实验犬股骨的三维CT重建及髓腔测量

2022-09-12

由于目前因疾病、运动创伤和老龄化等因素导致的关节病变逐渐增多, 许多患者需借助人工关节置换恢复关节功能, 保证生活质量。目前的关节假体材料不能完全满足人体生理环境、关节生物力学、及服役寿命的要求。对于人工关节假体的材料、生物力学、假体松动等实验研究, 需要实验动物犬。实验过程中假体的设计和制作需要有相对准确的关于实验犬股骨的数据, 目前报道甚少。本研究通过对正常犬股骨进行CT三维重建, 测量髓腔的解剖学参数, 为动物实验及动物实验假体设计提供依据。

1 材料与方法

1.1 样本来源

成年健康犬10只 (20根股骨) , 体重20~25kg, 不限。犬龄1年, 由哈尔滨医科大学实验室提供。采用颈总动脉放血法处死, 剥离后得到实验犬股骨。将股骨煮1~2h, 利用烧煮法去除残留肌肉。再置入预先配置的氢氧化钠溶液浸泡2d, 使剩余肌肉腐蚀干净, 同时脱去部分脂类物质, 然后用清水漂洗干净, 晾干, 得到实验犬股骨标本。

1.2 二维CT图像

使用德国西门子16层CT机。对股骨标本沿长轴方向进行横断面扫描, 扫描基本参数如下:床速1mm/s, 螺距12.5, 层厚0.6mm窗宽200HU, 窗位1500HU。

1.3 股骨的三维重建

扫描后储存在主机的EMI格式的CT图像数据传送到CT三维重建的工作平台内, 经由图像储存库的USB端口传入移动硬盘内再将移动硬盘的数据传至小型计算机工作平台内待后期处理。再根据图像工作站的三维菜单所提示的操作, 同时使用表面阴影显示及多平面重建和倾斜重建两种方法处理。将图像任意转动, 取最佳角度观察。

1.4 犬股骨髓腔的测量

扫描范围自转子间至股骨髁上, 分别在所需测量的层面利用计算机进行切割, 共切割20层, 测量其断端髓腔内径, 包括横径和长径。将所获取的数据搜集整理后, 利用SPSS 10.0统计软件计算其均值。

2 讨论

近年来, 国内外学者对重建人体骨骼的三维数字化模型的研究日益增多。例如, Flachi等利用螺旋CT重建骨盆三维模型, 用于诊断骨盆骨折, 并制定手术方案。腾勇[1]等经CT数据计算机重建膝关节三维轮廓, 实现个性化膝关节假体设计。股骨的三维重建能够准确、完整地描述出股骨的立体结构, 有助于测量股骨的解剖形态, 设计适合患者髓腔形状的假体, 选择正确的手术入路, 以减少术后并发症的发生。

随着社会人口的老龄化趋势, 关节病患者日益增多, 人工关节置换手术也在不断增加。美国每年实施人工全髋关节置换手术达15万例。目前, 临床上应用的人工髋关节多为预先制好的标准假体, 而病人个体存在较大差异, 很难保证标准的假体柄与病人的骨髓腔能够形成良好的匹配。在多数情况下, 假体柄与股骨上段骨髓腔的接触面积小, 往往存在较大的间隙, 从而使载荷传递效果和应力分布情况变差, 难以保证人工关节的长期稳定。即使使用具有生物学固定作用的多孔表面假体, 由于骨组织不能充分长入微孔内, 假体仍将发生松动。随着人工关节置换术的增多, 需要手术翻修的病例也越来越多, 由于翻修手术的复杂性, 当假体周围有大量骨缺损又不能使用标准假体时, 仅有常规型号假体明显满足不了临床需要。股骨上段髓腔形态结构与股骨假体柄的形态是否匹配及匹配的程度是假体柄使用寿命的关键。无论是骨水泥型还是非骨水泥型人工髋关节, 股骨假体与股骨上段髓腔的匹配与否都直接影响到手术的近期及远期效果。只有股骨假体与股骨上段髓腔非常匹配, 假体与骨紧密接触时, 股骨上段才能对假体起最大的支撑作用, 否则, 强度和刚度都非常差的松质骨难以承受假体的负荷, 最终出现松动。骨水泥周围的松质骨不能给予假体足够的支持, 是导致假体松动的主要原因。假体与髓腔的不匹配导致骨—假体界面或骨—骨水泥界面在负荷下产生机械性微动。

越来越多关于人工髋关节假体的材料、生物力学、假体松动等实验研究, 实验动物多选择实验犬。然而, 现今国内外还缺少犬类股骨的正常解剖数据值的相关报道, 对应用于实验犬股骨假体的设计缺少有力数据依据。以往对股骨的有限元分析, 均对其作简化处理, 假设股骨为实心结构, 忽略了股骨髓腔的存在, 分析结果必然引起一定误差。并且大部分股骨模型由于形状复杂, 只是简单建立了近端股骨模型, 而没有建立完整的股骨模型。本文通过三维CT重建技术, 获取实验犬股骨图像, 通过专业软件在计算机上测量了精确地髓腔内径的数据, 真实地描述了股骨的解剖形态, 有利于相应匹配假体的设计, 为人工髋关节置换犬动物试验奠定基础。同时该数据在此基础上有利于完整三维实体图像的制作, 能明显降低研究的成本, 提高研究的效果。

摘要：目的通过测量犬股骨的三维CT图像, 建立解剖数据信息。方法手术取下完整的犬股骨, 行三维CT扫描, 获得三维重建图像, 通过专业软件测量股骨髓腔的横、长径等数据, 整合分析数据。结果建立了犬股骨的完整髓腔形态, 真实测量了股骨的解剖数据。结论犬股骨三维CT重建及髓腔测量为完整建立股骨的三维数据模型, 精确设计人工髋关节假体, 选择合适的假体型号, 制定实验计划提供客观依据, 提高了人工髋关节置换研究的效率。

关键词：犬股骨,三维CT重建