骨科领域中三维CT应用的进展
骨科领域中三维CT应用的进展
华英汇 顾湘杰
关键词；三维CT(Three Dimensional Computed Tomography,简称3DCT)；骨科
三维CT(Three Dimensional Computed Tomography,简称3DCT)由Herman等于1977年首先提出，1980年应用于临床，并逐渐受到重视，骨科领域中主要应用于了解X线平片不易显示的骨关节骨折移位情况，近几年来，随着技术的发展，3DCT在骨科中有了更广泛的应用，本文主要对3DCT应用新进展作一介绍。
1 更高的图像质量
CT扫描时间、扫描层厚是影响3D图像质量的重要因素，CT扫描时患者的移动使重建图像产生伪影，而层厚限制了重建图像的敏感性。因此，高速、薄层的扫描可得到清晰精确的图像。硬件技术的更新使扫描设备从常规CT发展到螺旋CT、快速CT，目前的CT每圈扫描时间已缩短到0.6～0.75s，层厚缩小至1.0mm，能产生更高的图像质量，日本的Nishikawa M[1]用快速CT对38例有中枢神经损伤的患者进行三维图像重建，认为所得图像可清晰显示骨性畸形及骨与重要血管的关系，对术前评估损伤程度及中枢神经损伤的病理生理学评估很有帮助。
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图像质量的提高不仅可以通过软硬件设备的改进获得，而且可以通过与其它影像学方法结合来获得，CT是根据密度不同来确定信号的强弱，可清晰显示骨与软组织的边界，但对软组织之间的分辨率则相对较低，导致三维图像中软组织病变不能清晰显示，而MRI、PET、DSA等影像技术则偏向于对血管、软组织的分辨，能从不同方面弥补3DCT的不足，因此，如果将3DCT信号与MRI、PET、DSA的信号结合起来进行新的图像重建，可以获得更详细、更精确的图象[2]。Kinahan-PE[3]等用3DPET与CT信号结合来获得PET图像中各种组织的精确解剖学定位，对CT与PET技术的互补可能进行了探讨，认为用CT信号来获得3DPET的衰减校正系数是可行的。
2 更低成本
直到现在，作为一种辅助性诊疗方法，3DCT的昂贵价格使其在推广上存在一定的难度，因此，追求更低廉的成本对3DCT的普及是必需的，科学技术的发展使软硬件价格下降固然可行，但毕竟是消极等待，能否利用现有已普及的设备来进行3D成像，达到降低成本的目的，仍是一个令人感兴趣的问题，马昕等[4]用常规二维CT对前足进行扫描，用CCD摄像头采集图像信息，用自编软件通过人机对话提取图像边缘信息，实现CT图像三维重建，并将其用于手术模拟、临床科研。利用自编软件和常规二维CT降低了重建三维CT成本。
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3 适应证的扩展
3DCT作为诊断复杂骨折及复杂骨畸形的首选方法已成为共识，一般用于直观地显示病变的部位、范围及与周围的情况，使医生获得骨折大致的立体概念，然而，对某些部位，例如脊柱的骨折，仅仅观察到骨性结构的变化而不能了解神经的改变是不够的，连平等[5]对尸体腰骶椎标本进行CTMM(computed tomographic metrizamide myelography，计算机体层甲泛影酰胺脊髓照影术)，扫描并通过德国Zeiss公司研制的VIDAS图像分析系统(2.1C版本)进行三维图像重建，结果发现重建的图像可清晰显示并测量椎管和神经结构各种几何及运动学参数。刘燕翌等[6]对13例患者应用CT仿真内窥镜(CTVE)，认为可从硬膜囊内清楚地观察到椎管的形态、马尾神经，尤其是神经根管及硬膜外压迫的立体形态，并能上下、逆行、环绕观察椎管的内部形态。同时，3DCT在软组织病变中的应用也有了一定进展，E.Scott Pretorious[7]等认为3DCT有利于对肌肉骨骼系统感染、肌炎、肌坏死、脓性肌炎等病变的程度及病理进程进行判断，从而对其进行分类，并判断是否需要手术治疗。另一方面，近年来已有人尝试确立影像学骨折三维分型标准，来规范三维CT的诊断结果。张峻等[8]利用3DCT重建图像对21例胫骨平台骨折患者进行了三维空间中的分型，他们取胫骨平台俯视图，将胫骨平台面分为4个象限，根据胫骨平台劈裂或塌陷主要累及的象限，将骨折进行归类，据此予以相应的手术入路，切开复位内固定，取得良好疗效。
