ACL 再建術における MR 画像を用いた術前計画法
Computer-aided Surgical Planning of Anterior Cruciate Ligament Reconstruction
Based on MR Image Analysis
○盛田 健人
1，小橋 昌司
1,2，柏 薫里
3，中山 寛
3，
神原 俊一郎
3，森本 雅和
1，吉矢 晋一
3，相河 聡
1○Kento Morita
1, Syoji Kobashi
1,2, Kaori Kashiwa
3, Hiroshi Nakayama
3,
Shunichiro Kambara
3, Masakazu Morimoto
1, Shinichi Yoshiya
3, Satoru Aikawa
11
兵庫県立大学
1University of Hyogo
2
大阪大学
2Osaka University
3
兵庫医科大学
3Hyogo College of Medicine
Abstract: Anterior cruciate ligament (ACL) injury causes knee joint instability, and affects sports performance. Therefore, ACL reconstruction is essential to keep their high performance and important to prevent secondary osteoarthritis. The bone tunnel placement and orientation are important factors to improve accuracy and reproducibility of ACL reconstruction. Current procedure relies on arthroscopic evaluation and there is a risk of damaging arteries and ligaments during surgery. The damages may reduce the accuracy and reproducibility of ACL reconstruction. This study proposes a computer-aided surgical planning system for determining bone tunnel location and orientation using magnetic resonance (MR) images. We first propose a method to determine the bone tunnel location by using the quadrant method in preoperative MR images. We then introduce a visualization method of surrounding soft tissues to evaluate the risk of damaging soft tissues such as arteries and ligaments with the bone tunnel orientation. This system has been applied to ACL injured patient, and an appropriate result was obtained. .
１. はじめに
前十字靭帯(ACL)損傷は膝関節の不安定性を引き 起こし，スポーツ成績にも悪影響を与える．そのた め，ACL 再建はスポーツ成績の維持，変形性関節症 の予防に必要不可欠である． ACL 再建術は大腿骨，脛骨ともに ACL 付着部に 骨孔を開け，移植腱を通すことで ACL の機能を再 建する手術である．八木らは ACL を構成する前内 側線維束(antero-medial band; AMB)と後外側線維 束(postero-lateral band; PLB)の 2 重線維束を再現 するdouble bundle method[1]を提案し，膝安定性 が向上することを明らかにした． 大腿骨骨孔関節内開口位置が ACL 再建術の術後 成績を左右する因子である[2]が，現在の術式では術 者が内視鏡下で骨孔開口部位置を主観的に決定して いる．さらに，骨孔開口ドリルにより膝周囲の動脈 や他の靭帯を傷つける危険性もある．骨孔開口部位 置の最適化は術後成績向上に必要不可欠であると言 えるが，術前計画でこれらを考慮した骨孔位置，角 度の検討は現在までなされていない． 術後の大腿骨関節内開口位置の評価法として単純 X 線画像上で Blumensaat’s line に基づく Quadrant 法[3]が用いられており，術後成績と骨孔開口部位置 の相関について様々な検討がなされている[2]が，術 前計画に用いられた例はない．また，同手法は2 次 元投影画像上での位置を評価するもので，骨孔の 3 次元位置 を決定 できない．術後 に 3 次元 X 線 CT(computed tomography)画像を用いた Quadrant 法による骨孔 3 次元位置評価[4]が行われているが， 放射線被ばくによる侵襲性があるため，術前計画に 用いることはあまり好ましくない． ACL 再建術に関して計算機診断支援法がいくつ か 提 案 さ れ て い る ． 文 献 [5][6][7] で は multidetector-row CT(MDCT)で撮影した 3 次元断 層 画 像 と ， デ ジ タ ル X 線 透視装置 (DR: digital radiography) で 撮 影 し た 2 次 元 投 影 動 画 像 の2-D/3-D image registration による ACL 損傷に伴う 生体膝の3 次元動態評価が行われた．しかし，先述 の通り，CT 画像を用いた術前計画のための計算機 支援システムに関する研究は，侵襲性の面からほと んどなされていない．一方，MR 画像を用いた ACL 再建術に関する画像診断支援は見られない． 本研究では，3 次元断層 MRI 画像を用いた骨孔 3 次元位置の推定法，骨孔角度評価を支援する ACL 再建術の計算機術前計画支援システムを提案する． 術前に関節内骨孔 3 次元位置の推定，膝周辺の血 管・靭帯損傷可能性評価により，骨孔位置角度の最 適化を行うことで，ACL 再建術の正確性・再現性を 向上し，術者間変動，術者内変動の減少に寄与でき る．これらにより ACL 再建術患者の術後成績を向 上することで，より早期かつ高パフォーマンスでの スポーツ復帰を促すことを目的とする．
