前交叉韧带三维空间结构的研究进展

李盛吴冰崔家鸣朱伟民王大平陆伟

1深圳大学第一附属医院运动医学科（广东 深圳 518000）2深圳市运动医学技术工程实验室（广东 深圳 518000）3深圳市组织工程重点实验室（广东 深圳 518000）

前交叉韧带三维空间结构的研究进展

李盛1，2，3吴冰2，3崔家鸣1，2，3朱伟民1，2，3王大平1，2，3陆伟1，2，3

1深圳大学第一附属医院运动医学科（广东 深圳 518000）2深圳市运动医学技术工程实验室（广东 深圳 518000）3深圳市组织工程重点实验室（广东 深圳 518000）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是一种常见且严重的膝关节损伤，关节镜下ACL重建手术是目前治疗ACL损伤最普遍的术式，理想的ACL重建移植物附着点应近似于生理性ACL止点，即达到解剖重建。但是ACL起止点的大小、形态、位置具有个体化差异，甚至性别也是引起个体化差异的一个重要因素，运用一般的解剖概念及骨道定位方法具有较大的局限性，难以达到个性化手术的要求。建立ACL三维空间结构模型是了解膝关节解剖结构和功能的手段之一，一个逼真的模型可以完整再现膝关节的结构及功能，在任何平面、任何角度观察想要研究的点和面，使得解剖研究在三维空间中具有准确的定位，并能进行计算机仿真模拟与分析，获得准确的膝关节及ACL的解剖数据，使测量数据更具有代表性。精确的ACL三维空间结构能为重建手术提供术前参考、术中定位及术后随访，提高手术准确性，完善手术评估，减少并发症。同时，随着计算机技术的发展，ACL三维空间结构还能进行有限元分析，获得ACL的生物力学数据，为移植物的选择提供参考。

前交叉韧带；三维空间结构；个性化手术；临床应用

膝关节是人体最大且构造最复杂的关节，日常活动中膝关节承担着较大的负荷，因此也比较容易受到损伤。前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是临床较为常见而又严重影响膝关节稳定性的损伤，极大地影响患者生活质量。ACL解剖复杂，其分支的解剖变异比较多，多数由2支构成，也可以由1束或3束组成[1-4]。虽然ACL重建手术有很高的成功率，然而文献报道仍有一定的失败率和翻修率[5，6]。究其原因有隧道的定位及是否达到解剖重建，因此，对ACL的解剖研究显得尤为重要。

20世纪80年代末启动的可视人计划（visible human plan，VHP）是解剖学界的一大飞跃，计算机图像处理技术及三维重建技术应运而生并快速发展。但是，由于ACL的解剖特点存在较大的个体差异[7-9]，仅使用单一的模型并不能适用于所有ACL患者的手术指导。在ACL重建手术中，如果统一使用一种解剖模型做参考往往难以达到准确的手术效果。随着计算机技术的发展及个性化手术的要求，一个能够快速建立起来的精确的ACL三维空间结构，将有利于指导ACL重建手术的进一步完善。

以往对于ACL的研究绝大多数在尸体上进行，需要切除膝关节的部分稳定结构，暴露股骨髁间窝的外侧面，这样膝关节的稳定性很难维持，不能保持ACL的生理位置。而且尸体标本的软组织还存在水分丢失和变形等问题，影响数据的可靠性。随着计算机及图像技术的迅猛发展和社会信息化进程，计算机辅助三维重建技术广泛应用于医学领域，建立的ACL三维解剖模型可以从任意角度、方向上观察和操作，对立体空间结构进行精确测量，获得长度、面积、体积和角度等精确的解剖参数。在ACL三维空间模型上进行测量，可以避免在尸体上直接测量的局限，为研究ACL的解剖提供了精确的方法。所构建的ACL三维模型还能被赋予生物力学材料特性，进行有限元分析，得出相应的结构应力、应变和位移分布等力学特征。ACL三维空间结构可以用于临床辅助诊断、辅助手术设计和手术模拟等方面，让传统的手术过程由“开放—观察—手术”转变到“观察—开放—手术”，最终达到外科手术的个性化、精确化、微创化及远程化[10]。

1 ACL三维重建技术

目前用于临床的三维重建技术主要是基于序列断层图像的三维重建。通过获取观察对象的连续断层图像，运用计算机进行图像处理并建立三维空间结构，即逆向工程原理。具体步骤为图像采集—图像分割—三维重建。

