賈笛 李彥林 何川 毛建宇

昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院（云南昆明 650000）

點對點圖像配準技術虛擬膝關節(jié)單髁置換術后三維模型的構建

賈笛 李彥林 何川 毛建宇

昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院（云南昆明 650000）

目的：探討使用點對點圖像配準技術虛擬膝關節(jié)單髁置換術的可行性，為該方法的拓展應用及優(yōu)化手術提供試驗依據(jù)。方法：選取在本院行膝關節(jié)單髁置換術（UKA）的膝關節(jié)內側間室骨性關節(jié)炎患者為研究對象，基于膝關節(jié)MRI及CT掃描數(shù)據(jù)構建單髁置換術后膝關節(jié)三維模型，使用點對點配準技術完成虛擬假體置換操作及建立有限元模型，分析虛擬置換術后膝關節(jié)運動學變化。結果：使用點對點圖像配準技術建立了完整的單髁置換術后膝關節(jié)三維模型，其運動學變化趨勢與傳統(tǒng)分析法相似。結論：點對點圖像配準技術可準確完成虛擬手術，較傳統(tǒng)方法更為簡便，值得推廣應用。

點對點圖像配準；單髁置換術；虛擬手術

計算機虛擬手術是關節(jié)置換手術術后膝關節(jié)三維有限元分析中的重要環(huán)節(jié)，準確的虛擬手術直接影響下一步生物力學及運動學分析的結果，為手術的優(yōu)化、術后康復及有限元技術的推廣應用提供重要保證[1-2]。然而傳統(tǒng)的虛擬手術方法較為復雜，需借助二維影像掃描正常人下肢及全部型號的關節(jié)假體，之后操作人員參照關節(jié)置換原則進行手動模擬截骨及假體放置，反復調試后完成虛擬手術[3]。該技術存在研究不具備針對性、全部假體掃描耗費巨大、非醫(yī)學人員依靠自身經(jīng)驗完成虛擬手術缺乏專業(yè)性及準確性等不足[4-5]。

為解決上述問題，昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院運動醫(yī)學科自主研發(fā)了基于點對點配準技術虛擬膝關節(jié)單髁置換術（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）模型構建的方法。選取6例在本院行UKA的膝關節(jié)內側間室骨性關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）患者，使用點對點配準技術構建UKA術后膝關節(jié)三維模型；選取3名正常成人雙膝關節(jié)構建正常膝關節(jié)三維模型，比較膝關節(jié)屈伸活動時二者脛股關節(jié)運動模式的差異，分析聚乙烯襯墊活動情況，探討點對點圖像配準技術應用的可行性及優(yōu)勢，為該方法的應用及推廣提供實驗依據(jù)。

1 臨床資料

1.1 研究對象

在本院行UKA的膝關節(jié)內側間室骨性關節(jié)炎患者中隨機選取6名患者（年齡64.5±4.04歲，身高157.67±1.63cm，體重59.17±1.72 kg，其中3例為左膝，3例為右膝）為研究對象，皆為術后3個月，無并發(fā)癥；3名既往無膝關節(jié)疾患成年女性（年齡34.67±1.53歲，身高161.0±1.73cm，體重57.33±2.08 kg）為對照。對3名正常人進行雙膝關節(jié)MRI及雙下肢CT掃描；由于術后患者下肢裝有金屬假體，為避免MRI掃描時出現(xiàn)偽影及假體移位，同時需保證提取到截骨完成后的術后下肢骨性結構，故對6名膝關節(jié)內側間室OA患者進行UKA術前患膝MRI掃描及術后下肢CT掃描。

OxfordⅢ活動平臺型單髁假體（美國邦美商貿(mào)有限公司），患者術中所用假體為小號股骨假體、AA脛骨底座（分左右）、小號4 mm活動型聚乙烯襯墊。

1.2 研究工具

圖像采集設備：128排雙源螺旋CT（SIEMENS，德國），G1.5T超導型磁共振（General Electric Company，美國）。圖像處理平臺：戴爾工作站Precision T7500；CPU：Intel（至強）E5645 2.40GHz 六核（X2）；內存：24GB DDR3 1333MHz；硬盤：1TB 7200轉，SATA；顯卡：NVIDIA Quadro4000 2GB；操作系統(tǒng)：windows7專業(yè)版（64bit）。假體掃描工具：三維激光掃描儀（3DSS STDLED III型激光掃描儀，由上海數(shù)造機電科技有限公司提供）。圖像處理軟件：Mimics 17.0圖像分割處理軟件，Geomagic Studio 12逆向工程軟件，Abaqus 6.10有限元分析軟件。

