基于MRI三维重建的国人正常半月板三维形态学测量

李钊，杨育晖，吴海贺，刘潼，左建林，高忠礼

(吉林大学中日联谊医院骨科，吉林 长春 130033)

半月板损伤，是膝关节最为常见的疾病之一。目前针对半月板损伤的手术方案主要为关节镜下半月板缝合或切除。由于半月板特殊的血供区域及自愈能力仅外缘红区损伤患者适用于半月板缝合治疗。而半月板切除对膝关节的活动功能和生物力学均具有长期潜在的不良影响[1]，会显著加剧终末期骨关节炎的发生。因供源问题，同种异体半月板移植的开展也较为有限。据报道[2]，异体半月板移植物的尺寸匹配不良将显著影响术后关节功能和移植物使用寿命。近年来，构建人工合成半月板进行半月板置换一直是组织工程修复的研究热点。Lee等[3]和Zhang等[4]指出，利用三维重建及3D打印技术构建的动物解剖型半月板移植物能够实现良好的结构匹配，并有效防止骨关节炎的发展。目前，关于人半月板形态学研究仍较为有限，而国人半月板的形态研究尚无人报道。本研究拟通过三维重建对国人正常半月板行三维形态学测量，旨在为人工半月板移植物的设计提供数据支持。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取志愿者(无膝关节疼痛，无膝关节外伤及手术史，无前后交叉韧带及内外侧副韧带损伤，无半月板损伤，双下肢力线正常)共计29例，男10例，女19例；年龄20～33岁，平均26岁，行双侧膝关节3D-MRI扫描。排除标准：a)膝关节MRI半月板扫描图像不完整；b)盘状半月板。经统计，共53组半月板(女性36组，男性17组)符合并纳入研究，每组包含同一膝关节的一对内、外侧半月板。本研究经吉林大学中日联谊医院伦理委员会批准。

1.2 方法

1.2.1 扫描方法 采用德国3.0T MRI扫描仪，膝关节专用线圈。患者仰卧位，膝关节在非负重状态下自然伸直，应用三维双回波稳态序列(3D dual-echo steady state，3D-DESS)，行膝关节冠状位、矢状位、水平位MRI扫描，层厚0.5 mm。图像以DICOM格式导出工作站。

1.2.2 三维重建 将志愿者膝关节MRI扫描数据导入Mimics软件中，选取辉度为50～200，通过阈值分析、区域增长及蒙罩编辑等步骤逐层描绘各断面的半月板图像，三维重建计算后，通过打磨修饰处理即可得半月板三维模型。同时，选取胫骨平台上三个离散点以最大拟合胫骨平台平面。将三维模型图像生成STL格式的文件并导出(见图1～2)。

1.2.3 半月板前后径、左右径、角度以及宽度的测量 应用3-Matic软件导入上述半月板及胫骨平台平面三维模型，并将半月板投影到胫骨平台平面。将半月板投射影像进行最大拟合成圆，描绘出内外侧半月板所占各自对应的圆的扇形并测量其覆盖角度及半月板投影的前后径及左右径。扇形取三等分将半月板分为前角、体部、后角三部分，再将每一部分进行两等分，分别取前角、前角体部交界、体部、体部后角交界、后角这五个位置测量半月板宽度(见图3)。

1.2.4 半月板厚度的测量 将半月板及胫骨平台平面三维模型导入到Geomagic Control软件。将胫骨平台平面定义为模型三维坐标系的XY轴面，即Z轴参数为垂直于胫骨平台的距离。将半月板三维模型拟合成点，分别于前角、体部及后角部分选取Z值最大的拟合点，即为该区域的半月板外缘厚度(见图4)。

a 冠状位图 b 水平位图 c 矢状位图

图1 患者膝关节MRI图像

图2 三维重建后的半月板模型

图3 半月板各测量位置示意图

图4 半月板厚度测量示意图

2 结 果

2.1 研究可重复性分析 分析同一研究者的先后两次测量结果显示，所有测量数据的观察者内可重复系数为0.92-0.98，而不同研究者的观察者间可重复系数为0.84-0.91，证实本研究研究方案及测量方法具有较高的可重复性和准确性。

2.2 内侧半月板与外侧半月板角度、前后径、左右径的测量结果 经统计，外侧半月板的覆盖角度及左右径均显著大于内侧半月板；而半月板的前后径则内侧显著大于外侧，差异具有统计学意义(见表1)。

表1 内侧半月板与外侧半月板角度、前后径、左右径的测量结果

2.3 内、外侧半月板宽度测量结果 如表2所示，内、外侧半月板五个位置的宽度对比差异均有统计学意义(P<0.001)。其中，外侧半月板的前角、前角体部交界和体部的宽度显著大于内侧半月板；而内侧半月板的体部后角交界和后角的宽度则显著大于外侧半月板。

内侧半月板中，体部后角交界和后角的半月板宽度显著增加，较其他部分差异具有统计学意义，其中体部后角交界处的宽度最大，前角宽度最小；外侧半月板中，各部分宽度之间变化差异性略小，其中宽度最大的为前角体部交界部分，而前角宽度最小。

2.4 内、外侧半月板厚度测量结果 如表3所示，内侧半月板前角及后角的厚度显著大于外侧半月板；在半月板体部处，内侧半月板厚度则显著低于外侧半月板。内侧半月板中后角部分的厚度最大，而体部部分厚度最小；外侧半月板则体部最厚，前角厚度最小。

