基于MRI三維重建的國人正常半月板三維形態(tài)學(xué)測量

李釗，楊育暉，吳海賀，劉潼，左建林，高忠禮

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院骨科，吉林 長春 130033)

半月板損傷，是膝關(guān)節(jié)最為常見的疾病之一。目前針對半月板損傷的手術(shù)方案主要為關(guān)節(jié)鏡下半月板縫合或切除。由于半月板特殊的血供區(qū)域及自愈能力僅外緣紅區(qū)損傷患者適用于半月板縫合治療。而半月板切除對膝關(guān)節(jié)的活動功能和生物力學(xué)均具有長期潛在的不良影響[1]，會顯著加劇終末期骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。因供源問題，同種異體半月板移植的開展也較為有限。據(jù)報道[2]，異體半月板移植物的尺寸匹配不良將顯著影響術(shù)后關(guān)節(jié)功能和移植物使用壽命。近年來，構(gòu)建人工合成半月板進(jìn)行半月板置換一直是組織工程修復(fù)的研究熱點(diǎn)。Lee等[3]和Zhang等[4]指出，利用三維重建及3D打印技術(shù)構(gòu)建的動物解剖型半月板移植物能夠?qū)崿F(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)匹配，并有效防止骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。目前，關(guān)于人半月板形態(tài)學(xué)研究仍較為有限，而國人半月板的形態(tài)研究尚無人報道。本研究擬通過三維重建對國人正常半月板行三維形態(tài)學(xué)測量，旨在為人工半月板移植物的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取志愿者(無膝關(guān)節(jié)疼痛，無膝關(guān)節(jié)外傷及手術(shù)史，無前后交叉韌帶及內(nèi)外側(cè)副韌帶損傷，無半月板損傷，雙下肢力線正常)共計29例，男10例，女19例；年齡20～33歲，平均26歲，行雙側(cè)膝關(guān)節(jié)3D-MRI掃描。排除標(biāo)準(zhǔn)：a)膝關(guān)節(jié)MRI半月板掃描圖像不完整；b)盤狀半月板。經(jīng)統(tǒng)計，共53組半月板(女性36組，男性17組)符合并納入研究，每組包含同一膝關(guān)節(jié)的一對內(nèi)、外側(cè)半月板。本研究經(jīng)吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 方法

1.2.1 掃描方法 采用德國3.0T MRI掃描儀，膝關(guān)節(jié)專用線圈?；颊哐雠P位，膝關(guān)節(jié)在非負(fù)重狀態(tài)下自然伸直，應(yīng)用三維雙回波穩(wěn)態(tài)序列(3D dual-echo steady state，3D-DESS)，行膝關(guān)節(jié)冠狀位、矢狀位、水平位MRI掃描，層厚0.5 mm。圖像以DICOM格式導(dǎo)出工作站。

1.2.2 三維重建 將志愿者膝關(guān)節(jié)MRI掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，選取輝度為50～200，通過閾值分析、區(qū)域增長及蒙罩編輯等步驟逐層描繪各斷面的半月板圖像，三維重建計算后，通過打磨修飾處理即可得半月板三維模型。同時，選取脛骨平臺上三個離散點(diǎn)以最大擬合脛骨平臺平面。將三維模型圖像生成STL格式的文件并導(dǎo)出(見圖1～2)。

1.2.3 半月板前后徑、左右徑、角度以及寬度的測量 應(yīng)用3-Matic軟件導(dǎo)入上述半月板及脛骨平臺平面三維模型，并將半月板投影到脛骨平臺平面。將半月板投射影像進(jìn)行最大擬合成圓，描繪出內(nèi)外側(cè)半月板所占各自對應(yīng)的圓的扇形并測量其覆蓋角度及半月板投影的前后徑及左右徑。扇形取三等分將半月板分為前角、體部、后角三部分，再將每一部分進(jìn)行兩等分，分別取前角、前角體部交界、體部、體部后角交界、后角這五個位置測量半月板寬度(見圖3)。

