放射立體照相測量分析及其在骨科研究中的應用進展

1、放射立體照相測量分析及其在骨科研究中的應用進展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用進展譚榮,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)科大學醫(yī)院骨科13210)中圖分類號:r814.4文獻標識碼: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)空間位置和運動的方法.它通過對校準裝置和

2、帶有標記點的研究對象同時進行放射照相.對獲得的影像進行精確的測量,在計算機的幫助下,分析兩次照相標記點的位置差異,對目標進行三維運動分析.該技術比傳統(tǒng)的x線片精度高,可以進行精確的三維空間測量和精細運動的研究.1974年121被首先介紹后,就廣泛應用于骨科的相關研究,包括研究骨骼的生長,關節(jié)的運動和穩(wěn)定性,人工關節(jié)假體,脊柱節(jié)段的運動,脊柱融合的過程,骨折的穩(wěn)定性,骨盆和脛骨的截骨術等.現對rsa技術及其在骨科研究的應用與進展綜述如下1ia技術在倫琴發(fā)現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線重建技術一直進展緩慢.發(fā)954年hallertt41進一步發(fā)展了照片測量分析法:1964年hollende一進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.在擬研究的骨骼中植入小的金屬標記物是rsa技術的重要進展.由于骨骼一般沒有多個特異性的解剖學標記.在獲得的x線照片上也就難以進行精確的測量.植入金屬標記點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.最早將金屬標記應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動.后來該方法

4、又被應用到膝關節(jié),髖關節(jié)假體松動研究以及脊柱的運動測量等,目前應用最多的標記物是金屬鉭銖.selvik基于標記物植入技術,x線片的測量分析以及堅固物體運動的數學原理,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和影像技術的發(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是一種可以進行三維測量且精度很高的技術重復測量可以計算出目標物體的相對運動.其實施步驟通常可以分成四個部分:(1)植入標記.球形的鉭銖是目前應用較多的骨性標記物.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物體進行

6、曝光.參照裝置上鉭銖的位置可以幫忙確定目標的空間位置.典型的參照裝置有四個面.每個面都標記有鉭銖.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)進行照相.然后對目標物體和參照系統(tǒng)進行照相.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行曝光.就可以通過標記物空間位置的變化來計算出目標物體的精細運動.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.測量前首先要對標記點進行選擇和編碼

7、,這些標記點包括患者體內的和參照裝置上的參照點.通常選擇能很好地反映對目標物體空間位置的點.早期常使用精密制圖測量儀進行測量.如wilda8(heerbrugg,switzer-land).其精度達到5-25im.對標記點在膠片上的二維空間位置進行測量后.將其數據錄入到電腦中等待分析.目前隨著計算機技術和數據化影像處理技術的飛速發(fā)展,對膠片或數字影像上標記點的測量已經逐步走向自動化,不但速度快.而且測量的結果較傳統(tǒng)的測量方法也更為準確.(4)數學計算.早期所有的數學計算都由大型計算機來完成.應用特定的軟件對獲得的測量數據進行數學計算,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.隨著計算機技術發(fā)展和運行能力的提高,rsa軟件也在不斷更新.不但可以應用到個人電腦上,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能更強大,速度更快.早期selvik就對rsa的精度進行了分析和研究,他通過特制的參照裝置反復測量發(fā)現,rsa的精度可以達到1050lxm.通常測量的精度在10250p,m和0.03o0.6o之間.在實際應用中測量精度還受很多因素的影響.如參照裝置的不同,影像的質量,膠片的平整度,測量工具的精確度,鉭標記

9、點的數量和分布是否合理,反復測量的次數等.其中最影響精度的是影像的質量,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確度m.隨著rsa技術的不斷完善和發(fā)展,目前已經有完整的rsa系列產品在市場銷售,包括鉭銖及其植入裝置,x線機及參照裝置,影像測量設備以及相配套的計算機和專業(yè)軟件,使得rsa檢查的操作更為方便易行,效率大大提高.2rsa在骨科研究中的應用2.1測量骨骼的生長最早將rsa技術應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)育異常的兒童進行了研究.將針形或球形標記物插人息兒的腓骨遠端.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致肢體不等長的患者進行早期診斷和跟蹤監(jiān)測,并可以對手術效果進行精確的評估.2.2研究關節(jié)的運動和穩(wěn)定性關節(jié)運動的研究包括膝關節(jié),髖關節(jié),踝關節(jié)和腕關節(jié)等,其中研究最多的是膝關節(jié).最早將rsa應用于關節(jié)運動和穩(wěn)定性研究的是edixhoven等19.他們對兩個截肢標本采用機械裝置進行膝關節(jié)的抽屜試驗,以研究關節(jié)的松弛度.由于rsa精度很高,它可以對關節(jié)失穩(wěn)進行三維空間的精細研究.1988年,karrholm等10i將rsa應用于膝關節(jié)前交叉韌帶損傷后的三維失穩(wěn).后來,分析關節(jié)運動

