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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中鉭標(biāo)記配準(zhǔn)的評(píng)估和基于CT的體積模型
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導(dǎo)言 膝關(guān)節(jié)放射立體測(cè)量分析（RSA）可以利用具有兩個(gè)交叉 X 射線束的校準(zhǔn)設(shè)置來(lái)量化三維（3D）空間中的剛體姿態(tài)（位置和方向），這兩個(gè)交叉 X 射線束從不同的視圖產(chǎn)生放射圖像。由于具有亞毫米級(jí)的準(zhǔn)確度和精確度，RSA 技術(shù)被廣泛用于評(píng)估髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物的縱向固定，作為后續(xù)無(wú)菌性植入物松動(dòng)的早期替代指標(biāo)。最初，RSA 利用手術(shù)前附著在所研究的植入物上的鉭標(biāo)記物，并在手術(shù)期間插入假體周圍的骨中。植入物標(biāo)記存在若干缺點(diǎn)，包括費(fèi)用較高、植入物需要新的監(jiān)管批準(zhǔn)以及可能對(duì)固定效果產(chǎn)生影響。之后出現(xiàn)了一種利用植入模型的商用 RSA 方法，該方法仍需要在 RSA 圖像中置入假體周圍鉭標(biāo)記并手動(dòng)選擇植入物輪廓。 從計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）獲得的 3D 骨模型已被證明對(duì)于二維至三維（2D/3D）圖像配準(zhǔn)具有較高精度，可以代替假體周圍鉭標(biāo)記作為 RSA 中的參照。CT 掃描可在術(shù)后完成，并允許對(duì)任何患者進(jìn)行 RSA 遷移分析。2D/3D 圖像配準(zhǔn)技術(shù)通常使用強(qiáng)度或梯度測(cè)量來(lái)匹配輪廓投影或數(shù)字重建射線照片（DRR）。 實(shí)驗(yàn)方法 本研究使用 8 條新鮮冷凍的供體腿，包含半骨盆；男女比例 1:1，年齡 80–93 歲（平均 85 歲）。研究獲得丹麥中央生物醫(yī)學(xué)研究倫理委員會(huì)（案件編號(hào)：1‑10‑72‑236‑19，2019 年 11 月 21 日發(fā)布）和數(shù)據(jù)保護(hù)局（案件編號(hào)：1‑16‑02‑410‑19，2019 年 12 月 2 日發(fā)布）的相關(guān)批準(zhǔn)。 準(zhǔn)備和手術(shù)程序 術(shù)前對(duì)每個(gè)標(biāo)本的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描(SOMATOM定義FlashSiemens Healthcare)包括關(guān)節(jié)線近端和遠(yuǎn)端15 cm。使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行掃描，軸向切片的峰值電壓為120 kVp，曝光為183 mAs，切片厚度為0.6 mm，切片增量為1 mm，像素間距為0.29×0.29mm。CT的有效劑量估計(jì)為0.095 mSv。隨后，所有標(biāo)本在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處分離，并解剖股骨近端和脛骨遠(yuǎn)端的軟組織，以確保標(biāo)本的牢固固定。使用鋼珠槍(Kulkanon溫伯格芬梅克公司)。珠子被放置在一個(gè)系統(tǒng)的圖案中，旨在形成廣泛的3D標(biāo)記分布。我們根據(jù)制造商的指南使用了標(biāo)準(zhǔn)的全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)21 前中線切口和內(nèi)側(cè)髕旁關(guān)節(jié)切開術(shù)。所有的樣本都接受了骨水泥(Palacos R + G，Heraeus，Medial GmbH，61273)鐵人三項(xiàng)膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)(Stryker ),股骨、脛骨和髕骨的尺寸范圍為四至六。一位經(jīng)驗(yàn)豐富的膝關(guān)節(jié)成形術(shù)外科醫(yī)生對(duì)所有標(biāo)本進(jìn)行了手術(shù)操作。 射線照相設(shè)置 采用專用 RSA 系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩個(gè)懸吊式 X 射線管，垂直布置，球管間夾角 40°，源到探測(cè)器距離 160 cm。平板探測(cè)器嵌入單平面校準(zhǔn)籠（Box 24；Medis Specials），內(nèi)有基準(zhǔn)標(biāo)記和控制層。在單圖像模式下，使用 120 kVp 和 1.2 mAs 的曝光參數(shù)，獲得尺寸 2208 × 2668 像素、重建像素寬度 0.16 mm 的全視野圖像。單次立體 X 光片的劑量估計(jì)為 0.623 μSv。 