1.2.4 半月板厚度的測量 將半月板及脛骨平臺平面三維模型導(dǎo)入到Geomagic Control軟件。將脛骨平臺平面定義為模型三維坐標(biāo)系的XY軸面，即Z軸參數(shù)為垂直于脛骨平臺的距離。將半月板三維模型擬合成點(diǎn)，分別于前角、體部及后角部分選取Z值最大的擬合點(diǎn)，即為該區(qū)域的半月板外緣厚度(見圖4)。

a 冠狀位圖 b 水平位圖 c 矢狀位圖

圖1 患者膝關(guān)節(jié)MRI圖像

圖2 三維重建后的半月板模型

圖3 半月板各測量位置示意圖

圖4 半月板厚度測量示意圖

2 結(jié) 果

2.1 研究可重復(fù)性分析 分析同一研究者的先后兩次測量結(jié)果顯示，所有測量數(shù)據(jù)的觀察者內(nèi)可重復(fù)系數(shù)為0.92-0.98，而不同研究者的觀察者間可重復(fù)系數(shù)為0.84-0.91，證實本研究研究方案及測量方法具有較高的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

2.2 內(nèi)側(cè)半月板與外側(cè)半月板角度、前后徑、左右徑的測量結(jié)果 經(jīng)統(tǒng)計，外側(cè)半月板的覆蓋角度及左右徑均顯著大于內(nèi)側(cè)半月板；而半月板的前后徑則內(nèi)側(cè)顯著大于外側(cè)，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(見表1)。

表1 內(nèi)側(cè)半月板與外側(cè)半月板角度、前后徑、左右徑的測量結(jié)果

2.3 內(nèi)、外側(cè)半月板寬度測量結(jié)果 如表2所示，內(nèi)、外側(cè)半月板五個位置的寬度對比差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。其中，外側(cè)半月板的前角、前角體部交界和體部的寬度顯著大于內(nèi)側(cè)半月板；而內(nèi)側(cè)半月板的體部后角交界和后角的寬度則顯著大于外側(cè)半月板。

內(nèi)側(cè)半月板中，體部后角交界和后角的半月板寬度顯著增加，較其他部分差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，其中體部后角交界處的寬度最大，前角寬度最小；外側(cè)半月板中，各部分寬度之間變化差異性略小，其中寬度最大的為前角體部交界部分，而前角寬度最小。

2.4 內(nèi)、外側(cè)半月板厚度測量結(jié)果 如表3所示，內(nèi)側(cè)半月板前角及后角的厚度顯著大于外側(cè)半月板；在半月板體部處，內(nèi)側(cè)半月板厚度則顯著低于外側(cè)半月板。內(nèi)側(cè)半月板中后角部分的厚度最大，而體部部分厚度最?。煌鈧?cè)半月板則體部最厚，前角厚度最小。

表2 內(nèi)、外側(cè)半月板寬度測量結(jié)果

2.5 女性半月板與男性半月板測量結(jié)果 性別間差異性分析(見表4)，女性外側(cè)半月板覆蓋角度顯著大于男性，而內(nèi)側(cè)則無顯著差異。男性半月板的經(jīng)線尺寸均顯著大于女性，但男女性內(nèi)、外側(cè)半月板橫縱比(左右徑/前后徑)比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。半月板寬度方面，除外側(cè)半月板前角和前角體部交界處差異無統(tǒng)計學(xué)意義外，男性半月板在其他部分均顯著大于女性。而半月板厚度方面性別間差異性較小，僅在外側(cè)半月板體部和后角部分男性顯著大于女性。

表3 內(nèi)、外側(cè)半月板厚度測量結(jié)果

表4 女性與男性半月板形態(tài)學(xué)參數(shù)對比

2.6 半月板各測量結(jié)果與身高、體重及身體質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性分析 通過對半月板各形態(tài)學(xué)指標(biāo)與身高、體重、BMI做相關(guān)性分析可知，內(nèi)側(cè)半月板的前后徑和左右徑均與身高、體重和身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)呈顯著正相關(guān)；外側(cè)半月板的前后徑與身高、體重和BMI正相關(guān)，而左右徑僅與身高呈正相關(guān)。半月板厚度方面，內(nèi)側(cè)半月板各部位的厚度均與體重和BMI呈正相關(guān)，而與身高無統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性；而外側(cè)半月板僅后角厚度與身高、體重和BMI呈正相關(guān)。半月板寬度方面，內(nèi)側(cè)半月板體部后角交界處寬度與身高、體重和BMI呈正相關(guān)；內(nèi)側(cè)半月板后角寬度與體重和BMI呈正相關(guān)，與身高無統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性；其余位置的寬度與身高、體重、BMI無統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性。

