Knee：膝关节动态CT扫描:结合负重和实时运动采集
2023-08-22 医路坦克 MedSci原创 发表于上海
本研究的目的是验证和测试一种在动态CT采集过程中模拟真实膝关节水平位置负重运动的装置，并对采集的图像进行处理。
放射成像在评估下肢肌肉骨骼状况中具有重要作用，在进行此类评估时应考虑几个因素。首先，在仰卧位下获得的图像缺少载荷对下肢关节影响的重要信息，并且它们不能充分代表正常负重活动时的运动学，与二维投影相比，结构的三维图像可以提供更多的诊断信息;最后动态采集可以提供比静态图像更多的信息，因为它们更能代表功能运动。
当负重(WB)与非负重(NWB)比较时，膝关节水平显示出一些差异。据报道，在两种加载条件下，关节对齐、形态度量、旋转和位移等方面的变化。患者下肢体位的另一个后果是，从负重到非负重或改变肌肉负荷会显著影响肌肉的激活。肌肉收缩似乎对膝关节运动学(即髌骨跟踪)有实质性影响;因此，在研究膝关节运动时，这应该是一个需要考虑的方面。
CT和MRI可以获得三维测量，而传统的x线摄影是基于二维投影。由于患者体位的可变性，后者已被证明容易出错。这导致对下肢对齐、骨标记以及膝关节和足部角度测量的不正确评估和。此外，CT成像在检测骨赘和软骨下囊肿方面似乎比传统的固定屈曲x线摄影更敏感和准确，因为传统的固定屈曲x线摄影存在骨轮廓重叠的问题。最后，下肢是人体的一个动态结构。它将受益于在运动过程中进行调查，而不是在静态位置。有报道称，动态图像更准确地显示髌骨倾斜角度，而使用静态图像时，不稳定关节的异常生物力学再现会增加假阴性的风险。
研究设置。a:直立和水平深蹲设置与开发的负重装置。所有的动作都被VICON红外摄像机记录下来。b:承重装置侧面图。在股四头肌同心收缩时，受试者朝红虚线箭头方向运动。抵消结构在绿色固体箭头方向上提供恒定的反作用力，在同心相位提供阻力，并在偏心相位将受试者带回平台。1: VICON相机;2:底座结构;3:抵消结构;4:移动床;5:平台;6:动床与抵消结构之间的电缆;7:肩部支撑。c:受试者身上反射红外线标记和表面肌电信号电极的位置。箭头表示描述膝关节运动学的两个参考系的方向。关于z轴的旋转代表膝关节屈伸运动，关于y轴的旋转代表内外旋转，关于x轴的旋转代表外翻-内翻运动。
动态CT或4DCT是一种具有高时间和空间分辨率的实时3D图像采集的图像模式。它是在宽束或宽体积CT扫描仪上进行的，这是目前用于快速单次心跳心脏成像的最新CT硬件开发之一。该CT平台也可用于其他结构的动态成像，纵向距离可达16cm。最近，4DCT已被用于研究肌肉骨骼结构的动力学。它能够识别微小的运动学变化，有可能检测上肢和下肢的病理，并允许评估手术结果。
虽然已经提出了几种设备在MRI和CT采集过程中诱导下肢负荷，但没有一种设备在水平扫描过程中允许负重下肢运动。此外，所有报道的动态CT研究都是在非负重条件下进行的下肢病理研究。
因此，本研究旨在验证和测试一种加载装置，以模拟动态CT期间在水平位置的真实承重。设计了两阶段的研究来验证和评估这种装置的适用性。在第一阶段，比较了设备上(不同负荷下)的水平深蹲(HS)和直立深蹲(OS)。在第二阶段，作为概念验证阶段，该设备通过对志愿者的膝盖进行动态CT采集，在CT扫描上进行测试。然后对获取的图像进行后处理以计算三个运动学指标:胫骨-粗隆滑车-沟距离(TTTG)，等分偏移(BO)和髌骨外侧倾斜(LPT)。这些指标通常用于放射学和骨科，在手术计划期间描绘膝关节运动学和髌骨跟踪。
膝关节处于完全伸展位置(a)，达到最大膝关节屈曲(b)，平衡重量系统(c)。
右膝从完全伸展到最大屈曲的矢状位CT图。底部:相同图像的3D体渲染图，也可用于从定性的角度研究关节形态和骨骼相互作用。
最上面一行代表健康受试者的右膝(绿色)和患有髌骨股痛综合征(PFPS)的患者的右膝(S)(红色)。最下面一行代表健康受试者的三个左膝关节(绿色)和PFPS患者的三个无症状(AS)膝关节(蓝色)。TTTG:胫骨结节-滑车沟;BO:等分偏移量
方法:对20名健康志愿者的“直立深蹲”和“水平深蹲”进行比较，负荷在体重(%体重)的35%到55%之间。计算类内相关系数(ICC)和测量标准误差(SEM)作为曲线运动和表面肌电信号(sEMG)数据可靠性的度量。随后，该装置在三名健康志愿者和三名髌股疼痛综合征患者的动态CT采集期间进行了测试。分别对图像进行处理，提取胫骨-粗隆滑车-沟距离、等分偏移量和外侧髌骨倾斜指标。
结果:在肌电图中，42%体重负荷的平均ICCs (SEM)最高，为0.80(6.9)。运动学分析显示，在偏心阶段(0.79-0.87)和从最大屈曲到20?(0.76)。在获取动态CT图像的过程中，该设备被证明是安全可靠的，并计算了三个指标，初步显示了健康和病理参与者之间的差异。
结论:该装置能模拟水平姿势的直立深蹲，可靠性好。它还成功地提供了健康和病理膝关节在负重运动过程中的动态CT扫描图像和运动学参数。
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