膝關節(jié)不同功能位斷面解剖及三維可視化研究.pdf

1、目的 觀察膝關節(jié)各結構在不同功能位的斷面解剖結構特點及變化規(guī)律，并與相對應的MRI進行對照研究，以期為膝關節(jié)疾患的動態(tài)MRI影像學診斷提供解剖學資料；建立膝關節(jié)不同功能位三維可視化數(shù)字模型，觀察膝關節(jié)各結構在不同功能位的三維空間位置及相互毗鄰關系，為計算機輔助關節(jié)外科手術提供立體形態(tài)學基礎。 方法 1.選用無明顯關節(jié)病變的新鮮成年膝關節(jié)標本15例(全伸位、屈曲45°及90°三個功能位各5例)，將各功能位標本用5％

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

3、軟件，分別對不同功能位膝關節(jié)內前交叉韌帶、后交叉韌帶、內側半月板、外側半月板、髕骨、脛骨以及腓骨等進行結構數(shù)據(jù)的分割與提取，并完成不同功能位膝關節(jié)內主要解剖結構的三維重建。 5.應用Amira軟件對不同功能位膝關節(jié)冰凍連續(xù)斷面的三維數(shù)據(jù)場進行任意方位剖切，觀察并評測斷面圖像。 結果 1.獲取膝關節(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、對應的每個24bit斷面圖像文件大小為36MB和63MB，為TIFF文件格式。組織結構無變形、移位，可在原位對膝關節(jié)的內部結構進行觀測。 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節(jié)內主要解剖結構的三維重建。重建結構可多結構、多色彩模式顯示，可在三維空間繞任意軸旋轉，可對

5、三維結構進行透明顯示、任意縮放，并可對有關結構進行精細的測量。 4.應用amira可視化軟件，對膝關節(jié)不同功能位解剖斷面圖像進行任意方位、角度的旋轉和剖切并動態(tài)顯示。 結論 1.矢狀連續(xù)薄層斷面可良好顯示膝關節(jié)內細微結構，結合相對應的MRI圖像進行對照研究，可深入了解膝關節(jié)運動過程中內部細微結構的連續(xù)薄層斷面形態(tài)特征及變化規(guī)律，為膝關節(jié)疾患的動態(tài)MRI影像學診斷提供解剖學資料。 2.膝關節(jié)不同功能位內部結

6、構的測量，可為關節(jié)外科韌帶置換術重建點的選擇及髕股關節(jié)的診治提供詳細準確的解剖學基礎。 3.三維可視化模型能直觀再現(xiàn)不同功能位膝關節(jié)相關結構的空間形態(tài)、毗鄰關系和變化規(guī)律，對分析膝關節(jié)的運動機制、膝關節(jié)病變的形態(tài)學原因等具有指導意義。 4.建立不同功能位膝關節(jié)三維可視化解剖模型，便于手術者掌握交叉韌帶及半月板等結構在膝關節(jié)不同功能位的形態(tài)變化，增加手術的安全性，對于功能和立體定向關節(jié)外科在膝關節(jié)區(qū)域的手術具有重要的參考價

7、值，并為計算機輔助虛擬手術提供操作平臺。 膝關節(jié)不同功能位斷面解剖及三維可視化研究 前言 膝關節(jié)是人體6大關節(jié)中解剖結構最為復雜的關節(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。由于人們對膝關節(jié)的正常形態(tài)、功能以及正常支持結構的形態(tài)學特征尚未有足夠的認識和了解，導致一些膝關節(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，已成為膝關節(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小結構的損傷診斷準確性還較低，也難以對膝關節(jié)的功能作出正確評估。而臨床操作者對膝關節(jié)眾多結構之間的空間位置和變化規(guī)律的復雜解剖關系的掌握程度，將直接影響到治療效果和并發(fā)癥的發(fā)生[3.4]。Vedi等應用開放式MRI或Artoscan四肢磁共振成像系統(tǒng)獲取膝關節(jié)屈膝過程的動態(tài)MRI圖像進行膝關節(jié)功能研究。應用cinem

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

10、構進行三維重建，以更好地顯示這個區(qū)域內各結構的立體形態(tài)、空間位置和毗鄰關系，無疑將有助于膝關節(jié)疾病的臨床診療、教學及科研工作的進一步開展[6]。 20世紀80年代后期，由信息科學與醫(yī)學的相互交叉、融合，形成了一個全新的前沿性研究領域---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)信息在計算機里整合重建成人體的三維立體結構圖像，構成人體形態(tài)學信息研究的實驗平臺[7]。我國于1999年開始“中國可視人(ChineseVisib

11、leHuman，CVH)”的研究，目前本實驗室已完成了五套完整的中國可視人男、女數(shù)據(jù)集原始圖像數(shù)據(jù)的采集和處理，現(xiàn)有關數(shù)據(jù)集的后期處理及進一步應用開發(fā)正在進行之中[8]。本研究采用中國數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)獲取技術，取不同功能位膝關節(jié)的矢狀斷面解剖圖像，與相對應的動態(tài)MRI圖像進行對照研究，觀測膝關節(jié)各結構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，以期為膝關節(jié)疾患的動態(tài)MRI影像學診斷及關節(jié)鏡技術提供解剖學資料。同時對數(shù)字化膝

12、關節(jié)矢狀連續(xù)薄層解剖斷面圖像進行分析和處理，實現(xiàn)對膝關節(jié)內主要結構的分割提取、三維重建和立體顯示，建立一個基于計算機技術的不同功能位膝關節(jié)解剖結構模型，可以根據(jù)手術者的要求，從不同的顯示角度對膝關節(jié)內部結構進行觀察，便于手術者掌握交叉韌帶及半月板等結構在膝關節(jié)不同功能位的形態(tài)變化，增加手術的安全性，防止副損傷，對功能和立體定向關節(jié)外科膝關節(jié)區(qū)域的手術具有重要的參考價值。 基于上述構思，本實驗從以下方面進行研究： 1.應用

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

14、運動時髕股間的運動變化規(guī)律。 2.將不同功能位膝關節(jié)連續(xù)薄層斷面圖像數(shù)據(jù)進行圖像配準，運用連續(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、外側半月板等主要結構進行半自動數(shù)據(jù)分割和提取，采用三維重建軟件進行立體重建，構建不同功能位膝關節(jié)三維數(shù)字化模型，為膝關節(jié)數(shù)字解剖學的教學和科研提供可視化平臺，并為膝關節(jié)的影像學診斷和外科手術等提供三維形態(tài)學基礎。 在計算機上應用Amira軟件的三維數(shù)據(jù)場剖