1.1图像采集

MRI在显示膝关节半月板和韧带等软组织方面具有相当强的特异性及敏感性，有学者利用各向同性3D Cube T2加权序列及其斜冠状位重建图像在体显示ACL双束解剖结构并精确测量其长度、股骨止点宽度、胫骨止点宽度及走行角度等指标[11]。钱曾[12]等应用3D Cube T2WI序列显示完整ACL解剖结构，且膝关节MRI扫描序列总时间缩短，具有较高的临床实用价值。损伤的ACL常伴随关节水肿及炎症反应，但是并不影响MRI精确地获取ACL图像。以关节镜检查作为诊断标准，关节镜术前行MRI检查能准确诊断ACL损伤及其损伤程度[13]，并且图像质量优于CT扫描[14]。MRI不仅可清楚显示ACL正常形态，还可显示损伤ACL撕裂部位、范围及合并骨折、半月板撕裂及侧副韧带损伤等情况[15]。通过MRI获得精确的断层图像，能提高图像分割的准确度。因此对于ACL等软组织的图像采集一般采用MRI。

1.2图像分割

从采集到的图像中把感兴趣区分离出来是医学图像分割的重点，很多学者基于hounsfield值、灰度值和RGB分量值，提出许多分割方法，主要有：阈值分割法、区域生长法、模式识别法、人工神经网络法、小波变化法、遗传算法等。可根据观察对象及运用方向的不同选择适合的方法，达到最佳的分割效果[16]。

1.3三维重建

将经过分割的图像导出特定的格式，利用计算机软件进行三维重建。一般常用的计算机三维重建软件主要有：Amira、Mimics、3D Med、3D Slicer等。研究人员亦可根据研究的需求灵活定制计算机软件，以达到最佳的重建效果。Mimics是目前比较常用的一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，基于临床医学影像学的逆向工程及计算机辅助设计，能够自动设置图像识别范围、像素间距、图像层距等参数，具有良好的图像编辑功能，可以重建再现人体复杂的三维结构。它能输入各种扫描的数据，建立3D模型进行编辑，是目前使用最广泛的医学建模软件之一。重建效果亦可以通过改变图像分割和空间插值的算法得以改善[16]。

2 ACL三维重建模型的准确性

构建ACL三维空间结构除可以研究膝关节的解剖结构及生物力学特征外，更重要的是运用到ACL重建或修复手术中去，为外科医生提供术前定位及手术参考，帮助临床医生在术前制定个性化手术方案，提高ACL手术的成功率及增加良好预后。

2.1ACL三维结构模型的解剖数据

由于ACL的走形及解剖特点存在较大的个体差异，因此ACL三维空间的重建必须尽可能与正常的ACL解剖结构相似才能起到精确的指导作用。尸体标本的ACL三维空间结构研究中，有学者利用MRI进行尸体标本ACL的图像采集，将按照DICOM标准存储的膝关节MRI断层影像数据在电脑上导入医学有限元仿真软件Mimics进行图像分割与三维重建，并利用Mimics自带测量工具获取ACL解剖数据。将数据与尸体标本解剖测量数据对比，借此验证建立的ACL三维数字化模型的真实性及可靠性。结果发现，尸体标本ACL相关解剖与三维数字化实体模型测量指标（包括ACL长度、宽度、厚度，ACL起止点的前后径、ACL起止点中心之间的距离、ACL前缘到胫骨平台的距离、髁间隆起的前后左右径，ACL水平位、冠状位，矢状位的角度等）之间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。据此可证明运用MRI及Mimics软件建立膝关节及ACL三维模型的准确性和可靠性，加之重建模型可通过任意角度旋转、结构分离及透视处理，突出重点观察部位，排除邻近组织的干扰，因此该技术有望为ACL重建手术提供较可靠参数测算[17，18]。

2.2ACL三维重建技术改进

随着计算机技术的发展和图像处理功能的提升，ACL三维模型构建的算法精确性有效提升。图像分割是三维重建的基础和难点，分割方法的精确化有助于提高重建模型的可靠性，提升其临床指导意义。吴冰[19]等利用MRI获取健侧膝关节断层图像，并导入自主开发的针对特殊情况的ACL快速分割技术软件（3D MIA）进行分割，再以面绘制方式进行三维重建，获得膝关节及ACL的准确模型，测量模型的ACL长度、宽度、厚度及与人体三个解剖平面的角度，所得数据与前期解剖研究结果进行统计学分析对比。结果发现此方法可以快速且较准确地建立ACL三维数字化模型，为患侧行重建手术提供参考，同时为计算机辅助ACL手术系统及实现ACL临床仿真个体化解剖重建提供了实验依据。该技术使用自行开发的，专门针对前交叉韧带的分割方法，相对于以往的全手工分割，其简易、方便、快捷，为临床工作节省大量时间，能够在术前不到半小时的时间里迅速建立患者ACL的三维数字化模型，为手术提供及时有效的指导；而相对于Mimics的Mask（蒙罩）分割工具，此分割方法的分割精确度有了较大的提高。

