研究背景：膝关节中的交叉韧带因特殊的形态及重要的功能一直是解剖学研究的焦点之一，其损伤后的诊断、治疗也是骨科的难点。随着微创甚至无创诊断技术要求的不断提高，使得对交叉韧带损伤的无创性诊断成为必须。由于韧带不同于骨骼的自身特性，常规的X线、CT等影像检查无法对交叉韧带损伤的情况作出直接的判断，MR在临床实践中的成功应用，为交叉韧带解剖学研究及临床诊疗提供了新的手段和发展空间。虽然MR影像中已包含了交叉韧带的三维信息，但我们常规得到的仍然是逐层排列的二维影像，常常会掩盖一些重要信息，无法使临床医生直观、准确、完整地观察交叉韧带。随着计算机技术的飞速发展，将这些二维影像三维重建、显示已成为可能。本课题在以往学者研究的基础上作进一步尝试，首次利用正常人交叉韧带的MR影像数据进行交叉韧带三维重建可视化研究，确定正常交叉韧带三维影像重建在解剖学研究和临床应用的可行性，为交叉韧带损伤的诊断提供新的诊断思路，并为其进一步在临床中的应用提供技术参数。目的：通过正常人交叉韧带的MR、CT影像数据，在Mimics软件中三维重建交叉韧带及膝关节的股骨、胫腓骨部分，从而观察正常人交叉韧带的一般形态并测量其解剖学数据；进一步进行交叉韧带重建手术的计算机模拟，初步探讨交叉韧带三维可视化临床应用的可行性。方法：一、受试对象及图像采集1、2005年8月～2006年10月间，成人受试者共16例(包括8例志愿者)，经过体检均无膝关节外伤、疾病和手术史。2、设备为Siemens Somatom Sensation 1.5 T超导型磁共振机及Siemens Somatom Sensation 16排多层螺旋CT。3、以双侧膝关节间隙为中心线，划定上下各10cm范围为扫描范围。先对双侧膝关节进行0°位的MR扫描，层厚1.0mm(临床常用扫描层厚为2～3mm)。再对双侧膝关节进行0°位的CT扫描，层厚0.75mm。二、三维可视重建。1、将按照DICOM标准存储的膝关节MR断层影像数据导入Mimics后进行图像分割与三维重建。最后可获得交叉韧带的三维模型，以stl格式导出保存。2、将按照DICOM标准存储的膝关节CT断层影像数据导入Mimics后对股骨远端及胫腓骨近端进行三维重建。3、将分别获得的交叉韧带模型及膝关节的股骨、胫腓骨部分的三维模型在Mimics中进行复合，并配准位置。4、交叉韧带重建手术的计算机模拟及相关的参数测定。在Mimics中模拟交叉韧带重建手术中股骨、胫骨骨隧道建立的步骤。三、影像分析与测量分析交叉韧带显示情况和程度，再用软件自带的测量工具测量交叉韧带的解剖数据：交叉韧带前内缘和后外缘的长度，分别与水平面的夹角；交叉韧带中三分之一的宽度、厚度；计算机模拟交叉韧带重建术中股骨、胫骨骨隧道和移植物关节内的长度。四、统计学分析所得数据用SPSS 13.0软件行统计学处理，对实验数据进行总体均数与样本均数比较的t检验分析，检验水准为α=0.05，P≦0.05表示差异有统计学意义或有显著性差异。结果以均值±标准差((?)±s)表示。结果：三维重建后的交叉韧带及膝关节的股骨、胫腓骨部分具有良好的形态和清晰的边界，可精确测量解剖数据；通过透明化处理，可以去除遮挡部分而清晰显示感兴趣部位；可进行交叉韧带重建手术的计算机模拟，并精确测量相关数据。一、重建图像与解剖学中相对应图像的比较三维重建后的膝关节和交叉韧带图像(图1～4)，与解剖学中相对应图像的比较无明显失真，且立体感强，能三维可视化，可以从不同角度进行观察，能以任一角度旋转，并可去除、增加任意部分，从而清晰显示感兴趣的部位。