双下肢负重位三维CT检查技术与步态分析结合初步应用进展

朱 珊，王 植，郭 林

(天津大学天津医院放射科，天津 300211)

传统医学影像检查技术是对骨肌系统疾病诊断和治疗的基本支持。X线摄片、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和计算机透视技术已广泛应用于临床多学科，特别是骨科。医学影像检查技术可以直观展现人体解剖结构和手术植入物形态结构，因此经常被用于辅助制定骨科手术计划。医学影像学新技术对于骨肌系统临床诊疗发展也是必不可少的。在2019年6月搜索“医学影像骨科”，显示了超过32000篇文章和近2700篇评论。其中，只有8篇使用锥束计算机体层摄影(Cone beam computed tomography，CBCT)技术。CBCT技术最初仅应用于口腔和颌面部诊疗[1-2]。它是一种新兴医学影像技术，具有CT扫描的原始特征[3-4]，在小范围局域解剖相关病变的诊断和治疗中起到越来越重要的作用。对于骨肌系统疾患的诊断和治疗，临床越来越倾向于使用静态和动态相结合的定量评估方法。使用传统三维计算机断层扫描(Three-dimension computed tomography，3DCT)和MRI设备可以很好地呈现目标关节静态解剖结构，但这种扫描模式通常采用仰卧位，与运动中所需位置相去甚远。换句话说，用传统医学影像学成像方法很难获得负重位条件下的下肢影像学图像。运动医学评估通常对于日常活动状态，特别是人体运动状态下目标关节解剖结构变化进行分析，同时在手术干预前后对目标关节进行肌电图以及足底压力测量，以确定生物力学变量模式的异常。基于这一需求，CBCT技术被引入了骨肌系统诊疗。这一新技术如今可以呈现负重位条件下的3D图像，又称负重计算机断层扫描(Weight-bearing computed tomography，WBCT)。这一新技术具有辐射剂量相对较低、空间分辨率较高、便于人体工程学研究等优势。由于负重位状态是理解骨肌系统解剖结构功能机制的基础，尤其是足、踝关节和膝关节，还有手、腕关节和肘关节，因此应用这一新技术可以对骨肌系统疾病进行更精确的诊断和评估。负重位3DCT检查也可以被应用于特定的动态姿势扫描，如对单腿或双腿直立姿势或其他关节在特定旋转角度下的姿势等进行评估。这种技术可以改变长期以来用于呈现静态解剖结构的传统影像学检查方法的平面测量[5]。现对这一技术在骨科学的初步应用进展进行阐述。

1 WBCT概述

WBCT技术现在多应用于患有下肢关节疾患的患者，大多使用单腿直立姿势采集负重位下肢关节影像学数据(包括膝关节、踝关节和足)。在几分钟内，扫描数据的三维重建图像即自动生成。三维数据的虚拟断层图像沿着任何所选定位轴，可以在最薄层厚为0.26 mm的基础上获得CT数字成像和医学通信(DICOM)图像。此数据集经过工作站进行后处理，以STL格式生成相应的三维模型。在这些骨模型上，可以根据传统或新的技术来定义解剖轴。这里以跟骨模型作为举例说明：主成分分析(PCA)是能够自动计算点云的最大、中间和最小方差的正交轴[6]。如果这些是骨质结构，依据一般骨骼解剖学结构，分别提供纵向、垂直和中外侧轴向。连接足底或足背解剖标志的解剖轴也可以定义为其他可能的扫描方向，仍然在三维扫描中成像，更符合辐射角度[7]，如跟骨倾角(CIA)[8]。对于每一个解剖轴或在与地面相交轴的平面上，相对于地面的倾角也可以利用三维模型计算。类似的计算模式可以应用于任何骨质结构。除了单一骨的绝对倾斜方向外，还可以通过计算三维角度来测量两个骨之间的相对方向。例如，对于跟骨和第1跖骨，可以通过计算得出二者纵向轴间的角度，正如文献中已经报道的“跟骨第1跖骨角”[9]和Hibb角[10]。因此，通过WBCT技术及三维模型计算方法，可以精准测量患者负重位以及运动状态下的下肢骨骼形态及结构绝对及相对关系，从而明确骨肌系统运动机制及生物力学动态变化情况。

