膝关节5个屈曲角度动态三维MR扫描在运动轨迹模拟中的应用

张 璇ZHANG Xuan姚 杰YAO Jie辛 星XIN Xing赵殿江ZHAO Dianjiang杨 滨YANG Bin

作者单位1.北京大学国际医院放射科 北京 102206 2. 北京航空航天大学生物医学工程学院 北京100191 3. 北京大学国际医院关节外科 北京102206

膝关节5个屈曲角度动态三维MR扫描在运动轨迹模拟中的应用

张 璇1ZHANG Xuan姚 杰2YAO Jie辛 星3XIN Xing赵殿江1ZHAO Dianjiang杨 滨3YANG Bin

作者单位1.北京大学国际医院放射科 北京 102206 2. 北京航空航天大学生物医学工程学院 北京100191 3. 北京大学国际医院关节外科 北京102206

Department of Joint Surgery， Peking University International Hospital， Beijing

102206， China

Address Correspondence to： YANG Bin E-mail： doctoryangbin@qq.com

中国医学影像学杂志2016年 第24卷 第8期：620-622，626

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24 （8）： 620-622， 626

目的 目前有关高度屈膝位扫描方法的报道较少，故尚未能利用MRI图像构建完整屈伸膝过程中的膝关节运动轨迹。本文利用膝关节5个屈曲角度获得动态MRI图像，构建膝关节从过伸位到最大屈膝角度活动过程中的三维图像及准动态运动轨迹。资料与方法 回顾性分析2015年9月-11月公开招募的10例健康成年志愿者，受试者取侧卧位，受试侧下肢在下，对侧下肢在上并尽量远离受试侧。膝关节以过伸位、屈膝30°位、屈膝60°位、屈膝90°位、最大屈膝角度位5个角度采集MRI图像。采用三维多回波恢复梯度回波序列，常规行矢状位抑脂扫描。扫描后将5个屈膝角度MRI图像DICOM格式数据分别导入软件进行分割、三维重建及注册后，通过插值计算法模拟完整屈伸膝过程中的运动轨迹。结果 通过多屈膝角度MRI技术，获得5个屈膝角度的膝关节MRI图像。采用膝关节5个屈曲角度的MRI图像可重建从过伸位到最大屈膝角度活动过程中膝关节的三维图像及运动轨迹。结论 膝关节5个屈曲角度MRI技术能直观地清晰显示膝关节解剖结构及运动轨迹，利用该模型可以对膝关节进行动态生物力学分析，具有良好的研究及临床应用价值。

膝；运动；体位；膝关节；磁共振成像；图像处理，计算机辅助

膝关节的运动范围大，以屈伸运动为著，可以从过伸5°～10°至屈膝120°～150°。获取膝关节的三维动态运动轨迹，对于深入研究膝关节的运动及诊断膝关节疾病将有极大帮助。既往获取膝关节三维动态运动轨迹的方法主要包括三维运动捕捉系统、X线立体测量技术、2D-3D图像配准技术及动态MRI配准技术等；而对于膝关节的扫描多用于伸直位和轻度屈膝位，对于大角度屈膝位扫描方法的报道较少［1-3］。本研究初步利用三维MRI采集5个屈曲角度的膝关节MRI图像，并进行三维重建及运动轨迹模拟，成功构建了膝关节准动态三维图像及运动轨迹。

1 资料与方法

1.1研究对象 2015年9月-11月于北京大学国际医院招募健康成年志愿者10例，其中男4例，女6例；年龄17～38岁，平均（29.82±0.71）岁；左膝3例，右膝7例。所有受试者经病史询问、体格检查及影像学检查均排除膝关节疾病，且受试前均签署知情同意书。

1.2仪器与方法 采用GE Discovery 750 MR扫描仪，场强为3.0T，使用线圈为8通道US TORSOPA，扫描序列为三维多回波梯度回波（3D MERGE）序列。扫描参数：矢状位脂肪抑制扫描，视野15 cm×15 cm，矩阵192×192，层厚0.7～1.2 mm，整体扫描层数90～120层，接收带宽41.67，激励角5°，采集次数2次。受试者取侧卧位，受检侧膝关节靠下贴近线圈并置于扫描中心。用非磁性支具将受试侧膝关节固定于所需角度，并帮助保持扫描过程中受试膝关节的静止状态。分别采取过伸、30°、60°、90°和最大屈曲位（图1）。1.3 5个角度膝关节MRI图像的后处理 将MR扫描所得5个屈膝角度的影像资料以Dicom格式存储，然后分别导入Mimics软件（Materialise n.v.， 15.0）中，使用3D Livewire功能进行骨与软骨组织的组织分割（图2）。使用Calculate 3D功能对上述组织分割轮廓进行三维重建，并使用Smooth Mask功能对表面进行光滑化处理，以分别构建包含骨、软骨组织的膝关节三维模型。