實(shí)驗(yàn)方案 制作帶有軸向可移動(dòng)有機(jī)玻璃板的定制夾具，以保證膝關(guān)節(jié)標(biāo)本剛性固定。為獲得最佳成像效果，在膝關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)位置的有機(jī)玻璃板上開孔，保證 X 射線束自由穿過(guò)。使用數(shù)字千分尺（Hofmann GmbH）在 x、y、z 三個(gè)方向移動(dòng)平臺(tái)，各方向分辨率 0.001 mm。夾具方向大致垂直于 RSA 系統(tǒng)的參考框架（校準(zhǔn)籠）。首先將膝關(guān)節(jié)置于前后位（AP），模擬患者仰臥位；其次置于外側(cè)‑內(nèi)側(cè)位（LM），以研究不同投照體位的影響。 立體 X 光片分析 RSA 的目的是建立從 2D 投影圖像到 3D 物體的空間度量關(guān)系。以基于標(biāo)記（marker）的方法作為 RSA 金標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)評(píng)估四種基于模型的方法（MBRSA、AutoRSA‑surface、AutoRSA‑volume 和 AutoRSA‑bone）。 對(duì)于 MBRSA、AutoRSA‑surface 和 AutoRSA‑volume 三種基于模型的方法，采用對(duì)應(yīng)不同型號(hào)的股骨和脛骨植入物 CAD 三維表面模型。對(duì)于 AutoRSA‑volume 方法，通過(guò)將植入物模型表面內(nèi)部的 3D 體素值設(shè)為 3000、外部設(shè)為 0，構(gòu)建每個(gè)植入物模型的合成體積模型。 基于標(biāo)記的方法 股骨和脛骨的骨內(nèi)鉭珠標(biāo)記在所有圖像中均可識(shí)別。按照 RSA 指南建議，將剛體平均匹配誤差上限設(shè)為 0.35 mm，并確保在同一位移序列的所有圖像中識(shí)別相同標(biāo)記。位置以標(biāo)記點(diǎn)的質(zhì)心進(jìn)行估算。 基于模型的方法 基于手動(dòng)設(shè)定的參數(shù)和感興趣區(qū)域，通過(guò) Canny 邊緣檢測(cè)器（RSAcore）在立體 X 光片中自動(dòng)檢測(cè)輪廓，再?gòu)臋z測(cè)輪廓中手動(dòng)選取股骨和脛骨植入物輪廓。通過(guò)最小化模型虛擬投影與手動(dòng)選取輪廓之間的誤差，采用由粗到精的優(yōu)化算法（IIPM、DIFDHSAnn 和 DIFDoNLP）估算模型姿態(tài)。MBRSA 方法盡可能完整識(shí)別植入物輪廓。 自動(dòng)配準(zhǔn)方法（AutoRSA 軟件） 本研究采用兩種針孔相機(jī)模型以實(shí)現(xiàn)透視投影匹配：一種基于表面模型的輪廓投影，另一種基于體積模型的 DRR 投影，兩種方法均采用光線投射算法。 在 2D/3D 配準(zhǔn)中，結(jié)合前期度量評(píng)估與基于 CT 體積模型的預(yù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示歸一化梯度相關(guān)性在實(shí)際立體 X 光片與虛擬投影對(duì)比中表現(xiàn)最優(yōu)。使用 Sobel 邊緣檢測(cè)算法自動(dòng)提取梯度，該算法采用 3×3 卷積核計(jì)算每個(gè)像素的二維空間梯度，生成水平和垂直梯度圖像。相似性度量定義為實(shí)際 X 光片與虛擬投影之間水平與垂直梯度歸一化互相關(guān)的平均值。 系統(tǒng)間參考框架對(duì)齊 將夾具置于 X 射線管投射區(qū)域時(shí)，盡量使夾具參考系（由三個(gè)軸向千分尺位移確定）與校準(zhǔn)架確定的 RSA 參考系保持一致。盡管如此，坐標(biāo)系仍無(wú)法完全對(duì)齊。為單獨(dú)分析單一方向誤差，根據(jù)每個(gè)序列 25 個(gè)標(biāo)記位移的線性擬合定義軸向，再將 RSA 參考系下模型的位置坐標(biāo)投影至擬合后的千分尺軸方向。 結(jié)果 本研究共記錄 8 個(gè)樣本的 205 組序列，總計(jì) 1640 次記錄，包含前后位（AP）和外側(cè)‑內(nèi)側(cè)位（LM）兩個(gè)體位、x/y/z 三個(gè)方向的位移序列，每組序列包含 35 張立體 X 光片。因圖像丟失、未標(biāo)記重拍等非方法學(xué)問(wèn)題排除 7 組序列，最終共分析 1395 組立體影像。 各配準(zhǔn)方法分別以股骨和脛骨的 Bland‑Altman 圖展示，所有分析方法均未顯示明顯偏倚。標(biāo)記配準(zhǔn)與骨配準(zhǔn)獲得最優(yōu)的一致性界限（LOA），股骨與脛骨結(jié)果相近。股骨側(cè)以 AutoRSA‑surface 方法的 LOA 最大；脛骨側(cè) AutoRSA‑surface 與 AutoRSA‑volume 的 LOA 相近且均較大。AutoRSA‑volume 方法在股骨假體分析中的 LOA 與 MBRSA 方法相近。MBRSA 法的 LOA 略優(yōu)于標(biāo)記法和骨配準(zhǔn)法。 |
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