2 WBCT骨肌系统临床应用

2.1 踝关节置换假体定制 全踝关节置换目前被认为是一种治疗踝关节病变的长期解决方案，以达到恢复踝关节运动和减轻关节炎疼痛症状的目的，也可以通过踝关节融合手术来保持关节稳定性，已有研究报道证实通过这一治疗方法可获得良好的临床预后[11]。然而，假体与关节大小不匹配是导致术后并发症的重要因素之一。目前临床使用的假体组件大部分采取批量统一设计的方法，其尺寸、数量、种类有限，因此假体定制表现出很大的优势，它依据患者特定尺寸和角度调节假体设计，从而改善临床治疗效果，减少术后并发症的发生概率。这一新技术称为建模或3D打印技术，使用专门用于骨科植入物制作的粉末取代了传统金属假体，制作出一个紧凑的三维物体作为定制假体用于关节置换手术[12]。初步研究[13]表明，包括医学成像、关节建模、假体设计和3D打印在内的SIVE程序可以成功定制踝关节置换假体，甚至可以进一步应用于医学生物力学设计。目前，这种全踝关节置换假体定制程序已逐渐投入使用。由一些研究者多年前开发的盒子踝关节设计被用于这个整体定制过程[14]。部分研究利用负重位3DCT方法评估踝关节病变和假体置换后关节对位情况，胫距关节和距下关节对位情况在冠状位和矢状位、轴位得到更真实、精准的展示。该研究的目的是评估个性化假体定制程序的可行性以及假体质量和假体组件定制的有效性，以尽量减少尺寸不匹配情况，并前瞻性地改善治疗结果。具体方法为：使患者下肢和骨盆轴向对齐，以单腿直立姿势进行患侧踝关节WBCT扫描，得到扫描数据后通过半自动分割方法获得患者特异性骨模型，再使用Creo软件对标准假体部件进行参数化，根据得到的最佳匹配骨模型定制相应假体部件，根据骨质密度和几何形状寻找近端植入假体的最佳水平，模拟骨切除对应于定制设计的假体，然后使用多边形执行操作。通常使用距离映射计算假体接触面积和骨切除体积。距离映射演示了与切除骨的关节匹配改善程度。假体表面覆盖度较传统方法平均增加6%～10%。除了进行植入假体的个性化定制之外，使用WBCT的三维建模也能一定程度上改善假体尺寸及其植入成分选择，从而提高假体支撑力及耐受力。研究表明，虽然建模过程依旧存在局限性，但通过改善假体大小和放置位置可以大大减少假体不匹配概率，减少术后并发症的发生。踝关节假体定制对生物力学、骨与假体负荷和磨损的影响有待于进一步研究，以评估其临床意义。WBCT辐射剂量虽然存在，但是有限，它的使用提高了改善假体关节匹配度的可行性，具有巨大潜在价值。研究[15]还表明，CBCT设备结合最先进的MRI可以在同一研究中提供多重几何设计参数，进行医学图像算法分析，从而重建完整的骨与软骨关节模型。由于在仪器和内植物方面存在工业限制，因此目前对踝关节假体定制的研究仍然具有局限性。但在不久的将来，患者专用的定制仪器和聚乙烯材料也将被引入，以便于全面实施定制计划。未来也可以通过对侧关节的运动测量来增强患侧形态学分析。

2.2 膝关节髌内侧支持带重建术后髌股关节对位关系评估 髌股关节失稳一般采用传统CT扫描方法进行评估，患者体位通常为伸膝和放松肌肉的仰卧位。然而研究表明，在膝关节屈曲和股四头肌收缩时更符合真实膝关节负荷状态，因此在评估时必须通过医学成像真实重现负重位髌股关节不稳定状态。基于这一点，有研究[16]对于髌内侧支持带重建手术治疗髌骨不稳定的患者进行传统CT扫描和WBCT扫描，分析描述髌骨排列和胫骨结节-滑车沟(TT-TG)距离的几个参数，随访5年至全功能恢复，结果发现两种评估方法显示出显著的差异，在膝关节负重情况下得到的一致性和倾斜角比仰卧位大，而TT-TG距离则相反。

