活体三维图像在桡骨远端关节软骨厚度和体积测量中的应用研究*

杨 洋，卞浩宇，钱思嘉，陈 靖**

（南通大学附属医院1 创伤中心；2 手外科，江苏 226001）

桡骨远端关节内骨折可造成关节软骨破坏,易出现继发性骨关节炎,从而引起腕关节疼痛、肿胀以及活动受限等症状。动物研究表明,桡骨远端骨折后可接受的关节面台阶高度必须小于关节软骨厚度,否则可能加剧关节炎的进展[1-2]。因此,了解桡骨远端关节软骨的特征有助于临床评估和治疗桡骨远端骨折和腕关节炎。磁共振成像（MRI）技术对评估关节软骨病变很有价值,其中三维脂肪抑制快速扰相梯度回波（fat-suppressed three-dimensional fast spoiled gradient-echo,3D-FS-FSPGR）是对软骨最敏感的序列,目前已广泛应用于膝关节等大关节的软骨研究,而对软骨较薄的腕关节研究较少。本研究运用3DFS-FSPGR 序列进行腕关节MRI 扫描,测量活体桡骨远端关节软骨的厚度和体积,探讨该序列在腕关节软骨成像中的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择健康志愿者35 例,女性16例,男性19 例,年龄23～30 岁,平均27 岁,均以右腕关节（优势侧）作为研究对象。所有志愿者无可能影响腕关节的慢性疾病或创伤史。本研究经我院伦理审查委员会批准,并获得所有志愿者知情同意。

1.2 方法 志愿者俯卧位,右上肢前伸,腕关节处于中立位。采用GE 3.0T 磁共振扫描仪（General Electric,Connecticut,USA）和腕部专用线圈进行扫描,序列为3D-FS-FSPGR。扫描参数:重复时间19.1 ms,回波时间6.3 ms,层厚0.5 mm,共80 层,视野128 mm×128 mm,矩阵512×512,扫描时间7 分10 秒。

扫描完成后将MRI 图像导入Mimics 17.0 分析软件（Materalise,Leuven,Belgium）,使用多步骤重建三维软骨形状。为了更准确地分割,我们放大磁共振图像（图1）。首先,根据MRI 图像中不同信号,可以清晰地确定骨和软骨的边界,使用半自动B-spline snake 图像分割功能以及手动校正对桡骨远端关节软骨进行分割（图2）,将分割后的软骨图像创建成一个包含数千个三角形的三维软骨表面模型（图3）,在Mimics 软件中计算关节软骨的平均厚度,并在三维图像中直接计算关节软骨的体积。为确定测量方法的可靠性,由2 名对该软件富有经验的观察者以相同方式独立执行所有的分割和计算步骤。为评估观察者内的一致性,其中1 名观察者每隔1周对图像再进行第2 次和第3 次分割、重建、测量步骤。

图1 腕关节MRI 图像

图2 通过半自动分割功能和手动矫正分割软骨层

图3 三维重建的桡骨远端桡骨层

1.3 统计学处理 应用SPSS 22.0 统计学软件进行数据分析。计量资料以均数±标准差表示,观察者间及观察者内数据比较采用方差分析（ANOVA）,并计算组内相关系数（ICC）。

2 结果

2.1 观察者间和观察者内一致性分析 2 名观察者测得桡骨远端软骨平均厚度分别为0.74±0.09 mm和0.79±0.09 mm,差异无统计学意义（P=0.35）,ICC为0.92。其中1 名观察者先后3 次测得的桡骨远端软骨平均厚度分别为0.78±0.07 mm、0.76±0.10 mm和0.74±0.08 mm,差异无统计学意义（P=0.46）,ICC为0.96。

2.2 桡骨远端软骨参数 所有志愿者桡骨远端软骨厚度均小于1 mm,最大厚度0.93 mm,平均厚度为0.77±0.09 mm（95%可信区间:0.64～0.85 mm）,平均软骨体积为432±82 mm3（95%可信区间:321～515 mm3）。

