放射立體照相測量分析及其在骨科研究中的應(yīng)用進(jìn)展

1、放射立體照相測量分析及其在骨科研究中的應(yīng)用進(jìn)展788中國脊柱脊髓雜志2007年第17卷第10期chinesejournalofspineand印cord,2007,vo1.17,no.10因放射立體照相測量分析及其在骨科研究中的應(yīng)用進(jìn)展譚榮,鄒德威,hansenyuan(1解放軍306醫(yī)院骨科100101北京市;2美國紐約上州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)院骨科13210)中圖分類號:r814.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a文章編號:1004406x(2007)10078803放射立體照相測量分析(radiostereometricanalysis.rsa)t1是一種利用x線測量骨骼系統(tǒng)空間位置和運(yùn)動的方法.它通過對校準(zhǔn)裝置和

2、帶有標(biāo)記點(diǎn)的研究對象同時進(jìn)行放射照相.對獲得的影像進(jìn)行精確的測量,在計算機(jī)的幫助下,分析兩次照相標(biāo)記點(diǎn)的位置差異,對目標(biāo)進(jìn)行三維運(yùn)動分析.該技術(shù)比傳統(tǒng)的x線片精度高,可以進(jìn)行精確的三維空間測量和精細(xì)運(yùn)動的研究.1974年121被首先介紹后,就廣泛應(yīng)用于骨科的相關(guān)研究,包括研究骨骼的生長,關(guān)節(jié)的運(yùn)動和穩(wěn)定性,人工關(guān)節(jié)假體,脊柱節(jié)段的運(yùn)動,脊柱融合的過程,骨折的穩(wěn)定性,骨盆和脛骨的截骨術(shù)等.現(xiàn)對rsa技術(shù)及其在骨科研究的應(yīng)用與進(jìn)展綜述如下1ia技術(shù)在倫琴發(fā)現(xiàn)x線后,人們就開始嘗試通過x線照相來測定物體的空間位置.1898年.davisson13用絲線連接兩個射線管的中心和膠片上的物體,重建了x線的

3、空間位置.但x線重建技術(shù)一直進(jìn)展緩慢.發(fā)954年hallertt41進(jìn)一步發(fā)展了照片測量分析法:1964年hollende一進(jìn)一步證明了倫琴射線沒有系統(tǒng)偏差,還證明了通過照片的分析測量可以獲得1050tzm的精確度.從而為rsa的可行性與高精度提供了重要的理論依據(jù).在擬研究的骨骼中植入小的金屬標(biāo)記物是rsa技術(shù)的重要進(jìn)展.由于骨骼一般沒有多個特異性的解剖學(xué)標(biāo)記.在獲得的x線照片上也就難以進(jìn)行精確的測量.植入金屬標(biāo)記點(diǎn)后則可以精確分析骨骼空間位置的變化.從而大大提高了測量的精度.最早將金屬標(biāo)記應(yīng)用于骨科放射立體照相測量的是lysellt,他將小鋼珠植入到尸體頸椎椎體中以測量頸椎的運(yùn)動.后來該方法

4、又被應(yīng)用到膝關(guān)節(jié),髖關(guān)節(jié)假體松動研究以及脊柱的運(yùn)動測量等,目前應(yīng)用最多的標(biāo)記物是金屬鉭銖.selvik基于標(biāo)記物植入技術(shù),x線片的測量分析以及堅固物體運(yùn)動的數(shù)學(xué)原理,1972年建立了一套全新的放射立體照相測量系統(tǒng).1974年他首次公開發(fā)表了基本原理121.自此以后.該方法一直隨著計算機(jī)和影像技術(shù)的發(fā)展而不斷更新.1983年他將其命名為放射立體照相測量分第一作者簡介:男(1975一),在讀碩士,研究方向:脊柱外科電話:(010)663567292261email:析(roentgenstereophotogrammetryanalysis,rsa),后來又稱

5、為放射立體照相測量分析(radiostereometricanalysis.rsa).rsa是一種可以進(jìn)行三維測量且精度很高的技術(shù)重復(fù)測量可以計算出目標(biāo)物體的相對運(yùn)動.其實施步驟通?？梢苑殖伤膫€部分:(1)植入標(biāo)記.球形的鉭銖是目前應(yīng)用較多的骨性標(biāo)記物.通常直徑為0.8mm.也有直徑為0.5mm和1.0mm的.金屬鉭的原子量很大,x線透過率低.顯影很清晰,有很好的生物相容性.要完成一個完整的位置或運(yùn)動分析.同一骨骼中至少要植入3個鉭銖.且為非線性分布.由于鉭銖可能松動,為了增加精度,一般需植入位置分散的5個或更多鉭銖.(2)x線照相.照相時需要兩個x線球管從不同角度同時對參照裝置和目標(biāo)物體進(jìn)行

