点对点图像配准技术虚拟膝关节单髁置换术后三维模型的构建

贾笛 李彦林 何川 毛建宇

昆明医科大学第一附属医院（云南昆明 650000）

点对点图像配准技术虚拟膝关节单髁置换术后三维模型的构建

贾笛 李彦林 何川 毛建宇

昆明医科大学第一附属医院（云南昆明 650000）

目的：探讨使用点对点图像配准技术虚拟膝关节单髁置换术的可行性，为该方法的拓展应用及优化手术提供试验依据。方法：选取在本院行膝关节单髁置换术（UKA）的膝关节内侧间室骨性关节炎患者为研究对象，基于膝关节MRI及CT扫描数据构建单髁置换术后膝关节三维模型，使用点对点配准技术完成虚拟假体置换操作及建立有限元模型，分析虚拟置换术后膝关节运动学变化。结果：使用点对点图像配准技术建立了完整的单髁置换术后膝关节三维模型，其运动学变化趋势与传统分析法相似。结论：点对点图像配准技术可准确完成虚拟手术，较传统方法更为简便，值得推广应用。

点对点图像配准；单髁置换术；虚拟手术

计算机虚拟手术是关节置换手术术后膝关节三维有限元分析中的重要环节，准确的虚拟手术直接影响下一步生物力学及运动学分析的结果，为手术的优化、术后康复及有限元技术的推广应用提供重要保证[1-2]。然而传统的虚拟手术方法较为复杂，需借助二维影像扫描正常人下肢及全部型号的关节假体，之后操作人员参照关节置换原则进行手动模拟截骨及假体放置，反复调试后完成虚拟手术[3]。该技术存在研究不具备针对性、全部假体扫描耗费巨大、非医学人员依靠自身经验完成虚拟手术缺乏专业性及准确性等不足[4-5]。

为解决上述问题，昆明医科大学第一附属医院运动医学科自主研发了基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）模型构建的方法。选取6例在本院行UKA的膝关节内侧间室骨性关节炎（osteoarthritis，OA）患者，使用点对点配准技术构建UKA术后膝关节三维模型；选取3名正常成人双膝关节构建正常膝关节三维模型，比较膝关节屈伸活动时二者胫股关节运动模式的差异，分析聚乙烯衬垫活动情况，探讨点对点图像配准技术应用的可行性及优势，为该方法的应用及推广提供实验依据。

1 临床资料

1.1 研究对象

在本院行UKA的膝关节内侧间室骨性关节炎患者中随机选取6名患者（年龄64.5±4.04岁，身高157.67±1.63cm，体重59.17±1.72 kg，其中3例为左膝，3例为右膝）为研究对象，皆为术后3个月，无并发症；3名既往无膝关节疾患成年女性（年龄34.67±1.53岁，身高161.0±1.73cm，体重57.33±2.08 kg）为对照。对3名正常人进行双膝关节MRI及双下肢CT扫描；由于术后患者下肢装有金属假体，为避免MRI扫描时出现伪影及假体移位，同时需保证提取到截骨完成后的术后下肢骨性结构，故对6名膝关节内侧间室OA患者进行UKA术前患膝MRI扫描及术后下肢CT扫描。

OxfordⅢ活动平台型单髁假体（美国邦美商贸有限公司），患者术中所用假体为小号股骨假体、AA胫骨底座（分左右）、小号4 mm活动型聚乙烯衬垫。

1.2 研究工具

图像采集设备：128排双源螺旋CT（SIEMENS，德国），G1.5T超导型磁共振（General Electric Company，美国）。图像处理平台：戴尔工作站Precision T7500；CPU：Intel（至强）E5645 2.40GHz 六核（X2）；内存：24GB DDR3 1333MHz；硬盘：1TB 7200转，SATA；显卡：NVIDIA Quadro4000 2GB；操作系统：windows7专业版（64bit）。假体扫描工具：三维激光扫描仪（3DSS STDLED III型激光扫描仪，由上海数造机电科技有限公司提供）。图像处理软件：Mimics 17.0图像分割处理软件，Geomagic Studio 12逆向工程软件，Abaqus 6.10有限元分析软件。

1.3 研究方法

1.3.1 图像扫描及三维模型构建

将CT及MRI扫描数据分别以DICOM格式导入Mimics17.0软件中，使用阈值分割及区域增长功能提取出正常人股骨、胫骨、腓骨、内外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带、股四头肌腱及髌腱。对OA患者基于术前MRI提取外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带、股四头肌腱及髌腱；基于术后CT提取股骨、胫骨、腓骨。分别对正常人及OA患者膝关节进行骨性结构与软组织结构配准，得到同一人既包含骨性结构又包含软组织结构的下肢三维模型（图1）。对UKA术中使用的单髁假体进行三维激光扫描，并使用Geomagic Studio 12软件构建出股骨假体、聚乙烯衬垫及胫骨底座三维模型（图2）。

