3.0T磁共振三种序列在3D半月板模型重建中的对比分析

李海燕 牛军龙 马晓文 孔江涛 王筱璇

1西安交通大学附属红会医院磁共振室（西安 710054）

2西北工业大学机电学院

3西安交通大学附属红会医院CT室

膝关节半月板介于股骨软骨和胫骨软骨之间，主要的生物力学功能是重新分布股骨和胫骨软骨表面的负荷，提高膝关节运动的稳定性，还具有吸收震荡、感受本体感觉、润滑和营养等功能[1-2]。建立3D半月板模型对于膝关节解剖结构研究、模拟手术、进行生物力学特性分析，以及为半月板生物打印提供3D模型均具有重要的意义。查阅国内外文献多数只选用某一种磁共振序列进行重建[3-5]，没有进行对比分析，本研究旨在比较磁共振自旋回波（spin echo，SE）T1WI、快速自旋回波（turbo spin echo，TSE）T2WI和质子压脂成像（fat suppressed-proton density-weighted imaging，FS-PDWI）三种序列重建3D半月板模型的应用价值。

1 材料和方法

1.1 一般资料

收集本院膝关节半月板正常的患者30例，其中男15例，女15例；右侧13例，左侧17例；年龄15～40岁，平均23.5±5.1岁。

1.2 检查方法

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）采用SIEMENS AG，Germany MAGNETOM Verio 3.0T进行扫描，膝关节专用线圈，两腿自然伸直，膝关节两侧用海绵垫固定。扫描范围是从膝关节的外侧到内侧，并由同一扫描技师完成所有患者摆位及检查。设定三种扫描方法参数，T1WI（A组）：TR440 ms，TE 13 ms；T2WI（B 组）：TR4000 ms，TE 68 ms；FS-PDWI（C组）：TR3000 ms，TE26 ms；三组其他参数均保持一致，层厚为1.1 mm，层间距为0 mm，像素为384×348，视野：180×180 mm，激发次数：1，获得矢状位MR影像图片以DICOM 3.0标准格式存储在电子计算机中。

1.3 基于 TT 11WWII序列图像3 3D D半月板模型重建

由一名高年资影像医生和一名仿生关节专业博士共同配合完成30例半月板的三种序列重建。

1.3.1 影像数据导入

将DICOM文件格式的影像图片成功导入到Mimics 16.0软件，在项目管理器（Project Management）最下边有一个对比度标签（Contrast），选择MRI Scale并做适当的调整，调整完成后所显示的四个主要视图（图1）。

1.3.2 图像分割

MRI影像数据导入到Mimics 16.0软件中所生成的视图图像为灰度图像，可以通过二值化（Thresholding）设置不同的灰度阈值范围来分割出所需组织的像素图像。本研究在给定的默认软组织Soft Tissue的灰度阈值范围（324-1249单位值）的基础上再对最低阈值和最高阈值分别进行适当的手动调整，最终将灰度阈值范围设定在0～355单位值之间，进而生成一个绿色的掩膜（Mask）。在矢状面视图中使用一次裁剪掩膜（Crop Mask）对该绿色掩膜（Mask）进行裁剪，保留半月板像素图像的同时尽可能多地裁剪掉各层图像中的多余像素。然后再利用编辑掩膜（Edit Masks）中的擦除（Erase）操作对剩下的少部分多余像素进行编辑直到全部擦除干净。最后在此基础上进一步通过与冠状面视图或者横断面视图进行相互对照来合理地对半月板的像素实施添加（Draw）和擦除（Erase）操作，编辑后最终可获得较为精确和完整的半月板像素图像掩膜。完成对绿色掩膜（Mask）中半月板像素图像的编辑之后，可利用区域增长（Region Growing）来提取内、外侧半月板的像素图像实现分割。