图1　不同屈膝角度膝关节MRI扫描体位。A～E分别为过伸位、屈膝30°位、屈膝60°位、屈膝90°位、最大屈膝位

图2　使用3D Livewire功能对骨、软骨轮廓进行边界划分。红色线条为采用3D Livewire功能对组织进行分割提取，显示分割组织为股骨骨组织

1.4 膝关节准动态三维模型的构建 将所重建的5个屈曲角度三维图像模型导入Mimics软件FEA模块中，使用remesh功能在三维实体模型的基础上进行表面光顺、减少三角形等运算，得到经过面网格优化后的模型，并以STL格式保存。再将5个屈膝角度的模型导入Rapidform软件（INUS，2006）同一三维坐标系中进行配准。利用上述5个角度的静态髌股关节模型，采用样条插值算法计算准动态膝关节三维模型。将股骨、胫骨及髌骨视为刚体，其位置可用其内部3个不共线的点表示，在三维立体坐标系中分别记录下这3个点在各屈膝角度时的位置；采用3次样条插值算法计算屈膝过程中这3点的近似运动轨迹［4］。根据这3点的运动轨迹即可得出相应的膝关节运动轨迹，而整个运动过程中将股骨作为静止参照相，髌骨与胫骨相对于股骨的运动轨迹即为膝关节准动态三维模型。

2 结果

2.1MRI结果 采用该扫描方式为10例受试者完成了5个屈膝角度MRI扫描，均获得了完整的膝关节MRI图像。其中过伸位至屈膝90°位MRI图像清晰，最大屈膝角度MRI图像有4例出现部分图像卷褶现象，但仍能满足构建准动态膝关节模型的要求，其余6例最大屈膝角度MRI图像清晰完整（图3）。

图3　5个屈膝角度的膝关节MRI图像。A～E依次分别为伸直位、屈膝30°位、屈膝60°位、屈膝90°位、屈膝120°位

2.2 准动态三维重建结果 通过扫描的5个屈膝角度MRI图像，成功构建了10例受试者的准动态膝关节三维运动模型（图4）。

3 讨论

膝关节MRI扫描具有诸多优势，并已广泛应用于膝关节疾病的诊治中。目前膝关节多采用伸膝位或轻度屈膝位扫描，较少应用于大角度屈膝时的扫描［1-2］。由于膝关节的解剖解构复杂、运动范围广泛，在膝关节屈伸运动过程中，其组成结构的几何形态、位置关系、运动状态均在动态变化中，在不同屈膝角度，尤其是伸直位与深度屈膝位差别显著。因此，仅进行伸直位或轻度屈膝角度的扫描无法反映膝关节的完整生理或病理状态，在临床治疗中会造成对膝关节疾病的误诊或漏诊，在研究中也无法完整了解膝关节的运动状态，故亟需探索更大屈膝角度的MRI扫描方法。

图4　5个角度的三维静态膝关节模型。A～F依次分别为伸直位、屈膝30°位、屈膝60°位、屈膝90°位、屈膝120°位以及重建完成膝关节准动态三维模型

在膝关节的诸多扫描序列中，高分辨率的三维扫描技术可通过薄层连续采集减少部分容积效应，在感兴趣区内时没有层间距，可提高肌肉与骨骼的MRI质量和效率，各向同性使扫描后的图像可以自由地在任意方向进行重建［5-7］。3D MERGE序列具有较高的信噪比、采集速度快、空间分辨率高及磁敏感伪影少等特点［8］。本研究中膝关节扫描采用3D MERGE序列，获得了高品质的多层面重建图像，不仅可以评估软骨形态，也可评价半月板、交叉韧带和软骨下骨［9-11］。相对于冠状位和横断位，矢状位图像含有更多的解剖信息，故本研究选用矢状位方向进行扫描。

