CT图像后处理重建膝关节三维模型：3D-CT评估前交叉韧带重建后的骨道差异

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.40.001

摘要/Abstract

摘要：

背景：有研究表明影响前交叉韧带重建手术效果的因素主要取决于骨道的位置，而目前对骨道位置的研究仍存在一定争议。

目的：探讨3D-CT对关节镜辅助下前交叉韧带重建后骨道评估的临床价值。

方法：对2014年1月至8月收治的58例前交叉韧带损伤患者行关节镜下前交叉韧带重建。股骨端采用Endobutton固定，胫骨端使用可吸收界面钉固定。分别对58个膝关节进行双源CT扫描，使用CT图像后处理工作站重建膝关节三维模型，再现股骨外髁内侧壁及重建后单束骨道，胫骨平台及骨道。根据Lysholm评分分级办法，将随访时Lysholm评分≥80分病例作为优良组，80分以下为不良组，标记、测量股骨及胫骨骨道中心点的相对位置，比较两者的位置关系。

结果与结论：3D-CT三维重建法清晰地反映了膝关节前交叉韧带重建后的骨道及其出入口的位置、固定物及移植物等情况。膝关节功能优良组与不良组患者的术侧膝关节的股骨骨道中心位置之间差异有显著性意义 (P < 0.05)，胫骨骨道中心位置之间差异无显著性意义(P > 0.05)。结果证实，3D-CT能够清晰重建骨隧道及前交叉韧带移植物的图像，临床上可用于评估骨隧道定位与移植物走形的关系。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

关键词: 组织工程, 组织构建实验模型, 三维重建, 关节镜, 前交叉韧带, 重建, 骨道, 自体肌腱, 异体肌腱, 移植物

Abstract:

BACKGROUND: Studies have shown that factors affecting the outcomes of anterior cruciate ligament reconstruction mainly depend on the position of bone tunnels. However, there still exists certain controversy over the researches on the position of bone tunnels.

OBJECTIVE: To investigate the clinical value of three-dimensional computed tomography on postoperative evaluation of bone tunnel after anterior cruciate ligament reconstruction under arthroscopic assistance.

METHODS: Fifty-eight patients with anterior cruciate ligament injury who received the treatment from January 2014 to August 2014 underwent anterior cruciate ligament reconstruction under arthroscopic assistance. The femoral end was fixed using an Endobutton, and tibial end was fixed using absorbable interference screws. 58 knees from patients were scanned respectively by means of a dual-source CT scanner. A three-dimensional model of knee was rebuilt on a CT image post-processing workstation to reproduce the medial wall of the lateral femoral condyle and reconstruct single-bundle anterior cruciate ligament, tibial plateau and bone tunnel. The cases that had a Lysholm score ≥ 80 points were included in the excellent and good group and those who had a Lysholm score < 80 points in the poor group. The relative position of the center point of the femoral and tibial bone tunnels were marked and measured and the position relation between the two center points was estimated.

RESULTS AND CONCLUSION: Three-dimensional computed tomography reconstruction method clearlyreflected the situation of bone tunnel and its entrance, fixtures and grafts after anterior cruciate ligament reconstruction. There was significant difference in the center point of femoral tunnel of the knee on the operated side between excellent and good group and poor group (P < 0.05). There was significant difference in the center point of the tibial tunnel between these two groups (P > 0.05). These results confirm that three-dimensional computed tomography can help to clearly reconstruct the images of bone tunnel and anterior cruciate ligament grafts after operation, which can be used clinically to assess the relationship between bone tunnel location and graft misshaping.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

Key words: Tissue Engineering, Anterior Cruciate Ligament, Arthroscopes, Transplantation

中图分类号:

R318

高冠奇，张克远. CT图像后处理重建膝关节三维模型：3D-CT评估前交叉韧带重建后的骨道差异[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(40): 6397-6401.

Gao Guan-qi, Zhang Ke-yuan. Reconstruction of three-dimensional models of knee joint using CT image post-processing technique: evaluation of bone tunnel difference after anterior cruciate ligament reconstruction using three-dimensional computed tomography [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(40): 6397-6401.