图1 四个主要视图

1.3.3 3 3D D半月板模型重建

利用计算三维（Calculate 3D）对生成的目标掩膜进行精确的计算，就可以实现对所选半月板的三维模型重建，获得较为精确的三维几何形态模型（图2）。图 2显示该三维半月板模型中含有锐利的边缘且表面还比较粗糙，通过光滑（Smoothing）进一步处理得到一个3D半月板光顺模型（图3）。利用Mimics 16.0软件自带的3-matic 8.0软件中的Create Inspection Scene、Reduce 、Auto Remesh、Quality Preserving Reduce Triangles 、Mark Interecting Triangles、Create Volume Mesh和Analyze Mesh Quality功能图标按顺序分别对光滑半月板三维模型进行操作，最终获得一个半月板3D优化模型（图4）。

图2 锐利边缘且表面比较粗糙三维半月板模型

图3 光滑的三维半月板模型

图4 优化的三维半月板模型

1.4 基于T T2 2WIWI和FS-PDWI-PDWI序列图像3 3D D半月板模型重建

由上述同组操作人员严格重复上述步骤重建基于T2WI和FS-PDWI序列3D半月板模型。

1.5 图像质量评价

3组图像由2名经验丰富的影像科及运动损伤科医师盲法读片，对3D半月板模型图像质量与关节镜下对比并进行5分法主观评分（表1）。评分取均值纳入统计分析。

表1 图像质量5分法主观评分表

1.6 半月板径线测量

本次测量在矢状位从外向内见到蝴蝶结征后向中间移一层面测量半月板前后角的宽度和高度，在冠状位髁间棘前交叉韧带附着点层面测量半月板体部的宽度和高度，在三种序列上分别测量每位患者的半月板径线，由两位影像医生独立完成所有患者（30例）的测量，径线取均值纳入统计分析。测量3D模型和原始二维图像半月板之间间隔1周。

1.7 统计学分析

对三组图像质量评分数据及两种半月板径线测量数值取均值 ±标准差（±s），纳入SPSS19.0软件进行统计学分析，A组、B组及C组图像质量评分采用方差分析SNK-q检验，3D模型与原始二维图像半月板径线比较采用配对t检验，P＜0.05差异有统计学意义。

2 结果

2.1 三组图像质量评分比较

基于磁共振三种不同序列重建3D半月板模型图像质量的差异性，通过对3种薄层原始图像行Mimics 16.0软件处理并对3D半月板模型评分，三组图像质量评分分别为，A组4.52± 0.31，B组3.98± 0.24，C组4.10±0.46；并对三组图像质量评分进行两两比较，A、B两组相比，图像质量评分差异有统计学意义（P＜0.05），前者高于后者；A、C两组相比，图像质量评分差异有统计学意义（P＜0.05），前者高于后者；B、C两组相比，图像质量评分差异无统计学意义（P＞0.05）（见表2）。

表2 3组图像质量评分比较（n=30）

2.2 3 3D D模型与原始二维图像半月板径线测量对比分析

内外侧半月板前后角宽度及高度、内外侧半月板体部高度3D模型略小于原始二维图像，内外侧半月板体部宽度3D模型略大于原始二维图像，半月板前后角及体部径线两者之间差异均无统计学意义（P＞0.05）（见表3）。

表3 3D模型与原始二维图像半月板径线测量对比分析（mm）

3 讨论

半月板是一对基于软骨的“减震器”，能够重新分布股骨和胫骨软骨表面的负荷，提高膝关节运动的稳定性，从而保护股骨和胫骨。半月板体部的外侧约10%～30%由膝内外侧动脉供应血液，形成半月板周围动脉丛，内侧无血液供应。半月板是膝关节最易受损的部分，半月板小部分的撕裂可以被修复，但大面积撕裂应当接受手术切除。精确的3D半月板模型有助于更好地理解半月板各类损伤，对于半月板移植术前异体半月板径线的测量具有重要的意义。本研究旨在通过比较进而选择一种重建3D半月板模型的优势序列，并与常规半月板二维图像进行对比，分析3D半月板模型精确性。

