手動圖像分割技術在嚴重膝關節(jié)骨性關節(jié)炎定量研究中的應用

廣東省中山市中醫(yī)院醫(yī)學影像科(廣東 中山 528400)

曹明明 劉樹學

膝關節(jié)骨性關節(jié)炎嚴重影響患者的生存質量，具有很高的致殘率[1]。MRI已廣泛應用于關節(jié)軟骨形態(tài)學的研究及臨床評價[2,3]。以往已有很多基于圖像分割技術的膝關節(jié)MRI軟骨研究，大多數研究選取正常關節(jié)軟骨，或是早期退變關節(jié)軟骨[4-10]，并應用自動分割。自動分割可以加快關節(jié)軟骨的提取速度，重復性好。但是關節(jié)軟骨退變較嚴重時，其與周圍組織的對比度下降，交界面處的數據提取會發(fā)生錯誤，此時，手動圖像分割可以借助操作者的經驗對軟骨交界區(qū)進行評估，從而得出相對準確的結果。本研究旨在通過手動圖像分割技術對嚴重退變的關節(jié)軟骨進行定量評價，驗證其可行性并總結實際操作中的經驗，同時積累臨床數據。

1 資料與方法

1.1 一般資料連續(xù)入組的方式收集2017.1月至2018.3月骨性關節(jié)炎患者31例(32個膝關節(jié))，其中男13例，女19例，年齡(69±8.20)歲，身高(166.73±7.24)cm，BMI(Body Mass Index)(26.81±4.26)。參照Kellgren-Lawrence分級標準，選取K-L 2-4級膝關節(jié)，如果兩側膝關節(jié)均存在退變的情況，選擇臨床癥狀相對較重的一個，如果臨床癥狀無差異，則選擇右側膝關節(jié)。

1.2 膝關節(jié)MR掃描入組病例均行3.0T掃描儀(GE Signa HDext Twin Speed 3.0T)檢查，應用正交膝關節(jié)線圈?；颊哐雠P位，足先進，并在腘窩處墊海綿墊，保證膝關節(jié)屈曲約20°。具體掃描序列及參數如表1。

1.3 研究方法

1.3.1 各向同性3D圖像后處理：①軟骨分區(qū)，根據膝關節(jié)軟骨解剖劃分軟骨單元。具體方法如下：排除髕軟骨后，股骨遠端關節(jié)軟骨由股骨滑車關節(jié)面中線分為股骨內側關節(jié)軟骨單元(MF)、股骨外側關節(jié)軟骨單元(LF)，脛骨近端軟骨由前交叉韌帶附著出的軟骨缺如區(qū)分為脛骨內側關節(jié)軟骨單元(MT)、脛骨外側關節(jié)軟骨單元(LT)。②圖像分割,首先由磁共振掃描儀獲得的膝關節(jié)3D MRI數據(DICOM格式)復制后，分別導入兩位骨關節(jié)磁共振專家(從事相關工作15年以上)的個人電腦，并應用MRIcron軟件轉換獲得NIFTI格式數據。其次啟動ITK-SNAP軟件(www.itksnap.org 3.6.0 version)，并導入NIFTI格式數據，選擇main toolbar 中的polygon mode沿軟骨輪廓逐層進行分割(如圖1-2)，當對局部輪廓不滿意時，可單擊鼠標左鍵選中相應頂點，向內向外進行調整，并可添加(split)或刪減(trim),每一層圖像分割滿意后選擇accept，所有層面軟骨輪廓勾畫滿意后，點擊update即可獲得最終的3D軟骨圖像(如圖3-4)，選擇菜單欄中的segmentation下的volume and statistics可計算出各個軟骨單元的體積數據。

1.3.2 股骨髁體積測量：日本學者Harada等[11]的研究表明膝關節(jié)軟骨體積與股骨髁體積以及性別存在相關性，關節(jié)軟骨嚴重退變的病人中是否存在此種相關性國內沒有相關文獻報道。所以在我們的研究中亦對股骨髁的體積進行測量。其輪廓的勾畫亦在3D FSPGR圖像上進行，前后緣及下緣對應于骨-軟骨交界，上緣則為前后緣頂點的連線。

1.4 統(tǒng)計學分析首先，將兩位診斷醫(yī)師的軟骨單元體積求平均值，應用IBM-spss19.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)，分析四個軟骨單元體積是否存在統(tǒng)計學差異(P＜0.05)。其次，通過一元線性回歸(Unary Linear Regression)分析各軟骨單元與年齡、性別以及股骨髁體積的各自的相關性，并計算相關系數r(P＜0.05)；通過多元線性回歸(Multi factor line regression)分析，計算各軟骨單元體積與年齡、性別以及股骨髁體積的相關系數r(P＜0.05)。

