基于磁共振圖像的膝關(guān)節(jié)軟骨可視化初步研究

吳瓊++++++高陽++++++牛廣明++++++白雪菲++++++張?jiān)?++++錢玉梅

[摘要] 目的 通過數(shù)字化分析，建立基于磁共振圖像的膝關(guān)節(jié)軟骨三維可視化。 方法 選取2014年5月～2015年5月內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院40名健康成人志愿者（男20名，女20名）。所有磁共振掃描均在GE Discovery MR 750 3.0T掃描機(jī)上進(jìn)行，采用8通道膝關(guān)節(jié)線圈，患者仰臥位。序列采用Sag 3D FSPGR，將矢狀位的原始圖像數(shù)據(jù)以dicom格式導(dǎo)入Materialise Mimics Innovation Suite 16.0軟件，采用半自動(dòng)分割方式，選擇軟骨區(qū)域中像素平均強(qiáng)度的閾值為基準(zhǔn)，選擇股骨的近似中心作為半徑搜索的原點(diǎn)，確定軟骨邊界，三維重建膝關(guān)節(jié)軟骨并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。 結(jié)果 膝關(guān)節(jié)軟骨平均厚度男性大于女性，膝關(guān)節(jié)軟骨平均厚度在男性左、右側(cè)平均分別為（2.87±0.33）、（2.86±0.31） mm；在女性左、右側(cè)平均分別為（2.58±0.31）、（2.56±0.29）mm。同一性別的左、右兩側(cè)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P > 0.05），而同一側(cè)在男、女性別之間差異有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P < 0.01）。重建的軟骨可以全方位觀察其形態(tài)。 結(jié)論 Sag 3D FSPGR序列圖像為更好地觀察軟骨形態(tài)提供相對精準(zhǔn)的方法。

[關(guān)鍵詞] 磁共振成像；軟骨；三維重建

[中圖分類號(hào)] R445.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-7210（2017）02（b）-0103-03

[Abstract] Objective To establish the 3D visualization of articular cartilage of knee joint based on magnetic resonance imaging by digitization analyse. Methods From May 2014 to May 2015， 40 healthy adult volunteers （male 20， female 20） from Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University were selected. All MR scan were used GE Discovery MR 750 3.0T， with 8 channel knee-joint coil， patients took supine position. Sequence uesd Sag 3D FSPGR， T2 sagittal Images were transformed into Materialise Mimics Innovation Suite 16.0 software； Using semiautomatic segmentation way， threshold value of pixel average intensity in cartilage area was selected as standard， approximate center of femoral was selected as original point of radius searching， cartilage border was confirmed， three-dimensional models of the knee cartilage was reconstructed and statistical analysis was made. Results The average thickness of the articular cartilage in male was more than that in female， the male were （2.87±0.33） mm at the left side， and （2.86±0.31）mm at the right side； the female were （2.58±0.31） mm at the left side， and （2.56±0.29） mm at the right side； there was no significant difference in the left and right side of the same sex （P > 0.05）， but the difference was statistically significant between genders in the same side （P < 0.01）. Reconstructed cartilage could be omnibearing observed its form. Conclusion Sag 3D FSPGR sequence image may provide a relatively accurate method for the observation of cartilage morphology.

[Key words] MRI； Knee cartilage； Three-dimensional reconstruction

膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)節(jié)軟骨以光滑、透明的海綿材料覆蓋于脛骨平臺(tái)和股骨髁之間。軟骨形態(tài)改變是骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展的重要生物標(biāo)志。磁共振成像是廣泛用于圖像的膝關(guān)節(jié)，常規(guī)軟骨MRI掃描序列已非常成熟，對關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學(xué)改變具有很高的敏感性，但對于早期軟骨損傷形態(tài)完整的顯示不佳，隨著MRI軟硬件技術(shù)的提高，使得關(guān)節(jié)軟骨病變的研究得到了快速發(fā)展，軟骨分析、測量和可視化可以對軟骨病變進(jìn)行早期的發(fā)現(xiàn)和評(píng)估[1-5]，本研究通過混合MRI掃描序列對健康成人膝關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行三維重建與分析，現(xiàn)報(bào)道如下：

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2014年5月～2015年5月內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院40名健康成人志愿者，其中男20名，女20名；年齡20～46歲，平均（33.8±4.5）歲，身高156～182 cm，平均（173.2±8.9）cm；體重48～88 kg，平均（75.5±3.3）kg，40名健康人無腫瘤、嚴(yán)重骨性畸形。本研究已獲醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有志愿者均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 MRI掃描序列與軟骨三維重建

