5.0 三维重建膝关节胫骨近端模型及其线性参数

 

( 曾纪洲,石逸杰,曲铁兵,等.三维重建胫骨近端模型及其线性参数.中国组织工程研究与临床康复  (CN21-1539/R  ISSN 1673-8225),2009,13(17):3241-3246. )

 

 首都医科大学潞河教学医院骨科曾纪洲

摘要

目的:建立正常华北地区成人胫骨近端三维模型，获得胫骨近端线性参数，为中国人TKA提供理论依据。方法:对62名志愿者115例正常膝关节进行MRI矢状位扫描，胫骨近端三维重建后对各个截面的横经、前后径进行测量，数据进行统计分析。尸体胫骨扫描后对尸体胫骨进行测量，与三维重建的胫骨近端模型的相应测量参数进行比较分析。结果:截骨面横径Y=-0.654X+76.291，X为截骨厚度。在截骨厚度相等的情况下，男性横径大于女性，均数之差5.038～6.662mm。在截骨面上，距内、外侧平台边缘10%、20%、30%处的前后径依次为

Y_1M、Y_2M、Y_3M、Y_1L、Y_2L、Y_3L，Y_1M=-0.340x+40.318，Y_2M=-

 

0.425x+50.373，Y_3M=-0.455x+53.742，Y_1L=-0.211x+36.547，Y_2L=-

 

0.247x+42.583，Y_3L=-0.256x+43.355。胫骨内侧平台前后径大于外

 

侧，从平台的边缘到中心，这种差异性增加。随着截骨厚度的增加，内、外侧平台前后径的差异减少。在截骨厚度8mm时，内、外侧平台从周缘向内依次10%、20%、30%处的前后径之比分别是1:0.9273、1:0.8653、1:0.8274，没有性别差异性。男性的前后径大于女性，均数之差为2.323～3.027mm。尸体胫骨上手工测量与三维重建胫骨近端模型上测量的线性参数误差为1.431mm。结论:MRI三维重建的胫骨近端模型大小稍有偏差，但可以接受。胫骨近端线形参数个体差异性较大，与白种人比较存在差异性。研究结果有利于设计出更适合国人使用的胫骨平台假体和手术器械，提高TKA的临床性能。

【关键词】关节成形术，置换，膝；胫骨；磁共振成像；图像处理，计算机辅助

 

A three-dimensional proximal tibia model of computer- aided representation and its research

of  linear parameters Zeng JZ，Qu TB,,Shi YJ,et al.Department of Orthopaedics,

Beijing Luhe Hospital,Beijing 101149,China

Abstract：[Objective] To reconstruct a three-dimensional proximal tibia model.To gain linear parameters of Chinese proximal tibia.The results are worthwhile for the surgical principle of TKA in Chinese people. [Methods] 115 Chinese normal proximal tibias were studied.Sagittal images were acquired.We used software to obtain 3D images.The relative parameters of proximal tibia were measured.Statistical analysis was performed. The data measured manually from cadavers directly and the data from 3D proximal tibia models of cadavers were compared. [Results] Tibial medial-lateral width Y=-0.654X+76.291,X was the thickness of cutting.When the thickness of cutting is equal,the tibial medial-lateral width of man is larger than that of woman.The mean difference was from 5.038mm to 6.662mm.The average anteroposterior 10%,20%,and 30% from the medial to lateral, peripheries dimensions were Y_1M,Y_2M,Y_3M,Y_1L,Y_2L,Y_3L,respectively.Y_1M= -0.340x+40.318，

Y_2M=-0425x+50.373,Y_3M =-0.455x +53.742，Y_1L=-0.211x+36.547，

Y_2L=-0.247x +42.583，Y_3L=-0.256x+43.355.The medial tibial plateau is

larger than the lateral tibial plateau in the anteroposterior dimension,and more significantly, this anteroposterior difference increases as one moves away from the periphery of the tibial plateau toward the center.The difference between anteroposterior dimensions of the medial tibial plateau and those of the lateral tibial plateau decreases as the thickness of cutting increases.When the thickness of cutting was 8mm,the ratios of the medial/lateral anteroposterior distances at10%,20%,and30% from the periphery were1:0.9273,1:0.8653,1:0.8274,respectively.The ratios are no difference between man and woman.The mean anteroposterior distances in man are larger than those in woman,and the mean difference is from 2.323mm to 3.027mm.The mean errors between data measured manully from cadavers directly and the data measured from 3D proximal tibia models of cadavers were 1.431mm in linear parameters. [Conclusion] Although both the manual measurement from cadavers directly and the measurement from 3D proximal tibia models present the errors,the range of the errors may be accepted.Individual The difference of geometeric parameters of Chinese proximal tibia is bigger.The geometeric parameters of the proximal tibia of the Chinese are different with the Caucasian.The results are worthwhile for providing a morphological basis for tibial prostheses design and surgical apparatus design.The results of the research may improve a clinical performance of TKA.

