膝关节2D/3D配准动态还原和静态加载在体稳定性研究

摘要

目的: 尽管膝关节的稳定性测试目前已应用于膝关节运动功能的评价，但由于膝关节的离体标本研究无法模拟膝关节的真实运动，而在体的运动测试又无法获得骨结构的运动信息，因而不能得到准确的膝关节稳定性数据，也就无法对膝关节损伤的早期诊断及防治措施进行深入的研究。 计算机三维重建技术近年来发展很快，它利用图像、图形技术让医生直观地看到患者体内的结构，特别是对骨及软组织的立体显示是常规方法无法比拟的。但由于受到CT、MRI等扫描速度的限制，只能进行静态扫描，因而目前的计算机图像三维重建图像都是静止的，不能进行动态过程跟踪。利用X线透视可以获得骨的运动信息，但其影像资料为二维图像，不能直接用于三维模型的运动仿真。2D/3D配准技术可以解决此问题。对已知的三维结构通过二维平面图像进行位置配准，再现三维结构的位置关系，简称2D/3D配准技术。应用计算机三维重建技术、2D/3D图像配准技术及图像处理技术可实现膝关节骨性结构的三维仿真运动，这样就可以进行膝关节在体稳定性研究，全面地评价膝关节的运动功能。国内至今尚无应用2D/3D图像配准方法对膝关节在体稳定性进行相关研究的报道。 本研究将： 1、应用计算机三维重建技术、2D/3D图像配准技术及图像处理技术构建膝关节在体稳定性测试系统。 2、在2D/3D图像配准技术的基础上，对人体膝关节生理负重屈曲过程进行动态运动还原在体稳定性研究： ①通过连续采集生理负重屈曲膝关节在不同角度的瞬间两幅二维图像，采用2D/3D配准的方法，还原出生理负重屈曲膝关节在不同角度时的瞬间三维空间位置；通过图像镜像、配准并加载各自运动参数，对膝关节在生理负重屈曲过程进行动态运动还原。 ②通过采集正常膝关节生理负重屈曲不同角度时的瞬间两幅二维图像，采取2D/3D图像配准技术，还原出生理负重屈曲膝关节在不同角度时的瞬间三维空间位置；提取、分析动态运动还原过程的在体稳定性数据，获得正常膝关节动态在体稳定性参数。 ③通过采集ACL断裂膝关节生理负重屈曲不同角度时的瞬间两幅二维图像，采取2D/3D图像配准技术，还原出生理负重屈曲膝关节在不同角度时的瞬间三维空间位置；提取、分析静态加载过程的在体稳定性数据，获得ACL断裂膝关节动态稳定性参数。与正常膝关节动态在体稳定性参数对比，为ACL断裂膝关节的动态还原在体稳定性诊断提供参数标准，并为其它膝关节不稳的动态在体稳定性诊断提供思路和参考。 3、在膝关节生理负荷下的膝关节动态运动还原在体稳定性研究的基础上，开展膝关节静态加载在体稳定性研究，进一步评价膝关节的在体稳定性： ①通过采集正常膝关节静态加载不同角度时的二维图像，采取2D/3D图像配准技术，还原出静态加载膝关节在不同角度时的瞬间三维空间位置；提取、分析静态加载过程的在体稳定性数据，获得正常膝关节静态在体稳定性参数。 ②通过采集ACL断裂膝关节静态加载不同角度时的二维图像，采取2D/3D图像配准技术，还原出静态加载膝关节在不同角度时的瞬间三维空间位置；提取、分析静态加载过程的在体稳定性数据，获得ACL断裂膝关节静态稳定性参数。与正常膝关节静态在体稳定性参数对比，为ACL断裂膝关节的静态加载在体稳定性诊断提供参数标准，并为其它膝关节不稳的静态加载在体稳定性诊断提供思路和参考。 ③对麻醉后的正常和ACL损伤膝关节进行静态加载在体稳定性研究，并与麻醉前比较，评价肌张力对膝关节稳定性的影响。 材料与方法: 1、对健康成年志愿者膝关节进行CT扫描，采集志愿者保持某一姿势时互成直角的正侧位X线平片，进行膝关节CT图像的三维重建，并在软件中建立虚拟X线放射系统再现2张互成直角的X线平片，采用2D/3D图像配准还原摄平片时膝关节的位置，计算两种位置之间的相对位移及角度变化。 2、选取2008年1月至2008年6月在广州军区广州总医院住院的单侧前交叉韧带断裂而对侧膝关节正常的患者8名（所有的患者均在在体稳定性测试结束后的关节镜手术中确诊），用计算机图像重建技术对膝关节进行三维重建；重心放在测试侧关节，在0度，15度，30度、60度、90度生理负重屈曲时采用两台同步的C型臂采集患侧和健侧膝关节骨结构的运动信息，通过二维/三维（2D/3D）图像配准技术，获得膝关节的即时三维运动信息，对其进行动态运动还原在体稳定性研究： ①将二维动态的X线影像转化为三维模型的仿真运动，并通过镜像的方法使两侧膝关节进行同步运动比较，观察患膝的仿真运动变化； ②将健侧膝关节的股骨及胫骨stl文件导入Geomagic中，通过镜像方法将健侧膝关节映射到患侧，将镜像健侧与患侧膝关节的运动数据进行对比，计算出健/患侧膝关节在负重情况下的6个自由度运动学差异。 ③通过2D/3D配准获得膝关节各个状态不同屈曲角度的三维位置，根据前/后交叉韧带，内/外侧副韧带等主要韧带在骨面上的附着点，通过止点还原的方法获得膝关节不同屈曲角度时健/患膝各主要韧带的长度，并进行健患两侧膝关节韧带长度参数对比。 3、上述患者，用计算机图像重建技术对膝关节进行三维重建；健侧及患侧膝关节分别位于屈曲0°、30°、60°、90°位置，通过自制的加载装置对膝关节施加134N向前或向后加载，利用G型臂X线机（Biplanar400）采集麻醉“前/后”志愿者“患/健膝”在“0/前/后”134N加载时互成直角的膝关节X线影像，通过二维/三维（2D/3D）图像配准技术，获得膝关节的即时即时三维运动信息，对其进行静态加载在体稳定性研究： ①在图像处理软件Geomagic8．0中导入两种位置的膝关节胫/股骨stl文件，在同一坐标系中进行原点归零、胫骨和股骨的配准，将加载前后加载后的运动数据进行对比，计算出六个自由度的相对运动，获得静态加载参数；并将健侧和患侧参数进行对比。 ②通过2D/3D配准获得膝关节各个状态不同屈曲角度的三维位置，根据前/后交叉韧带，内/外侧副韧带等主要韧带在骨面上的附着点，通过止点还原的方法获得静态加载下膝关节不同屈曲角度时健/患膝各主要韧带的长度，获得静态加载韧带参数，并进行健患两侧膝关节韧带长度参数对比。 ③同法采集麻醉后健患膝静态加载数据，获得静态加载麻醉后六个自由度及韧带长度参数，并与麻醉前数据进行对比。 4、数据统计: 采集的数据采用SPSS13．0（南方医科大学医学统计学教研室）软件进行分析。统计指数采用（mean±stddev）描述，同一状态不同角度间采用重复测量方差分析和两两比较的LSD方法；两组不同的状态间比较采用配对t检验。统计学检验的显著性设在α=0．05。 结果: 通过图像重建、2D/3D图像配准及相应的图像处理后，计算出股骨在G型臂X线机摄片位与CT扫描位之间的相对位移及角度。与CT扫描时的位置相比，摄X线平片时股骨下段前屈5．72°，内翻1．02°，左旋13．22°。 结论: 1、本研究采用计算机图像重建技术对患者膝关节进行三维重建，采用G型臂X线机采集患者膝关节骨结构的运动信息，通过二维/三维（2D/3D）图像配准技术，将二维动态的X线影像转化为三维模型的仿真运动，建立了膝关节在体稳定性测试系统。 2、动态运动还原在体稳定性研究实验结果说明： ①通过2D/3D图像配准技术，将二维动态的X线影像转化为三维模型的仿真运动可以实现。前交叉损伤后膝关节稳定性受到影响，膝关节有着明显运动学变化；随着影像技术和配准精度的提高，通过膝关节的仿真运动还原可以实现膝关节不稳和损伤的早期诊断。 ②正常膝关节在生理负重屈曲过程中，随屈曲角度的变化，不同的韧带有不同的在体运动变化规律，本实验获得了国人正常膝关节动态在体稳定性参数，为膝关节不稳的诊断提供了在体稳定性韧带参数标准。 ③ACL损伤后膝关节后膝关节稳定性受到明显的影响，各韧带在体稳定性参数和正常比有明显差别。通过和正常膝关节比较，可以实现ACL损伤的诊断。 3、静态加载在体稳定性研究实验结果说明： ①正常膝关节在134N前、后加载时其韧带的参数变化、6个自由度在不同角度有不同的变化。本实验获得了国人正常膝关节静态加载在体稳定性参数，为膝关节不稳的诊断进一步提供了静态加载在体稳定性诊断依据。 ②ACL断裂后膝关节在134N前、后加载时其韧带的参数变化、6个自由度变化和正常膝关节明显不同。与正常膝关节静态在体稳定性参数对比，为ACL断裂膝关节的静态加载在体稳定性诊断提供了静态加载参数标准，并为其它膝关节不稳的静态加载在体稳定性诊断提供了思路和参考。 ③肌力对膝关节的稳定性有着明显的影响，肌力的锻炼对膝关节稳定性的恢复有着明显的作用。在临床诊断膝关节不稳中，除考虑患肢的绝对不稳外，还应充分考虑和健侧对比，这样才能提高诊断的准确程度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章膝关节在体稳定性测试系统的建立及评价

1材料与方法

2.结果

3.讨论

参考文献

第二章膝关节动态运动还原在体稳定性研究

第一节膝关节动态还原

1.膝关节的动态还原

2前交叉韧带损伤对膝关节运动的影响

第二节膝关节运动还原在体稳定性研究

1材料与方法

2结果

3.讨论

参考文献

第三章膝关节加载在体稳定性研究

第一节膝关节静态加载在体稳定性研究

1材料与方法

2.结果

3.讨论

第二节麻醉状态下膝关节静态加载在体稳定性研究

1.材料与方法

2.结果

3.讨论

参考文献

全文小结

综述 膝关节在体稳定性研究进展

攻读学位期间成果

致谢

统计学证明