二、交叉韧带的解剖观察及解剖参数的测量前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)起于胫骨髁间嵴前方偏外凹陷处及外侧半月板前角，向后上外方斜行，止于股骨外髁内侧面之后部。后交叉韧带(posterior cruciate ligament，PCL)起自胫骨髁间棘后方稍内侧，向前内方斜行止于股骨内髁的外侧面。测量内容：a．ACL和PCL前内缘在膝关节0°的长度及其与水平面的夹角；b．ACL和PCL后外缘在膝关节0°的长度及其与水平面的夹角；c．ACL和PCL中1／3在膝关节0°时的宽度和厚度。所测量数据与公认的交叉韧带的解剖数据进行t检验分析(a=0.05)，各项结果均P＞0.05，统计学无显著性差异。三、计算机模拟交叉韧带重建手术及股骨、胫骨骨隧道长度及移植物关节内长度的测量ACL胫骨隧道重建点在胫骨关节面于原ACL附着点正后方7mm处，胫骨髁间棘前内侧缘，外侧半月板前角后缘处；股骨隧道重建点位于髁间窝外侧壁从后到前5mm处，右膝相当于11点，左膝相当于1点处。PCL胫骨隧道重建点在胫骨附着处中心点，股骨端附着处上缘中点是理想的骨隧道重建点的位置。分别测量股骨、胫骨骨隧道的长度及移植物关节内的长度。所测量数据与公认的交叉韧带重建术中的解剖数据进行t检验分析(a=0.05)，各项结果均P＞0.05，统计学无显著性差异。结论：一、基于MR、CT影像下膝关节及交叉韧带的三维重建可行且效果肯定。本课题通过目前较成熟的三维软件成像技术，利用正常受试者薄层扫描后的交叉韧带MR影像数据三维重建交叉韧带，不仅可以清晰、直观地观察交叉韧带的立体结构，而且可以将我们关心的部位分离或透视，并能以任一角度旋转，排除临近组织的干扰，因此使用MR影像数据进行交叉韧带的三维重建研究是合理的手段，得到了较好的效果。本研究又通过膝关节的CT扫描数据三维重建膝关节的股骨、胫腓骨部分，解决了MR扫描数据三维重建骨骼效果不佳的问题。最后将分别获得的交叉韧带模型及膝关节的股骨、胫腓骨部分的三维模型在Mimics中进行复合，并配准位置，极大改善了三维重建的图象质量。二、膝关节及交叉韧带三维影像重建后可以作为解剖学手段应用于正常人交叉韧带解剖学的研究及教学。利用MR影像数据三维重建的交叉韧带三维可视化图像，是人体交叉韧带的真实体现，真实还原人体的交叉韧带，立体直观；计算机软件对其解剖参数的测量也减小了人为因素的误差，能够在三维空间中准确的定位并获得各种三维数据，为传统解剖学的研究提供一种新的研究途径。运用数字可视化技术可以提供正常关节及交叉韧带在任意角度的形态结构、空间毗邻关系，并能够单独或任意搭配进行解剖结构的教学演示；运用计算机软件可以实现从不同方位对图像连续动态演示并进行随意可视化剖切，直观、立体地展示局部结构、重要结构及相互毗邻关系，用三维模式充实了传统的局部解剖和手术应用解剖的教学方法。三、交叉韧带三维影像重建对临床交叉韧带损伤的诊断及治疗具有应用前景。本研究图像资料数字化，可以通过任意角度的旋转，以三维可视化的形式全方位显示膝关节及交叉韧带；也可设置不同的透明度，将任意若干种结构隐藏，便于对交叉韧带结构的观察和理解；能够在三维空间中对交叉韧带的各部分进行准确的定位，并可获得任意的三维解剖参数；进而可以对交叉韧带相关的手术方案进行精确设计，针对交叉韧带的部位、大小模拟手术过程，达到对不同病人手术个体化的最终目标，不但使手术实施的可行性、安全性增加，而且能够降低手术的风险性，减少手术的并发症。