11、的變化就開始應用于評估關節(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韌帶重建對關節(jié)運動的影響等等.2.3評估人工關節(jié)置換效果20世紀70年代.骨水泥型人工全髖關節(jié)和全膝關節(jié)置換在臨床應用獲得了成功,隨后人工關節(jié)置換手術迅速發(fā)展.到了20世紀70年代后期至80年代早期,人工關節(jié)假體松動的問題開始出現.傳統(tǒng)的x線片并不能發(fā)現假體的早期松動.因此有必要提高影像學測量的精度來幫助發(fā)現早期的關節(jié)假體松動,從而為假體固定的研究和臨床治療提供依據.hanssonlit】最早意識到了rsa在骨科的潛在應用前景.他和selvik一起合作,采用股骨假體和髖臼杯口特征影像標記點的

12、方法,發(fā)明了可應用于人工髖關節(jié)的rsa技術,可以早期發(fā)現關節(jié)的失穩(wěn),磨損和移位.隨著rsa技術的發(fā)展,目前已經有更為先進的標記方法,可以對關節(jié)假體進行三維運動分析,促進了人工關節(jié)假體的設計和骨水泥研究,也為臨床早期診斷,治療提供了可靠的依據.rsa技術在人工關節(jié)研究領域中一個重要的作用是可以在術后早期預測材料和設計是否成功.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,該產品的特點是產熱量小,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廣泛.該骨水泥被介紹到瑞典后并沒有馬上被使用.而是進行了兩項隨機試驗,總病例數不到25例.試驗結果表明,該

13、骨水泥導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,經過術后3.2年的隨訪.假體翻修率比預期的高4%.術后4.5年隨訪表明翻修的風險增加了14倍.這一事件充分表明,如果早期對boneloc骨水泥進行rsa研究,就可以發(fā)現其早期下沉和松動.該產品也就不會得到廣泛的應用.rsa的另一個重要作用是早期預測假體松動的可能性.rye等】對131例全膝人工關節(jié)置換患者脛骨假體的移位進行了連續(xù)4年以上的rsa觀察,結果發(fā)現如果假體2年內移位超過0.2mm,則預示著需要翻修.該指標的敏感度為58%,特異性為93%.

14、karrholm等對84例骨水泥型人工髖關節(jié)的rsa研究發(fā)現,2年內發(fā)生股骨假體下沉是需要翻修的最佳預測指標.2.4評估脊柱節(jié)段運動與融合測量脊柱的運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的產生,使得脊柱節(jié)段的精細運動研究成為可能.rsa的精度遠遠超過普通x線片測量,可以為醫(yī)師提供脊柱三維運動的精確數據,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動進行研究.他分析了

15、3例行側后方腰骶椎融合的病例,發(fā)現有2例直到術后半年椎間隙才相對穩(wěn)定.但rsa表明融合的節(jié)段還存在明顯的運動.后來,rsa在脊柱相關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動.另外,與體外的生物力學研究不同,rsa還可以對各種脊柱內固定進行體內評估,并進行長期動態(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,應力變化及負重對骨折愈合影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,且主要集中在髖關節(jié)和踝關節(jié)骨折.隨著現代計算機技術和數字影像學技術的發(fā)展.rsa技術也得以不斷發(fā)展和創(chuàng)新,如自動化數字影像分析i-,基于模型的rsa固等.rsa的數字化.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,精度還得到進一步提高.基于模型的rsa主要應用于人工關節(jié)假體的研

17、究,不需要植入標記即可以分析.而動態(tài)x線照相,ct,mri與rsa的結合.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.目前已經在美國,加拿大,澳大利亞得到常規(guī)應用,但在國內還沒有rsa相關報道.2003年2月.第一屆rsa大會在美國新奧爾良市舉行,標志著rsa技術正越來越受到人們的重視.它精度高.敏感性高.早期就可以預測假體移位與手術失敗,使得它幾乎成為骨科領域中對人體骨骼運動或假體移位定量研究的金標準.有人認為,新的人工關節(jié)假體部件或骨水泥在正式上市前需要常規(guī)進行rsa評估和研究.國際標準化協會正在考慮建立人工關節(jié)產品上市前采用rsa技術進行預研究的標準.骨科領域中各種新

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

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