图/表（结果） 2

2.1 受试者数量分析 58例中有11例失访，故纳入患者47例，分为2组，随访5-12个月，平均7个月，按意向性处理分析，全部进入结果分析。 2.2 两组患者基线资料分析入选的两组患者在性别、年龄、损伤类型、重建前Lysholm评分、重建前Tegner分级的差异无显著性意义(P > 0.05)，具有可比性。见表1。

2.3 两组患者重建后一般情况两组均未出现切口及膝关节感染情况，且切口均愈合良好。重建后经过5个月到1年的随访。均未发现重建后膝关节明显的持续性肿胀及疼痛。7例患者在重建后3个月出现膝关节活动度小于90°，给予手法松解后好转，其他病例无并发症发生。 2.4 患者重建前后功能评分 47例患者重建前Lysholm评分为20-70分，平均(41.98±13.97)分。Tegner分级0-3级，平均(1.85±0.83)级。全部随访病例无重建失败或接受翻修。重建后Lysholm评分为61-100分，平均(83.03±9.47)分。Tegner分级2-7级，平均(4.41±1.14)级。重建后Lysholm评分平均提高(41.05±13.83)分，Tegner分级平均提高(2.56±1.37)级，重建后Lysholm评分、Tegner分级、均明显高于重建前(P < 0.01)，见表2。按Cameron等^[20]的改良Lysholm评分方法，80分以上为优良，本组优良率为76%。

如对随访6个月以上的患者进行统计分析，则重建后Lysholm评分平均(85.17±9.45)分；Tegner分级平均(4.66±1.20)级，优良率为83%。47例患者影像学资料中，股骨止点相对位置位于Blumensaat线上距该线与股骨外侧髁前缘的47.36%-83.55%，平均(65.73±6.86)%；胫骨骨道口中点在胫骨平台上距离平台前缘百分比25.78%- 48.40%，平均(39.77±5.10)%。

2.5 两组患者重建后股骨止点及胫骨止点位置比较膝关节功能优良组与不良组患者重建后股骨止点及胫骨止点位置(e)比较，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表3。

2.6 不良反应评价有7例患者在重建后3个月出现膝关节活动度小于90°，给予手法松解后好转，其他病例无手术期并发症发生。

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引言

交叉韧带是维持膝关节稳定的重要静力结构^[1-3]，而前交叉韧带的损伤非常常见^[4-5]，如不及时修复将会造成半月板、软骨、关节退行性改变等一系列继发损伤，严重影响膝关节功能^[6-8]。此外，由于自身的组织学特点，前交叉韧带血供差，韧带中部及韧带的骨附着区为乏血供区^[9]，前交叉韧带断裂后大多数不能自行恢复正常的结构和功能，易造成膝关节的功能性不稳定^[10-12]，不能满足日常生活和运动的需要。关节镜下重建前交叉韧带是目前临床治疗前交叉韧带损伤的主要手段。在关节镜辅助下，术中对于前交叉韧带重建股骨止点、胫骨止点定位主要是依靠外科手术医师个人经验进行，经验不足的操作将影响手术效果，甚至导致手术失败^[13-14]。随着定位及钻孔技术的进步，可以使关节镜医生明确他想定位的骨道位置与解剖标志，但即使采用这些先进的工具与技术，定位股骨及胫骨骨道的同时避免移植物与髁间窝撞击仍是一项富有挑战性的任务。影响手术效果的关键因素主要取决于骨道的位置、移植物的选择、移植物张力、固定方式、骨道变宽、移植物愈合和重建后的康复等，而骨道位置偏差成为最常见的技术失败的主要原因。因此，对股骨、胫骨隧道的正确定位是前交叉韧带断裂重建手术成功的关键^[15]，因为它对膝关节的生物学机制有直接的影响并最终影响临床效果。有文献报道有10%-40%的前交叉韧带重建出现隧道定位错误。股骨骨道位置偏前导致在膝关节屈曲过程中过度改变移植物的长度，造成韧带不等长。胫骨定位靠前导致伸膝时移植物与股骨髁顶撞击，并伴随持续性屈曲挛缩、移植物粘连及继发功能障碍；关于理想隧道的定位，已经有许多不同术中定位的参考方式，但多数为离体标本或模型研究。随着3D-CT的发展和临床应用，因其对组织具备较高的时间分辨率、扫描速度和空间分辨率、快速成像、立体直观和辐射剂量少等特性引起了学者们的高度重视。Iriuchishima等^[16]已使用3D-CT对前交叉韧带止点解剖印记进行了研究，并且取得了成功。3D-CT在一次扫描时获取被检部位的容积数据，可对多平面进行任意结构的重建，测量股骨止点及胫骨止点的中心在三维空间内的位置，分析前交叉韧带断裂重建后股骨止点及胫骨止点的CT表现。根据Lysholm评分，将患者分为膝关节功能优良组和功能不良组，比较术侧膝关节的股骨止点及胫骨止点位置在两组间有无差异，寻找反映膝关节功能的影像学指标。文章在关节镜下对58例前交叉韧带重建患者采用自体腘绳肌腱、异体肌腱重建，股骨端用Endobutton固定，胫骨端用可吸收界面钉固定，并进行随访，通过对重建后膝关节CT扫描进行隧道止点的测量，分析不同临床结果下骨隧道止点位置的差异，探讨理想骨隧道的影像学位置，以期指导临床医生在手术中准确定位。中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

