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(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎嚴重影響患者的生存質(zhì)量，具有很高的致殘率[1]。MRI已廣泛應用于關(guān)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(shù)的膝關(guān)節(jié)MRI軟骨研究，大多數(shù)研究選取正常關(guān)節(jié)軟骨，或是早期退變關(guān)節(jié)軟骨[4-10]，并應用自動分割。自動分割可以加快關(guān)節(jié)軟骨的提取速度，重復性好。但是關(guān)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(shù)據(jù)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(jīng)驗對軟骨交界區(qū)進行評估，從而得出相對準確的結(jié)果。本研究旨在通過手動圖像分割技術(shù)對嚴重退變的關(guān)節(jié)軟骨進行定量評價，驗證其可行性并總結(jié)實際操作中的經(jīng)驗，同時積累臨床數(shù)據(jù)。

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(guān)節(jié)炎患者31例(32個膝關(guān)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(guān)節(jié)，如果兩側(cè)膝關(guān)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(cè)膝關(guān)節(jié)。

1.2 膝關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)屈曲約20°。具體掃描序列及參數(shù)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(jù)膝關(guān)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(guān)節(jié)軟骨由股骨滑車關(guān)節(jié)面中線分為股骨內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)軟骨單元(MF)、股骨外側(cè)關(guān)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(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)軟骨單元(MT)、脛骨外側(cè)關(guān)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(guān)節(jié)3D MRI數(shù)據(jù)(DICOM格式)復制后，分別導入兩位骨關(guān)節(jié)磁共振專家(從事相關(guān)工作15年以上)的個人電腦，并應用MRIcron軟件轉(zhuǎn)換獲得NIFTI格式數(shù)據(jù)。其次啟動ITK-SNAP軟件(www.itksnap.org 3.6.0 version)，并導入NIFTI格式數(shù)據(jù)，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(nèi)向外進行調(diào)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(shù)據(jù)。

1.3.2 股骨髁體積測量：日本學者Harada等[11]的研究表明膝關(guān)節(jié)軟骨體積與股骨髁體積以及性別存在相關(guān)性，關(guān)節(jié)軟骨嚴重退變的病人中是否存在此種相關(guān)性國內(nèi)沒有相關(guān)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(guān)性，并計算相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)r(P＜0.05)。

2 結(jié) 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(guān)系的散點圖(圖3)，四個軟骨單元與各相關(guān)因素一元、多元線性回歸分析結(jié)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(guān)性(P＜0.05)，除股骨外側(cè)髁軟骨單元與性別存在正相關(guān)性(P＜0.05)，其余三個軟骨單元與性別均無相關(guān)性(P＞0.05)，且各軟骨單元與年齡均不存在相關(guān)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(guān)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(shù)是圖像后處理常用技術(shù)，它以不同結(jié)構(gòu)的信號差異為基礎(chǔ)進行工作。其應用的數(shù)學模型可以分為兩大類：一類是“邊緣基礎(chǔ)型”--通過探測不同結(jié)構(gòu)的信號不均一性確定邊緣，另一類是“感興趣基礎(chǔ)型”—通過均一的信號確定完整結(jié)構(gòu)[12]。既往已經(jīng)有很多關(guān)于軟骨體積定量分析的研究，包括手動、半自動分割技術(shù)以及機器學習[13-14]，但是先前的一些研究對象多為正常或輕度退變的關(guān)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(guān)節(jié)軟骨時，有診斷經(jīng)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(nèi)側(cè)平臺的內(nèi)側(cè)緣，部分研究對象中幾乎相等，這時要分辨真正的內(nèi)側(cè)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(nèi)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(zhì)增生嚴重時，其表面的信號相對較高，僅根據(jù)信號強度判斷很容易誤認為是關(guān)節(jié)軟骨。

圖1-2 在矢狀位FSPGR圖像上進行關(guān)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(nèi)側(cè)髁、脛骨內(nèi)、外側(cè)平臺軟骨單元體積與股骨髁體積散點圖。LFV=股骨外側(cè)髁軟骨體積，MFV=股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨體積，LTV=脛骨外側(cè)平臺軟骨體積，MTV=脛骨內(nèi)側(cè)平臺軟骨體積。

3.2 軟骨單元與股骨髁體積、性別的關(guān)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(jié)果[11,15,16]，筆者認為是由于納入的膝關(guān)節(jié)處于骨性關(guān)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(jié)果，這和關(guān)節(jié)軟骨的剝脫位置有關(guān)。本研究的股骨髁體積的分割方法如圖1所示，要確定關(guān)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(nèi)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(guān)性，結(jié)合先前的研究結(jié)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(guān)性。

Faber等[17]的研究結(jié)果表明：膝關(guān)節(jié)軟骨體積與性別存在顯著的相關(guān)性。這與我們的研究結(jié)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(guān)節(jié)軟骨作為研究對象，而本次實驗中的膝關(guān)節(jié)軟骨均存在十分嚴重的退變，這說明在嚴重的膝關(guān)節(jié)退行性骨性關(guān)節(jié)炎中發(fā)生性別已經(jīng)不存在差異。無論膝關(guān)節(jié)軟骨退變與否，關(guān)節(jié)軟骨體積與股骨髁的形態(tài)始終存在相關(guān)性。關(guān)節(jié)軟骨體積在不同個體間變化較大，而股關(guān)節(jié)軟骨體積與股骨髁的相關(guān)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(shù)適用于嚴重退變的關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學研究，并且能夠獲得相對準確的定量數(shù)據(jù)。