基于MRI三維重建的國人正常半月板三維形態學測量

李釗，楊育暉，吳海賀，劉潼，左建林，高忠禮

(吉林大學中日聯誼醫院骨科，吉林 長春 130033)

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

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取志愿者(無膝關節疼痛，無膝關節外傷及手術史，無前后交叉韌帶及內外側副韌帶損傷，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，行雙側膝關節3D-MRI掃描。排除標準：a)膝關節MRI半月板掃描圖像不完整；b)盤狀半月板。經統計，共53組半月板(女性36組，男性17組)符合并納入研究，每組包含同一膝關節的一對內、外側半月板。本研究經吉林大學中日聯誼醫院倫理委員會批準。

1.2 方法

1.2.1 掃描方法 采用德國3.0T MRI掃描儀，膝關節專用線圈。患者仰臥位，膝關節在非負重狀態下自然伸直，應用三維雙回波穩態序列(3D dual-echo steady state，3D-DESS)，行膝關節冠狀位、矢狀位、水平位MRI掃描，層厚0.5 mm。圖像以DICOM格式導出工作站。

1.2.2 三維重建 將志愿者膝關節MRI掃描數據導入Mimics軟件中，選取輝度為50～200，通過閾值分析、區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 應用3-Matic軟件導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行最大擬合成圓，描繪出內外側半月板所占各自對應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入到Geomagic Control軟件。將脛骨平臺平面定義為模型三維坐標系的XY軸面，即Z軸參數為垂直于脛骨平臺的距離。將半月板三維模型擬合成點，分別于前角、體部及后角部分選取Z值最大的擬合點，即為該區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 患者膝關節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 果

2.1 研究可重復性分析 分析同一研究者的先后兩次測量結果顯示，所有測量數據的觀察者內可重復系數為0.92-0.98，而不同研究者的觀察者間可重復系數為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性和準確性。

2.2 內側半月板與外側半月板角度、前后徑、左右徑的測量結果 經統計，外側半月板的覆蓋角度及左右徑均顯著大于內側半月板；而半月板的前后徑則內側顯著大于外側，差異具有統計學意義(見表1)。

表1 內側半月板與外側半月板角度、前后徑、左右徑的測量結果

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

內側半月板中，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計學意義，其中體部后角交界處的寬度最大，前角寬度最小；外側半月板中，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、外側半月板厚度測量結果 如表3所示，內側半月板前角及后角的厚度顯著大于外側半月板；在半月板體部處，內側半月板厚度則顯著低于外側半月板。內側半月板中后角部分的厚度最大，而體部部分厚度最小；外側半月板則體部最厚，前角厚度最小。

表2 內、外側半月板寬度測量結果

2.5 女性半月板與男性半月板測量結果 性別間差異性分析(見表4)，女性外側半月板覆蓋角度顯著大于男性，而內側則無顯著差異。男性半月板的經線尺寸均顯著大于女性，但男女性內、外側半月板橫縱比(左右徑/前后徑)比較，差異無統計學意義。半月板寬度方面，除外側半月板前角和前角體部交界處差異無統計學意義外，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，僅在外側半月板體部和后角部分男性顯著大于女性。

表3 內、外側半月板厚度測量結果

表4 女性與男性半月板形態學參數對比

2.6 半月板各測量結果與身高、體重及身體質量指數的相關性分析 通過對半月板各形態學指標與身高、體重、BMI做相關性分析可知，內側半月板的前后徑和左右徑均與身高、體重和身體質量指數(body mass index，BMI)呈顯著正相關；外側半月板的前后徑與身高、體重和BMI正相關，而左右徑僅與身高呈正相關。半月板厚度方面，內側半月板各部位的厚度均與體重和BMI呈正相關，而與身高無統計學相關性；而外側半月板僅后角厚度與身高、體重和BMI呈正相關。半月板寬度方面，內側半月板體部后角交界處寬度與身高、體重和BMI呈正相關；內側半月板后角寬度與體重和BMI呈正相關，與身高無統計學相關性；其余位置的寬度與身高、體重、BMI無統計學相關性。

3 討 論

半月板在膝關節的負重活動中可以緩解膝關節壓力，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及位置。而且半月板形態或位置的改變是膝關節骨關節炎發病機制的重要特征[5]。Harner等及Muriuki等認為半月板較大的撕裂會導致骨關節炎的發生[6-7]，Jayshiv等[8]通過對半月板損傷患者兩年的隨訪研究發現，內側半月板大于1/3寬度的撕裂會顯著增加骨關節炎的發生率。半月板切除術雖能暫時改善患者膝關節癥狀和功能，但術后異常的關節應力及軟骨磨損將會顯著加劇膝關節退變進程，因此重建半月板正常的形態結構是治療半月板嚴重損傷的根本方法[9]。近年來，半月板移植的應用被證實是治療嚴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后效果的關鍵因素。因此，應用人工合成半月板能恢復半月板正常幾何形態及力學屬性，一直是近年來國際國內研究的熱點，目前對于人工半月板的研究大多集中于材料學和生物力學領域，對于形態學的研究較為缺乏。國外研究指出[11-13]，利用MRI三維重建及多平面測量技術能夠準確描述半月板幾何形態和位置特點，而國內尚無相關研究報道。本研究利用MRI三維重建進行正常半月板形態學評估，揭示國人半月板形態特點，并為半月板移植提供理論基礎。

Stone等[11]通過研究半月板尺寸與身高及性別的相關性發現，身高與脛骨平臺尺寸呈線性關系，與半月板的尺寸大小有很好的預測相關性，其中女性半月板尺寸顯著小于男性。相應地，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，同時橫縱比也無統計學差異，而且前后徑及左右徑參數均與身高呈顯著正相關。Bloecker等[13]于膝關節MRI冠狀位上重建半月板形態，通過測量發現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現只有外側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計學差異。Stone等[11]的研究發現，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的相關性發現，內側半月板左右徑、前后徑，外側半月板前后徑與BMI呈顯著正相關。同時，本研究還發現內側半月板各部分的厚度均與體重及BMI呈正相關。Donahue等[14]通過生物力學研究指出，內側半月板厚度改變0.5 mm將會導致膝關節軟骨10%接觸應力的改變。同時，半月板體部和后角部分所承受的負荷較前角顯著增加[15]。目前尚無半月板寬度和厚度指標由前角、體部及后角變化規律的相關報道，本研究分別測量了內外側半月板各個部分的寬度及厚度指標，該形態特點及變化規律可能與膝關節功能活動密切相關，旨在為人工半月板移植物提供確切的理論數據。

本研究利用三維重建及點擬合投影技術對半月板前角、體部及后角各個位置的形態參數進行了分析，為半月板的三維形態學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。考慮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值較直接在膝MRI水平位及冠狀位上測量的數據誤差更小。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，以揭示其三維形態學解剖特點及變化規律。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。可重復性統計分析也證實該方案具有較高的準確性和可重復性。利用本測量方案可以為人工半月板移植物的構建提供準確的數據支持，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有限，尤其是男性的樣本量較少。陳星燦等[15]通過實驗發現正常人半月板厚度與年齡有關，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是否與年齡有關。本研究未涉及半月板在脛骨平臺位置參數及半月板位置與尺寸相關分析的研究。

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