基于MRI的骨盆虚拟X线片评估髋臼形态：与常规X线片的比较验证及无症状人群髋关节畸形患病率研究

《European Radiology Experimental》：MRI-based virtual radiographs of the pelvis for assessment of acetabular morphology

　　

摘要专业翻译 目的：研究人员从伴有或不伴有关节内造影剂的髋关节生成基于磁共振成像（MRI）的虚拟X线片（VRs），并将其与常规前后位骨盆X线片（CR）在测量偏倚、观察者间和观察者内一致性以及髋臼畸形诊断方面进行比较；此外，研究人员还评估了无症状参与者中基于VR的髋关节畸形患病率。 材料与方法：回顾性研究纳入50例患者（100个髋关节；平均年龄34岁），这些患者患有股骨髋臼撞击征或髋关节发育不良，并接受了CR和单侧磁共振关节造影检查。此外，53名无症状参与者接受了非增强MRI检查。研究人员利用3D nnU-Net对T1加权容积内插屏气检查（VIBE）Dixon MRI进行骨盆骨骼分割、伪计算机断层扫描（pseudo-CT）生成和锥束投影，以生成VR。研究人员比较了CR和VR之间的髋臼覆盖指标（外侧中心边缘角（LCE）、髋臼指数（AI）、前/后覆盖、挤出指数（EI））以及髋臼版本。采用组内相关系数（ICC）和κ统计量评估观察者间一致性；采用Bland-Altman分析评估偏倚。 结果：VR的观察者间一致性范围为中度至几乎完美（ICC/κ 0.60–0.94），但AI除外。LCE在有造影剂（?0.2°±2.5，p=0.663）或无造影剂（?0.2°±2.2，p=0.530）的情况下均未显示显著偏倚。AI、EI、前/后覆盖以及坐骨棘征存在系统性差异；57–75%的差异处于CR观察者间变异范围内。诊断分类显示CR与VR之间具有高度一致性（κ=0.62），与CR观察者间一致性（κ=0.70）相当。在无症状参与者中，13%存在髋臼发育不良，68%覆盖正常，19%覆盖过度。 结论：基于MRI的VR可提供与CR相当的髋臼形态学评估，并能在有症状患者和无症状人群中实现无辐射评估。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

股骨髋臼撞击征（FAI）和发育性髋关节发育不良（DDH）是导致年轻活跃人群髋部疼痛和早发性骨关节炎的主要原因。传统诊断评估依赖临床检查结合影像学手段，其中常规X线片（CR）仍是评估髋臼覆盖和版本的金标准，因为诊断髋臼畸形的既定标准均基于X线片。然而，计算机断层扫描（CT）虽常用于三维可视化，但其电离辐射暴露对年轻患者和研究人群而言是一个重大问题。磁共振成像（MRI）消除了辐射暴露并提供优越的软组织对比度。近年来，人工智能的进展使得从MRI中实现全自动三维骨盆骨骼分割成为可能。这些三维模型可用于解剖学评估和动态虚拟撞击模拟以辅助手术规划。为了将这一三维工作流与既定的X线片诊断标准整合，需要从分割后的MRI模型中生成虚拟X线片（VR）。这种方法允许外科医生术前在标准角度测量上模拟手术矫正效果，确保三维矫正能够转化为预期的二维（2D）X线片结果。然而，基于MRI的骨盆VR尚未与CR进行对比验证，这正是本研究开展的依据。由于关节内造影剂可能改变用于分割的骨骼边界描绘，研究人员同时比较了有无关节内造影剂的髋关节生成的VR。

本研究旨在评估从有无关节内造影剂的髋关节生成MRI-based VR的可行性，并将其与CR在测量偏倚、观察者间和观察者内一致性以及髋臼畸形X线片诊断变异方面进行比较。此外，研究人员还旨在基于VR评估一组年轻无症状参与者中髋关节畸形的患病率。