２. 準備
２．１. 使用データ
本研究で使用するデータは，術前に3.0T MRI 装 置(Achieva 3.0T TX, Philips Medical Systems Co. Ltd., USA)で撮影された 3 次元 T2 強調 MR 画像お よびMR Angiography (MRA)画像である．それぞれ sagittal(矢状面)画像を 220 枚撮影し，断層画像のサ イズは 512×512 ボクセル，FOV が 170mm× 170mm，厚さ 1.2mm，スライス間隔 1.2mm，MR 画像とMRA 画像の撮影位置，撮影断面は同一であ る．画像撮影のパラメータは repetition time(TR) が 23.4msec ， echo time(TE) が 10.9msec ， flip angle(FA)が 15 度である．図1，図2に同一被験者 のMR 画像，MRA 画像を示す．２．２. Quadrant 法 [3]
Quadrant 法は Bernard らが提案した ACL 再建 術後の標準的な骨孔位置の評価法である[3]．膝関節 を正側面より撮影した単純X 線画像において高輝度 に描写される顆間内壁はBlumensaat’s line と呼ば れ，同手法ではBlumensaat’s line を直線で近似し， それが外内側顆の近位境界と交差する点，遠位境界 と交差する点を求める．次に，Blumensaat’s line と平行で，外内側顆と後面で外接する直線を求める． これらにより決定される長方形内において，骨孔の 位置を比率(100%)で求める．なお，Blumensaat’s line 沿いに外内側顆の近位側を deep，遠位側を shallow と呼び，Blumensaat’s line を high，遠位 境界側をlow と呼ぶ．図3にQuadrant 法による骨 孔位置計測例を示す．
３. 提案手法
図4に提案法の流れを示す．まず，元画像から手 作業で骨領域，動脈，靭帯を抽出し，次に，疑似単 純 X 線画像を生成することで Quadrant 法により ACL 付着部を推定する．また，極座標上で血管，靭 帯損傷可能性の低い箇所を骨孔開口角度として決定 する．最後に，以上により得られた結果からドリル ガイド刺入シミュレーションを行うことで，術前計 画支援を行う． 図1 膝 MR 画像 図2 膝 MRA 画像 図3 Quadrant 法 図4 提案法の流れ３．１. 関心領域抽出
膝関節は筋肉，脂肪，血管，靭帯，骨領域から構 成され，骨領域は海綿骨，皮質骨，軟骨から構成さ れる．T2 強調 MR 画像では水，血，脂肪が高信号 値となり，皮質骨の周囲に存在する脂肪，軟骨は皮 質骨より高信号値となる． 膝MR 画像からの関心領域抽出法として様々な手 法が提案されているが[8]，抽出精度が不十分で，い まだ確立された手法がないため，本研究では骨領域， 靭帯，血管の抽出を手作業で行う．３．２. 疑似単純 X 線画像の生成
Quadrant 法は正側面より撮影した単純 X 線画像 より抽出されるBlumensaat’s line を用い ACL 付着 部を推定する手法である．提案手法では，MR 画像 より抽出した骨領域より疑似単純X 線画像を生成す ることでQuadrant 法の適用を行う．まず，骨領域を任意投影面へ平行投影することで， 疑似単純X 線画像を生成する．投影面上のあるピク セル pの値は digitally reconstructed radiograph (DRR)[9]で用いられる次式を用いて算出する．
𝑓(𝑝) = 𝛼 ∑ 𝑒𝑥𝑝(−𝜇(𝑣))
𝑣𝜖𝑅(𝑝) (1) ただし，R(p)はpを通り投影面に垂直な直線上のボ クセルの集合，μ(v)はボクセルvの減衰係数である． a は画像コントラストを決定するパラメータで，投 影画像が鮮鋭に観察できる値に任意に設定する． ボクセルvの減衰係数は次式で定義する．𝜇(𝑣) = {𝜇
𝐵𝑖𝑓 𝑣 𝜖 𝑅
𝐵∞
𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑠
(2) ここで，RBは骨領域の境界ボクセル集合である．す なわち，投影軸においてX 線は骨境界においてのみ 減衰係数𝜇𝐵で減衰し，骨領域内とその他の領域にお いては減衰しない．減衰係数𝜇𝐵は任意パラメータで， 画像コントラストが向上するように実験的に決定す る． 投影角度は，投影画像上で内顆，外顆の後面と下 面が一致するように手動で決定することで，正側投 影画像が生成される．投影画像において，顆間内壁 は投影軸と平行であるため，X 線の減衰量が大きく， 投影値は大きくなる．すなわち，Quadrant 法で基 準に用いるBlumensaat’s line を描出できる．３．３. 統計的 ACL 付着部推定法
