引用本文： 黄赞, 李彦林, 胡猛, 李建, 尤志敏, 王国梁, 何川. 基于MRI和CT二维图像重建膝关节三维数字化模型的股骨髁扭转角差异性研究. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(2): 167-170. doi: 10.7507/1002-1892.20150036 复制
人工全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是目前治疗严重膝关节疾患的重要方法[1-2]。TKA手术成功关键是恢复正常下肢力线，保证假体旋转位置良好，以及膝关节周围软组织的平衡[3]。股骨髁扭转角（femoral condylar twist angle，CTA）是确定股骨假体旋转定位的最主要参考标志。股骨后髁最突出点的连线为后髁线，股骨内外侧髁的连线为临床上髁轴线，二者夹角即是CTA。计算机辅助三维重建技术可在术前无创情况下测量CTA，并定位股骨假体旋转力线，其受股骨发育和关节病变影响小，易于测量，可避免髌骨外侧支持带松解，从而保证对髌骨外侧的血供，并将髌骨缺血性坏死和骨折发生率降至最低[3-4]。谢诗娟等[5]在基于CT二维图像重建的三维膝关节模型上测量CTA，经比较发现性别间CTA差异无统计学意义，采用外科上髁轴作为股骨假体外旋的参考标志有助于术中股骨截骨及假体安放的准确性，可对TKA术中股骨假体旋转位置进行精确的术前规划。陈欣等[6]和潘哲尔等[7]分别用不同方法建立了膝关节三维模型，但基于CT和MRI二维图像重建膝关节三维数字化模型关节软骨对CTA测量的影响鲜有报道。本研究通过在基于CT和MRI二维图像重建的膝关节三维数字化模型上分别测量CTA，并与尸体标本实体数据进行比较分析，旨在为临床寻找可靠的CTA测量方法。
1 材料与方法
1.1 实验标本及主要仪器
新鲜成人膝关节标本10具，由昆明医科大学解剖教研室提供；标本捐赠者年龄24～55岁，平均37.1岁；左、右侧各5具；无膝关节手术史及骨折、肿瘤、畸形史；软骨完整且无损伤。GE 1.5T超导型磁共振机（GE公司，美国）；Siemens 128排双源螺旋CT机（Siemens公司，德国）；戴尔工作站Precision T7500及Mimics10.0交互式医学图像处理软件由美国George Mason大学计算机系提供。
1.2 膝关节三维数字化模型重建及CTA测量
1.2.1 MRI及CT扫描
取10具膝关节标本，采用GE 1.5T超导型磁共振机及Siemens 128排双源螺旋CT机分别行MRI及CT扫描，获取二维图像，并以DICOM格式储存。MRI扫描参数：重复时间11 000 ms，回波时间25 ms；层厚 1.0 mm；层间距0.2 mm；回波链 14；激励2次；矩阵 192/320；成像视野18。CT扫描参数：管电压120 kV和70 kV，管电流100 mA和60 mA，自胫骨近端5 cm处至股骨远端20 cm，层厚0.6 mm，层间隔0.6 mm，螺距0.5。
1.2.2 重建三维数字化模型
在计算机工作站上，将膝关节扫描图像导入Mimics10.0交互式医学图像处理软件，显示矢状位、冠状位、额状位的二维图像。选择“分割菜单”（Segmentation Menu）中的“界定阈值”（Thresholding），通过“界定阈值”大小调整至完全“蒙罩”（Masks）所有层面的股骨及其软骨，选择“修正蒙罩”（Edit Masks）中的“擦除”（Erase），擦除股骨周围多余的“蒙罩”，选择“分割菜单”中的“从蒙罩计算三维结构”（Calculate 3D from Masks），采用“高质量”（High Quality）计算方法，重建膝关节三维数字化模型。见图 1。
图1
基于MRI及CT二维图像重建的三维数字化模型 ⓐ MRI ⓑ CT 图 2 在三维数字化模型上测量CTA ⓐ 标记测量点并连线 ⓑ 去掉股骨模型后测量CTA 图 3 尸体标本CTA（箭头）测量示意图
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数据对骨性结构分辨率较高，对软组织分辨率不足，因此三维数字化模型仅包含骨性结构。MRI数据对软组织分辨率较高，除骨性结构外，还能重建出膝关节软骨、半月板、前后交叉韧带等软组织结 构。
1.2.3 CTA测量
