膝關節(jié)MRI替代X線檢查評估骨骺發(fā)育推斷骨齡的可行性研究

鄧小冬,成子琦,林雨山,范飛,占夢軍,王廷宏,向明亮,張偉,劉云,鄧振華

(1.川北醫(yī)學院基礎醫(yī)學與法醫(yī)學研究所,四川 南充 637000;2.四川大學基礎醫(yī)學與法醫(yī)學院,四川 成都 610041)

骨齡推斷在法庭科學、臨床醫(yī)學、競技體育、移民及難民福利等領域具有重要意義[1-2]。目前主要通過具有放射性影像檢查技術(X線或CT)獲取單一或多部位聯(lián)合的骨骼或牙齒影像,基于人工評閱目標骨骺或牙齒影像學特征,推斷骨齡[3]。盡管單一部位X線片輻射量(0.1 μSv)微弱,但放射檢查輻射危害的潛在風險仍不容忽視,且非診療目的的放射性影像檢查備受爭議,故有必要探尋非輻射性檢查手段予以替代[4]。與傳統(tǒng)放射性X線或CT檢查相比,MRI具有高分辨率、多參數(shù)、多層面、多角度和安全無輻射等優(yōu)勢,可清晰呈現(xiàn)骨骺發(fā)育各階段的形態(tài)特征,是評價青少年骨骺發(fā)育理想的非放射性影像成像技術,備受國外學者青睞[5]。近年來,開展了大量基于四肢長骨、鎖骨等部位MRI推斷骨齡的研究[6-9];其中,膝關節(jié)繼發(fā)骨化中心出現(xiàn)早,骨骺閉合晚,骨骺發(fā)育時間跨度大,有望通過單一部位擴展重要年齡節(jié)點判別范圍,滿足我國司法實踐需求,豐富法醫(yī)學年齡推斷研究內容,具有重要的現(xiàn)實意義。既往基于歐洲人群采用不同骨骺分級方法驗證了膝關節(jié)MRI推斷青少年骨齡的潛在價值,認為膝關節(jié)MRI有望替代X線檢查推斷青少年骨齡[10-14]。本研究團隊前期聯(lián)合運用Schmeling和Kellinghaus分級法回顧性評估了852例(7～30歲)中國漢族人群膝關節(jié)3.0T MRI矢狀位T1-TSE序列股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育情況,并建立了年齡預測回歸模型,結果表明基于膝關節(jié)MRI推斷骨齡是一種具有潛在價值的非輻射性年齡推斷方法[15]。但對比分析膝關節(jié)MRI替代X線片評估膝關節(jié)骨骺發(fā)育等級的可行性研究鮮有報道。基于此,本研究擬探討膝關節(jié)MRI替代X線片評估膝關節(jié)骨骺發(fā)育推斷骨齡的可行性。

1 材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1 研究對象 收集2014年9月至2021年7月四川大學華西醫(yī)院和川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院圖像存儲與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication system,PACS)中11～25歲中國漢族青少年個體同時期(1個月內)拍攝的123例(男性68例,女性55例)膝關節(jié)MRI及X線片資料。所有MRI和X線片顯示膝關節(jié)骨骼發(fā)育正常、圖像清晰,無影響骨骼生長發(fā)育的疾病、外傷史、手術史。對應的實際年齡計算:實際年齡=(拍片日期-出生日期)/365.25。

1.1.2 醫(yī)學影像圖像相關參數(shù) 膝關節(jié)MRI來源于美國通用電氣公司(General Electric company,GE)Discovery MR750、Signa Excite、Signa Premier和Signa Architect型號的3.0 T磁共振設備。采用矢狀位T1加權快速自旋回波序列(T1- weighted image- turbo spin echo,T1-TSE),厚度3～4 mm,重復時間(TR)340～780 ms,回波時間(TE)7～14 ms,視野(FOV)180 mm×180 mm。膝關節(jié)X線片來源飛利浦數(shù)字X線成像系統(tǒng)。膝關節(jié)MRI和X線片均進行匿名化處理,統(tǒng)一數(shù)據格式。采用醫(yī)學圖像處理軟件RadiAnt DICOM Viewer(Medixant)進行觀察分析。

1.2 方法

采用《法庭科學漢族青少年骨齡鑒定技術規(guī)程》[16](以下簡稱《規(guī)程》)和Schmeling與Kellinghaus(SK)聯(lián)合分級法[17-19]對骨骼發(fā)育進行分級。見圖1及圖2。

1.3 觀察指標

由1名長期從事法醫(yī)學年齡推斷的研究人員(觀察者A)根據前述膝關節(jié)骨骺發(fā)育分級標準及原則分別對膝關節(jié)X線片和MRI進行評閱,評估股骨遠端骨骺、脛骨近端骨骺發(fā)育等級。為評估觀察者內的重復性,觀察者A完成評估任務30 d后再次評估股骨遠端骨骺、脛骨近端骨骺發(fā)育等級。為評估觀察者間的可靠性,隨機選取膝關節(jié)X線片和MRI 62例,由另1名長期從事法醫(yī)影像學研究的研究人員(觀察者B)根據前述膝關節(jié)骨骺發(fā)育分級標準及原則評估股骨遠端骨骺、脛骨近端骨骺發(fā)育等級。觀察者內、觀察者間均按照雙盲原則進行獨立評閱及分級。