3 討 論

半月板在膝關(guān)節(jié)的負(fù)重活動中可以緩解膝關(guān)節(jié)壓力，吸收震蕩使力量緩沖，而這一切的前提是半月板處于正常的形態(tài)及位置。而且半月板形態(tài)或位置的改變是膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制的重要特征[5]。Harner等及Muriuki等認(rèn)為半月板較大的撕裂會導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[6-7]，Jayshiv等[8]通過對半月板損傷患者兩年的隨訪研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)半月板大于1/3寬度的撕裂會顯著增加骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率。半月板切除術(shù)雖能暫時改善患者膝關(guān)節(jié)癥狀和功能，但術(shù)后異常的關(guān)節(jié)應(yīng)力及軟骨磨損將會顯著加劇膝關(guān)節(jié)退變進(jìn)程，因此重建半月板正常的形態(tài)結(jié)構(gòu)是治療半月板嚴(yán)重?fù)p傷的根本方法[9]。近年來，半月板移植的應(yīng)用被證實是治療嚴(yán)重半月板損傷的有效方法。隨訪研究表明[2，10]，移植物的固定方式和尺寸匹配情況是影響術(shù)后效果的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)用人工合成半月板能恢復(fù)半月板正常幾何形態(tài)及力學(xué)屬性，一直是近年來國際國內(nèi)研究的熱點(diǎn)，目前對于人工半月板的研究大多集中于材料學(xué)和生物力學(xué)領(lǐng)域，對于形態(tài)學(xué)的研究較為缺乏。國外研究指出[11-13]，利用MRI三維重建及多平面測量技術(shù)能夠準(zhǔn)確描述半月板幾何形態(tài)和位置特點(diǎn)，而國內(nèi)尚無相關(guān)研究報道。本研究利用MRI三維重建進(jìn)行正常半月板形態(tài)學(xué)評估，揭示國人半月板形態(tài)特點(diǎn)，并為半月板移植提供理論基礎(chǔ)。

Stone等[11]通過研究半月板尺寸與身高及性別的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，身高與脛骨平臺尺寸呈線性關(guān)系，與半月板的尺寸大小有很好的預(yù)測相關(guān)性，其中女性半月板尺寸顯著小于男性。相應(yīng)地，Vrancken等[12]通過對比男女性正常半月板尺寸提出，男性半月板尺寸顯著大于女性，而半月板的橫縱比卻無顯著差異。本研究結(jié)果顯示，女性半月板的前后徑和左右徑均顯著小于男性，同時橫縱比也無統(tǒng)計學(xué)差異，而且前后徑及左右徑參數(shù)均與身高呈顯著正相關(guān)。Bloecker等[13]于膝關(guān)節(jié)MRI冠狀位上重建半月板形態(tài)，通過測量發(fā)現(xiàn)男性半月板大小大于女性，男性半月板厚度大于女性。而本研究通過測量發(fā)現(xiàn)只有外側(cè)半月板體部及后角處的半月板厚度男性大于女性，其余部位均不存在性別間統(tǒng)計學(xué)差異。Stone等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，高BMI組的半月板尺寸顯著大于低BMI組。本研究通過分析半月板尺寸和BMI的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)半月板左右徑、前后徑，外側(cè)半月板前后徑與BMI呈顯著正相關(guān)。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)半月板各部分的厚度均與體重及BMI呈正相關(guān)。Donahue等[14]通過生物力學(xué)研究指出，內(nèi)側(cè)半月板厚度改變0.5 mm將會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨10%接觸應(yīng)力的改變。同時，半月板體部和后角部分所承受的負(fù)荷較前角顯著增加[15]。目前尚無半月板寬度和厚度指標(biāo)由前角、體部及后角變化規(guī)律的相關(guān)報道，本研究分別測量了內(nèi)外側(cè)半月板各個部分的寬度及厚度指標(biāo)，該形態(tài)特點(diǎn)及變化規(guī)律可能與膝關(guān)節(jié)功能活動密切相關(guān)，旨在為人工半月板移植物提供確切的理論數(shù)據(jù)。

本研究利用三維重建及點(diǎn)擬合投影技術(shù)對半月板前角、體部及后角各個位置的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了分析，為半月板的三維形態(tài)學(xué)測量提供了一種新的方法。首先，通過建立脛骨平臺來避免MRI掃描角度和患者姿勢的誤差?？紤]到正常人脛骨平臺存在不同程度的生理性后傾，而且人的半月板始終貼附在脛骨平臺上。所以以脛骨平臺平面為參照所測量的數(shù)值較直接在膝MRI水平位及冠狀位上測量的數(shù)據(jù)誤差更小。通過將半月板分割為前角、體部和后角，分別評估各個部分的寬度及厚度參數(shù)，以揭示其三維形態(tài)學(xué)解剖特點(diǎn)及變化規(guī)律。本研究采用的3DMRI掃描序列層厚為0.5 mm，分辨率較高，同時半月板在圖像的分辨更加清晰?？芍貜?fù)性統(tǒng)計分析也證實該方案具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。利用本測量方案可以為人工半月板移植物的構(gòu)建提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，也為人工半月板置換的個體化治療提供了一種重建以及測量的方法。