分别标记股骨后髁最突出点（a、b点）和股骨内外侧髁的最突出点（c、d点），股骨后髁最突出点的连线为后髁线（A线），股骨内外侧髁最突出点的连线为临床上髁轴线（B线）。在三维模型上将A线平移，使其与B线相交于d点，在A、B线组成的平面上∠cdb即是CTA。见图 2。测量均由同一人员完成，重复测量3次，取均值。最终获得两组数据：基于MRI三维影像测量组（A组）和基于CT三维影像测量组（B组）。
1.3 尸体标本CTA测量
将10具膝关节标本进行解剖，完整保留膝关节软骨。使用定位器以点对点精确贯穿1枚克氏针，确保克氏针贯通股骨内外髁最突出点。将另1枚克氏针固定于股骨后髁最突出点。
将照相机固定于水平桌面正上方30 cm处，相机视野垂直于桌面，固定照相机确保拍摄所有标本时位置不变。标本位于照相机视野正中，以后髁线为基准，使后髁连线投射于外科上髁线。将图片导入PhotoshopCS5软件，沿2条克氏针画出2条直线并标出交点，使用软件自带标尺工具获得后髁线和外科上髁线的夹角，即为CTA（图 3）。测量由同一人员在相同条件下完成，重复3次，取均值，得到完整膝关节CTA（C组）。然后完整去除膝关节标本软骨及周围软组织，不破坏骨性结构，暴露软骨下骨。按照相同方法测量膝关节标本去除软骨后的CTA（D组）。
1.4 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，A、B组间及C、D组间CTA比较，采用配对t 检验；A、B、C组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD检验；检验水准α=0.05。
2 结果
三维数字化模型中A、B组CTA分别为（6.43±0.53）、（3.31±1.07）°，比较差异有统计学意义（t=10.235，P=0.000）。膝关节标本中C、D组CTA分别为（5.21±1.28）、（3.33±1.12）°，比较差异亦有统计学意义（t=5.770，P=0.000）。
A、C组间CTA比较差异无统计学意义（t=3.219，P=0.110），B、C组间差异有统计学意义（t=5.779，P=0.000）。提示在基于MRI二维图像重建的膝关节三维数字化模型上测量CTA更接近膝关节保留软骨状态下的实际测量值。
3 讨论
多位学者研究认为股骨内外上髁是股骨旋转对位的可靠参照轴[8-12]。作为股骨远端定位标志的角度参数，CTA发生变化，必然会导致股骨远端旋转力线定位标志的变化，从而影响股骨远端旋转力线，导致股骨远端旋转力线对位不良。股骨远端旋转力线对位不良直接导致髌股关节间接触点异常，应力增加，发生术后髌骨轨迹异常、髌骨脱位或半脱位、髌前痛以及假体早期磨损、松动等问题[13-14]。在TKA中股骨远端恰当的旋转对线，不仅直接影响膝关节稳定性和髌骨沟的位置，还能保证术后膝关节内外侧间隙的平衡和减少髌骨并发症的发生[14-15]。
术中选择后髁轴作为参考轴线时，如不考虑软骨，则可能导致股骨远端旋转对位不良，从而导致相关并发症甚至手术失败。有研究表明，同一个人膝关节软骨在股骨不同部位的厚度亦不同，其中股骨内侧髁软骨较外侧髁软骨厚[3, 16]。因此，与保留软骨时相比，去除膝关节软骨后，股骨后髁最突出点的连线（即后髁线）在三维空间中向下偏移。但外科上髁线位置无明显变化，最终导致保留膝关节软骨情况下的CTA较去除软骨后的CTA大。本研究通过在尸体标本上对比保留和去除膝关节软骨情况下的CTA，表明两种情况下CTA存在显著差异，提示膝关节软骨对CTA测量有影响。
随着计算机技术的发展，计算机辅助三维重建技术已广泛应用于医学领域，其优点是可在无创情况下从任意角度、任意方向上对三维数字化模型进行观察，准确测量三维解剖数据等[17-18]，从而制定准确的术前规划。因此本研究分别以MRI、CT二维图像为数据源，建立膝关节三维数字化模型，在两种模型上进行CTA测量。结果显示，在基于MRI二维图像重建的膝关节三维数字化模型上测量的CTA显著大于基于CT二维图像重建模型，且更接近膝关节保留软骨状态下的实际测量值。我们认为导致该差异的原因可能是：CT对软组织分辨率较低，虽然中等密度的肌肉、肌腱、软骨和骺软骨在低密度脂肪组织的衬托下也能显示，但在重建三维模型时需人工分割，增加了操作时的人为误差。而MRI图像具有良好的对比度，可清晰显示关节软骨和软组织的解剖形态，并能观察矢状面、冠状面、横断面三个方向的切面图像；对于X线、CT不能显示或显示不佳的组织结构，如纤维软骨、关节软骨、韧带、半月板等结构，均具有很高的分辨率[19-20]。所以基于CT和MRI影像下建立的三维模型对CTA的测量有差异性。