材料方法

1.1 对象选择2014年1至8月新疆医科大学第一附属医院骨肿瘤(骨病•运动损伤)外科收治58例前交叉韧带损伤患者，男43例，女15例；平均年龄33.4岁。58例前交叉韧带损伤患者行关节镜下前交叉韧带重建。应用深低温冷冻异体肌腱移植治疗23例，自体腘绳肌腱治疗35例；单纯前交叉韧带损伤15例，合并半月板损伤41例，合并内侧副韧带损伤2例。所有病例均经病史、临床物理检查(前抽屉试验、Lachman试验、轴移/反轴移试验)及MRI进行初步诊断。

纳入标准：①患者年龄在17-60岁。②手术适应证明确。③患者为单侧肢体的前交叉韧带重建。④患者对治疗方法均知情同意，并签署知情同意书。

排除标准：①重建前未有明显外伤史者。②影像学检查不支持前交叉韧带断裂者。③合并膝关节其他疾病者。

1.2 方法重建前按照Lysholm评分和Tegner运动评级进行膝关节功能评定。股骨端统一采用Endobutton (Smith&Nephew公司，美国)固定，胫骨端采用可吸收挤压螺钉固定，采用经前内侧入路技术制备股骨隧道。股骨端采用前交叉韧带印迹中心定位，镜下对前交叉韧带正常股骨附着点位置观察有一定困难，准确定位有赖于对髁间窝的仔细观察和识别^[17]。在屈膝90°时，使用探钩触诊髁间窝后方过顶沟，注意不要将髁间窝外侧与顶部之间的骨嵴误认为过顶部而使股骨定位点前置。在过顶位前方约7 mm处，前交叉韧带股骨附着区后方进行骨隧道定位，并使用合适直径钻制作骨隧道，并可保留后方2 mm骨皮质。胫骨端采用关节镜直视下前交叉韧带残端定位，导向器辅助钻取与移植物直径严格匹配的骨隧道。

建模方法：CT扫描均在新疆医科大学第一附属医院影像科CT室完成，重建后1周内行双源CT(SOMATOM Definition Flash，西门子公司，德国)进行扫描。所有患者均取平卧位，膝关节伸直。骨隧道和移植物清晰成像后经切割得到冠状位、矢状位及水平位图像。将扫描后获得的薄层图像传送至3D工作站，采用多平面重建(MPR)、曲面重建(CPR)、三维容积成像(VR)及表面重建(SSD)。多角度的MPR图像可显示股骨骨道、胫骨骨道、固定物和移植物的走形及形态。

测量方法：采用Bernard等^[18]使用的象限法在股骨模型上对股骨端隧道中心点位置进行测量(图1a)，股骨髁问窝顶线(Blumensaat’s line)在侧位图像上可清晰显示，以Blumensaat线与股骨外侧髁前后缘交点AB的长度作为Blumensaat线长度。e为移植物股骨骨道中心O到Blumensaat线与股骨外侧髁前缘交点A的距离占AB的百分比。采用Klos推荐的方法对胫骨隧道中心点位置进行测定^[19]。取胫骨隧道轴心与胫骨内侧平台关节面交点，计算该交点与胫骨前方皮质边缘距离占胫骨内侧平台前后最大径的百分比(图1b)。胫骨平台前缘至胫骨平台后缘的距离为CD。f为胫骨骨道中心P到胫骨平台前缘的距离占CD的百分比。全部影像学数据2次测量，取其平均值为最后数据。

重建后管理程序：所有患者统一按照重建后康复方案和管理程序。可调角度卡盘支具固定于伸直位，1 d后拔除引流管，膝关节卡盘支具伸直位固定4周。疼痛减轻后开始股四头肌等长收缩及直腿抬高肌力练习，4周后放开卡盘支具行膝关节屈伸锻炼，佩戴支具6周内患肢不负重。6周后逐步负重，12周后去除支具完全负重，6个月后允许进行体育活动。

重建后随访：58例中有11例(19%)失访，47例(81%)获得5个月到1年的随访，平均随访7个月。以电话问询和门诊检查方式进行。询问所能完成的运动水平，按照Lysholm评分和Tegner运动评级进行膝关节功能评定。对47例有完整影像学及随访资料的患者根据Cameron等^[20]的Lysholm评分分级办法，将随访时Lysholm评分≥ 80分病例作为优良组，80分以下为不良组。

1.3 主要观察指标重建后各组功能评分、股骨止点及胫骨止点位置(e，f)比较结果。

1.4 统计学分析采用SPSS 21.0统计软件进行数据处理。计量资料用x(_)±s表示，组间比较采用独立样本t 检验，组内比较采用配对样本t 检验；计数资料用百分率表示，采用χ²检验。P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

