基于直立开放式磁共振成像的髋关节平移测量准确性与可靠性：一项体模验证研究

《Journal of Biomechanics》：Accuracy and reliability of hip translations measured using upright open MRI: a validation study using a phantom

　　

摘要 人们对量化髋关节平移（hip translations）的兴趣日益增加，但可供使用的非侵入性测量方法很少。本研究旨在确定直接从直立开放式磁共振扫描仪（Upright Open MR scanner，MROpen）获取的图像中测量髋关节位置的准确性和可重复性，该扫描仪允许在多种髋关节姿势下成像。研究人员设计并3D打印了一个体模（phantom），包含8个髋关节模型，代表4名受试者在2种姿势下的情况、1个理想化髋关节，以及3个用于定义坐标系的球体。该体模在MROpen中使用T1加权梯度回波（T1-weighted GFE）序列扫描5次，该序列已被验证适用于在该扫描仪上扫描人体髋关节。研究人员将测得的股骨头中心（femoral head centre）相对于髋臼中心（acetabulum centre）的位置与用于创建模型的已知值进行比较。在两种姿势下的四个髋关节中，各方向上相对位置误差的均值（mean）和均方根（RMS）均低于0.8 mm。观察者内和观察者间可靠性的组内相关系数（intra-class correlation coefficients，ICC）范围为0.71至0.96。研究人员得出结论：使用该直立开放式磁共振扫描仪直接测量髋关节位置，其准确性和可靠性足以显示具有临床意义的差异。

论文解读：基于直立开放式磁共振成像的髋关节平移测量准确性与可靠性验证研究

一、研究背景与目的

髋关节平移（hip translations）是指股骨头相对于髋臼的移动，其量化在临床研究中日益受到关注。健康的髋关节虽具有广泛的旋转活动范围，但股骨头的平移受到球窝状骨性解剖结构以及韧带、盂唇和肌肉等软组织的约束。然而，精确的髋关节运动学测量已表明，在许多髋关节活动中股骨头会相对于髋臼发生平移。过度的股骨头平移与软组织和骨性病理相关，例如髋关节屈曲时股骨头从髋臼中撬出（"微撬效应"）可导致后侧关节囊-盂唇交界处的对侧损伤。髋关节微不稳定（hip micro-instability）被定义为生理负荷下症状性的过度活动，正逐渐被认定为一种病理实体。深入理解这些病理实体需要经过验证的股骨头平移测量方法。

目前已有多种影像学方法用于研究髋关节平移，但均存在局限性：X线摄影提供二维测量且存在电离辐射；计算机断层扫描（CT）可获得三维测量但同样存在辐射暴露，且患者姿势受扫描仪几何结构限制；传统磁共振成像（MRI）虽无电离辐射，但由于圆柱形扫描孔的限制，无法研究许多极端髋关节姿势，而这些姿势恰恰是平移最显著的情况。结合MRI与光学追踪、或CT与双荧光透视追踪的方法虽取得有价值的结果，但易受软组织变形和配准误差的影响。

直立开放式MRI（Upright Open MRI）为测量髋关节平移提供了新方法，能够直接研究传统扫描仪无法实现的姿势，如负重站立位和FADIR姿势（仰卧位髋关节屈曲90°、内收和内旋），后者用于临床检查股骨髋臼撞击综合征（FAI）。然而，直立开放式MRI扫描仪通常在较低且均匀性较差的磁场强度下运行，限制了可实现的图像分辨率和质量。因此，评估该方法测量髋关节平移的准确性和可重复性至关重要。本研究旨在确定使用直立开放式磁共振扫描仪测量股骨头相对于髋臼位置的准确性和可重复性。