提 案 手 法 で は 疑 似 単 純 X 線 画 像 を 用 い た Quadrant 法により ACL 付着部を推定する．図 5 にACL 付着部推定法の概念図を示す． まず，3.2 で得られた疑似単純 X 線画像から手作 業でBlumensaat’s line を検出する．Quadrant 法で 用いるhigh 直線は Blumensaat’s line，low 直線は Blumensaat’s line と平行で内顆・外顆後面と重なる 直線，deep 端は Blumensaat’s line が骨外輪郭と近 位で交差する点，shallow 端は骨外輪郭と遠位で交 差する点として決定する． 文献[10]で示された，屍体膝で AMB，PLB の関 節内付着位置をQuadrant 法により計測した複数の 論文から算出した平均値を表 1に示す．本手法では， 同平均位置をACL 付着部として用いる．すなわち， 疑似単純 X 線画像において，ACL 付着部が推定で きる． 次に，推定した 2 次元投影面上での ACL 付着位 置を，3 次元骨表面上に逆写像することで，3 次元 ACL 付着位置を推定する．投影画像上で推定 ACL 付着部に直交する直線上において，外顆の関節内壁 と交差する点が３次元ACL 付着位置である． 図5 3 次元 ACL 付着部推定法 表 1 ACL 付着部の平均値 AMB (%) PLB (%) Deep-Shallow 21.5 32.0 High-Low 23.1 48.8３．４. 骨孔開口角度の最適化
骨孔開口角度の最適化基準として，骨孔角度や骨 孔長などが挙げられるが，本研究ではその一基準と して周囲組織の損傷に注目した手法を提案する．こ れまで文献等において，骨孔開口角度の定義がほと んど示されていない．そこで，本研究では以下のよ うに定義する． まず，Local 直交座標系 X-Y-Z を次のように定義 する．X 軸は疑似単純 X 線画像投影面に垂直（すな わち後顆軸），Y 軸は大腿骨軸方向，Z 軸は X 軸と Y 軸の外積方向である． 骨孔開口角度は前方振り角度 θ，頭側振り角度 φ で表す．前方振り角度θはX 軸方向から Z 軸負方向 への回転角，頭側振り角度φは X 軸方向から Y 軸 方向への回転角と定義する．図 6 に定義図を示す． すなわち，前方振り角度θと頭側振り角度φがとも に０度のとき正側面方向となり，同方向を基準にし 次に，AMB 付着部，PLB 付着部それぞれを中心 に，大腿骨周辺の血管，靭帯を，前方振り角度 θ， 頭側振り角度φを用いて，図7に示すように極座標 表現する．大腿骨周辺の血管，靭帯を極座標上で可 視化することで，骨孔角度に対して血管，靭帯損傷 可能性を評価できる． 術前計画においては，図7に示す極座標画像を用 いて，術者が血管，靭帯損傷を最小化するように AMB，PLB 骨孔開口角度を決定する．また，ACL 再建術においては一般的に直径 5mm の骨孔が開け られるため，AMB，PLB 骨孔を直径 5mm の円柱と して，骨，血管，靭帯領域とともに3 次元画像上に 描画し，骨孔開口シミュレーションを行うことで， AMB，PLB 骨孔の干渉や，骨孔長についても評価 した術前計画が可能となる．４. 実験結果
本提案システムをインフォームドコンセントが得 られたACL 損傷患者(男性 18 歳)の右膝に適用した． インフォームドコンセントおよび画像撮影は兵庫医 科大学整形外科および放射線科において実施した． 図8に撮影されたT2 強調膝 MR 画像，手作業で 取得した骨領域(背景領域を除去)，靭帯領域(赤い領 域)，膝 MRA 画像，手作業により取得した血管領域 (抽出領域を白色，他領域を黒色)を示す． 図9に抽出領域のボリュームレンダリング画像を 示す．同図中では骨，靭帯，血管がそれぞれ灰色， 黄色，赤色で示されている．領域抽出は．兵庫医科 大学整形外科の4 名の熟練整形外科医の指導の下に 行い，各断層画像における抽出結果およびボリュー ムレンダリングにおいて良好に関心領域抽出が行え ていることを確認した． 図6 骨孔開口角度の定義 図7 骨孔開口角度の最適化(a) MR 画像 (b) 骨領域 (c) 靭帯領域 (d) MRA 画像 (e) 血管領域
図 10に骨表面ボクセルと，骨表面ボクセルを用 い生成した疑似単純X 線画像を示す．投影角度は内 外顆の下部，後部の輪郭が投影面上で重なるように 術者が決定した．疑似単純X 線画像より，図11に 示すようにBlumensaat’s line を決定し，AMB，PLB 付着部を推定，また，投影面からボクセル空間への 逆写像により3 次元の AMB，PLB 付着部を推定し た．図12はAMB，PLB 骨孔開口角度評価のため に用いるAMB，PLB を中心とした極座標画像を示 す．同画像上で血管は赤色，靭帯は黄色で示す．こ れらより，血管，靭帯損傷可能性の低い骨孔開口角 度として決定した点を白丸で示しており，AMB 骨 孔開口角度が(θ,φ)=(50,20)，PLB 骨孔開口角度が (θ,φ)=(-15,15)と決定された． AMB 骨孔，PLB 骨孔としてそれぞれ，緑色，青 色の直径 5mm の円柱を挿入した骨孔開口シミュ レーション結果を図 13 に示す．同図より，提案法 により，血管，靭帯損傷可能性の低い骨孔開口が決 定され，骨孔同士の衝突も避けられていることが確 認できた．
５. 結論
本研究では，膝MR 画像を用いた ACL 骨孔位 置，角度の術前計画を行う計算機診断支援システ ムを提案した．実験結果より，現在一般的に用い ら れて いる骨 孔作 成位置 の術 後評価 法で ある Quadrant 法を，術前 MR 画像にも適用可能であ ることを示した．また極座標表現により，骨孔開 図9 ボリュームレンダリング画像 (a: Lateral view, b: anterior view, c: body axis view)(a) 骨表面ボクセル (b) 疑似単純 X 線画像 図10 擬似単純 X 線画像の生成 (a) 投影画像上 (b) 3 次元位置 図11 ACL 付着部推定 図12 骨孔開口角度評価(a: AMB，b: PLB) 図13 骨孔開口シミュレーション
