生成 3D 伪健康膝关节 MR 图像：助力滑车成形术精准规划

《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》：Generating 3D pseudo-healthy knee MR images to support trochleoplasty planning

为解决滑车发育不良（TD）手术缺乏标准化术前规划，导致手术效果不佳的问题，研究人员开展了生成患者特异性伪健康滑车区域 MR 图像的研究。结果显示，该方法能显著改善 TD 指标，有望提升手术精度和术前规划水平。

　　滑车发育不良（Trochlear dysplasia，TD）是青少年中常见的一种解剖畸形，它就像一颗隐藏在膝关节里的 “定时炸弹”。患有 TD 的人，其股骨滑车出现畸形，髌骨的运动轨迹也会受到影响，常常出现向外侧偏移的情况，这不仅让患者承受着前膝关节疼痛的折磨，还使得膝关节稳定性大打折扣，仿佛膝关节变成了一个摇摇欲坠的 “危房”。而且，如果对 TD 放任不管，它还可能引发骨关节炎，让患者陷入慢性疼痛的泥沼，活动能力也会越来越差。

目前，滑车成形术是治疗 TD 的常用手术方式，但这场手术就像是在 “钢丝上跳舞”，难度极大。由于每个人的解剖结构都存在差异，医生要在不损伤脆弱的股骨软骨的前提下，塑造出合适的滑车形状，实在是困难重重。现有的诊断方法，比如常用的 Déjour 标准，虽然能帮助医生对 TD 进行诊断和分类，却无法为每个患者量身定制个性化的手术方案。手术的成功与否，在很大程度上依赖于医生对图像的主观判断，这就导致手术结果参差不齐。正因如此，大多数滑车成形术都不得不采用开放式手术，这种手术方式伤口大，患者恢复时间长，对患者来说是不小的负担。

为了攻克这些难题，来自瑞士巴塞尔大学（University of Basel）生物医学工程系和巴塞尔大学儿童医院骨科的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们致力于生成患者特异性的伪健康膝关节 MR 图像，以此来辅助滑车成形术的术前规划。这项研究成果发表在《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》上，为 TD 的治疗带来了新的希望。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们从公开的 fastMRI 数据集中获取健康膝关节 MR 数据，同时使用巴塞尔大学儿童医院的内部 TD 患者 MR 图像。然后，通过前景 - 背景分割和掩膜技术，精准定位并掩盖病理区域。接着，利用小波扩散模型（Wavelet diffusion model，WDM），以患者独特的髌骨为条件，对健康组织进行修复，生成伪健康的 MR 图像。

研究结果

1. 诊断评估：研究人员对 49 例 TD 患者的膝关节 MR 扫描图像进行分析，发现经模型修复后的伪健康图像效果显著。在 49 例病理 MR 扫描中，41 例经 Déjour 方法分类，TD 严重程度降低了一个或多个阶段。在修复前，由于 TD 严重，49 例扫描中有 33 例无法测量沟角（Sulcus angle，SA）和滑车沟深度（Trochlear groove depth，TGD），而修复后，49 例中有 46 例可以测量。对修复前后均能测量 SA 和 TGD 的 16 例扫描进行定量分析，结果显示 SA 从病理平均值 154° 显著降低到伪健康平均值 145°，TGD 从病理平均值 3.6mm 显著增加到伪健康平均值 5.2mm。
2. 图像质量评估：研究人员对 fastMRI 测试集中的图像进行了图像质量评估，指标包括均方误差（Mean-squared error，MSE）、峰值信噪比（Peak signal-to-noise ratio，PSNR）和结构相似性指数（Structural similarity index measure，SSIM）。结果显示，模型达到的 MSE 为 0.0250 ± 0.0091，PSNR 为 16.3449 ± 1.9196，SSIM 为 0.6524 ± 0.0651。

研究结论与讨论

研究结果表明，生成的伪健康修复图像在辅助滑车成形术的术前规划方面展现出了巨大的潜力。这些图像能够有效减少 TD 的迹象，为医生在设计滑车凹槽时提供有力的决策支持，这意味着医生在手术前可以更清晰地了解患者的情况，制定更精准的手术方案。

不过，该方法也存在一定的局限性。它对患者的适用范围有限，要求病理患者的 MR 图像不能有过度肿胀，髌骨不能脱位，而且过度生长的骨板或局灶性骨膜周围水肿区可能会影响结果质量，因为这些特征在训练数据集中并不存在。

展望未来，研究人员计划扩大数据库，纳入更多年轻患者的数据，同时利用数据增强技术来优化模型。此外，他们还设想让医生通过虚拟现实等技术手动操作图像，比如重新定位脱位的髌骨，以此拓展该方法在更复杂病例中的应用。

总的来说，这项研究基于 WDM 提出了生成患者特异性伪健康膝关节 MR 图像的工作流程，这些图像就像是医生的 “得力助手”，能够为术前决策提供宝贵的指导，补充手术专业知识。该方法为未来更精确、更个性化的手术方案规划奠定了基础，有望推动滑车成形术朝着更微创、更高效的方向发展，让更多 TD 患者受益 。