前交叉韧带解剖重建就是使前交叉韧带自然形态尽可能复原。骨道定位、骨性标志的距离等尽可能得到恢复。造成骨道定位不准确的原因主要有术中关节镜视野局限、个体性差异等，所以目前采用理论上的解剖知识对骨道位置进行准确定位还十分困难^[21-23]。在传统手术方式中，骨道位置主要靠手术医师在关节镜下定位，但手术时镜下视野有限，不能实现骨道的准确定位，骨道定位不佳将直接影响重建后患者的膝关节功能恢复，严重时将导致手术失败。而目前股骨止点位置被认为是前交叉韧带重建手术中最关键的因素，其不当的位置是引起手术失败的主要原因之一，本次试验基本与之相符。Odensten等^[24-25]于1985年提出了前交叉韧带的等距特性，即膝关节伸屈范围内胫骨，股骨止点之间距离保持等长。此后等长重建成为前交叉韧带重建的核心。股骨止点位置靠前将使膝关节屈曲时两个骨性隧道间的关节内距离增加，会使膝关节不能屈曲。股骨止点位置靠后或移植物固定在股骨外髁的顶部上方将使移植物在膝关节在伸直位时紧张，屈曲位时松弛。解剖研究证实^[26]，前交叉韧带由附着部位不同、走行方向不同的纤维束组成，一般可根据在胫骨止点附着位置的不同分为前内侧束和后外侧束，膝关节伸直时后外侧束紧张而前内侧束相对松弛，膝关节屈曲时前交叉韧带的股骨附着区长轴由垂直变为水平，引起前内侧束紧张而后外侧束松弛。在膝关节活动过程中，各纤维束交替处于紧张状态，而前交叉韧带整体保持了恒定的张力。因此，真正的等距是不存在的，韧带单束重建不可能模拟这种复杂的运动，其实质是尽量恢复膝关节的正常活动范围，而且始终维持膝关节的稳定和表面正常负荷。研究显示^[27-28]，股骨止点位置对移植韧带的等长特性影响更大，因此股骨等距点的确定是等长重建的重点。 3D-CT三维成像的特点是可以在任意平面及角度更直观清晰观察所需要的点和面，使图像与在关节镜下所见相互对应，有助于手术中定位及重建后对骨道位置的评估。在测量骨道位置时，3D-CT能做到“纯侧位”，并且可以任意去除不需要的结构。试验是通过3D-CT三维重建前交叉韧带股骨止点测量其重建后定位位置。本组的研究结果表明，不同临床结果的股骨止点位置有显著性差异，而不同临床结果的胫骨止点位置则差异不明显，结果显示股骨止点位置对重建后膝关节功能有明显影响，不当的股骨定位会破坏重建韧带的等距特性。根据本组测量和统计分析结果，临床疗效优良的患者股骨止点在Blumensaat线上距该线前缘的相对位置的百分比较疗效较差者为大，提示股骨止点位置偏股骨髁间窝顶后是更好的定位点，此定位点大致位于Blumensaat线前方的65%-72%范围之内，而止点位置偏前则效果欠佳。此结果与其他文献报道相似(Khalfayan等^[29]> 60%；Behrend等^[30] > 71%)，而位于Blumensaat线的60%之前均不是理想定位。Zavras等^[27]则认为股骨附着点的等距区位于正常前交叉韧带股骨止点的后上方，Blumensaat线后方终点靠近“过顶部”处。本组病例研究结果不同临床效果的胫骨定位点位置无显著性差异，总体上位于胫骨平台前后方直径距前缘的36%-47%范围之内，这个结果同其他研究结果的文献报道相近(Howell等^[31]37%-47%，平均(42±3)%；Khalfayan等^[29] > 20%；Behrend等^[30]> 43%；郭林等^[32]对12例膝关节标本X射线定位测量结果显示：前交叉韧带中心位于胫骨平台矢状径的(43.9±1.7)%，这表明本组术者已经注意到胫骨定位对临床效果的影响，同时技术成熟稳定，从而消除了胫骨止点变异产生的临床结果差异。试验表明3D-CT 膝关节三维重建技术可用于骨道定位评价，可指导术者改进手术方法。股骨止点位置对临床效果有显著的影响，如果位置偏前临床效果较差。试验仅探讨了前交叉韧带重建后5个月至1年的病例，尚需积累更多的病例及长期的随访来进一步验证3D-CT三维重建对前交叉韧带重建后效果评估的可靠性。并进一步研究3D-CT三维重建在疗效判断方面的应用价值。3D-CT重建的有效利用可以减少不必要的翻修手术，减轻患者的痛苦及经济负担。中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程