综上述，基于MRI影像下建立的三维模型对CTA的测量更准确，故磁共振图像测量可作为一种较理想的临床CTA个性化测量方法。但本研究也存在一定不足，观测标本较少，结果有局限性，研究结果有待后续相关临床研究明确。
人工全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是目前治疗严重膝关节疾患的重要方法[1-2]。TKA手术成功关键是恢复正常下肢力线，保证假体旋转位置良好，以及膝关节周围软组织的平衡[3]。股骨髁扭转角（femoral condylar twist angle，CTA）是确定股骨假体旋转定位的最主要参考标志。股骨后髁最突出点的连线为后髁线，股骨内外侧髁的连线为临床上髁轴线，二者夹角即是CTA。计算机辅助三维重建技术可在术前无创情况下测量CTA，并定位股骨假体旋转力线，其受股骨发育和关节病变影响小，易于测量，可避免髌骨外侧支持带松解，从而保证对髌骨外侧的血供，并将髌骨缺血性坏死和骨折发生率降至最低[3-4]。谢诗娟等[5]在基于CT二维图像重建的三维膝关节模型上测量CTA，经比较发现性别间CTA差异无统计学意义，采用外科上髁轴作为股骨假体外旋的参考标志有助于术中股骨截骨及假体安放的准确性，可对TKA术中股骨假体旋转位置进行精确的术前规划。陈欣等[6]和潘哲尔等[7]分别用不同方法建立了膝关节三维模型，但基于CT和MRI二维图像重建膝关节三维数字化模型关节软骨对CTA测量的影响鲜有报道。本研究通过在基于CT和MRI二维图像重建的膝关节三维数字化模型上分别测量CTA，并与尸体标本实体数据进行比较分析，旨在为临床寻找可靠的CTA测量方法。
1 材料与方法
1.1 实验标本及主要仪器
新鲜成人膝关节标本10具，由昆明医科大学解剖教研室提供；标本捐赠者年龄24～55岁，平均37.1岁；左、右侧各5具；无膝关节手术史及骨折、肿瘤、畸形史；软骨完整且无损伤。GE 1.5T超导型磁共振机（GE公司，美国）；Siemens 128排双源螺旋CT机（Siemens公司，德国）；戴尔工作站Precision T7500及Mimics10.0交互式医学图像处理软件由美国George Mason大学计算机系提供。
1.2 膝关节三维数字化模型重建及CTA测量
1.2.1 MRI及CT扫描
取10具膝关节标本，采用GE 1.5T超导型磁共振机及Siemens 128排双源螺旋CT机分别行MRI及CT扫描，获取二维图像，并以DICOM格式储存。MRI扫描参数：重复时间11 000 ms，回波时间25 ms；层厚 1.0 mm；层间距0.2 mm；回波链 14；激励2次；矩阵 192/320；成像视野18。CT扫描参数：管电压120 kV和70 kV，管电流100 mA和60 mA，自胫骨近端5 cm处至股骨远端20 cm，层厚0.6 mm，层间隔0.6 mm，螺距0.5。
1.2.2 重建三维数字化模型
在计算机工作站上，将膝关节扫描图像导入Mimics10.0交互式医学图像处理软件，显示矢状位、冠状位、额状位的二维图像。选择“分割菜单”（Segmentation Menu）中的“界定阈值”（Thresholding），通过“界定阈值”大小调整至完全“蒙罩”（Masks）所有层面的股骨及其软骨，选择“修正蒙罩”（Edit Masks）中的“擦除”（Erase），擦除股骨周围多余的“蒙罩”，选择“分割菜单”中的“从蒙罩计算三维结构”（Calculate 3D from Masks），采用“高质量”（High Quality）计算方法，重建膝关节三维数字化模型。见图 1。
图1
基于MRI及CT二维图像重建的三维数字化模型 ⓐ MRI ⓑ CT 图 2 在三维数字化模型上测量CTA ⓐ 标记测量点并连线 ⓑ 去掉股骨模型后测量CTA 图 3 尸体标本CTA（箭头）测量示意图
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数据对骨性结构分辨率较高，对软组织分辨率不足，因此三维数字化模型仅包含骨性结构。MRI数据对软组织分辨率较高，除骨性结构外，还能重建出膝关节软骨、半月板、前后交叉韧带等软组织结 构。
1.2.3 CTA测量
分别标记股骨后髁最突出点（a、b点）和股骨内外侧髁的最突出点（c、d点），股骨后髁最突出点的连线为后髁线（A线），股骨内外侧髁最突出点的连线为临床上髁轴线（B线）。在三维模型上将A线平移，使其与B线相交于d点，在A、B线组成的平面上∠cdb即是CTA。见图 2。测量均由同一人员完成，重复测量3次，取均值。最终获得两组数据：基于MRI三维影像测量组（A组）和基于CT三维影像测量组（B组）。
