科技社会发展项目(KC15SH067)

芮 敏(1990-), 硕士研究生, 从事骨组织工程实验研究。E-mail： ruimin325@163.com

郭开今。E-mail： xzgkj@sina.com