膝關(guān)節(jié)不同功能位斷面解剖及三維可視化研究.pdf

1、目的 觀察膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)在不同功能位的斷面解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及變化規(guī)律，并與相對應(yīng)的MRI進(jìn)行對照研究，以期為膝關(guān)節(jié)疾患的動(dòng)態(tài)MRI影像學(xué)診斷提供解剖學(xué)資料；建立膝關(guān)節(jié)不同功能位三維可視化數(shù)字模型，觀察膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)在不同功能位的三維空間位置及相互毗鄰關(guān)系，為計(jì)算機(jī)輔助關(guān)節(jié)外科手術(shù)提供立體形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。 方法 1.選用無明顯關(guān)節(jié)病變的新鮮成年膝關(guān)節(jié)標(biāo)本15例(全伸位、屈曲45°及90°三個(gè)功能位各5例)，將各功能位標(biāo)本用5％

2、藍(lán)色明膠包埋，低溫條件下對標(biāo)本進(jìn)行層厚為0.5mm的薄層銑切。 2.選擇抽取不同功能位膝關(guān)節(jié)連續(xù)薄層斷面圖像數(shù)據(jù)各一套，進(jìn)行圖像的精確配準(zhǔn)和格式轉(zhuǎn)換，將斷面圖像與相對應(yīng)的MRI圖像對照研究。 3.對無明顯膝關(guān)節(jié)病變的成年志愿者60人，在MRI上選用SE-T1加權(quán)，做層厚2.0mm無間距掃描，TR1500ms，TE15ms。測量膝關(guān)節(jié)由全伸位到屈曲位前、后交叉韌帶的長度和厚度，并觀察髕股位置關(guān)系。 4.運(yùn)用圖像分割

3、軟件，分別對不同功能位膝關(guān)節(jié)內(nèi)前交叉韌帶、后交叉韌帶、內(nèi)側(cè)半月板、外側(cè)半月板、髕骨、脛骨以及腓骨等進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的分割與提取，并完成不同功能位膝關(guān)節(jié)內(nèi)主要解剖結(jié)構(gòu)的三維重建。 5.應(yīng)用Amira軟件對不同功能位膝關(guān)節(jié)冰凍連續(xù)斷面的三維數(shù)據(jù)場進(jìn)行任意方位剖切，觀察并評測斷面圖像。 結(jié)果 1.獲取膝關(guān)節(jié)矢狀斷面數(shù)據(jù)集15套(全伸位、屈曲45°及屈曲90°各5套)，數(shù)字化攝影分辨率分別為630萬像素和1，100萬像素，所

4、對應(yīng)的每個(gè)24bit斷面圖像文件大小為36MB和63MB，為TIFF文件格式。組織結(jié)構(gòu)無變形、移位，可在原位對膝關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。 2.在屈膝過程中，前交叉韌帶由緊張變松弛，長度縮短而厚度增寬。后交叉韌帶由松弛變緊張，長度變長而厚度縮窄。隨膝關(guān)節(jié)屈曲，髕骨在股骨髁上的滑行軌跡類似于一開口向外的弧形。 3.完成了不同功能位膝關(guān)節(jié)內(nèi)主要解剖結(jié)構(gòu)的三維重建。重建結(jié)構(gòu)可多結(jié)構(gòu)、多色彩模式顯示，可在三維空間繞任意軸旋轉(zhuǎn)，可對

5、三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行透明顯示、任意縮放，并可對有關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的測量。 4.應(yīng)用amira可視化軟件，對膝關(guān)節(jié)不同功能位解剖斷面圖像進(jìn)行任意方位、角度的旋轉(zhuǎn)和剖切并動(dòng)態(tài)顯示。 結(jié)論 1.矢狀連續(xù)薄層斷面可良好顯示膝關(guān)節(jié)內(nèi)細(xì)微結(jié)構(gòu)，結(jié)合相對應(yīng)的MRI圖像進(jìn)行對照研究，可深入了解膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的連續(xù)薄層斷面形態(tài)特征及變化規(guī)律，為膝關(guān)節(jié)疾患的動(dòng)態(tài)MRI影像學(xué)診斷提供解剖學(xué)資料。 2.膝關(guān)節(jié)不同功能位內(nèi)部結(jié)