本研究的局限性包括研究納入患者例數(shù)有限，尤其是男性的樣本量較少。陳星燦等[15]通過實驗發(fā)現(xiàn)正常人半月板厚度與年齡有關(guān)，而本研究的志愿者年齡較為集中，無法分析正常人半月板的形態(tài)是否與年齡有關(guān)。本研究未涉及半月板在脛骨平臺位置參數(shù)及半月板位置與尺寸相關(guān)分析的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Romain Seil，Roland Becker.Time for a paradigm change in meniscal repair：save the meniscus![J].Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy，2016，24(5)：1421-1423.

[2]Lee AS，Kang RW，Kroin E，et al.Allograft meniscus transplantation[J].Sports Med Arthrosc，2012，20(2)：106-114.

[3]Lee CH，Rodeo SA，F(xiàn)ortier LA，et al.Protein-releasing polymeric scaffolds induce fibrochondrocytic differentiation of endogenous cells for knee meniscus regeneration in sheep[J].Sci Transl Med，2014，6(266)：171.

[4]Zhang ZZ，Wang SJ，Zhang JY，et al.3D-Printed Poly(ε-caprolactone)Scaffold Augmented With Mesenchymal Stem Cells for Total Meniscal Substitution：A 12-and 24-Week Animal Study in a Rabbit Model[J].Am J Sports Med，2017，45(7)：1497-1511.

[5]Andrea Wenger，Wolfgang Wirth，Martin Hudelmaier，et al.Meniscus Body Position，Size，and Shape in Persons With and Persons Without Radiographic Knee Osteoarthritis：Quantitative Analyses of Knee Magnetic Resonance Images From the Osteoarthritis Initiative[J].American College of Rheumatology，2013，65(7)：1804-1811.

[6]Harner CD，Mauro CS，Lesniak BP，et al.Biomechanical consequences of a tear of the posterior root of the medial meniscus：surgical technique[J].J Bone Joint Surg(Am)，2009，91(Suppl2)：257-270.

[7]Muriuki MG，Tuason DA，Tucker BG，et al.Changes in tibiofemoral contact mechanics following radial split and vertical tears of the medial meniscus：an in vitro investigation of the efficacy of arthroscopic repair[J].J Bone Joint Surg(Am)，2011，93(12)：1089-1095.

[8]Badlani JT，Borrero C，Golla S，et al.The effects of meniscus injury on the development of knee osteoarthritis：data from the osteoarthritis initiative[J].Am J Sports Med，2013，41(6)：1238-1244.

[9]孔令偉，金宇，崔志新，等.MRI 3D 序列薄層軸位掃描聯(lián)合三維重建及旋轉(zhuǎn)分割在膝關(guān)節(jié)半月板測量中價值[J].中華實用診斷與治療雜志，2014，28(11)：1125-1126.

[10]Milachowski KA，Weisemeier K，Wirth CJ.Homologous meniscus transplantation：experimental and clinical results[J].Int orthop，1989，13(1)：1-11.

[11]Stone K R，F(xiàn)reyer A，Turek T，et al.Meniscal sizing based on gender，height，and weight[J].Arthroscopy：Journal of Arthroscopic & Related Surgery，2007，23(5)：503-508.

[12]Vrancken ACT，Crijns SPM，Ploegmakers MJM，et al.3D geometry analysis of the medial meniscus-astatistical shape modeling approach[J].Journal of Anatomy，2014，225(4)：395-402.

[13]Bloecker K，Englund M，Wirth W，et al.Revision 1 Size and position of the healthy meniscus，and its Correlation with sex，height，weight，and bone area-a cross-sectional study[J].BMC Musculoskeletal Disorders，2011，12(1)：248.

[14]Donahue TLH，Hull ML，Rashid MM，et al.The sensitivity of tibiofemoral contact pressure to the size and shape of the lateral and medial menisci[J].J Orthop Res，2004，22(4)：807-814.

[15]陳興燦，潘永清，劉淼，等.正常和損傷膝關(guān)節(jié)半月板低場 MRI研究(附損傷半月板關(guān)節(jié)鏡所見比較)[J].中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志，2006，16(12)：710-712.