圖像閾值化及點(diǎn)云計(jì)算結(jié)合影像學(xué)方法對腰椎小關(guān)節(jié)微結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、研究背景與目的:小關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及功能紊亂是慢性腰痛的重要原因,然而由于其深在的位置,復(fù)雜的形態(tài)及微小的體積,目前對小關(guān)節(jié)微結(jié)構(gòu)的研究較少。本研究擬通過對腰椎小關(guān)節(jié)各組分的研究,探討其形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及變化規(guī)律,以期更深入的理解結(jié)構(gòu)與局部應(yīng)力分布的適應(yīng)關(guān)系以及其在腰痛患者中的變化。
　　 研究方法:研究對象包括90名志愿者和12具腰椎尸體標(biāo)本。分別采用質(zhì)子密度序列MRI和薄層CT掃描90名志愿者的腰1至骶1,再采用自行設(shè)計(jì)的Visual

2、 C++計(jì)算機(jī)程序,通過對MRI和CT圖像進(jìn)行雙線性插值放大、閾值化處理、三維重建及點(diǎn)云計(jì)算,精確測量腰椎小關(guān)節(jié)的軟骨下皮質(zhì)骨厚度、關(guān)節(jié)間隙寬度和關(guān)節(jié)面面積,并分析其在三維空間內(nèi)的分布特點(diǎn);對腰椎尸體標(biāo)本的每個(gè)節(jié)段小關(guān)節(jié)分別行MicroCT掃描,分析其松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并打開小關(guān)節(jié)囊,直視下觀察關(guān)節(jié)面軟骨的退變程度及分布情況。主要評估指標(biāo)包括:
　　 ①軟骨下皮質(zhì)骨厚度:對小關(guān)節(jié)特定層面的MRI圖像進(jìn)行多閾值化處理,將軟骨下皮質(zhì)

3、骨的內(nèi)外側(cè)邊緣分別轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用點(diǎn)云間最小距離法計(jì)算軟骨下皮質(zhì)骨厚度。
　　 ②軟骨下皮質(zhì)骨厚度的三維分布特點(diǎn):將小關(guān)節(jié)CT掃描圖像二值化,選取軟骨下皮質(zhì)骨的內(nèi)外側(cè)邊緣并轉(zhuǎn)化為線狀點(diǎn)云,逐層疊加、三維重建為面狀點(diǎn)云,利用點(diǎn)云間最小距離法計(jì)算各區(qū)域軟骨下皮質(zhì)骨的厚度。
　　 ③關(guān)節(jié)間隙寬度及三維分布特點(diǎn):將小關(guān)節(jié)CT掃描圖像二值化,選取關(guān)節(jié)間隙的內(nèi)外側(cè)邊緣,分別轉(zhuǎn)化并重建為面狀點(diǎn)云,利用點(diǎn)云間最小距離法計(jì)算各區(qū)域關(guān)節(jié)

4、間隙的厚度。
　　 ④小關(guān)節(jié)面面積:基于小關(guān)節(jié)面的面點(diǎn)云數(shù)據(jù),分別計(jì)算每兩個(gè)相鄰層面的3個(gè)點(diǎn)組成的小三角面的面積,所有面積之和為小關(guān)節(jié)面的面積。
　　 ⑤小關(guān)節(jié)松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)特點(diǎn):利用Scanco軟件包對尸體小關(guān)節(jié)松質(zhì)骨的MicroCT圖像進(jìn)行三維重建,并分析各微結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 ⑥小關(guān)節(jié)軟骨退變特點(diǎn):將尸體腰椎小關(guān)節(jié)囊打開,詳細(xì)觀察小關(guān)節(jié)面軟骨的退變情況,并分四度、五區(qū)進(jìn)行記錄。分別比較上述各觀察指標(biāo)在上、下關(guān)節(jié)突

5、間,每側(cè)關(guān)節(jié)突的五個(gè)分區(qū)(頭側(cè)區(qū),尾側(cè)區(qū),腹側(cè)區(qū),背側(cè)區(qū)與中央?yún)^(qū))間,男女不同性別間及不同年齡段間的差異。分析各指標(biāo)隨腰椎節(jié)段,年齡,性別變化的規(guī)律。亦比較腰痛患者與正常人間的差別。
　　 研究結(jié)果:
　　 ①軟骨下皮質(zhì)骨厚度:平均厚度為1.56±0.37 mm,左、右側(cè)無明顯差別,厚度隨腰椎節(jié)段及年齡的增加而增厚,上關(guān)節(jié)突明顯較下關(guān)節(jié)突厚,男性明顯比女性更厚。
　　 ②軟骨下皮質(zhì)骨厚度的三維分布:上關(guān)節(jié)突頭側(cè)區(qū)