6、構(gòu)的測量，可為關(guān)節(jié)外科韌帶置換術(shù)重建點(diǎn)的選擇及髕股關(guān)節(jié)的診治提供詳細(xì)準(zhǔn)確的解剖學(xué)基礎(chǔ)。 3.三維可視化模型能直觀再現(xiàn)不同功能位膝關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)、毗鄰關(guān)系和變化規(guī)律，對分析膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制、膝關(guān)節(jié)病變的形態(tài)學(xué)原因等具有指導(dǎo)意義。 4.建立不同功能位膝關(guān)節(jié)三維可視化解剖模型，便于手術(shù)者掌握交叉韌帶及半月板等結(jié)構(gòu)在膝關(guān)節(jié)不同功能位的形態(tài)變化，增加手術(shù)的安全性，對于功能和立體定向關(guān)節(jié)外科在膝關(guān)節(jié)區(qū)域的手術(shù)具有重要的參考價(jià)

7、值，并為計(jì)算機(jī)輔助虛擬手術(shù)提供操作平臺。 膝關(guān)節(jié)不同功能位斷面解剖及三維可視化研究 前言 膝關(guān)節(jié)是人體6大關(guān)節(jié)中解剖結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)，其受損的發(fā)生率也較高，臨床上以半月板和交叉韌帶的損傷最為常見[1]。膝關(guān)節(jié)的解剖、影像和臨床研究近年來越來越受到重視。由于人們對膝關(guān)節(jié)的正常形態(tài)、功能以及正常支持結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)特征尚未有足夠的認(rèn)識和了解，導(dǎo)致一些膝關(guān)節(jié)功能性疾病的早期影像診斷較為困難[2]。MRI具有高軟組織對比、

8、高分辨率、無創(chuàng)傷性和多切面成像的特點(diǎn)，已成為膝關(guān)節(jié)半月板、韌帶損傷的主要檢查手段。但靜態(tài)MRI對于慢性或部分性韌帶撕裂及細(xì)小結(jié)構(gòu)的損傷診斷準(zhǔn)確性還較低，也難以對膝關(guān)節(jié)的功能作出正確評估。而臨床操作者對膝關(guān)節(jié)眾多結(jié)構(gòu)之間的空間位置和變化規(guī)律的復(fù)雜解剖關(guān)系的掌握程度，將直接影響到治療效果和并發(fā)癥的發(fā)生[3.4]。Vedi等應(yīng)用開放式MRI或Artoscan四肢磁共振成像系統(tǒng)獲取膝關(guān)節(jié)屈膝過程的動(dòng)態(tài)MRI圖像進(jìn)行膝關(guān)節(jié)功能研究。應(yīng)用cinem

9、aticMRI程序可以清晰顯示關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像，動(dòng)態(tài)MRI可以對交叉韌帶、部分半月板及全部髕股位置進(jìn)行診斷，提供更詳盡的診斷細(xì)節(jié)，動(dòng)態(tài)MRI可以比靜態(tài)MRI提供更多有價(jià)值的信息[5]。但動(dòng)態(tài)MRI還處于探索階段，作為膝關(guān)節(jié)影像學(xué)分析和診斷依據(jù)的斷層解剖學(xué)研究還很缺乏，需要進(jìn)行更深入研究，尤其是對于膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)研究方面有著誘人的前景。因此，對不同功能位膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的連續(xù)斷面形態(tài)進(jìn)行細(xì)致深入的研究，特別是是利用計(jì)算機(jī)的圖像處理技術(shù)對膝關(guān)節(jié)結(jié)