6、曝光.參照裝置上鉭銖的位置可以幫忙確定目標(biāo)的空間位置.典型的參照裝置有四個面.每個面都標(biāo)記有鉭銖.也可以用兩個帶有鉭銖的參照面平板來代替.首先對參照系統(tǒng)進(jìn)行照相.然后對目標(biāo)物體和參照系統(tǒng)進(jìn)行照相.在兩次檢查時保持球管和參照裝置在同一個位置.這樣每次照相可以得到分別來自不同球管的一對x線片.分別在不同時間或體位進(jìn)行曝光.就可以通過標(biāo)記物空間位置的變化來計算出目標(biāo)物體的精細(xì)運(yùn)動.由于在rsa研究中重要的是鉭銖的曝光.骨骼的形態(tài)顯得不是很重要,所以可以提高曝光電壓并降低電流.這樣不僅可以保證鉭銖的良好曝光.還可以減少rsa在照相過程中的射線量.(3)x線照片的測量.測量前首先要對標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行選擇和編碼

7、,這些標(biāo)記點(diǎn)包括患者體內(nèi)的和參照裝置上的參照點(diǎn).通常選擇能很好地反映對目標(biāo)物體空間位置的點(diǎn).早期常使用精密制圖測量儀進(jìn)行測量.如wilda8(heerbrugg,switzer-land).其精度達(dá)到5-25im.對標(biāo)記點(diǎn)在膠片上的二維空間位置進(jìn)行測量后.將其數(shù)據(jù)錄入到電腦中等待分析.目前隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)化影像處理技術(shù)的飛速發(fā)展,對膠片或數(shù)字影像上標(biāo)記點(diǎn)的測量已經(jīng)逐步走向自動化,不但速度快.而且測量的結(jié)果較傳統(tǒng)的測量方法也更為準(zhǔn)確.(4)數(shù)學(xué)計算.早期所有的數(shù)學(xué)計算都由大型計算機(jī)來完成.應(yīng)用特定的軟件對獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計算,并完成rsa分析.對于不同的研究目的,如長度測量,角度測量,

8、空間體積的測量等,都可以由不同模塊的電腦程序來完成.隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展和運(yùn)行能力的提高,rsa軟件也在不斷更新.不但可以應(yīng)用到個人電腦上,而且功中國脊柱脊髓雜志2007年第17卷第10期chinesejournolofspinandspinalcord,2007,vo1.17,no.10789能更強(qiáng)大,速度更快.早期selvik就對rsa的精度進(jìn)行了分析和研究,他通過特制的參照裝置反復(fù)測量發(fā)現(xiàn),rsa的精度可以達(dá)到1050lxm.通常測量的精度在10250p,m和0.03o0.6o之間.在實際應(yīng)用中測量精度還受很多因素的影響.如參照裝置的不同,影像的質(zhì)量,膠片的平整度,測量工具的精確度,鉭標(biāo)記

9、點(diǎn)的數(shù)量和分布是否合理,反復(fù)測量的次數(shù)等.其中最影響精度的是影像的質(zhì)量,鉭銖的分布合理性與穩(wěn)定性.最近的研究也表明rsa具有很高的精密度和準(zhǔn)確度m.隨著rsa技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,目前已經(jīng)有完整的rsa系列產(chǎn)品在市場銷售,包括鉭銖及其植入裝置,x線機(jī)及參照裝置,影像測量設(shè)備以及相配套的計算機(jī)和專業(yè)軟件,使得rsa檢查的操作更為方便易行,效率大大提高.2rsa在骨科研究中的應(yīng)用2.1測量骨骼的生長最早將rsa技術(shù)應(yīng)用于人類骨骼生長測量研究的可能是aronson和hanssonis.他們對由于激素不足而生長發(fā)育異常的兒童進(jìn)行了研究.將針形或球形標(biāo)記物插人息兒的腓骨遠(yuǎn)端.給患兒服用不同的治療藥物,然

