活體三維圖像在橈骨遠端關節軟骨厚度和體積測量中的應用研究*

楊 洋，卞浩宇，錢思嘉，陳 靖**

（南通大學附屬醫院1 創傷中心；2 手外科，江蘇 226001）

橈骨遠端關節內骨折可造成關節軟骨破壞,易出現繼發性骨關節炎,從而引起腕關節疼痛、腫脹以及活動受限等癥狀。動物研究表明,橈骨遠端骨折后可接受的關節面臺階高度必須小于關節軟骨厚度,否則可能加劇關節炎的進展[1-2]。因此,了解橈骨遠端關節軟骨的特征有助于臨床評估和治療橈骨遠端骨折和腕關節炎。磁共振成像（MRI）技術對評估關節軟骨病變很有價值,其中三維脂肪抑制快速擾相梯度回波（fat-suppressed three-dimensional fast spoiled gradient-echo,3D-FS-FSPGR）是對軟骨最敏感的序列,目前已廣泛應用于膝關節等大關節的軟骨研究,而對軟骨較薄的腕關節研究較少。本研究運用3DFS-FSPGR 序列進行腕關節MRI 掃描,測量活體橈骨遠端關節軟骨的厚度和體積,探討該序列在腕關節軟骨成像中的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇健康志愿者35 例,女性16例,男性19 例,年齡23～30 歲,平均27 歲,均以右腕關節（優勢側）作為研究對象。所有志愿者無可能影響腕關節的慢性疾病或創傷史。本研究經我院倫理審查委員會批準,并獲得所有志愿者知情同意。

1.2 方法 志愿者俯臥位,右上肢前伸,腕關節處于中立位。采用GE 3.0T 磁共振掃描儀（General Electric,Connecticut,USA）和腕部專用線圈進行掃描,序列為3D-FS-FSPGR。掃描參數:重復時間19.1 ms,回波時間6.3 ms,層厚0.5 mm,共80 層,視野128 mm×128 mm,矩陣512×512,掃描時間7 分10 秒。

掃描完成后將MRI 圖像導入Mimics 17.0 分析軟件（Materalise,Leuven,Belgium）,使用多步驟重建三維軟骨形狀。為了更準確地分割,我們放大磁共振圖像（圖1）。首先,根據MRI 圖像中不同信號,可以清晰地確定骨和軟骨的邊界,使用半自動B-spline snake 圖像分割功能以及手動校正對橈骨遠端關節軟骨進行分割（圖2）,將分割后的軟骨圖像創建成一個包含數千個三角形的三維軟骨表面模型（圖3）,在Mimics 軟件中計算關節軟骨的平均厚度,并在三維圖像中直接計算關節軟骨的體積。為確定測量方法的可靠性,由2 名對該軟件富有經驗的觀察者以相同方式獨立執行所有的分割和計算步驟。為評估觀察者內的一致性,其中1 名觀察者每隔1周對圖像再進行第2 次和第3 次分割、重建、測量步驟。

圖1 腕關節MRI 圖像

圖2 通過半自動分割功能和手動矯正分割軟骨層

圖3 三維重建的橈骨遠端橈骨層

1.3 統計學處理 應用SPSS 22.0 統計學軟件進行數據分析。計量資料以均數±標準差表示,觀察者間及觀察者內數據比較采用方差分析（ANOVA）,并計算組內相關系數（ICC）。

2 結果

2.1 觀察者間和觀察者內一致性分析 2 名觀察者測得橈骨遠端軟骨平均厚度分別為0.74±0.09 mm和0.79±0.09 mm,差異無統計學意義（P=0.35）,ICC為0.92。其中1 名觀察者先后3 次測得的橈骨遠端軟骨平均厚度分別為0.78±0.07 mm、0.76±0.10 mm和0.74±0.08 mm,差異無統計學意義（P=0.46）,ICC為0.96。

2.2 橈骨遠端軟骨參數 所有志愿者橈骨遠端軟骨厚度均小于1 mm,最大厚度0.93 mm,平均厚度為0.77±0.09 mm（95%可信區間:0.64～0.85 mm）,平均軟骨體積為432±82 mm3（95%可信區間:321～515 mm3）。