图1 下肢三维模型

图2 假体三维模型

1.3.2 点对点配准技术虚拟UKA

选取OA患者的膝关节模型，在Mimics软件界面中选择STLs中Load STL功能导入逆向重建好的所有使用的假体三维模型，通过移动、旋转操作将假体三维模型进行调整和组合（图3）；选择Registration中的Point Registration功能，将假体三维模型按照术后膝关节X线片基于解剖位置点对点装配到三维模型上，完成虚拟置换手术（图4、图5）。

图3 调整假体位置

图4 点对点图像配准

图5 虚拟假体置换

1.3.3 有限元模型坐标建立及胫股关节相对运动分析

膝关节模型内部不同属性的材料在受力后产生形变，为了观察及描述这种变化，需对不同的材料物质定义其特有的属性，将其量化处理。弹性模量是纵向应力与纵向应变的比例常数，是表征不同材料物质抗应力的物理量，弹性模量越大，物体越不容易发生形变；泊松比是横向应变与纵向应变之比，是反映材料横向变形的弹性常数[4]。载荷是外部应力对膝关节模型施加的作用效果，边界条件是模型边界所受的条件约束。膝关节屈曲时，股四头肌是最活跃的肌肉群，在沿重力方向运动时，股四头肌收缩产生肌力以维持膝关节稳定性。基于以上原理，对膝关节模型定义相应材料属性、设置边界条件及施加载荷。参照以往研究，为方便计算及描述，将膝关节模型内所有材料假设为各向同性、均匀连续的线弹性材料[6]；对股骨金属假体、高分子聚乙烯衬垫、胫骨金属底座以及其它相联系的组织，定义8个表面相互接触区域[7]。UKA术后膝关节无内侧半月板；各韧带两端与对应骨组织相连，定义为刚性固定；假体与截骨面之间设定为捆绑约束，假体间设置为摩擦，摩擦系数为0.04；接触力定义采用带加权因子的罚函数法，为主面（股骨金属假体下表面）侵入辅面（聚乙烯衬垫上表面）的函数[8]；正常人膝关节模型中，设置半月板前后角与胫骨平台相连，内侧半月板外缘与内侧副韧带相连；对膝关节施加载荷，施加400 N力量模拟股四头肌拉力，方向沿股四头肌向上，平行于股骨干，施加300 N力量模拟身体重力，方向沿股四头肌向下，平行于股骨干[9]；最后进行四面体网格划分，得到UKA术后及正常人膝关节三维有限元模型（图6、表1）。以股骨相对胫骨的运动作为分析对象，将相对运动定义为内旋、外旋、内翻、外翻以及屈曲、伸直6种形式[10]。模拟膝关节动态屈曲0至120°，为方便描述，观察并分析膝关节屈曲0°、30°、60°、90°、120°时股骨相对于胫骨内外旋转、内收外展角度及聚乙烯衬垫活动轨迹。

图6 膝关节有限元模型

表1 膝关节及假体材料属性

1.4 统计学方法

实验数据采用SPSS 19.0软件进行统计学分析，以单因素方差分析比较膝关节屈曲角度对股骨活动及聚乙烯衬垫活动趋势是否有影响，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 股骨相对于胫骨内外旋转情况

正常人及UKA术后膝关节在屈曲0～120°活动过程中，股骨相对于胫骨皆发生外旋运动。在伸直位时，两者膝关节股骨未发生外旋；随着屈曲角度增加，股骨都相对于胫骨发生外旋运动。所有正常膝几乎在屈曲100°前随着屈曲角度增加，股骨外旋趋势也不断增加，屈曲超过100°后，股骨外旋逐渐减小，并在屈曲90°时达整个过程中的最大外旋角度（17.53±0.9）°；所有UKA术后膝几乎在屈曲70°前随着屈曲角度增加，股骨外旋趋势不断增加，屈曲超过70°后，外旋趋势逐渐减小，屈曲60°时达整个过程中的最大外旋角度（14.38±1.70）°。屈曲30°及60°时，二者股骨外旋角度比较无显著差异（P＞0.05），屈曲90°及120°时，正常股骨外旋较UKA术后股骨外旋角度显著增大（P＜0.05）（表2）。

表2 不同屈曲角度下股骨外旋角度

2.2 股骨相对于胫骨内外翻转情况

正常膝在屈曲0～90°范围内，股骨相对于胫骨发生外展运动，屈曲超过90°以后，逐渐开始内收；UKA术后膝在屈曲75°前股骨主要发生外展运动，屈曲超过90°后，股骨开始内收。

2.3 聚乙烯衬垫活动情况

UKA术后膝关节在屈膝运动过程中，聚乙烯衬垫发生前后向及内外向移位。衬垫主要向后方及外侧移位，几乎在屈膝105°时，衬垫向后方及向外侧移位达整个过程移动的最大距离（图7）。