表2 内、外侧半月板宽度测量结果

2.5 女性半月板与男性半月板测量结果 性别间差异性分析(见表4)，女性外侧半月板覆盖角度显著大于男性，而内侧则无显著差异。男性半月板的经线尺寸均显著大于女性，但男女性内、外侧半月板横纵比(左右径/前后径)比较，差异无统计学意义。半月板宽度方面，除外侧半月板前角和前角体部交界处差异无统计学意义外，男性半月板在其他部分均显著大于女性。而半月板厚度方面性别间差异性较小，仅在外侧半月板体部和后角部分男性显著大于女性。

表3 内、外侧半月板厚度测量结果

表4 女性与男性半月板形态学参数对比

2.6 半月板各测量结果与身高、体重及身体质量指数的相关性分析 通过对半月板各形态学指标与身高、体重、BMI做相关性分析可知，内侧半月板的前后径和左右径均与身高、体重和身体质量指数(body mass index，BMI)呈显著正相关；外侧半月板的前后径与身高、体重和BMI正相关，而左右径仅与身高呈正相关。半月板厚度方面，内侧半月板各部位的厚度均与体重和BMI呈正相关，而与身高无统计学相关性；而外侧半月板仅后角厚度与身高、体重和BMI呈正相关。半月板宽度方面，内侧半月板体部后角交界处宽度与身高、体重和BMI呈正相关；内侧半月板后角宽度与体重和BMI呈正相关，与身高无统计学相关性；其余位置的宽度与身高、体重、BMI无统计学相关性。

3 讨 论

半月板在膝关节的负重活动中可以缓解膝关节压力，吸收震荡使力量缓冲，而这一切的前提是半月板处于正常的形态及位置。而且半月板形态或位置的改变是膝关节骨关节炎发病机制的重要特征[5]。Harner等及Muriuki等认为半月板较大的撕裂会导致骨关节炎的发生[6-7]，Jayshiv等[8]通过对半月板损伤患者两年的随访研究发现，内侧半月板大于1/3宽度的撕裂会显著增加骨关节炎的发生率。半月板切除术虽能暂时改善患者膝关节症状和功能，但术后异常的关节应力及软骨磨损将会显著加剧膝关节退变进程，因此重建半月板正常的形态结构是治疗半月板严重损伤的根本方法[9]。近年来，半月板移植的应用被证实是治疗严重半月板损伤的有效方法。随访研究表明[2，10]，移植物的固定方式和尺寸匹配情况是影响术后效果的关键因素。因此，应用人工合成半月板能恢复半月板正常几何形态及力学属性，一直是近年来国际国内研究的热点，目前对于人工半月板的研究大多集中于材料学和生物力学领域，对于形态学的研究较为缺乏。国外研究指出[11-13]，利用MRI三维重建及多平面测量技术能够准确描述半月板几何形态和位置特点，而国内尚无相关研究报道。本研究利用MRI三维重建进行正常半月板形态学评估，揭示国人半月板形态特点，并为半月板移植提供理论基础。

Stone等[11]通过研究半月板尺寸与身高及性别的相关性发现，身高与胫骨平台尺寸呈线性关系，与半月板的尺寸大小有很好的预测相关性，其中女性半月板尺寸显著小于男性。相应地，Vrancken等[12]通过对比男女性正常半月板尺寸提出，男性半月板尺寸显著大于女性，而半月板的横纵比却无显著差异。本研究结果显示，女性半月板的前后径和左右径均显著小于男性，同时横纵比也无统计学差异，而且前后径及左右径参数均与身高呈显著正相关。Bloecker等[13]于膝关节MRI冠状位上重建半月板形态，通过测量发现男性半月板大小大于女性，男性半月板厚度大于女性。而本研究通过测量发现只有外侧半月板体部及后角处的半月板厚度男性大于女性，其余部位均不存在性别间统计学差异。Stone等[11]的研究发现，高BMI组的半月板尺寸显著大于低BMI组。本研究通过分析半月板尺寸和BMI的相关性发现，内侧半月板左右径、前后径，外侧半月板前后径与BMI呈显著正相关。同时，本研究还发现内侧半月板各部分的厚度均与体重及BMI呈正相关。Donahue等[14]通过生物力学研究指出，内侧半月板厚度改变0.5 mm将会导致膝关节软骨10%接触应力的改变。同时，半月板体部和后角部分所承受的负荷较前角显著增加[15]。目前尚无半月板宽度和厚度指标由前角、体部及后角变化规律的相关报道，本研究分别测量了内外侧半月板各个部分的宽度及厚度指标，该形态特点及变化规律可能与膝关节功能活动密切相关，旨在为人工半月板移植物提供确切的理论数据。

本研究利用三维重建及点拟合投影技术对半月板前角、体部及后角各个位置的形态参数进行了分析，为半月板的三维形态学测量提供了一种新的方法。首先，通过建立胫骨平台来避免MRI扫描角度和患者姿势的误差。考虑到正常人胫骨平台存在不同程度的生理性后倾，而且人的半月板始终贴附在胫骨平台上。所以以胫骨平台平面为参照所测量的数值较直接在膝MRI水平位及冠状位上测量的数据误差更小。通过将半月板分割为前角、体部和后角，分别评估各个部分的宽度及厚度参数，以揭示其三维形态学解剖特点及变化规律。本研究采用的3DMRI扫描序列层厚为0.5 mm，分辨率较高，同时半月板在图像的分辨更加清晰。可重复性统计分析也证实该方案具有较高的准确性和可重复性。利用本测量方案可以为人工半月板移植物的构建提供准确的数据支持，也为人工半月板置换的个体化治疗提供了一种重建以及测量的方法。

本研究的局限性包括研究纳入患者例数有限，尤其是男性的样本量较少。陈星灿等[15]通过实验发现正常人半月板厚度与年龄有关，而本研究的志愿者年龄较为集中，无法分析正常人半月板的形态是否与年龄有关。本研究未涉及半月板在胫骨平台位置参数及半月板位置与尺寸相关分析的研究。

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