二、研究设计与方法

研究人员利用为IMPAKT-HIP项目和髋骨关节炎进展评估（HOPE）研究收集的数据，从IMPAKT-HIP人群研究中选取4个髋关节纳入体模，分别代表凸轮型FAI（CAM）、钳型FAI（PINCER）、仅有疼痛无FAI畸形（PAIN）和对照组（CTRL）四种类型。研究人员使用MROpen扫描仪（0.5 T，ASG Superconductors Paramed MROpen）在FADIR姿势下以T1加权GFE序列扫描参与者髋关节，同时使用Philips 3T Ingenia Elition X全身MRI系统在仰卧位获取高分辨率髋关节图像。通过手动分割、插值平滑和表面配准构建高分辨率关节模型，最终3D打印出尼龙体模，包含8个关节模型（4个髋关节×2种姿势）、1个理想化髋关节和3个定义正交坐标系的定位球体。

主要技术方法包括：使用T1加权GFE序列在MROpen上对体模进行5次扫描；使用3D STSS序列在三个正交平面扫描定位球体以评估坐标系准确性；在6种不同方向下扫描体模以评估方向误差；对理想化关节使用T1加权GFE序列扫描10次以量化与真实髋关节表面球体拟合无关的误差；采用半自动分割和拟牛顿算法计算股骨头中心和髋臼中心的球面中心；使用组内相关系数（ICC(3,1)）评估观察者内和观察者间可靠性。

三、研究结果

3.1 理想化关节的相对位置误差

在理想化关节中，股骨头中心相对于髋臼中心在各方向上的平均误差和误差标准差分别为?0.27±0.07 mm、?0.08±0.13 mm、0.23±0.14 mm，两中心间整体距离的误差为0.25±0.15 mm。对应的均方根（RMS）误差在三个方向和整体距离上分别为0.27 mm、0.15 mm、0.26 mm和0.29 mm。标准误（SEM）分别为0.02 mm、0.04 mm、0.04 mm和0.05 mm。

3.2 关节模型的相对位置误差

在两种姿势下的四个模拟髋关节中，股骨头中心相对于髋臼中心在各方向上的平均误差和标准差分别为0.32±0.38 mm、?0.01±0.29 mm和?0.17±0.40 mm，两中心间距离的误差为0.16±0.31 mm。对应的RMS误差分别为0.49 mm、0.29 mm、0.43 mm和0.35 mm，SEM分别为0.06 mm、0.05 mm、0.06 mm和0.05 mm。四个髋关节在两种姿势下各方向和两中心间距离的相对位置误差均值和RMS均低于0.8 mm。

3.3 可靠性

使用体模进行观察者内可靠性评估，三个方向和距离的ICC分别为0.92、0.96、0.88和0.94。观察者间可靠性分别为0.84、0.94、0.75和0.71，处于良好至优秀范围。

四、讨论与结论

本研究的测量准确性和精度与其他测量方法一致。使用双荧光透视和基于模型追踪测量髋关节运动学的研究报告偏差和精度约为1 mm；基于体素的MRI配准方法报告骨重建精度为1.5 mm、运动追踪算法精度为0.5 mm；N点配准算法的平移可重复性为1 mm。最小可检测变化（SDC₉₅）定义为1.96×√2×SD，8个关节的距离平均误差对应的SDC₉₅范围为0.26 mm至0.59 mm。无症状髋关节在生理条件下的预期平移范围为0.5至2 mm，症状性髋关节的平移往往更高，异常平移阈值公认约为3 mm。

直立开放式MRI测量髋关节平移的优势包括：三维测量、无电离辐射、可访问广泛姿势范围以及避免配准误差。本研究的优势在于体模中包含四种不同病理类型的髋关节，扩展了研究结果的适用性；关节模型具有高分辨率（0.1 mm各向同性体素），使"真实"位置的估计非常准确。局限性包括：体模与自然关节之间的MR对比度差异可能影响分割准确性；体模未考虑活体参与者中预期的运动伪影；准确性和可靠性可能对所选分析扫描平面敏感。

研究结论：使用直立开放式磁共振扫描仪可以直接测量髋关节平移，其准确性和可靠性足以显示具有临床意义的差异。