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早在1983年，Giliberty、Aldinger等就报道了利用数控技术根据CT所获信息定制股骨假体，Bianchi-SD[9]等把髋关节实体与根据3DCT制作的模型比较，发现其空间错误率0.2%～8.55%，在几何形状上变形较小，但在网状骨再现与骨关节方面精确性较差。目前，临床上已习惯于根据3DCT所获信息建立一个三维实体模型，将其用于术前术中对比指导手术方式及入路，在计算机上进行模拟手术、评估手术效果也已很普遍，但这些方法仅限于骨折、骨畸形等方面[10]，Sati-M等[11]在术前用3DCT精确地重建膝关节几何学和运动学模型，用非侵入性定位传感器获得病人的实时空间位置，通过人机交互程序让医生评估韧带的伸长、弯曲、扭转及模拟十字韧带修补。在3DCT指导软组织手术方面作了尝试。
4 3DCT用于科研
近几年来，3DCT用于科研的报道越来越多，马昕等[12、13]用3DCT观察足横弓放松和负重状态时的三维形态变化，进而分析前足负重过程的生物力学，并对NFEA7外翻病理情况下足横弓畸形表现进行了探讨。Lochmuller-EM[14]等对9例冈上肌出口综合征患者进行3DCT图像重建，在图像上测量肩峰—肱骨距离和肩峰下矿化程度，来探讨冈上肌出口综合征的病因与病理。Kim-HT[15]等用3DCT对LPCD(Legg-Calve-Perthes disease，幼年股骨头骺骨软骨病)和松果体发育不良患者的股骨头、颈进行形态学与功能学分析，讨论这类患者之所以产生旋转步态的原因。Laib-A[16]等用高分辨率3D-QCT(3D-high resolution quantitative computed tomography, 3D-高分辨力定量计算机断层拍片术)测量骨的结构指数如骨容积、骨小梁数等，认为这种方法的误差在1%以内，并将其应用于绝经期妇女骨质疏松症的分型及病因研究。
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三维CT因其能显示扫描目标的空间立体形态，故有着广阔的前景，随着图像质量的提高，成本的下降，三维CT必将在临床与科研工作中得到更广泛的应用。
作者简介：华英汇(1977-),男，浙江人，在读研究生，研究方向：计算机辅助手术。
作者单位：华英汇(上海华山医院骨科，200040)
顾湘杰(上海华山医院骨科，200040)
参考文献：
〔1〕 Nishikawa-M, Sakamoto-H, Kishi-H, et al. Application of ultrafast 3D-CT in cervical spine injury[J]. No-Shinkei-Geka 1998, 26(12): 1 083～7.
, 百拇医药
〔2〕 Gybels-J, Suetens-P. Image-guided surgery[J]. Verh-K-Acad-Geneeskd-Belg, 1997, 59(1):35～57,descussion 57～9.
〔3〕 Kinahan-PE, Townsend-DW, Beyer-T, et al. Attenuation correction for a combined 3DPET/CT scanner[J]. Med-Phys. 1998, 25(10): 2 046～53.
〔4〕 马 昕，顾湘杰，高建新，等.足跖骨的三维重建研究[J].上海医科大学学报，1999，26(1)：23～25.
〔5〕 连 平，夏莉娜，孙荣华，等.腰骶椎管及其内容物三维图像重建的实验研究[J].中华外科杂志，1996，34(6)：330～32.