2.3 扁平足矫形手术及距下关节融合手术术前及术后评估 继发性成人扁平足是一种非常常见的畸形，包括后足外翻、内侧纵弓扁平和前足外展。这是一个复杂的三维立体结构，将多个静态和动态畸形与距下关节旋前畸形相结合，进行形态学及生物力学评估相对困难。有研究分别结合三维静态和动态参数利用多种仪器评估平足畸形，全面研究患者静态、动态畸形，进行手术前后WBCT和功能步态分析。静态和动态畸形在所有三个解剖平面上都有占很大的成分，距下关节和足的其余结构与分析数据吻合。到目前为止，已有研究针对数名接受手术矫正治疗的严重成人扁平足患者，于术前和术后8个月进行临床检查和仪器评估。患者站立时用WBCT成像，几分钟后依据已建立的专有多段足部运动学分析计划[17]，使用八摄像机运动系统[18-21]进行步态分析。该计划需要在小腿和脚上获取三个被动标记的三维轨迹，能够跟踪后、中、前足三维空间的绝对和相对运动。这些三维旋转和数据测量包括第1跖趾关节的两个主要旋转、内侧纵弓的角度，以及第1、第2和第5跖骨相对倾斜[22]。术前WBCT建模三维测量数据确定了3D扁平足畸形的严重程度，并以此为参考协助制定矫形手术计划，术后得到了相应的测量结果。两者都通过分析测量数据揭示手术后解剖和功能的改善，特别提出的是，术前预计动态后足旋前程度减少。研究使用WBCT和步态分析相结合并分析其相关性，最终为平足手术矫正计划提供准确的评估，特别是在旋前、站立和行走状态评估距下关节对位情况。这为临床手术实施提供了极大支持，在精准医疗方面得到了极大的进展。

3 结 语

传统概念中，负重位影像学测量仅限于2D并受到影像学技术人员对解剖学认识的影响，具有一定局限性。如今采取单腿或双腿站立负重位检查，通过CBCT设备进行三维成像建模、数据分析，成功实现了关节绝对和相对对位关系的量化。这些设备还具有辐射剂量较低的优点，意味着对操作人员和工作环境的辐射保护要求限制较少。另一个优点是保留了数据的原始三维立体扫描模式，使得传统CT扫描可以沿任何方向和不同层厚重建图像。我们研究了足踝关节和膝关节负重位三维CT成像、模型建立、数据分析，精确评估了在实际和特定负荷情况下病情诊断和治疗的复杂性。因此，负重位3D影像技术可以真实呈现骨和关节对应情况，无论是原始畸形还是后续治疗之后的随访都可应用。几十年来，足踝关节和膝关节骨肌系统影像学测量已经被反复提出、研究、应用和讨论。最近的1篇文献[23]阐述了常用的足踝关节负重位X线测量方法，全面综述并仔细汇总了与之相关的概念和图解。米拉尔分析[5]描述了传统X线角度测量，但其中大量测量数据并没有得到广泛应用，并缺少一个定量的数据分析。WBCT扫描克服了传统CT、MRI和X线片设备的限制，为今后更全面的负重位骨关节对位关系力线测量奠定了良好基础。目前的一系列研究是从骨肌系统研究的角度提出的，骨骼和关节显然是重点研究内容，然而这些扫描也可以有效地对软组织结构进行分析。也可以通过结合CBCT和MRI扫描来实现，从而有望实现负重位软骨成像。通过将运动学、动力学和肌电信号测量相结合，完善评估模式及数据信息，可以得到骨肌系统形态学、功能学、生物力学传导等完整信息，具有更大的临床及科研意义。总之，现在单骨相对于地面倾斜角和相对关节角度可以在负重位3DCT扫描中获得。相关的三维骨重建模型可以支持对患者制定更可靠的术前计划和术后评估，在患侧骨或关节严重损伤的情况下也可以对侧为对照[24-25]。未来预计还将开发出其他负重位测量方法，部分已初步进入研究阶段[26-27]。这些新的负重位三维骨形态学研究与当前运动医学以及步态压力分析相结合有很大的潜力，特别是它们的协同作用将有助于更多地支持这些解剖区域的生物技术以及临床研究。