示した． 今後の課題として，骨領域，血管領域，靭帯領 域抽出，疑似単純X 線画像生成時の投影姿勢決定， Blumensaat's line 検出の自動化などが挙げられ る．
謝辞
本 研 究 の 一 部 は JSPS 科 研費基盤 研究（ C） 26462315 の助成を受けて行った．参考文献
[1] M. Yagi, E. K. Wong, A. Kanamori, R. E. Debski, F. H. Fu, and S. L-Y. Woo, "Biomechanical Analysis of an Anatomic Anterior Cruciate Ligament Reconstruction," The American J. Sports Medicine, Vol. 30, No. 5, pp. 660-666, 2002.
[2] G. V. Kamath, J. C. Redfern, P. E. Greis, and R. T. Burks, "Revision Anterior Cruciate Ligament Reconstruction", The American J. Sports Medicine, Vol. 39, No. 1, pp. 199-217, 2011.
[3] M. Bernard, P. Hertel, H. Hornunq, and T. Cierpinski, "Femoral Insertion of the ACL. Radiographic quadrant method," The American J. of Knee Surgery, Vol. 10, No. 1, pp. 14-21, 1997, discussion 21-22, 1997. [4] E. Pansard, S. Klouche, G. Vardi, E. Greeff, P.
Hardy, and M. Ferguson, "How Accurate Are Anatomic Landmarks for Femoral Tunnel Positioning in Anterior Cruciate Ligament Reconstruction? An In Vivo Imaging Analysis Comparing Both Anteromedial Portal and Outside-In Techniques," Arthroscopy, Epub ahead of print, 2015.
[5] A. Okayama, S. Yoshiya, M. Yagi, N. Shibanuma, D. Kubo, S. Kobashi, K. Kondo, and Y. Hata, "In Vivo Analysis of Knee Kinematics After ACL Reconstruction Using
Logic," 53rd Annual Meeting of Orthopaedic Research Society, Vol. 32, p. 835, 2007. [6] D. Kubo, S. Kobashi, N. Shibanuma, A.
Okayama, K. Kondo, M. Yagi, and S. Yoshiya, "Analyzing 3-D Knee Kinematics after ACL Reconstruction Using MDCT and Digital Radiography," Proc. of IEEE Int. Conf. on Complex Medical Engineering, pp. 436-441, 2007.
[7] G. Moloney, P. Araujo, S. Rabuck, R. Carey, G. Rincon, X. Zhang, and C. Harner, "Use of a Fluoroscopic Overlay to Assist Arthroscopic Anterior Cruciate Ligament Reconstruction," The American J. Sports Medicine, Vol. 41, No. 8, pp. 1794-1780, 2013.
[8] Medical Image Analysis: A grand challenge 2010, Workshop Proc. from 13th Int. Conf. on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervension (MICCAI)
[9] D. B. Russakoff, T. Rohlfing, K. Mori, D. Rueckert, A. Ho, J. R. Adler, and C. R. Maurer, "Fast Generation of Digitally Reconstructed Radiographs Using Attenuation Fields With Application to 2D-3D Image Registration," IEEE Transaction on Medical Imaging, Vol. 24, No. 11, 2005.
[10] J. W. Piefer, T. R. Pflugner, M. D. Hwang, and J. H. Lubowitz, "Anterior Cruciate Ligament Femoral Footprint Anatomy: Systematic Review of the 21st Century Literature," The J. of Arthroscopic & Related Surgery, Vol. 28, No. 6, pp. 872-881, 2012.