Key words：Arthroplasty, replacement, knee; Tibia; Magnetic resonace imaging；Image processing, computer-assisted

 

膝关节是一个复杂的负重关节,其形状、运动和稳定机制的复杂性给其重建提出很高要求。目前，国际上常用的膝关节假体是模仿人体膝关节几何形状，并参照假体置入后的运动、稳定性等进行设计，因此膝关节几何形状是假体设计的重要基础之一。此外，膝关节的线性参数对手术器械设计和手术操作有重要的指导意义。目前缺少关于国人膝关节几何学方面的资料，本研究应用MRI及三维重建技术对胫骨近端线性参数进行研究。

资 料 与 方 法

一、仪器设备及软件

MR：0.5-Tesla Shimadzu SMT-50X MRI system (Shimadzu Co Ltd)，PC机，三维重建软

件：AMIRA2.2（德国TGS公司），三维测量软件：Medvis软件（首都医科大学生物医学工程系），Adobe Photoshop6.0软件，DICOMaccessTM1.5软件，统计学软件：SPSS for Windows Release10.0。

二、研究对象

2006－2/2006－10，62个志愿者115侧正常膝关节入选。所有志愿者均久居华北地区。男35例，女27例；年龄20～74岁，平均45.6岁；左侧60膝，右侧55膝；身高144～177cm，平均165.1cm；体重51～90kg，平均67.0kg。

三、方法

（一）扫描体位

志愿者仰卧于MRI床中央，双下肢取旋转中立位，膝关节伸直。踝关节后侧垫沙袋，

目测下调整至被测肢体的胫骨干解剖轴(tibial shaft anatomical axis，TSAA)平行于水平面。

（二）扫描条件

质子加权像，自旋回波序列，TR=1650ms,TE=15ms，层厚2mm，层距2mm，采集图像

4次，矩阵大小256X256,视窗直径32cm，窗宽1800，窗位900。

（三）扫描方法

扫描范围是膝关节线上12cm，膝关节线下20cm，MR焦距中心对准膝关节线下4cm处。采用二次定位法（矢状位、冠状位）。依据Dalury方法：通过胫骨中沟线（the midsulcus line,SL）即胫骨结节内侧缘的内侧1mm处到胫骨棘沟的中点的连线，获得胫骨矢状位定位图像；经过TSAA并垂直于胫骨矢状位定位图像进行扫描，获得胫骨冠状位定位图像；然后平行于TSAA并垂直于胫骨冠状位定位图像，做胫骨矢状位依次扫描。将扫描后储存在MR主机DICOM格式图像数据，传送到MR三维重建的工作平台内，由图像储存库的USB接口传入移动硬盘内，再将移动硬盘的数据传至计算机工作平台内，待后期处理。

（四）胫骨近端模型的建立

在PC机中，将所采集的DICOM格式图像文件通过DicomacessTM1.5软件在AdobePhotoshop6.0环境中打开。用画笔功能对图像进行分割，将图像中所需研究对象（胫骨，包含软骨）的边界描出，将灰度统一设置为255，处理好的文件转化为BMP格式。BMP格式图像用AMIRA2.2软件三维重建胫骨近端模型。

（五）测量方法及测量参数

三维重建的胫骨近端图像转入Medvis软件中。

1、几个主要标志的确定

（1）胫骨截骨面横轴的确定：在同一冠状面上连接胫骨平台内外侧缘的最长线段。

（2）胫骨内侧平台中点的确定：在横轴上胫骨棘间的中点到胫骨内侧平台缘的连线，此连线的中点即为胫骨内侧平台的中点（图1）。

   

图1胫骨内侧平台的中点                      图3：截面线性参数测量

Fig.1 the midpoint of medial tibial plateau     Fig.3 measurement of the linear parameters

2、测量方法及测量胫骨近端线形参数：

在胫骨近端三维重建计算机模型上，垂直TSAA进行胫骨近端定位截骨（图2）。

     

a:截骨定位上面观     b:截骨定位下面观        c:远端截骨面            d:近端截骨面

 a : upper image        b: netherr image           c: distal section           d: near section 

 图2:胫骨近端三维重建模型的截骨过程

Fig.2 the cutting of a three-dimensional proximal tibia model of computer- aided representation