1.3 研究方法

1.3.1 圖像掃描及三維模型構建

將CT及MRI掃描數(shù)據(jù)分別以DICOM格式導入Mimics17.0軟件中，使用閾值分割及區(qū)域增長功能提取出正常人股骨、脛骨、腓骨、內外側半月板、內外側副韌帶、前后交叉韌帶、股四頭肌腱及髕腱。對OA患者基于術前MRI提取外側半月板、內外側副韌帶、前后交叉韌帶、股四頭肌腱及髕腱；基于術后CT提取股骨、脛骨、腓骨。分別對正常人及OA患者膝關節(jié)進行骨性結構與軟組織結構配準，得到同一人既包含骨性結構又包含軟組織結構的下肢三維模型（圖1）。對UKA術中使用的單髁假體進行三維激光掃描，并使用Geomagic Studio 12軟件構建出股骨假體、聚乙烯襯墊及脛骨底座三維模型（圖2）。

圖1 下肢三維模型

圖2 假體三維模型

1.3.2 點對點配準技術虛擬UKA

選取OA患者的膝關節(jié)模型，在Mimics軟件界面中選擇STLs中Load STL功能導入逆向重建好的所有使用的假體三維模型，通過移動、旋轉操作將假體三維模型進行調整和組合（圖3）；選擇Registration中的Point Registration功能，將假體三維模型按照術后膝關節(jié)X線片基于解剖位置點對點裝配到三維模型上，完成虛擬置換手術（圖4、圖5）。

圖3 調整假體位置

圖4 點對點圖像配準

圖5 虛擬假體置換

1.3.3 有限元模型坐標建立及脛股關節(jié)相對運動分析

膝關節(jié)模型內部不同屬性的材料在受力后產(chǎn)生形變，為了觀察及描述這種變化，需對不同的材料物質定義其特有的屬性，將其量化處理。彈性模量是縱向應力與縱向應變的比例常數(shù)，是表征不同材料物質抗應力的物理量，彈性模量越大，物體越不容易發(fā)生形變；泊松比是橫向應變與縱向應變之比，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)[4]。載荷是外部應力對膝關節(jié)模型施加的作用效果，邊界條件是模型邊界所受的條件約束。膝關節(jié)屈曲時，股四頭肌是最活躍的肌肉群，在沿重力方向運動時，股四頭肌收縮產(chǎn)生肌力以維持膝關節(jié)穩(wěn)定性?；谝陨显?，對膝關節(jié)模型定義相應材料屬性、設置邊界條件及施加載荷。參照以往研究，為方便計算及描述，將膝關節(jié)模型內所有材料假設為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性材料[6]；對股骨金屬假體、高分子聚乙烯襯墊、脛骨金屬底座以及其它相聯(lián)系的組織，定義8個表面相互接觸區(qū)域[7]。UKA術后膝關節(jié)無內側半月板；各韌帶兩端與對應骨組織相連，定義為剛性固定；假體與截骨面之間設定為捆綁約束，假體間設置為摩擦，摩擦系數(shù)為0.04；接觸力定義采用帶加權因子的罰函數(shù)法，為主面（股骨金屬假體下表面）侵入輔面（聚乙烯襯墊上表面）的函數(shù)[8]；正常人膝關節(jié)模型中，設置半月板前后角與脛骨平臺相連，內側半月板外緣與內側副韌帶相連；對膝關節(jié)施加載荷，施加400 N力量模擬股四頭肌拉力，方向沿股四頭肌向上，平行于股骨干，施加300 N力量模擬身體重力，方向沿股四頭肌向下，平行于股骨干[9]；最后進行四面體網(wǎng)格劃分，得到UKA術后及正常人膝關節(jié)三維有限元模型（圖6、表1）。以股骨相對脛骨的運動作為分析對象，將相對運動定義為內旋、外旋、內翻、外翻以及屈曲、伸直6種形式[10]。模擬膝關節(jié)動態(tài)屈曲0至120°，為方便描述，觀察并分析膝關節(jié)屈曲0°、30°、60°、90°、120°時股骨相對于脛骨內外旋轉、內收外展角度及聚乙烯襯墊活動軌跡。

圖6 膝關節(jié)有限元模型

表1 膝關節(jié)及假體材料屬性

1.4 統(tǒng)計學方法

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學分析，以單因素方差分析比較膝關節(jié)屈曲角度對股骨活動及聚乙烯襯墊活動趨勢是否有影響，檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 股骨相對于脛骨內外旋轉情況