由于受MRI扫描空间所限，进行大角度屈膝扫描需要摆放特殊体位，该体位需满足以下几个要点：使受试膝关节能完整进入扫描空间；尽量使受试膝关节接近磁场中心，以提高扫描质量；使对侧肢体尽量远离受试膝关节，以减少对受试侧图像的干扰；使受试者尽量舒适地侧卧，以耐受较长时间扫描。为保证屈膝角度的准确以及扫描时受试部位处于静止状态，本法采用自制非磁性支具将受试侧膝关节固定于所需膝关节屈曲角。扫描过程中，屈膝30°、60°、90°及最大屈曲位图像时，受试者需采用侧卧位；而对于扫描过伸位图像时，MRI的空间比较充裕，可按照常规扫描选用平卧位或侧卧位均可。本方法中，摆放体位时使受试者身体纵轴线尽量移向背侧，受试膝关节也能尽量向磁场中心移动，待其进入扫描区域内再适度调整体位，满足扫描需要。

膝关节5个屈膝角度MRI扫描为非常规扫描，故无法使用膝关节专业线圈。而为实现膝关节的三维重建，需选择3D MERGE序列，扫描层厚为0.7～1.2 mm的薄层扫描，并确保扫描层数在90～120层之间，从而满足进行三维重建的质量要求。因此，本法采用8通道US TORSOPA，使线圈包绕受试侧膝关节，以提高扫描质量、减少图像伪影。

通过本扫描方法获取完整的膝关节MRI图像后，将膝关节5个屈膝角度的图像分别导入mimics软件中，采用专门为低对比度图像设计的3D Livewire工具进行骨与软骨组织的组织分割后得到各组织的轮廓，再进行相应组织的三维重建，并对三维图像进行修饰后，可得到5个屈膝角度的膝关节三维图像。通过这5个间断的三维图像，采用数学插值算法模拟出完整的膝关节准动态运动轨迹。对比既往研究，该轨迹接近于正常膝关节运动轨迹，证实该方法是构建膝关节准动态运动轨迹的有效方法［3］。采用三维运动捕捉系统，需要在体表安置多个标志物，这些标志物只能附着于皮肤上，运动过程中存在相对于膝关节结构的位移，影响模型的准确性；且该方法不能构建膝关节内部结构。采用2D-3D图像配准技术存在辐射损害，且仅通过一个伸直位的膝关节三维图像与膝关节运动全程的二维图像进行配比，存在配准的难度及误差；而动态MRI技术仅能获取轻度屈膝角度的膝关节连续运动图像，且图像清晰度较差，也增加了配准的误差。因此，与既往构建膝关节三维动态运动轨迹的方法相比，本方法具有对受试者无放射损害、构建三维模型及轨迹准确、构建方法快捷、构建组织完整等优点。本课题组使用该方法进行了髌骨运动轨迹的分析。与既往研究对比表明，本方法重建可获得准确的运动轨迹［3］。

本方法存在若干缺陷：获取的膝关节图像为非负重图像，无法反映负重运动中的膝关节轨迹；由于扫描时间、患者依从性、重建复杂性等原因的限制，本方法仅扫描了膝关节屈伸运动过程中间断的5个角度MRI图像，以此为基础重建模拟的轨迹与真实轨迹尚存在一定误差；对于身材较为高大、体型肥胖的患者，获取高屈膝角度的MRI图像尚存在一定困难，故今后尚需进一步改进扫描方法。

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（本文编辑 闻 浩）

Application of MRI Scan with Five Intervallic Knee Flexion Angles on Quasi Dynamic Three-dimensional Knee Trajectory Simulation

Purpose Currently， there is rare study on knee flexion， thus the knee trajectory simulation in extension and flexion of the knee using MRI is not completed. This paper aims to establish Quasi dynamic three-dimensional （3D） knee trajectories which are simulated by MRI in five intervallic knee flexion angles. Materials and Methods Sagittal 3D multi-echo recovery gradient echo （MERGE） sequences of knees of ten healthy volunteers from September to November 2015 were acquired on a 3.0T magnet in five intervallic knee flexion angles-hyperextension， 30°flexion， 60°flexion， 90°flexion and maximum flexion. After bone and cartilage segmentation， 3D-reconstruction and 3D-registration， quasi dynamic 3D knee trajectories were simulated by using spine interpolation algorithm. Results All knee MRI of 10 volunteers were acquired by applying this technique and quasi dynamic 3D knee trajectories were simulated afterwards. Conclusion MRI scans in five intervallic knee flexion angles can clearly display the anatomic structure and quasi dynamic 3D trajectories simulation in knee joint， and can be well applied not only in basic but in clinic research.

Knee； Exercise； Posture； Knee joint； Magnetic resonance imaging； Image processing， computer-assisted

杨 滨

国家自然科学基金（11302248）；北京大学国际医院院内科研基金（YN2016QN08）。

R684；R445.2

2016-03-23

2016-05-27

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.08.017