垂直TSAA胫骨近端截骨。内侧平台中点为基准，截骨厚度X依次为6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm，各截面依次为A、B、C、D、E、F、G，H。在胫骨近端截骨面上找出横轴，在横轴上经距内、外侧平台边缘10%、20%、30%的点，并且垂直横轴定出前后方向的线，测量前后径依次为Y_1M、Y_2M、Y_3M、Y_3L、Y_2L、Y_1L （图3）。

（六）误差校验

对尸体胫骨进行实际测量，同时对尸体膝关节予以扫描，三维重建后进行测量，用获得的实际测量数据与三维重建后所取得的数据进行比较。

实 验 结 果

一、胫骨近端线性参数

（一）截骨面横径：

1、一元线性相关与回归分析，截骨面横径Y=-0.654X+76.291，决定系数R²=0.851。

2、截骨厚度相同的情况下，各个截骨面横径分别分成男女两组资料，分别进行两组独

立样本的T-检验，显示男女两组资料之间均有显著性差异。各个截骨面男性横径均数大于女性，均数之差(表1)。

表1：各个截面的男、女横径均数、均数之差 （单位：mm）

Tab.1 Equal and equalization of transverse pathway of each section in male and female（unit：mm）

	A	B	C	D	E	F	G	H
男横径均数 Equal of transverse pathway in male	74.619	73.425	72.579	71.385	70.191	68.533	67.107	65.681
女横径均数 Equal of transverse pathway in female	69.581	68.155	66.381	64.955	63.529	62.567	61.373	60.179
男女均数差 Difference of equal between male and female	5.038	5.27	6.198	6.430	6.662	5.966	5.734	5.502

（二）截骨面的前后径

1、一元线性相关与回归分析，得出方程与方程的决定系数，方程经F-显著性检验，差异具有显著性意义，回归方程可以成立（表2）。

表2:截骨面前后径的回归方程

Tab.2 Regression equation of sagittal pathway of section

方程 equation	决定系数R2 R Square	方程F-检验的P值 P value
Y1M = -0.340x+40.318	0.794	0.0009
Y2M = -0.425x+50.373	0.773	0.0010
Y3M = -0.455x+53.742	0.741	0.0012
Y1L = -0.211x+36.547	0.617	0.0470
Y2L= -0.247x+42.583	0.645	0.0356
Y3L= -0.256x+43.355	0.692	0.0028

分别进行Y_1M与Y_1L、Y_2M与Y_2L、Y_3M与Y_3L之间的两组独立样本的

T-检验， 显示Y_1M与Y_1L（t=3.020,P=0.009）、Y_2M与Y_2L

（t=6.416,P=0.000）、Y_3M与Y_3L（t=8.438,P=0.000）之间均有显著

性差异，且从胫骨平台的边缘到中心，这种差异性增加(表3)。

表3：Y_1L与Y_1M、Y_2L与Y_2M、Y_3L与Y_3M之间的比值

Tab.3 Ratio of betweenY_1L and Y_1M,Y_2L and Y_2M,Y_3L and Y_3M

	A	B	C	D	E	F	G	H
Y1L /Y1M	92.18%	92.73%	93.25%	93.88%	94.49%	97.07%	95.78%	96.46%
Y2L /Y2M	86.03%	86.53%	87.06%	86.04%	88.16%	88.73%	89.34%	89.96%
Y3L /Y3M	82.32%	82.74%	82.23%	83.75%	84.27%	84.12%	85.40%	85.95%

2、截骨厚度相同的情况下，各个截骨面的前后径分别分成男女两组资料，分别进行两组独立样本的T检验，显示男女两组资料之间均有显著性差异。各个截骨面男性前后径均数大于女性对应前后径均数，均数之差为2.323～3.027mm。

男性的Y_1L与Y_1M、Y_2L与Y_2M、 Y_3L与 Y_3M之间的比值以及女性的

Y_1L与Y_1M、Y_2L与Y_2M、Y_3L与 Y_3M之间的比值（表4）。分别进行

Y_1L男 /Y_1M男与Y_1L女/Y_1M女 、Y_2L男/Y_2M男与Y_2L女/Y_2M女 、Y_3L

_男/Y_3M男与Y_3L女/Y_3M女之间的X²-检验,没有差异性。

 

表4：男性的Y_1L与Y_1M、Y_2L与Y_2M、Y_3L与Y_3M之间的比值以及女

性的Y_1L与Y_1M、Y_2L与Y_2M、Y_3L与Y_3M之间的比值

Tab.4 Ratio of betweenY_1L and Y_1M,Y_2L and Y_2M,Y_3L and Y_3M in male and female