正常人及UKA術后膝關節(jié)在屈曲0～120°活動過程中，股骨相對于脛骨皆發(fā)生外旋運動。在伸直位時，兩者膝關節(jié)股骨未發(fā)生外旋；隨著屈曲角度增加，股骨都相對于脛骨發(fā)生外旋運動。所有正常膝幾乎在屈曲100°前隨著屈曲角度增加，股骨外旋趨勢也不斷增加，屈曲超過100°后，股骨外旋逐漸減小，并在屈曲90°時達整個過程中的最大外旋角度（17.53±0.9）°；所有UKA術后膝幾乎在屈曲70°前隨著屈曲角度增加，股骨外旋趨勢不斷增加，屈曲超過70°后，外旋趨勢逐漸減小，屈曲60°時達整個過程中的最大外旋角度（14.38±1.70）°。屈曲30°及60°時，二者股骨外旋角度比較無顯著差異（P＞0.05），屈曲90°及120°時，正常股骨外旋較UKA術后股骨外旋角度顯著增大（P＜0.05）（表2）。

表2 不同屈曲角度下股骨外旋角度

2.2 股骨相對于脛骨內外翻轉情況

正常膝在屈曲0～90°范圍內，股骨相對于脛骨發(fā)生外展運動，屈曲超過90°以后，逐漸開始內收；UKA術后膝在屈曲75°前股骨主要發(fā)生外展運動，屈曲超過90°后，股骨開始內收。

2.3 聚乙烯襯墊活動情況

UKA術后膝關節(jié)在屈膝運動過程中，聚乙烯襯墊發(fā)生前后向及內外向移位。襯墊主要向后方及外側移位，幾乎在屈膝105°時，襯墊向后方及向外側移位達整個過程移動的最大距離（圖7）。

圖7 膝關節(jié)屈曲時聚乙烯襯墊活動趨勢

3 討論

構建膝關節(jié)三維有限元模型分析關節(jié)置換術后膝關節(jié)運動變化是一種經(jīng)典的分析方法，可有效進行術前規(guī)劃以及指導術式改良，較尸體生物力學分析及大宗病例臨床隨訪而言更為簡便直觀[11-12]。Zhu等[13]選取1名正常成年男性進行左膝關節(jié)MRI及CT掃描，構建左膝關節(jié)三維模型，按照UKA手術原則對正常膝關節(jié)模型進行虛擬截骨及假體放置，最后對脛骨底座冠狀位不同位置放置進行有限元分析，研究脛骨底座位置對下肢生物力學的影響。朱廣鐸等[14]基于1名健康成年男性單側膝關節(jié)二維影像掃描建立膝關節(jié)三維模型，對該模型進行復雜虛擬截骨及假體安裝后構建UKA術后模型并計算脛骨內外側間室載荷分配及應力大小。這種傳統(tǒng)的UKA術后有限元模型建立方法被廣泛普及：對正常人下肢及全套關節(jié)假體進行掃描，按照UKA原則進行虛擬截骨以及根據(jù)截骨量選擇合適的假體進行虛擬安裝，最后再進行有限元分析。然而這種方法較為繁瑣且受人為因素干擾：首先，需提前掃描全套關節(jié)假體并構建假體三維模型，根據(jù)虛擬手術截骨量再確定假體型號；其次，虛擬置換手術過程涉及多次截骨，操作難度較大，截骨出現(xiàn)偏差及假體選擇不適當將顯著影響后續(xù)有限元分析；同時，虛擬手術通常由工程技術人員代替醫(yī)生完成，缺乏醫(yī)學專業(yè)性；再次，選取正常人下肢進行虛擬截骨構建UKA模型對特定病例不具備針對性，不能真正分析手術后下肢生物力學的變化，難以指導手術改良。

使用點對點配準技術建立UKA術后膝關節(jié)模型是基于UKA術后膝關節(jié)二維影像構建三維模型，不需要虛擬截骨，并在此基礎上按照術中所使用型號的假體進行點對點配準操作，因此只需要掃描特定型號的假體，節(jié)省大量時間、成本及操作難度。而且模型是針對特定患者構建，可分析探討該術式對術后下肢生物力學變化的影響，研究具備針對性。本實驗也證明，使用點對點配準技術不僅可以完成UKA術后膝關節(jié)三維模型的構建，而且還能與正常膝關節(jié)運動學特性進行分析比較，分析結果符合前人研究趨勢。