10、后觀察不同藥物對骨骼生長速度的影響.rsa在這些研究中發(fā)揮了重要的作用,通過這些研究,可以對那些不同原因的骨骼生長異常導(dǎo)致肢體不等長的患者進(jìn)行早期診斷和跟蹤監(jiān)測,并可以對手術(shù)效果進(jìn)行精確的評估.2.2研究關(guān)節(jié)的運(yùn)動和穩(wěn)定性關(guān)節(jié)運(yùn)動的研究包括膝關(guān)節(jié),髖關(guān)節(jié),踝關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等,其中研究最多的是膝關(guān)節(jié).最早將rsa應(yīng)用于關(guān)節(jié)運(yùn)動和穩(wěn)定性研究的是edixhoven等19.他們對兩個截肢標(biāo)本采用機(jī)械裝置進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的抽屜試驗,以研究關(guān)節(jié)的松弛度.由于rsa精度很高,它可以對關(guān)節(jié)失穩(wěn)進(jìn)行三維空間的精細(xì)研究.1988年,karrholm等10i將rsa應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷后的三維失穩(wěn).后來,分析關(guān)節(jié)運(yùn)動

11、的變化就開始應(yīng)用于評估關(guān)節(jié)軟組織損傷的情況和肌肉張力的變化.rsa還可以用來證明外固定支具的效果以及手術(shù)韌帶重建對關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響等等.2.3評估人工關(guān)節(jié)置換效果20世紀(jì)70年代.骨水泥型人工全髖關(guān)節(jié)和全膝關(guān)節(jié)置換在臨床應(yīng)用獲得了成功,隨后人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)迅速發(fā)展.到了20世紀(jì)70年代后期至80年代早期,人工關(guān)節(jié)假體松動的問題開始出現(xiàn).傳統(tǒng)的x線片并不能發(fā)現(xiàn)假體的早期松動.因此有必要提高影像學(xué)測量的精度來幫助發(fā)現(xiàn)早期的關(guān)節(jié)假體松動,從而為假體固定的研究和臨床治療提供依據(jù).hanssonlit】最早意識到了rsa在骨科的潛在應(yīng)用前景.他和selvik一起合作,采用股骨假體和髖臼杯口特征影像標(biāo)記點(diǎn)的

12、方法,發(fā)明了可應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)的rsa技術(shù),可以早期發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)的失穩(wěn),磨損和移位.隨著rsa技術(shù)的發(fā)展,目前已經(jīng)有更為先進(jìn)的標(biāo)記方法,可以對關(guān)節(jié)假體進(jìn)行三維運(yùn)動分析,促進(jìn)了人工關(guān)節(jié)假體的設(shè)計和骨水泥研究,也為臨床早期診斷,治療提供了可靠的依據(jù).rsa技術(shù)在人工關(guān)節(jié)研究領(lǐng)域中一個重要的作用是可以在術(shù)后早期預(yù)測材料和設(shè)計是否成功.而且需要的樣本量相對較小.1991年,歐洲很多國家開始使用一種新型的boneloc骨水泥,該產(chǎn)品的特點(diǎn)是產(chǎn)熱量小,聚合溫度低,釋放毒性單體少,因而在歐洲有些國家使用相當(dāng)廣泛.該骨水泥被介紹到瑞典后并沒有馬上被使用.而是進(jìn)行了兩項隨機(jī)試驗,總病例數(shù)不到25例.試驗結(jié)果表明,該

13、骨水泥導(dǎo)致假體的移位明顯增加.因此該骨水泥未在瑞典使用.后來的報道表明l21,采用chamley股骨干并用boneloc骨水泥固定的1226例病例,經(jīng)過術(shù)后3.2年的隨訪.假體翻修率比預(yù)期的高4%.術(shù)后4.5年隨訪表明翻修的風(fēng)險增加了14倍.這一事件充分表明,如果早期對boneloc骨水泥進(jìn)行rsa研究,就可以發(fā)現(xiàn)其早期下沉和松動.該產(chǎn)品也就不會得到廣泛的應(yīng)用.rsa的另一個重要作用是早期預(yù)測假體松動的可能性.rye等】對131例全膝人工關(guān)節(jié)置換患者脛骨假體的移位進(jìn)行了連續(xù)4年以上的rsa觀察,結(jié)果發(fā)現(xiàn)如果假體2年內(nèi)移位超過0.2mm,則預(yù)示著需要翻修.該指標(biāo)的敏感度為58%,特異性為93%.