	A	B	C	D	E	F	G	H
Y1L男/Y1M男	92.25%	92.79%	92.25%	93.37%	94.54%	95.13%	95.76%	96.41%
Y1L女/Y1M女	92.09%	92.65%	93.20%	93.80%	94.43%	95.11%	95.81%	96.53%
Y2L男/Y2M男	86.23%	86.73%	87.28%	87.82%	88.39%	88.92%	89.50%	90.10%
Y2L女/Y2M女	85.78%	86.28%	86.76%	87.30%	87.86%	88.49%	89.12%	89.78%
Y3L男/Y3M男	82.52%	83.01%	83.54%	84.06%	84.58%	85.10%	85.65%	86.14%
Y3L女/Y3M女	82.06%	82.39%	82.83%	83.34%	83.86%	84.45%	85.07%	85.69%

二、误差校验结果

手工切割的尸体胫骨近端各截面与三维重建后各相应截面的所测量的线性参数平均误差(表5),所有横径的平均误差1.478mm，前后径的平均误差1.385mm，线性参数的平均误差1.431mm。总体上说，三维重建后测量的线性参数较尸体上手工测量值偏小。

表5：单位：mm）

Tab.5:（unit：mm）

	线性参数 linear parameter	平均误差 error
8mm处截骨面 Section at 8mm	横径 transverse pathway	1.581
	前后径 sagittal pathway	1.442
12mm处截骨面 Section at 12mm	横径 transverse pathway	1.409
	前后径 sagittal pathway	1.374
16mm处截骨面 Section at 16mm	横径 transverse pathway	1.452
	前后径 sagittal pathway	1.355
20mm处截骨面 Section at 20mm	横径 transverse pathway	1.471
	前后径 sagittal pathway	1.367

 

讨      论

一、通过MRI进行三维重建的特点：

医学图像三维重建技术始于20世纪80年代，借助计算机对生物组织结构的连续图片进行处理,获得三维立体图像的一种形态学研究方法。近年来,随着计算机技术的迅速发展,可将一系列二维图像的位置变化构成三维图像,并可以旋转、切割,提高了三维重建的精确度和速度。结合应用测量软件,对重建的三维结构进行测量,获得长度等形态学参数。

目前，最常用的三维重建原始数据是CT和MR影像学资料。MRI可显示矢状位、轴位和冠状位三个平面的图像。可清楚地显示软组织和骨组织的形态学变化信息。对于CT不能清楚显示的韧带、关节软骨和半月板能够清楚地显现。我们选取MRI矢状位图像进行三维重建正是利用上述优点，使患者避免接受放射线的辐射，应用于志愿者没有危险性。采用矢状位图像进行重建主要是由于缩短扫描时间，减少扫描层次，有助于志愿者的配合和减少经费耗用，同时并不影响三维重建的效果。

三维重建后的胫骨近端模型进行胫骨近端几何形态学的研究，关键的是在重建过程中减

少测量尺寸的偏差。尸体胫骨实际测量与三维重建后的胫骨近端模型所测量参数进行比较，是校正误差的有效手段。通过比较，认为误差是存在的，但可以接受的。三维重建后测量的线性参数较实际测量值偏小。作者认为：无论三维重建的胫骨近端模型上测量还是尸体胫骨上手工测量，均存在误差。误差的来源由以下几部分组成：（1）MRI机本身存在的误差（2）寻找轮廓线时出现的测量误差：Fu认为，除了手工分割以外没有任何一种分割方法能保证完全正确的分割。作者采用手工分割方法为主，阈值分割方法为辅，将所采图像放大5～10倍，紧贴骨皮质和关节软骨边缘进行分割，尽量减少对原有图像的破坏，仅保留所需要研究的骨组织和关节软骨。将背景的灰度设置为0，骨组织和关节软骨的灰度均设为255，助于增强鲜明的对比性，恢复所研究组织的真实特征。为减少误差，在图像处理进行重建的过程中,进一步从原始矢状位的图像和重组冠状位及轴位的图像上同时辨认组织结构，这样可以降低对原始图像的破坏，增加了寻找轮廓线的准确性。（3）三维重建后的测量误差：重建后的层面切割位置等可导致测量时尺寸大小的偏移，选取测量的位点有人为的因素。三维重建是在MR矢状位二维图像基础上形成的，由于存在采样间隔，两层间的图像是推断图像。采样间隔越小，重建的三维实体与原物越接近。（4）尸体测量存在的误差。