本實驗結果表明，在屈曲活動初期，UKA術后股骨外旋角度與正常膝相比無顯著差異，只有在屈曲范圍繼續(xù)加深后，正常股骨外旋才大于UKA術后股骨。這與Mochizuki等[15]的研究結果具有相同趨勢，即UKA術后股骨旋轉及翻轉與正常股骨旋轉角度接近，但UKA術后股骨最大旋轉值較正常股骨有所減少，并認為這種變化與OA程度、截骨量及假體放置有關。Hason等[16]研究發(fā)現(xiàn)由于全膝關節(jié)置換術（Total Knee Arthroplasty，TKA）對骨及軟組織結構破壞大，術后出現(xiàn)股骨反向旋轉，因而UKA術后股骨旋轉模式較TKA而言更接近正常人。Becker等[17]比較UKA與TKA兩種術式后發(fā)現(xiàn)，由于UKA保留了半月板、交叉韌帶及側副韌帶等維持膝關節(jié)正常功能的組織，因此UKA術后脛股關節(jié)活動方式較TKA更接近于正常人水平。劉志宏等[18]借助10鏡頭紅外運動捕捉系統(tǒng)分析結果也表明，使用活動平臺型假體進行UKA可維持早期膝關節(jié)內外旋角度，運動模式較TKA術后膝關節(jié)更接近于正常膝關節(jié)。

UKA術后活動型聚乙烯襯墊隨著股骨髁運動而發(fā)生前后向移動；而脛骨平臺內側的內側副韌帶、外側的前交叉韌帶都是限制襯墊內外向活動的結構，一旦韌帶破壞或松弛，以及襯墊周圍骨贅撞擊將使襯墊內外向移動，成為襯墊脫位的潛在威脅[19]。再加上生活方式及宗教信仰等原因，長期進行跪地、深蹲或盤腿等膝關節(jié)深度屈曲動作，迫使襯墊發(fā)生脫位[20]。Fujii等[21]對2例UKA術后4～5年襯墊皆向外側脫位至脛骨底座邊緣的病例進行分析后指出，脫位原因與襯墊周圍韌帶的慢性松弛及股骨假體冠狀面位置有關。Kim等[22]的觀點與此相似，并建議UKA術中嚴格保護內側副韌帶，不進行松解；保證股骨后髁截骨充分，避免膝關節(jié)過屈時后髁骨贅撞擊襯墊。

使用點對點配準技術不僅能完成UKA術后膝關節(jié)模型的構建，在此基礎上進行膝關節(jié)運動學參數(shù)分析，且分析結果與傳統(tǒng)分析方法具有相同趨勢，說明該技術具有可靠性；同時該技術較傳統(tǒng)的借助正常人膝關節(jié)模型模擬截骨及假體安裝更為簡便、易操作，可由醫(yī)生自行完成，可顯著提高模擬手術的專業(yè)性及適用性；最后，基于UKA術后患者自身膝關節(jié)進行模型構建，完全參照了特定病例的真實手術過程，對手術效果分析及優(yōu)化手術具有極大科學意義，故該方法值得推廣。

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Construction of Three-dimensional Model after Unicompartmental Knee Arthroplasty Using Point-topoint Image Registeration Technology

Jia Di，Li Yanlin，He Chuan，Mao Jianyu
Department of Sports Medicine，The First Affiliated Hospital of Kunming Medical University，Kunming 650000，China.

Li Yanlin，Email：852387873@qq.com

ObjectiveTo explore the feasibility of constructing three-dimensional model after the unicompartmental knee arthroplasty using the point-to-point image registration technology，so as to provide experimental basis for further application and optimization.MethodsPatients of medial compartment knee osteoarthritis undergoing UKA were chosen and their postoperative three-dimensional knee models were established based on the MRI and CT scans.The virtual prosthetic replacement and finite element models were constructed using point-to-point image registration technology，and the kinematic changes were analyzed.ResultsThe complete postoperative three-dimensional knee models of UKA were established，and the kinematic charateristics were similar to those conducted in traditional methods.ConclusionThe virtual surgery can be performed using the point-to-point image registration technology，and it is both easier and more convenient than the traditional methods.

point-to-point image registration，unicompartmental knee arthroplasty，virtual surgery

2017.04.24

云南省創(chuàng)新團隊項目（編號：2014HC018），國家自然科學基金資助項目（編號：81460340、81560372），云南省醫(yī)療衛(wèi)生單位內設研究機構項目（編號：2014NS161）資助

第1作者：賈笛，Email：514697915@qq.com；

李彥林，Email：852387873@qq.com