, 百拇医药
〔6〕 刘燕翌，王庆一，曲铁兵，等.仿真椎管镜的实验研究与临床应用[J].中华骨科杂志，1999 19(6)：339～41.
〔7〕 E. Scott Pretorius, Elliot K Fishman. Spiral CT and three-dimensional CT of musculoskeletal pathology[J].Radiol Clin North Am 1999, 37(5):953～74.
〔8〕 张峻，侯筱魁，王以友，等.三维CT重建在胫骨平台骨折中的应用[J].中华骨科杂志，1998，18(7)：387～90。
〔9〕 Bianchi-SD, Ramieri-G,De-Gioanni-PP, et al. The validation ofsterolithographic anatomical replicas: the authors'own experience and a review of the literature. Radiol-Med-Torino, 1997, 94(5):503～10.
, 百拇医药
〔10〕 Migaud-H, Cortet-B, Assaker-R, et al. Value of a synthetic osseous model obtained by stereo-lithography for preoperative planning. Correctionof a complex femoral deformity caused by fibrous dysplasia.Rev-Chir-Orthop-Reparatrice-Appar-Mot. 1997,83(2):156～9.
〔11〕 Sati-M, de-Guise-JA, Drouin-G. Computer assisted knee surgery: diagnostics and planning of knee surgery. Comput-Aided-Surg. 1997;2(2):108～23.
〔12〕 马 昕， 顾湘杰，黄煌渊，等.足横弓三维形态的生物力学意义[J].中华骨科杂志，1998，18(9):528～31.
, 百拇医药
〔13〕 马 昕，顾湘杰，陈劲松，等.正常足与NFEA7外翻足的足横弓三维形态比较[J].中华骨科杂志，1998，18(5):274～77.
〔14〕 Lochmuller-EM, Maier-U, Anetzberger-H, et al. Determination of subacromial space width and inferior acromial mineralization by 3DCT. Perliminary data from patients with unilateral supraspinatus outlet syndrome[J]. Surg-Radiol-Anat. 1997,19(5):329～37.
〔15〕 Kim-HT, Wenger-Dr. “Functional retroversion” of the femoral head in Legg-Calve-Perthes disease and epiphyseal dysplasia; analysis of head-neck deformity and its effect on limb position using three-dimensional computed tomography. California. J-Pediatr-Orthop, 1997 Mar-Apr, 17(2):240～6.
〔16〕 Laib-A, Hauselmann-HJ, Ruegsegger-P. In Vivo high resolution 3D-QCT of the human forearm[J]. Technol-Health-Care 1998，6(5-6):329～37., 百拇医药
华英汇 顾湘杰
关键词；三维CT(Three Dimensional Computed Tomography,简称3DCT)；骨科
三维CT(Three Dimensional Computed Tomography,简称3DCT)由Herman等于1977年首先提出，1980年应用于临床，并逐渐受到重视，骨科领域中主要应用于了解X线平片不易显示的骨关节骨折移位情况，近几年来，随着技术的发展，3DCT在骨科中有了更广泛的应用，本文主要对3DCT应用新进展作一介绍。
1 更高的图像质量
CT扫描时间、扫描层厚是影响3D图像质量的重要因素，CT扫描时患者的移动使重建图像产生伪影，而层厚限制了重建图像的敏感性。因此，高速、薄层的扫描可得到清晰精确的图像。硬件技术的更新使扫描设备从常规CT发展到螺旋CT、快速CT，目前的CT每圈扫描时间已缩短到0.6～0.75s，层厚缩小至1.0mm，能产生更高的图像质量，日本的Nishikawa M[1]用快速CT对38例有中枢神经损伤的患者进行三维图像重建，认为所得图像可清晰显示骨性畸形及骨与重要血管的关系，对术前评估损伤程度及中枢神经损伤的病理生理学评估很有帮助。