6、最厚,下關(guān)節(jié)突尾側(cè)區(qū)最厚。中央?yún)^(qū)的厚度明顯小于其他各區(qū)。各區(qū)之間的差別在低位節(jié)段腰椎中更明顯。
　　 ③關(guān)節(jié)間隙寬度及三維分布:平均寬度為1.46±0.08mm,隨年齡增加而變窄,40歲以上者更明顯;腰痛患者的小關(guān)節(jié)間隙顯著變窄,女性關(guān)節(jié)間隙均較男性寬。分區(qū)比較時(shí),頭側(cè)區(qū)間隙較尾側(cè)區(qū)寬,中央?yún)^(qū)的間隙普遍較周圍區(qū)寬,這些差別在腰痛患者及下3個(gè)腰椎節(jié)段中更明顯。
　　 ④小關(guān)節(jié)面面積:平均面積為173.2±3.6mm2,隨腰

7、椎節(jié)段及年齡的增加而增大,L4/5節(jié)段以下及40歲以上更加明顯。腰痛患者的小關(guān)節(jié)面積明顯大于正常人。腰痛患者上關(guān)節(jié)面的面積明顯大于下關(guān)節(jié)面(L5S1節(jié)段除外)
　　 ⑤小關(guān)節(jié)松質(zhì)骨三維微結(jié)構(gòu)特點(diǎn):上關(guān)節(jié)突骨小梁更接近板狀,而下關(guān)節(jié)突更接近桿狀,骨小粱結(jié)構(gòu)在上關(guān)節(jié)突更堅(jiān)強(qiáng)。分區(qū)比較時(shí)可見,上關(guān)節(jié)突頭側(cè)區(qū)與尾側(cè)區(qū)骨小梁明顯較致密,中央?yún)^(qū)骨小梁較稀疏,而下關(guān)節(jié)突尾側(cè)區(qū)與頭側(cè)區(qū)骨小梁較致密,中央?yún)^(qū)骨小梁較稀疏。松質(zhì)骨的密度隨腰椎節(jié)段的下

8、移而增加,在L4/5節(jié)段達(dá)到最高,L5S1節(jié)段稍降低。
　　 ⑥小關(guān)節(jié)軟骨退變特點(diǎn):軟骨退變在腰椎小關(guān)節(jié)中的發(fā)生率較高,且隨著腰椎節(jié)段的下移及年齡的增加而增高,其中受累最嚴(yán)重的為L4/5節(jié)段;上關(guān)節(jié)突的退變較下關(guān)節(jié)突更嚴(yán)重,關(guān)節(jié)面邊緣區(qū)軟骨退變較明顯,而中央?yún)^(qū)的軟骨保存較好,軟骨缺損發(fā)生率由高到低在上關(guān)節(jié)突分別為:頭側(cè)區(qū)、尾側(cè)區(qū)、背側(cè)區(qū)、腹側(cè)區(qū)和中央?yún)^(qū),在下關(guān)節(jié)突為尾側(cè)區(qū)、頭側(cè)區(qū)、背側(cè)區(qū)、腹側(cè)區(qū)和中央?yún)^(qū);綜合分析發(fā)現(xiàn):①小關(guān)節(jié)各

9、結(jié)構(gòu)的分布特點(diǎn)相互關(guān)聯(lián),在軟骨退變嚴(yán)重的部位,軟骨下皮質(zhì)骨較厚,骨小梁密度較大,反之亦然。②腰痛患者小關(guān)節(jié)間隙狹窄,關(guān)節(jié)面積增大,上關(guān)節(jié)面面積顯著大于下關(guān)節(jié)面。③以上變化在年齡超過40歲,男性及絕經(jīng)后女性,L4/5節(jié)段,關(guān)節(jié)面不匹配時(shí)更明顯。
　　 結(jié)論:①本研究開創(chuàng)了一種無創(chuàng)性準(zhǔn)確測量腰椎小關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的方法;②揭示了小關(guān)節(jié)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)在腰椎中的分布及其變化規(guī)律。這些特點(diǎn)與關(guān)節(jié)面形態(tài),關(guān)節(jié)間應(yīng)力及關(guān)節(jié)退變等因素有關(guān),反映了長期的負(fù)