众多的研究结果证明，MRI能够精确地重建ACL三维空间结构[20]，为ACL重建提供术前指导，但ACL重建手术的关键除了要清晰ACL的解剖结构外，骨道的选择对手术效果及预后也起了很重要的作用。虽然MRI对ACL等软组织有较高的敏感性，但是对骨质病变及钙化病灶的显示较差。因此有学者提出，如果能将膝关节的MRI及CT成像结合在一起，将可以全面地反映正常组织结构和异常改变，从而弥补其中任何一种单项检查成像的不足。有学者利用国外数据库中CT和MRI的断层影像，基于Mimics软件分别利用不同的算法进行三维重建，将重建后的三维结构进行空间配准后，对结果成功地进行了融合，并对融合后的模型各组织进行了测量[21]。张冰等[22]对46名健康志愿者双侧共92个膝关节进行CT及MRI扫描，利用Mimics软件通过阈值分割、形态学操作分别构建ACL模型，并以stl格式导出保存。在逆向工程软件Geomagic中导入stl格式数据进行图像配准，构建CT与MRI影像融合的交叉韧带及附着点的膝关节三维实体模型，利用Geomagic软件中的测量工具分别测量ACL股骨止点长轴、短轴、后距、内距、短距、长轴角及面积。通过测量使ACL股骨止点有迹可循，前交叉韧带附着区表面具有光滑、色白、致密、边界较明显的特点，可以在重建的图像上辨别圈画出ACL股骨止点的形态，应用到ACL重建手术中，使ACL止点形态平面的选择与关节镜下手术视野的平面角度保持一致，从而使测量出来的数据可用于术中骨道定位，并准确诊断ACL损伤合并起止点微骨折的情况，对ACL重建手术具有较好的参考价值。同时此方法相对于全凭借肉眼观察ACL股骨止点更加准确有效，避免手工应用卡尺测量ACL解剖数据的人为因素误差。

3 ACL三维空间结构的临床应用

在发达国家，膝关节镜手术是骨科手术中最常见的操作，以美国为例，其每年可行700，000例膝关节镜手术[23]，主要用于关节腔冲洗、半月板切除或修复、软骨成型及韧带重建[24]，且关节镜的使用量仍在快速增加。前交叉韧带损伤作为常见的临床疾病，已普遍使用关节镜进行重建治疗，治疗的目的是达到ACL的解剖重建，恢复ACL生理功能。但是由于内镜视野限制，难以暴露完整的解剖结构，需要靠医生在手术中注视患体的情况下，在大脑中“重构”ACL空间结构来实施手术，因此手术效果很大程度上取决于医生的经验，难以达到统一的手术标准。但是随着ACL三维空间结构模型的建立及精细化，不但能为医生提供术前ACL解剖参数，直观地显示人肉眼无法直接看到或被遮挡住的人体组织，协助医生精确地确定术中骨道的路径与长度，制定手术方案，而且能结合计算机导航系统，为ACL重建手术提供个体解剖信息的实时成像反馈，按规划的路径施行手术，提高准确率。术后重建ACL三维空间模型可以观察ACL重建的手术效果[25]，同时进行有限元分析，指导术后康复训练。

4 小结与展望

人体膝关节的结构和特点比较复杂，且ACL周边组织繁密，ACL损伤往往伴随其他软组织损伤，ACL重建手术中如果忽视了其他软组织的作用，对手术的预后会产生一定影响[26]。利用三维重建技术构建膝关节空间结构，探讨ACL与周围软组织的相互关系，可以为重建手术提供进一步指导，然而这方面的文献报道甚少，有待进一步研究。

ACL三维空间结构的重建主要依赖于MRI等影像学检查，获取的断层图像越清晰，构建的ACL模型越精细。同时三维重建中主要的误差来自图像分割基于手工操作的误差，因此对于计算机软件的发展和图像处理能力的提升也提出了一定的要求；同时图像分割算法的讨论都是相应领域的研究热点，任何算法上的改进都有望使模型重构的结果更加精确，故有关该方面的研究有待深入。

移植物撞击是ACL重建术后常见的并发症，利用显微解剖方法，研究ACL纤维束结构及其排列、走行规律，建立ACL纤维束三维立体构像数据库，并进行ACL纤维束的有限元分析，探索减少移植物撞击的方法，将有望成为该领域的研究热点。

当患者出现双侧ACL损伤时，由于缺乏健侧膝关节[27]作为ACL三维空间结构的模版，因此难以获得ACL的走形等解剖数据，测量便局限于骨道的定位。如果能利用受损ACL三维空间结构，通过ACL纤维束三维立体构像数据库逆行模拟出正常ACL结构，将有利于为双侧ACL损伤患者提供手术指导。

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2016.01.25

国家自然科学基金项目（No.81572198），广东省科技计划项目（2015A020212001，2014A020212656），深圳市科技计划项目（JCYJ20140414170821164，JSGG20140519105550503，JCYJ20140414170821200，JCYJ20140414170821160，CXZZ20140813160132596，JCYJ20140414170821213，201201023）

陆伟，Email：13922855513@139.com