二、胫骨近端线性参数测量及意义

截骨面横径Y=-0.654X+76.291，在截骨厚度相等的情况下，男性各个截骨面横径均数大于女性，均数之差5.038～6.662 mm。随着截骨厚度的增加，截骨面的横径减小；每增加1mm的截骨厚度，横径减少0.654mm。按胫骨平台软骨厚度为3mm计算：软骨下6mm截骨，Stulberg报道截骨面横径为76.894mm；国内未见有关截骨面与横径关系的报道，作者研究结果证实：国人此截骨面的横径为72.341mm，较Stulberg报道的小4.553mm。

据截骨面前后径回归方程的系数，随着截骨厚度的增加，Y_3M减少的

数值最大，Y_1L减少的数值最小。胫骨内侧平台前后径大于外侧平台

前后径，且从胫骨平台的边缘到中心，这种差异性增加。随着截骨厚度的增加，内、外侧平台前后径的差异减少。此结果可以更合理地设计国产假体和手术器械。

Westrich对100个TKA胫骨近端截骨标本进行分析，在横轴上，内、外侧平台从周缘向内依次10%、20%、30%处的前后径之比分别是：1：0.921、1：0.8677、1：0.8246。本研究结果显示当截骨厚度6mm时：在截面横轴上，内、外侧平台从周缘向内依次10%、20% 、30% 处的前后径之比，分别是1：0.9218、1：0.8603、1：0.8232；当截骨厚度8mm时：内、外侧平台从周缘向内依次10%、20%、30%处的前后径之比分别是1：0.9273、1：0.8653、1：0.8274。可见本研究在截骨厚度6～8mm的截骨面上，内外侧平台前后径的比例关系和Westrich报道的极为相似。同时作者发现男女在这种比例关系上没有差异性。但在各个截面上男性的前后径均数大于女性，在统计学上有显著差异性。

胫骨平台的解剖在形态和结构上是不对称的，胫骨内侧平台大于外侧。不相等性的解释

是：这种解剖结构允许正常膝关节外翻对线和负荷传导的机械轴通过膝关节中心，即在膝关节的内外侧间室有相等的负荷。但现今大多数胫骨假体设计成在内外侧平台具有相等的前后径而对称。

对称TKA系统要求消除膝关节间室的不等性。在不对称胫骨截骨面上，使用一个对称胫骨平台假体的共同问题：胫骨平台假体的外侧悬挂、胫骨平台内侧面覆盖少、旋转对线不良。使用对称假体适配胫骨内侧平台时，可能出现胫骨假体外侧悬挂，股骨假体的外侧髁可能碰撞胫骨平台假体悬挂的外侧部分，导致胫骨假体的内旋；使用对称假体适配胫骨外侧平台时，胫骨内侧平台覆盖不够，导致胫骨平台假体的内侧边缘位于松质骨上，而不是皮质骨上，使得胫骨平台假体存在潜在下沉，导致内翻对线。而且，试图用较小的胫骨外侧平台上对线适配一个对称胫骨平台假体的后侧方面，导致胫骨平台假体内旋。随着胫骨假体的内旋将增加其边缘负荷，会引起旋转半脱位和胫骨聚乙烯平台的磨损。此外，胫骨平台假体的不

良旋转还伴随着髌骨假体的磨损，导致不均匀的髌骨轨迹，甚至髌骨脱位。因此，一个TKA系统认识到胫骨内外侧平台的差异，设计假体考虑到较小的外侧平台可能取得最大胫骨覆盖率的目的，和重建正常的胫骨解剖，避免对称假体引起的共同问题。

Incavo报道：8种内外侧胫骨平台对称设计假体的平均胫骨截骨面覆盖率从76.4%到80.8%。Westrich研究证明在胫骨近端不同水平截骨，截骨面的形状是不对称的，总的平均覆盖率从80.62%到84.73%，从不大于85%。但内外侧胫骨平台不对称假体的胫骨截骨面覆盖率可以达到90%。因此，进行胫骨近端的几何形态测量，可提供改进假体设计方案，提高胫骨近端截骨面的覆盖率。

Figgie证实全部利用可得的胫骨截骨面来传递负荷，将获得最大的传导负荷能

力。Walker证实在胫骨近端皮质应力传导更均匀，充分利用此部位的胫骨平台假体能够保持相对长期稳定，减少假体松动。

总之，对国人胫骨近端线性参数的研究，能为设计出更适合国人使用的胫骨平台假体和手术器械提供理论依据，可提高胫骨平台假体的胫骨近端适配度，提高TKA的临床性能。本研究的对象来源局限，总样本量较小，由此得出的数据并不能完全代表国人胫骨近端情况，需进一步进行多中心研究。

 

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作者简介：曾纪洲,男，1968年生，汉族，2003年首都医科大学毕业，医学硕士，副主任医师，研究方向：关节外科。E－mail:[e-mail]