Mimics是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，通过输入CT或MRI数据，建立3D模型进行编辑，在医学临床和科研工作应用越来越广泛。国内外许多学者应用影像设备及Mimics软件成功建立了许多膝关节模型[6-7]。MRI具有较高的软组织分辨率，可以重建膝关节三维结构模型中的半月板、韧带、关节软骨等软组织[8]。不同软组织在MRI同一序列表现不同，同一软组织在MRI不同序列表现也不一样，MRI扫描所用的序列影响软组织结构的分离、提取及重建。在半月板3D模型重建的过程中，由同一名技师完成所有膝关节的摆位及扫描，尽量避免由于膝关节屈曲角度导致的半月板形态的改变[9-10]，影响3D重建效果。薄层扫描数据的采集是能否成功建立模型的基础，因此，如何设定层厚至关重要。目前用于临床诊断的膝关节常用扫描层厚多数为3～5 mm。扫描层厚太厚会导致部分半月板组织结构缺失，部分容积效应；层厚太薄，像素变小，分辨力可提高，组织结构误差变小，但扫描信噪比相应下降，图像质量变差。MRI扫描层厚＜1.0 mm时，图像清晰度无法随层厚减小而提高。通过反复对比最后层厚设定为1.1 mm，1.1 mm的扫描层厚使信噪较高，能够获得相对满意的薄层 MRI图像。图像的分割方法为基于灰度阈值的表面绘制技术，因此，在给定的默认软组织的灰度阈值范围（324～1249单位值）的基础上进行适当的手动调整，最终将灰度阈值范围设定在0～355单位值之间，相邻区域的灰度阈值差异大，重建的效率和精确性好。本研究采用高年资影像医生和仿生关节专业博士组合完成所有30例半月板的三种序列重建，保证在非常熟悉半月板局部结构的基础上，同质完成利用Mimics软件进行半月板3D重建，避免由于不同研究人员对半月板进行建模时造成的人为的误差。本研究进行三组图像两两比较，A与B相比图像质量评分差异有统计学意义（P＜0.05），A组优于B组；A与C组相比图像质量评分差异有统计学意义（P＜0.05），A组优于C组；B与C组相比，图像质量评分差异无统计学意义（P＞0.05），B组与C组效果相似。半月板由纤维软骨性组织构成，其内缺乏H质子，在各个序列中均呈低信号，相对于T2WI及FS-PDWI序列对半月板疾病的诊断价值，T1WI序列更加强调清晰显示解剖结构以及相邻解剖结构的对比度。

目前，半月板移植已经逐渐成为治疗半月板全切术后早期关节疼痛和骨关节炎的主流选择。半月板重建技术中最受关注的是同种异体半月板移植。常用的半月板大小测量方法为术前 X线摄片，被认为是评估移植物大小的金标准。同种异体半月板移植存在供体较少、交叉感染及免疫排除等问题。术前X线测量在标准的45°负重位膝关节正侧位片上进行，对胫骨平台的宽度和前后径进行间接的测量，但是无法准确测量其厚度。目前只有35%的术前估计值与术中测量值误差在2 mm以内。利用MRI自旋回波（SE）T1WI序列重建3D半月板模型，并与原始二维图像半月板径线测量进行对比，内外侧半月板前后角及体部的宽度及高度径线两者之间差异均无统计学意义（P＞0.05）。说明3D模型能够较精确地呈现真实的半月板几何形态，可以为半月板移植术前径线估计值及人工材料半月板的设计、打印提供理论依据，同时，也能解决同种异体半月板移植面临的供体较少等相关问题。

4 结论

MRI T1WI薄层图像为重建半月板3D模型的优势序列，能较真实地呈现半月板的解剖构造及精确的径线数值，为半月板生物打印技术提供模型。