1.4 統(tǒng)計學分析

2 結果

2.1 研究對象一般情況

本研究共納入123例膝關節(jié)MRI和X線片,年齡(19.78±4.02)歲;男性68例,年齡(20.12±3.98)歲;女性55例,年齡(19.37±4.08)歲。男性、女性年齡無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。

2.2 膝關節(jié)MRI與X線片骨骺發(fā)育的一致性分析

膝關節(jié)MRI與X線片股骨遠端骨骺、脛骨近端骨骺發(fā)育等級的一致性較好,加權Kappa值均>0.9,等級間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表1及表2。

表1 膝關節(jié)MRI與X線片股骨遠端骨骺發(fā)育等級的一致性分析(例)

表2 膝關節(jié)MRI與X線片脛骨近端骨骺發(fā)育等級的一致性分析(例)

2.3 膝關節(jié)MRI替代X線片的可靠性及重復性評價

膝關節(jié)MRI股骨遠端骨骺、脛骨近端骨骺發(fā)育等級的觀察者內、觀察者間加權Kappa值均>0.9(P<0.05),其可靠性及重復性較好,優(yōu)于X線片。《規(guī)程》評估膝關節(jié)MRI股骨遠端骨骺發(fā)育等級的可靠性及重復性總體優(yōu)于SK聯(lián)合分級法。見表3。

表3 股骨近端和脛骨近端骨骺發(fā)育等級的觀察者內、觀察者間一致性分析

2.4 膝關節(jié)MRI與X線片骨骺發(fā)育等級與年齡的相關性

膝關節(jié)MRI股骨遠端骨骺、脛骨近端骨骺發(fā)育等級與年齡呈正相關,相關性較強,(r=0.714～0.775),與X線片表現(xiàn)相當(r=0.714～0.767),差異無統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

2.5 膝關節(jié)MRI與X線片骨骺發(fā)育等級判別18歲年齡節(jié)點的情況

觀察發(fā)現(xiàn),男性、女性MRI和X線片股骨遠端、脛骨近端骨骺完全閉合、骺線殘留均發(fā)生在14～16歲,且25歲之前未檢見骺線消失的影像學特征。因此,僅根據最小年齡原則,采用《規(guī)程》和SK聯(lián)合分級方法評估MRI或X線片股骨遠端或脛骨近端骨骺發(fā)育等級,不能判別18歲年齡節(jié)點。為進一步了解膝關節(jié)MRI或X線片股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育等級判別18歲年齡節(jié)點的具體判別能力,本研究繪制了ROC曲線。結果提示MRI與X線片股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育等級均具備較強的18歲年齡節(jié)點判別能力(AUC=0.850～0.900),能兼顧較好的特異度和敏感度,MRI股骨遠端骨骺的判別表現(xiàn)優(yōu)于X線片(P<0.05)。見圖3。

3 討論

本研究采用《規(guī)程》和SK聯(lián)合分級法評估了123例11～25歲膝關節(jié)MRI和同時期拍攝的膝關節(jié)X線片股骨遠端骨骺、脛骨近端骨骺發(fā)育等級,分析了MRI與X線片評估骨骺發(fā)育的一致性。研究表明《規(guī)程》和SK聯(lián)合分級法評估膝關節(jié)MRI與X線片股骨遠端骨骺或脛骨近端骨骺發(fā)育等級的一致性較好,無顯著等級差異。本研究在Fan等[20]研究基礎上,進一步納入《規(guī)程》標準,驗證了膝關節(jié)MRI替代X線片評估膝關節(jié)骨骺發(fā)育等級的可行性。其次,研究發(fā)現(xiàn)骨骺發(fā)育分級方法評估膝關節(jié)MRI或X線片股骨遠端骨、脛骨近端骨骺發(fā)育等級與年齡呈正相關,相關性較強,其中MRI表現(xiàn)優(yōu)于X線片,為膝關節(jié)MRI替代X線檢查推斷青少年年齡提供了可靠依據。

為評價各骨骺發(fā)育分級方法評估膝關節(jié)MRI股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育等級的可靠性和重復性,本研究隨機選取62例膝關節(jié)MRI和X線片,由兩位長期從事法醫(yī)學年齡推斷或法醫(yī)影像學研究的資深研究人員,按照雙盲原則,采用上述兩種骨骺發(fā)育分級方法獨立評估股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育等級。結果顯示,各骨骺發(fā)育分級方法評估膝關節(jié)MRI股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育等級的觀察者內、觀察者間的一致性較強,總體表現(xiàn)優(yōu)于X線片,表明采用各骨骺發(fā)育分級方法人工閱片的可靠性和重復性好,進一步說明采用膝關節(jié)MRI評估骨骺發(fā)育等級推斷骨齡具有可操作性和普及價值。