1.3 尸体标本CTA测量
将10具膝关节标本进行解剖，完整保留膝关节软骨。使用定位器以点对点精确贯穿1枚克氏针，确保克氏针贯通股骨内外髁最突出点。将另1枚克氏针固定于股骨后髁最突出点。
将照相机固定于水平桌面正上方30 cm处，相机视野垂直于桌面，固定照相机确保拍摄所有标本时位置不变。标本位于照相机视野正中，以后髁线为基准，使后髁连线投射于外科上髁线。将图片导入PhotoshopCS5软件，沿2条克氏针画出2条直线并标出交点，使用软件自带标尺工具获得后髁线和外科上髁线的夹角，即为CTA（图 3）。测量由同一人员在相同条件下完成，重复3次，取均值，得到完整膝关节CTA（C组）。然后完整去除膝关节标本软骨及周围软组织，不破坏骨性结构，暴露软骨下骨。按照相同方法测量膝关节标本去除软骨后的CTA（D组）。
1.4 统计学方法
采用SPSS17.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，A、B组间及C、D组间CTA比较，采用配对t 检验；A、B、C组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD检验；检验水准α=0.05。
2 结果
三维数字化模型中A、B组CTA分别为（6.43±0.53）、（3.31±1.07）°，比较差异有统计学意义（t=10.235，P=0.000）。膝关节标本中C、D组CTA分别为（5.21±1.28）、（3.33±1.12）°，比较差异亦有统计学意义（t=5.770，P=0.000）。
A、C组间CTA比较差异无统计学意义（t=3.219，P=0.110），B、C组间差异有统计学意义（t=5.779，P=0.000）。提示在基于MRI二维图像重建的膝关节三维数字化模型上测量CTA更接近膝关节保留软骨状态下的实际测量值。
3 讨论
多位学者研究认为股骨内外上髁是股骨旋转对位的可靠参照轴[8-12]。作为股骨远端定位标志的角度参数，CTA发生变化，必然会导致股骨远端旋转力线定位标志的变化，从而影响股骨远端旋转力线，导致股骨远端旋转力线对位不良。股骨远端旋转力线对位不良直接导致髌股关节间接触点异常，应力增加，发生术后髌骨轨迹异常、髌骨脱位或半脱位、髌前痛以及假体早期磨损、松动等问题[13-14]。在TKA中股骨远端恰当的旋转对线，不仅直接影响膝关节稳定性和髌骨沟的位置，还能保证术后膝关节内外侧间隙的平衡和减少髌骨并发症的发生[14-15]。
术中选择后髁轴作为参考轴线时，如不考虑软骨，则可能导致股骨远端旋转对位不良，从而导致相关并发症甚至手术失败。有研究表明，同一个人膝关节软骨在股骨不同部位的厚度亦不同，其中股骨内侧髁软骨较外侧髁软骨厚[3, 16]。因此，与保留软骨时相比，去除膝关节软骨后，股骨后髁最突出点的连线（即后髁线）在三维空间中向下偏移。但外科上髁线位置无明显变化，最终导致保留膝关节软骨情况下的CTA较去除软骨后的CTA大。本研究通过在尸体标本上对比保留和去除膝关节软骨情况下的CTA，表明两种情况下CTA存在显著差异，提示膝关节软骨对CTA测量有影响。
随着计算机技术的发展，计算机辅助三维重建技术已广泛应用于医学领域，其优点是可在无创情况下从任意角度、任意方向上对三维数字化模型进行观察，准确测量三维解剖数据等[17-18]，从而制定准确的术前规划。因此本研究分别以MRI、CT二维图像为数据源，建立膝关节三维数字化模型，在两种模型上进行CTA测量。结果显示，在基于MRI二维图像重建的膝关节三维数字化模型上测量的CTA显著大于基于CT二维图像重建模型，且更接近膝关节保留软骨状态下的实际测量值。我们认为导致该差异的原因可能是：CT对软组织分辨率较低，虽然中等密度的肌肉、肌腱、软骨和骺软骨在低密度脂肪组织的衬托下也能显示，但在重建三维模型时需人工分割，增加了操作时的人为误差。而MRI图像具有良好的对比度，可清晰显示关节软骨和软组织的解剖形态，并能观察矢状面、冠状面、横断面三个方向的切面图像；对于X线、CT不能显示或显示不佳的组织结构，如纤维软骨、关节软骨、韧带、半月板等结构，均具有很高的分辨率[19-20]。所以基于CT和MRI影像下建立的三维模型对CTA的测量有差异性。
综上述，基于MRI影像下建立的三维模型对CTA的测量更准确，故磁共振图像测量可作为一种较理想的临床CTA个性化测量方法。但本研究也存在一定不足，观测标本较少，结果有局限性，研究结果有待后续相关临床研究明确。