10、構(gòu)進(jìn)行三維重建，以更好地顯示這個(gè)區(qū)域內(nèi)各結(jié)構(gòu)的立體形態(tài)、空間位置和毗鄰關(guān)系，無疑將有助于膝關(guān)節(jié)疾病的臨床診療、教學(xué)及科研工作的進(jìn)一步開展[6]。 20世紀(jì)80年代后期，由信息科學(xué)與醫(yī)學(xué)的相互交叉、融合，形成了一個(gè)全新的前沿性研究領(lǐng)域---數(shù)字化人體研究，該研究是將成千上萬條人體斷面數(shù)據(jù)信息在計(jì)算機(jī)里整合重建成人體的三維立體結(jié)構(gòu)圖像，構(gòu)成人體形態(tài)學(xué)信息研究的實(shí)驗(yàn)平臺[7]。我國于1999年開始“中國可視人(ChineseVisib

11、leHuman，CVH)”的研究，目前本實(shí)驗(yàn)室已完成了五套完整的中國可視人男、女?dāng)?shù)據(jù)集原始圖像數(shù)據(jù)的采集和處理，現(xiàn)有關(guān)數(shù)據(jù)集的后期處理及進(jìn)一步應(yīng)用開發(fā)正在進(jìn)行之中[8]。本研究采用中國數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，取不同功能位膝關(guān)節(jié)的矢狀斷面解剖圖像，與相對應(yīng)的動(dòng)態(tài)MRI圖像進(jìn)行對照研究，觀測膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)在不同功能位的二維斷面形態(tài)參數(shù)及在連續(xù)斷面上的變化規(guī)律，以期為膝關(guān)節(jié)疾患的動(dòng)態(tài)MRI影像學(xué)診斷及關(guān)節(jié)鏡技術(shù)提供解剖學(xué)資料。同時(shí)對數(shù)字化膝

12、關(guān)節(jié)矢狀連續(xù)薄層解剖斷面圖像進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)對膝關(guān)節(jié)內(nèi)主要結(jié)構(gòu)的分割提取、三維重建和立體顯示，建立一個(gè)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不同功能位膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)模型，可以根據(jù)手術(shù)者的要求，從不同的顯示角度對膝關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，便于手術(shù)者掌握交叉韌帶及半月板等結(jié)構(gòu)在膝關(guān)節(jié)不同功能位的形態(tài)變化，增加手術(shù)的安全性，防止副損傷，對功能和立體定向關(guān)節(jié)外科膝關(guān)節(jié)區(qū)域的手術(shù)具有重要的參考價(jià)值。 基于上述構(gòu)思，本實(shí)驗(yàn)從以下方面進(jìn)行研究： 1.應(yīng)用

13、數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，獲取高質(zhì)量的不同功能位膝關(guān)節(jié)連續(xù)矢狀薄層斷面圖像數(shù)據(jù)，將膝關(guān)節(jié)斷面圖像與相對應(yīng)的MRI圖像對照研究，進(jìn)行不同功能位膝關(guān)節(jié)斷面影像解剖學(xué)的結(jié)構(gòu)觀察和數(shù)據(jù)測量及影像學(xué)特征分析。 以無明顯膝關(guān)節(jié)病變的成年人為樣本，在MRI上測量膝關(guān)節(jié)由全伸位到屈曲90°位時(shí)前交叉韌帶(anteriorcruciatelig，ACL)和后交叉韌帶(posteriorcruciatelig，PCL)的長度和厚度，觀察膝關(guān)節(jié)屈伸

14、運(yùn)動(dòng)時(shí)髕股間的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。 2.將不同功能位膝關(guān)節(jié)連續(xù)薄層斷面圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，運(yùn)用連續(xù)圖像分割軟件，采取斷面連續(xù)追蹤的方法，分別對數(shù)據(jù)集中的前、后交叉韌帶及內(nèi)、外側(cè)半月板等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行半自動(dòng)數(shù)據(jù)分割和提取，采用三維重建軟件進(jìn)行立體重建，構(gòu)建不同功能位膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型，為膝關(guān)節(jié)數(shù)字解剖學(xué)的教學(xué)和科研提供可視化平臺，并為膝關(guān)節(jié)的影像學(xué)診斷和外科手術(shù)等提供三維形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。 在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用Amira軟件的三維數(shù)據(jù)場剖