2 結 果

四個軟骨單元軟骨體積分別為(4.78±1.11)cm3(LF)、(3.77±1.09)cm3(MF)、(1.96±0.51)cm3(LT)、(1.38±0.65)cm3(MT)，各軟骨單元存顯著統(tǒng)計學差異(P＜0.05)。股骨髁體積為(68.79±15.03)cm3(最小值31.63，最大值93.68，標準差15.03)。股骨髁軟骨體積與四個軟骨單元線性關系的散點圖(圖3)，四個軟骨單元與各相關因素一元、多元線性回歸分析結果如表2。從表中可以看出，四個軟骨單元均與股骨髁體積存在正相關性(P＜0.05)，除股骨外側髁軟骨單元與性別存在正相關性(P＜0.05)，其余三個軟骨單元與性別均無相關性(P＞0.05)，且各軟骨單元與年齡均不存在相關性。通過多元線性回歸分析，四個軟骨單元與性別、股骨髁體積、年齡無相關性。

3 討 論

表2 軟骨單元與性別、股骨髁體積及年齡一元和多元線性回歸

3.1 手動與自動分割的差異MRI圖像分割技術是圖像后處理常用技術，它以不同結構的信號差異為基礎進行工作。其應用的數學模型可以分為兩大類：一類是“邊緣基礎型”--通過探測不同結構的信號不均一性確定邊緣，另一類是“感興趣基礎型”—通過均一的信號確定完整結構[12]。既往已經有很多關于軟骨體積定量分析的研究，包括手動、半自動分割技術以及機器學習[13-14]，但是先前的一些研究對象多為正?；蜉p度退變的關節(jié)軟骨，因為磁共振軟骨“特異性”序列的應用，可以提高軟骨與周圍組織的對比度，使得軟骨的分割相對容易。當處理退變嚴重的關節(jié)軟骨時，有診斷經驗的影像醫(yī)師手動分割是最佳選擇。因為以下幾種情況，需要診斷醫(yī)師進行判斷：①軟骨退變后，整體信號強度下降，此時與周圍組織的對比不甚明顯，尤其在脛骨內側平臺的內側緣，部分研究對象中幾乎相等，這時要分辨真正的內側緣一定要在三個方向同時觀察。②即便是退變相對較輕的研究對象，股骨髁中部、后部軟骨與鄰近滑膜組織亦分界不清，此時一定要逐層觀察，通過前后幾層的軟骨形態(tài)來確定二者的界限。③軟骨內出現(xiàn)纖維化、鈣化，局部信號明顯下降，導致軟骨與軟骨下骨的交界難以判定，這時依然要逐層觀察，作出判斷。④股骨髁邊緣骨質增生嚴重時，其表面的信號相對較高，僅根據信號強度判斷很容易誤認為是關節(jié)軟骨。

圖1-2 在矢狀位FSPGR圖像上進行關節(jié)軟骨(1)和股骨髁分割(2)；圖3-4 四個軟骨單元的分割后3D圖像，紅色代表LF，綠色代表MF，藍色代表LT，黃色代表MT；圖5-8 圖5 四個軟骨單元體積的均值圖；圖6-8分別為股骨外、內側髁、脛骨內、外側平臺軟骨單元體積與股骨髁體積散點圖。LFV=股骨外側髁軟骨體積，MFV=股骨內側髁軟骨體積，LTV=脛骨外側平臺軟骨體積，MTV=脛骨內側平臺軟骨體積。

3.2 軟骨單元與股骨髁體積、性別的關系本研究中的各軟骨單元的體積均小于先前的一些研究結果[11,15,16]，筆者認為是由于納入的膝關節(jié)處于骨性關節(jié)炎的晚期，此時軟骨磨損嚴重，或者軟骨局部纖維化、鈣化，使得軟骨信號明顯減低，分割時不能當做真正的軟骨來處理。同時本研究中的股骨髁體積亦小于Harada等[9]的研究結果，這和關節(jié)軟骨的剝脫位置有關。本研究的股骨髁體積的分割方法如圖1所示，要確定關節(jié)軟骨的前上界與后下界，我們發(fā)現(xiàn)很多實驗對象的股骨內外髁前部軟骨磨損尤為嚴重，而且由下至上越來越薄，這就造成軟骨前上界可能偏下。盡管軟骨體積偏小，但是各軟骨單元與股骨髁體積仍然存在相關性，結合先前的研究結果，這提示我們無論軟骨退變的嚴重程度如何，軟骨單元與股骨髁體積依舊存在相關性。

Faber等[17]的研究結果表明：膝關節(jié)軟骨體積與性別存在顯著的相關性。這與我們的研究結果不一致，主要原因在于他們的研究與先前的研究類似，依舊選擇了正常的膝關節(jié)軟骨作為研究對象，而本次實驗中的膝關節(jié)軟骨均存在十分嚴重的退變，這說明在嚴重的膝關節(jié)退行性骨性關節(jié)炎中發(fā)生性別已經不存在差異。無論膝關節(jié)軟骨退變與否，關節(jié)軟骨體積與股骨髁的形態(tài)始終存在相關性。關節(jié)軟骨體積在不同個體間變化較大，而股關節(jié)軟骨體積與股骨髁的相關性相對穩(wěn)定，這提示：在今后的研究中，可以把它作為一個很重要的參考，尤其是研究對象的人口學因素差異比較大的情況。

手動分割技術適用于嚴重退變的關節(jié)軟骨形態(tài)學研究，并且能夠獲得相對準確的定量數據。