图7 膝关节屈曲时聚乙烯衬垫活动趋势

3 讨论

构建膝关节三维有限元模型分析关节置换术后膝关节运动变化是一种经典的分析方法，可有效进行术前规划以及指导术式改良，较尸体生物力学分析及大宗病例临床随访而言更为简便直观[11-12]。Zhu等[13]选取1名正常成年男性进行左膝关节MRI及CT扫描，构建左膝关节三维模型，按照UKA手术原则对正常膝关节模型进行虚拟截骨及假体放置，最后对胫骨底座冠状位不同位置放置进行有限元分析，研究胫骨底座位置对下肢生物力学的影响。朱广铎等[14]基于1名健康成年男性单侧膝关节二维影像扫描建立膝关节三维模型，对该模型进行复杂虚拟截骨及假体安装后构建UKA术后模型并计算胫骨内外侧间室载荷分配及应力大小。这种传统的UKA术后有限元模型建立方法被广泛普及：对正常人下肢及全套关节假体进行扫描，按照UKA原则进行虚拟截骨以及根据截骨量选择合适的假体进行虚拟安装，最后再进行有限元分析。然而这种方法较为繁琐且受人为因素干扰：首先，需提前扫描全套关节假体并构建假体三维模型，根据虚拟手术截骨量再确定假体型号；其次，虚拟置换手术过程涉及多次截骨，操作难度较大，截骨出现偏差及假体选择不适当将显著影响后续有限元分析；同时，虚拟手术通常由工程技术人员代替医生完成，缺乏医学专业性；再次，选取正常人下肢进行虚拟截骨构建UKA模型对特定病例不具备针对性，不能真正分析手术后下肢生物力学的变化，难以指导手术改良。

使用点对点配准技术建立UKA术后膝关节模型是基于UKA术后膝关节二维影像构建三维模型，不需要虚拟截骨，并在此基础上按照术中所使用型号的假体进行点对点配准操作，因此只需要扫描特定型号的假体，节省大量时间、成本及操作难度。而且模型是针对特定患者构建，可分析探讨该术式对术后下肢生物力学变化的影响，研究具备针对性。本实验也证明，使用点对点配准技术不仅可以完成UKA术后膝关节三维模型的构建，而且还能与正常膝关节运动学特性进行分析比较，分析结果符合前人研究趋势。

本实验结果表明，在屈曲活动初期，UKA术后股骨外旋角度与正常膝相比无显著差异，只有在屈曲范围继续加深后，正常股骨外旋才大于UKA术后股骨。这与Mochizuki等[15]的研究结果具有相同趋势，即UKA术后股骨旋转及翻转与正常股骨旋转角度接近，但UKA术后股骨最大旋转值较正常股骨有所减少，并认为这种变化与OA程度、截骨量及假体放置有关。Hason等[16]研究发现由于全膝关节置换术（Total Knee Arthroplasty，TKA）对骨及软组织结构破坏大，术后出现股骨反向旋转，因而UKA术后股骨旋转模式较TKA而言更接近正常人。Becker等[17]比较UKA与TKA两种术式后发现，由于UKA保留了半月板、交叉韧带及侧副韧带等维持膝关节正常功能的组织，因此UKA术后胫股关节活动方式较TKA更接近于正常人水平。刘志宏等[18]借助10镜头红外运动捕捉系统分析结果也表明，使用活动平台型假体进行UKA可维持早期膝关节内外旋角度，运动模式较TKA术后膝关节更接近于正常膝关节。

UKA术后活动型聚乙烯衬垫随着股骨髁运动而发生前后向移动；而胫骨平台内侧的内侧副韧带、外侧的前交叉韧带都是限制衬垫内外向活动的结构，一旦韧带破坏或松弛，以及衬垫周围骨赘撞击将使衬垫内外向移动，成为衬垫脱位的潜在威胁[19]。再加上生活方式及宗教信仰等原因，长期进行跪地、深蹲或盘腿等膝关节深度屈曲动作，迫使衬垫发生脱位[20]。Fujii等[21]对2例UKA术后4～5年衬垫皆向外侧脱位至胫骨底座边缘的病例进行分析后指出，脱位原因与衬垫周围韧带的慢性松弛及股骨假体冠状面位置有关。Kim等[22]的观点与此相似，并建议UKA术中严格保护内侧副韧带，不进行松解；保证股骨后髁截骨充分，避免膝关节过屈时后髁骨赘撞击衬垫。

使用点对点配准技术不仅能完成UKA术后膝关节模型的构建，在此基础上进行膝关节运动学参数分析，且分析结果与传统分析方法具有相同趋势，说明该技术具有可靠性；同时该技术较传统的借助正常人膝关节模型模拟截骨及假体安装更为简便、易操作，可由医生自行完成，可显著提高模拟手术的专业性及适用性；最后，基于UKA术后患者自身膝关节进行模型构建，完全参照了特定病例的真实手术过程，对手术效果分析及优化手术具有极大科学意义，故该方法值得推广。

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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

云南省创新团队项目（编号：2014HC018），国家自然科学基金资助项目（编号：81460340、81560372），云南省医疗卫生单位内设研究机构项目（编号：2014NS161）资助

第1作者：贾笛，Email：514697915@qq.com；

李彦林，Email：852387873@qq.com