研究發(fā)現(xiàn),采用《規(guī)程》評估膝關節(jié)MRI股骨遠端骨骺發(fā)育等級的可靠性及重復性總體優(yōu)于SK聯(lián)合分級法。目前,骨骺發(fā)育分級主要基于繼發(fā)骨化中心發(fā)育程度、骺板形態(tài)以及骨骺閉合狀態(tài)進行等級劃分。最早,三分級法是最簡單、最原始的骨骺發(fā)育分級法,即骨骺未開始閉合、骨骺部分閉合、骨骺完全閉合。Jopp等[21]采用骨骺發(fā)育三分級法評閱膝關節(jié)MRI推斷年齡,發(fā)現(xiàn)該分級方法能快速、準確評估膝關節(jié)MRI骨骺發(fā)育等級,分級簡單、易操作,但該分級法過于粗略簡單,不能充分反應骨骺發(fā)育隨年齡變化規(guī)律,導致各等級年齡跨度大,準確性差,適用性不強,故本研究未納入骨骺發(fā)育三分級法進行評價。Schmeling等[18]細化了三分級法等級1(骨骺未開始閉合)和等級3(骨骺完全閉合),納入了繼發(fā)骨化中心的形態(tài)變化和骺板閉合后骺線殘留與否等細節(jié),進一步完善了骨骺分級方法,形成了五分級法,即Schmeling分級法。Daghighi等[11]采用Schmeling分級法評閱了膝關節(jié)MRI,發(fā)現(xiàn)青少年骨骺發(fā)育特點主要集中在骺板形態(tài)變化,而不是繼發(fā)骨化中心,認為該分級方法并不適用于青少年骨齡研究。2010年,Kellinghaus等[17]進一步細化了繼發(fā)骨化中心和骺板形態(tài)變化,將繼發(fā)骨化中心和骨骺閉合狀態(tài)分為三等份,即<1/3、1/3～2/3及≥2/3,其他分級原則同Schmeling分級,形成了Schmeling與Kellinghaus(SK)聯(lián)合分級法。SK聯(lián)合分級法通過細化繼發(fā)骨化中心和骨骺閉合特征,兼顧了骨骺發(fā)育分級的科學性和可操作性,是目前應用最廣泛的骨骺發(fā)育分級方法。《規(guī)程》是我國法醫(yī)學領域第一部關于漢族青少年骨齡鑒定標準,標準中涉及膝關節(jié)骨骺發(fā)育分級方法是在三分級法基礎上,將骨骺部分閉合細化為開始閉合、閉合未達1/2和閉合達1/2 以上,其他分級原則同三分級法[16]。《規(guī)程》保留了三分級法分級簡單、易操作的特點,又細化了骺板發(fā)育特征,可進一步反應骨骺發(fā)育隨年齡變化的規(guī)律,增加了年齡推斷的科學性和準確性,又較SK聯(lián)合分級法操作性更強,更利于推廣應用,未來需在更多大樣本、多種族研究中予以證實。

在法庭科學領域,青少年法醫(yī)學骨齡推斷的重點和難點在于判斷個體是否達到與法律條文規(guī)定的年齡節(jié)點。本研究發(fā)現(xiàn),男性、女性MRI和X線片股骨遠端、脛骨近端骨骺完全閉合、骺線殘留均發(fā)生在14～16歲,且25歲之前未檢見骺線消失的影像學特征。因此,根據最小年齡原則,采用《規(guī)程》和SK聯(lián)合分級法不能判別18歲年齡節(jié)點。為進一步了解膝關節(jié)MRI或X線片股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育等級判別18歲年齡節(jié)點的具體判別能力,本研究繪制了ROC曲線。結果提示MRI與X線片股骨遠端、脛骨近端骨骺發(fā)育等級均具備較強的18歲年齡節(jié)點判別能力,能兼顧較好的特異度和敏感度,且MRI股骨遠端骨骺的判別表現(xiàn)優(yōu)于X線片。然而,本研究樣本量相對有限,尚不足以全面評估膝關節(jié)MRI或X線片評估骨骺發(fā)育判別重要年齡節(jié)點的潛力,未來需加大樣本量,驗證上述基于最小年齡原則判別重要年齡節(jié)點的研究發(fā)現(xiàn)。同時,有必要進一步構建數(shù)學模型,深入挖掘各骨骺發(fā)育分級方法評估膝關節(jié)MRI骨骺發(fā)育等級推斷青少年年齡的潛在價值。

綜上,與傳統(tǒng)X線或CT檢查相比,MRI具有先天優(yōu)勢,是評價骨骼發(fā)育特征較為理想的非放射性影像學技術。然而,針對中國人群的研究數(shù)據較少,鮮有系統(tǒng)評價各骨骺發(fā)育方法評估各目標骨骼MRI判別重要年齡節(jié)點或預測個體年齡的研究報道,可能與MRI檢查在國內普及性較低有關,限制了研究者收集大量MRI相關數(shù)據用于研究探討。篩選適合本民族青少年人群的骨骺發(fā)育分級方法及MRI參數(shù)更是未來需要進一步解決的關鍵問題。