3 討論

對于橈骨遠端骨折累及關節面患者關節面臺階高度是評價骨折復位的重要指標,較高的關節面臺階會增加發生創傷性關節炎的風險,測定關節軟骨厚度有助于臨床診治及相關基礎研究。對膝、肩關節的研究已證實活體無創性三維軟骨重建技術的可靠性和準確性,但由于腕關節間隙較小、軟骨較薄、形狀不規則,MRI 圖像很難分辨腕關節軟骨信號[3-4]。3D-FS-FSPGR 已廣泛用于膝關節軟骨研究,但在腕關節軟骨中的研究較少。3D 序列通過射頻脈沖激發所有成像區域,通過三個方向的梯度進行空間編碼,所以層間分辨率很高,而且3D 序列可以作任意方向斷面的重建,獲得不同方位圖像。脂肪抑制序列（FS）能提高組織對比度,減少運動和化學位移偽影,采用與脂肪共振頻率一致的射頻脈沖,抑制脂肪中氫質子,以抑制脂肪發生的信號。擾相位梯度回波序列（SPGR）僅采集射頻脈沖激發產生的FID 信號,通過技術手段破壞殘留信號,后面的射頻脈沖就不會產生SE 信號及STE 信號。本研究使用3D-FSFSPGR 序列能清楚識別橈骨遠端軟骨周圍的信號,然后應用半自動分割功能和手動校正重建關節軟骨。2 名觀察者測得橈骨遠端軟骨厚度以及1 名觀察者重復3 次測得的橈骨遠端軟骨厚度的差異均無統計學意義（P＞0.05）,觀察者間及觀察者內測量結果的ICC 值分別為0.92 和0.96,表明該序列測量腕關節軟骨具有較高的一致性和可靠性。

以往認為對于橈骨遠端骨折,關節面臺階小于2 mm 是可以接受的。然而,一項回顧性研究對40 例橈骨遠端骨折患者進行隨訪,發現91%關節面不平整患者發生腕關節炎,包括關節面臺階小于2 mm的患者[5]。最新研究表明,為了降低創傷性關節炎發生率,橈骨遠端關節面臺階應小于等于1 mm[6-7]。本研究結果發現,橈骨遠端軟骨平均厚度為0.77 mm,證實了上述觀點。臨床上通常在X 線片或CT 圖像上測量關節面臺階,因無法顯示關節軟骨,因此評估時應考慮關節軟骨厚度。

近年來,越來越多的研究關注活體腕關節運動學,通過重建橈腕關節以分析運動過程中關節接觸區域的變化,這些研究大多使用CT 掃描圖像。由于在重建圖像中看不到軟骨,關節間隙通常假設為一定值。BAJURI 等[8]使用有限元法分析類風濕性關節炎患者腕關節,假設軟骨厚度為兩個骨骼間最小距離的一半。TANG 等[9]在三維圖像設定1 mm 的橈腕關節閾值距離,以研究腕背伸過程中橈腕關節接觸區域的變化。ABE 等[10]假設腕關節間隙為1 cm。由于橈骨遠端關節軟骨的平均厚度未知,因此上述研究中的參數不同。本研究結果將有助于確定腕關節的關節間隙,為后續計算關節接觸面積提供可靠依據,也有助于在有限元分析中建立模擬腕關節的計算機模型。同時,在治療橈骨遠端骨折時,可以根據軟骨厚度設定可接受的關節面臺階高度。POLLOCK等[11]用特殊器械測量19 具尸體的橈骨遠端軟骨厚度,平均厚度為0.6 mm,其結果略小于本研究。可能是由于所用尸體的年齡普遍較大,軟骨隨著年齡的增長而變薄。本研究志愿者平均年齡27 歲,研究結果可能更適用于年輕人。

綜上所述,使用三維脂肪抑制快速擾相梯度回波序列行MRI 掃描腕關節,在Mimics 軟件中進行三維重建,可準確測量橈骨遠端關節軟骨的厚度和體積,有助于腕關節進一步的3D 活體研究,同時為橈骨遠端骨折可接受的關節面臺階提供依據。