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图像质量的提高不仅可以通过软硬件设备的改进获得，而且可以通过与其它影像学方法结合来获得，CT是根据密度不同来确定信号的强弱，可清晰显示骨与软组织的边界，但对软组织之间的分辨率则相对较低，导致三维图像中软组织病变不能清晰显示，而MRI、PET、DSA等影像技术则偏向于对血管、软组织的分辨，能从不同方面弥补3DCT的不足，因此，如果将3DCT信号与MRI、PET、DSA的信号结合起来进行新的图像重建，可以获得更详细、更精确的图象[2]。Kinahan-PE[3]等用3DPET与CT信号结合来获得PET图像中各种组织的精确解剖学定位，对CT与PET技术的互补可能进行了探讨，认为用CT信号来获得3DPET的衰减校正系数是可行的。
2 更低成本
直到现在，作为一种辅助性诊疗方法，3DCT的昂贵价格使其在推广上存在一定的难度，因此，追求更低廉的成本对3DCT的普及是必需的，科学技术的发展使软硬件价格下降固然可行，但毕竟是消极等待，能否利用现有已普及的设备来进行3D成像，达到降低成本的目的，仍是一个令人感兴趣的问题，马昕等[4]用常规二维CT对前足进行扫描，用CCD摄像头采集图像信息，用自编软件通过人机对话提取图像边缘信息，实现CT图像三维重建，并将其用于手术模拟、临床科研。利用自编软件和常规二维CT降低了重建三维CT成本。
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3 适应证的扩展
3DCT作为诊断复杂骨折及复杂骨畸形的首选方法已成为共识，一般用于直观地显示病变的部位、范围及与周围的情况，使医生获得骨折大致的立体概念，然而，对某些部位，例如脊柱的骨折，仅仅观察到骨性结构的变化而不能了解神经的改变是不够的，连平等[5]对尸体腰骶椎标本进行CTMM(computed tomographic metrizamide myelography，计算机体层甲泛影酰胺脊髓照影术)，扫描并通过德国Zeiss公司研制的VIDAS图像分析系统(2.1C版本)进行三维图像重建，结果发现重建的图像可清晰显示并测量椎管和神经结构各种几何及运动学参数。刘燕翌等[6]对13例患者应用CT仿真内窥镜(CTVE)，认为可从硬膜囊内清楚地观察到椎管的形态、马尾神经，尤其是神经根管及硬膜外压迫的立体形态，并能上下、逆行、环绕观察椎管的内部形态。同时，3DCT在软组织病变中的应用也有了一定进展，E.Scott Pretorious[7]等认为3DCT有利于对肌肉骨骼系统感染、肌炎、肌坏死、脓性肌炎等病变的程度及病理进程进行判断，从而对其进行分类，并判断是否需要手术治疗。另一方面，近年来已有人尝试确立影像学骨折三维分型标准，来规范三维CT的诊断结果。张峻等[8]利用3DCT重建图像对21例胫骨平台骨折患者进行了三维空间中的分型，他们取胫骨平台俯视图，将胫骨平台面分为4个象限，根据胫骨平台劈裂或塌陷主要累及的象限，将骨折进行归类，据此予以相应的手术入路，切开复位内固定，取得良好疗效。
, http://www.100md.com
早在1983年，Giliberty、Aldinger等就报道了利用数控技术根据CT所获信息定制股骨假体，Bianchi-SD[9]等把髋关节实体与根据3DCT制作的模型比较，发现其空间错误率0.2%～8.55%，在几何形状上变形较小，但在网状骨再现与骨关节方面精确性较差。目前，临床上已习惯于根据3DCT所获信息建立一个三维实体模型，将其用于术前术中对比指导手术方式及入路，在计算机上进行模拟手术、评估手术效果也已很普遍，但这些方法仅限于骨折、骨畸形等方面[10]，Sati-M等[11]在术前用3DCT精确地重建膝关节几何学和运动学模型，用非侵入性定位传感器获得病人的实时空间位置，通过人机交互程序让医生评估韧带的伸长、弯曲、扭转及模拟十字韧带修补。在3DCT指导软组织手术方面作了尝试。
4 3DCT用于科研
近几年来，3DCT用于科研的报道越来越多，马昕等[12、13]用3DCT观察足横弓放松和负重状态时的三维形态变化，进而分析前足负重过程的生物力学，并对NFEA7外翻病理情况下足横弓畸形表现进行了探讨。Lochmuller-EM[14]等对9例冈上肌出口综合征患者进行3DCT图像重建，在图像上测量肩峰—肱骨距离和肩峰下矿化程度，来探讨冈上肌出口综合征的病因与病理。Kim-HT[15]等用3DCT对LPCD(Legg-Calve-Perthes disease，幼年股骨头骺骨软骨病)和松果体发育不良患者的股骨头、颈进行形态学与功能学分析，讨论这类患者之所以产生旋转步态的原因。Laib-A[16]等用高分辨率3D-QCT(3D-high resolution quantitative computed tomography, 3D-高分辨力定量计算机断层拍片术)测量骨的结构指数如骨容积、骨小梁数等，认为这种方法的误差在1%以内，并将其应用于绝经期妇女骨质疏松症的分型及病因研究。