3 讨论

对于桡骨远端骨折累及关节面患者关节面台阶高度是评价骨折复位的重要指标,较高的关节面台阶会增加发生创伤性关节炎的风险,测定关节软骨厚度有助于临床诊治及相关基础研究。对膝、肩关节的研究已证实活体无创性三维软骨重建技术的可靠性和准确性,但由于腕关节间隙较小、软骨较薄、形状不规则,MRI 图像很难分辨腕关节软骨信号[3-4]。3D-FS-FSPGR 已广泛用于膝关节软骨研究,但在腕关节软骨中的研究较少。3D 序列通过射频脉冲激发所有成像区域,通过三个方向的梯度进行空间编码,所以层间分辨率很高,而且3D 序列可以作任意方向断面的重建,获得不同方位图像。脂肪抑制序列（FS）能提高组织对比度,减少运动和化学位移伪影,采用与脂肪共振频率一致的射频脉冲,抑制脂肪中氢质子,以抑制脂肪发生的信号。扰相位梯度回波序列（SPGR）仅采集射频脉冲激发产生的FID 信号,通过技术手段破坏残留信号,后面的射频脉冲就不会产生SE 信号及STE 信号。本研究使用3D-FSFSPGR 序列能清楚识别桡骨远端软骨周围的信号,然后应用半自动分割功能和手动校正重建关节软骨。2 名观察者测得桡骨远端软骨厚度以及1 名观察者重复3 次测得的桡骨远端软骨厚度的差异均无统计学意义（P＞0.05）,观察者间及观察者内测量结果的ICC 值分别为0.92 和0.96,表明该序列测量腕关节软骨具有较高的一致性和可靠性。

以往认为对于桡骨远端骨折,关节面台阶小于2 mm 是可以接受的。然而,一项回顾性研究对40 例桡骨远端骨折患者进行随访,发现91%关节面不平整患者发生腕关节炎,包括关节面台阶小于2 mm的患者[5]。最新研究表明,为了降低创伤性关节炎发生率,桡骨远端关节面台阶应小于等于1 mm[6-7]。本研究结果发现,桡骨远端软骨平均厚度为0.77 mm,证实了上述观点。临床上通常在X 线片或CT 图像上测量关节面台阶,因无法显示关节软骨,因此评估时应考虑关节软骨厚度。

近年来,越来越多的研究关注活体腕关节运动学,通过重建桡腕关节以分析运动过程中关节接触区域的变化,这些研究大多使用CT 扫描图像。由于在重建图像中看不到软骨,关节间隙通常假设为一定值。BAJURI 等[8]使用有限元法分析类风湿性关节炎患者腕关节,假设软骨厚度为两个骨骼间最小距离的一半。TANG 等[9]在三维图像设定1 mm 的桡腕关节阈值距离,以研究腕背伸过程中桡腕关节接触区域的变化。ABE 等[10]假设腕关节间隙为1 cm。由于桡骨远端关节软骨的平均厚度未知,因此上述研究中的参数不同。本研究结果将有助于确定腕关节的关节间隙,为后续计算关节接触面积提供可靠依据,也有助于在有限元分析中建立模拟腕关节的计算机模型。同时,在治疗桡骨远端骨折时,可以根据软骨厚度设定可接受的关节面台阶高度。POLLOCK等[11]用特殊器械测量19 具尸体的桡骨远端软骨厚度,平均厚度为0.6 mm,其结果略小于本研究。可能是由于所用尸体的年龄普遍较大,软骨随着年龄的增长而变薄。本研究志愿者平均年龄27 岁,研究结果可能更适用于年轻人。

综上所述,使用三维脂肪抑制快速扰相梯度回波序列行MRI 扫描腕关节,在Mimics 软件中进行三维重建,可准确测量桡骨远端关节软骨的厚度和体积,有助于腕关节进一步的3D 活体研究,同时为桡骨远端骨折可接受的关节面台阶提供依据。