所有磁共振掃描均在GE Discovery MR 750 3.0T掃描機(jī)上進(jìn)行，采用8通道膝關(guān)節(jié)線圈，患者仰臥位。參數(shù)：TR：13.7，TE：Min Full，矩陣：320×224，Slice Thinckness：0.6 mm，F(xiàn)lip Angle：15，Bandwidth：31.25，NEX：1。將矢狀位的原始圖像數(shù)據(jù)以dicom格式導(dǎo)入Materialise Mimics Innovation Suite 16.0軟件（Materialise公司，比利時(shí)，內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)中心提供），測量時(shí)選取矢狀圖像每一層面股骨髁前后髁最寬處和與脛骨平臺(tái)交界最窄處三點(diǎn)測量，每點(diǎn)測量3次，取平均數(shù)，再取每層平均數(shù)。三維重建采用半自動(dòng)分割方式，選擇軟骨區(qū)域中像素平均強(qiáng)度的閾值為基準(zhǔn)，選擇股骨的近似中心作為半徑搜索的原點(diǎn)，確定軟骨邊界，測量不同區(qū)域軟骨的厚度，以其均值作為該區(qū)域的軟骨厚度（圖1），三維重建膝關(guān)節(jié)軟骨。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，兩組間比較采用t檢驗(yàn)。以P < 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

膝關(guān)節(jié)軟骨平均厚度男性大于女性，膝關(guān)節(jié)軟骨平均厚度同一性別的左、右兩側(cè)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P > 0.05），而同一側(cè)在男、女性別之間差異有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P < 0.01）（表1），重建的軟骨可以全方位觀察其形態(tài)（圖2，封四）。

3 討論

膝關(guān)節(jié)是人體最大、最復(fù)雜的關(guān)節(jié)滑膜關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軟骨覆蓋于股骨和脛骨之間，骨性關(guān)節(jié)炎時(shí)軟骨發(fā)生變化，軟骨變得柔軟，受到侵蝕，由于連續(xù)磨損和撕裂的運(yùn)動(dòng)和老化，剛度的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)減少，并形成骨刺，因而造成老年人中骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生率高，并隨年齡增長而遞增。

采用磁共振成像診斷和評(píng)估軟骨缺損的修復(fù)已有多數(shù)報(bào)道[6-8]。磁共振脂肪抑制梯度回波序列和快速自旋回波序列可以準(zhǔn)確和可靠的評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軟骨的缺陷情況。張敏等[9]認(rèn)為表面遮蓋顯示（SSD）三維重建方式能夠立體直觀地表現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨表面形態(tài)的變化，接近于大體標(biāo)本所見，但要求掃描圖像具有較高的，而且關(guān)節(jié)軟骨與周圍鄰近組織結(jié)構(gòu)的相對明顯影響關(guān)節(jié)軟骨的三維成像效果。本組采用0.6 mm層厚的三維重建圖像能夠表現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨表面的不規(guī)則形態(tài)，較真實(shí)地反映出標(biāo)本的表面特征。因此，不少學(xué)者結(jié)合MRI的優(yōu)勢，利用Mimics軟件和Geomagic軟件進(jìn)行關(guān)節(jié)軟骨三維模型的重建及修飾[10-12]。雷杰等[13]通過觀察脂肪抑制三維擾相梯度回波序列（FS-3D-SPGR）、FS-FSE-T2W序列及三維重建對軟骨損傷的診斷價(jià)值認(rèn)為3D-FS-SPGR能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軟骨的損傷程度，但對軟骨下骨及骨髓損傷不敏感；FS-FSE-T2W能準(zhǔn)確反映軟骨下骨及骨髓損傷的程度及范圍，二者結(jié)合是目前診斷軟骨損傷的最佳掃描序列，關(guān)節(jié)軟骨的三維重建圖像能夠較真實(shí)準(zhǔn)確地顯示軟骨損傷的部位與范圍，利用MRI圖像對軟骨厚度進(jìn)行分析已日漸成熟[14-16]。

本文提出了一個(gè)新的序列對膝關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行三維重建分析，采用了多序列軟骨分割，精確的表面重建。同其他已發(fā)表的方法相比[17-20]，它提供了提取更多的信息，采用T1序列不同掃描層厚的圖像擬合，即減少了掃描時(shí)間，又保證圖像的信噪比和重建精度，可以更好的顯示膝關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)。

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