14、karrholm等對84例骨水泥型人工髖關(guān)節(jié)的rsa研究發(fā)現(xiàn),2年內(nèi)發(fā)生股骨假體下沉是需要翻修的最佳預(yù)測指標(biāo).2.4評估脊柱節(jié)段運(yùn)動與融合測量脊柱的運(yùn)動和判斷椎間隙是否融合在臨床上一直是比較棘手的問題,目前使用最多的還是對普通x線片進(jìn)行測量.但主要存在的問題是不精確.ct檢查可以了解椎間隙有無骨性連接.但也很難精確測量椎間隙的活動.正是由于rsa的產(chǎn)生,使得脊柱節(jié)段的精細(xì)運(yùn)動研究成為可能.rsa的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通x線片測量,可以為醫(yī)師提供脊柱三維運(yùn)動的精確數(shù)據(jù),從而為臨床診斷和治療策略的選擇提供重要的信息.1976年,olsson等首先報道了采用rsa對腰骶椎融合后椎體的運(yùn)動進(jìn)行研究.他分析了

15、3例行側(cè)后方腰骶椎融合的病例,發(fā)現(xiàn)有2例直到術(shù)后半年椎間隙才相對穩(wěn)定.但rsa表明融合的節(jié)段還存在明顯的運(yùn)動.后來,rsa在脊柱相關(guān)的研究中主要用來分析腰椎或頸椎融合后椎間隙的穩(wěn)定性,從而評估不同的植骨材料的融合效果.如bmp與自體骨,自體骨,同種異體骨與異種骨在脊柱融合中的對照研究i6,171.axelsson等(is19i還將rsa用來研究峽部裂,椎間盤退變以及體位改變時椎體的運(yùn)動.另外,與體外的生物力學(xué)研究不同,rsa還可以對各種脊柱內(nèi)固定進(jìn)行體內(nèi)評估,并進(jìn)行長期動態(tài)觀察,了解該器械對腰椎穩(wěn)定性的近期和遠(yuǎn)期影響.2.5觀察骨折愈合過程由于rsa精度很高,可以動態(tài)記錄骨折端的微動,是用來研

16、究骨折愈合模式,應(yīng)力變化及負(fù)重對骨折愈合影790中國脊柱脊髓雜志2007年第17卷第10期chinesejournalofspineandspina/cord,2007,vo1.17,no.10響的理想工具1201.同時它可以用來研究各種骨折內(nèi)固定材料對骨折穩(wěn)定性和骨折愈合過程的影響.但目前此類的研究相對較少,且主要集中在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)骨折.隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展.rsa技術(shù)也得以不斷發(fā)展和創(chuàng)新,如自動化數(shù)字影像分析i-,基于模型的rsa固等.rsa的數(shù)字化.不僅大大節(jié)約了rsa檢查的時間,與傳統(tǒng)的手工測量相比,精度還得到進(jìn)一步提高.基于模型的rsa主要應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)假體的研

17、究,不需要植入標(biāo)記即可以分析.而動態(tài)x線照相,ct,mri與rsa的結(jié)合.可以更好地研究假體的穩(wěn)定性和磨損.rsa起源于瑞典,后傳人歐洲.目前已經(jīng)在美國,加拿大,澳大利亞得到常規(guī)應(yīng)用,但在國內(nèi)還沒有rsa相關(guān)報道.2003年2月.第一屆rsa大會在美國新奧爾良市舉行,標(biāo)志著rsa技術(shù)正越來越受到人們的重視.它精度高.敏感性高.早期就可以預(yù)測假體移位與手術(shù)失敗,使得它幾乎成為骨科領(lǐng)域中對人體骨骼運(yùn)動或假體移位定量研究的金標(biāo)準(zhǔn).有人認(rèn)為,新的人工關(guān)節(jié)假體部件或骨水泥在正式上市前需要常規(guī)進(jìn)行rsa評估和研究.國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會正在考慮建立人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品上市前采用rsa技術(shù)進(jìn)行預(yù)研究的標(biāo)準(zhǔn).骨科領(lǐng)域中各種新

18、理論,新技術(shù),新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn),使得rsa技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣,對骨科的基礎(chǔ)和臨床研究起著越來越重要的作用.3參考文獻(xiàn)1.selvikg,alberiusp,arunsonas.aroentgenstereophotogrammetricsystem:construction,calibrationandtechnicalaccuracy【j1.actaradioldiagn(stockh),1983,24(4):343352.2.selvikg.roentgenstereophotogrammetry:amethodforthestudyofthekinematicsoftheskele

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