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三维CT因其能显示扫描目标的空间立体形态，故有着广阔的前景，随着图像质量的提高，成本的下降，三维CT必将在临床与科研工作中得到更广泛的应用。
作者简介：华英汇(1977-),男，浙江人，在读研究生，研究方向：计算机辅助手术。
作者单位：华英汇(上海华山医院骨科，200040)
顾湘杰(上海华山医院骨科，200040)
参考文献：
〔1〕 Nishikawa-M, Sakamoto-H, Kishi-H, et al. Application of ultrafast 3D-CT in cervical spine injury[J]. No-Shinkei-Geka 1998, 26(12): 1 083～7.
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〔6〕 刘燕翌，王庆一，曲铁兵，等.仿真椎管镜的实验研究与临床应用[J].中华骨科杂志，1999 19(6)：339～41.
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〔8〕 张峻，侯筱魁，王以友，等.三维CT重建在胫骨平台骨折中的应用[J].中华骨科杂志，1998，18(7)：387～90。
〔9〕 Bianchi-SD, Ramieri-G,De-Gioanni-PP, et al. The validation ofsterolithographic anatomical replicas: the authors'own experience and a review of the literature. Radiol-Med-Torino, 1997, 94(5):503～10.
, 百拇医药
〔10〕 Migaud-H, Cortet-B, Assaker-R, et al. Value of a synthetic osseous model obtained by stereo-lithography for preoperative planning. Correctionof a complex femoral deformity caused by fibrous dysplasia.Rev-Chir-Orthop-Reparatrice-Appar-Mot. 1997,83(2):156～9.
〔11〕 Sati-M, de-Guise-JA, Drouin-G. Computer assisted knee surgery: diagnostics and planning of knee surgery. Comput-Aided-Surg. 1997;2(2):108～23.
〔12〕 马 昕， 顾湘杰，黄煌渊，等.足横弓三维形态的生物力学意义[J].中华骨科杂志，1998，18(9):528～31.
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〔13〕 马 昕，顾湘杰，陈劲松，等.正常足与NFEA7外翻足的足横弓三维形态比较[J].中华骨科杂志，1998，18(5):274～77.
〔14〕 Lochmuller-EM, Maier-U, Anetzberger-H, et al. Determination of subacromial space width and inferior acromial mineralization by 3DCT. Perliminary data from patients with unilateral supraspinatus outlet syndrome[J]. Surg-Radiol-Anat. 1997,19(5):329～37.
〔15〕 Kim-HT, Wenger-Dr. “Functional retroversion” of the femoral head in Legg-Calve-Perthes disease and epiphyseal dysplasia; analysis of head-neck deformity and its effect on limb position using three-dimensional computed tomography. California. J-Pediatr-Orthop, 1997 Mar-Apr, 17(2):240～6.
〔16〕 Laib-A, Hauselmann-HJ, Ruegsegger-P. In Vivo high resolution 3D-QCT of the human forearm[J]. Technol-Health-Care 1998，6(5-6):329～37., 百拇医药