二、研究方法概述

本研究为回顾性可行性研究，结合前瞻性收集的无症状参与者队列。主要关键技术方法包括：

1. 1.
   深度学习自动分割：采用先前验证的自配置nnU-Net框架（Isensee等），以水-only VIBE Dixon图像为输入，实现骨盆骨骼和股骨近端的全自动三维分割，并获得高分割精度（骨盆骨Dice系数94%，股骨近端97%）。
2. 2.
   伪CT生成：将分割掩膜应用于同源的in-phase VIBE Dixon图像，通过数学变换公式pseudoCT[mask==1]=2·(1-√(MR[mask==1]))调整骨内对比度，生成模拟CT衰减特征的伪CT（pseudo-CT）图像，使皮质骨呈现高信号。
3. 3.
   锥束投影：将伪CT图像作为输入，利用基于Kim等的MATLAB算法实施锥束投影，模拟常规X线片几何设置（虚拟射线源距模型1.2米，中心束指向髂前上棘连线中点与耻骨联合中点），生成VR。
4. 4.
   样本队列：回顾性纳入50例患者（100髋，62%女性，平均年龄34±12岁），来自三级骨科中心（伯尔尼大学医院Inselspital），均有CR和单侧MR关节造影（含3D T1-VIBE Dixon序列）。另前瞻性招募53名无症状参与者（53髋，53%女性，平均年龄29±6岁），接受非增强MRI（相同VIBE Dixon参数，不同3T设备MAGNETOM Prisma）。

三、研究结果

1. 患者CR的观察者间和观察者内一致性

CR的观察者间一致性对于五个参数达到几乎完美水平（ICC/κ值范围0.82至0.93），AI和后壁（PW）征呈高度一致性（ICC分别为0.76和0.68）。观察者内一致性对所有参数均为几乎完美（ICC/κ范围0.83至0.96）。

2. 患者VR的观察者间和观察者内一致性

VR上大多数参数的观察者间一致性范围为中度至几乎完美（ICC/κ 0.60至0.94），但AI例外，其一致性仅为一般（有造影剂ICC 0.52，无造影剂ICC 0.31）。观察者内一致性同样为高度至几乎完美，AI仍仅为一般（有造影剂ICC 0.52，无造影剂ICC 0.40）。

3. 患者CR与VR之间X线片参数的差异

与CR参考相比，有造影剂的VR在四个参数上表现出固定偏倚：AI（平均差1.5±4.3°，p=0.020）、挤出指数EI（-1.1±2.7%，p=0.007）、坐骨棘（IS）征（36% vs 18%，p=0.043）和后覆盖（1.7±5.6%，p=0.037）。无造影剂的VR与CR相比，四个参数也存在差异：EI（-0.7±2.4%，p=0.042）、IS征（36% vs 14%，p=0.011）以及前/后股骨头覆盖参数。关键的是，LCE角测量在有无造影剂的VR与CR之间均无统计学显著差异（有造影剂：-0.2±2.5°，p=0.663；无造影剂：-0.2±2.2°，p=0.530）。Bland-Altman分析显示定量参数的95%一致性界限（LoA）在两组VR与CR之间重叠（例如LCE角：有造影剂LoA -5.1至4.8°，无造影剂LoA -4.4至4.0°）。大多数CR与VR测量差异落在CR观察者间变异±1个标准差范围内（范围为AI的57%到RI的75%）。

4. 患者髋臼畸形X线片诊断的变化

CR诊断分类为8个发育不良、41个正常覆盖、33个覆盖过度和18个后倾髋关节。CR与VR之间的诊断分类呈高度一致性（κ=0.62，95%CI 0.49-0.74），与CR的观察者间一致性（κ=0.70，95%CI 0.58-0.81）相当（置信区间重叠）。100个髋关节中有26个在VR上的分类与CR不同，主要发生在接近诊断阈值的髋关节。

5. 无症状参与者的髋臼畸形X线片诊断

在53名无症状参与者中，基于VR测量的平均LCE角为29±5°，AI为7±3°。大多数表现为正常髋臼覆盖（36髋，68%），7髋（13%）显示髋臼发育不良，10髋（19%）显示髋臼覆盖过度。

四、讨论与结论

讨论总结：本研究表明，通过深度学习分割、伪CT生成和锥束投影流程生成的MRI-based骨盆VR是评估髋臼形态的一种可行且准确的辅助手段。VR测量的可靠性在大多数参数上表现良好（中度至几乎完美的ICC/κ），但AI的一致性最差，这与其依赖精确识别内侧硬化线这一细微解剖标志有关，且在VR上该标志的显示可能因MRI较低的空间分辨率（1.2mm2 vs CR的0.2-0.3mm2）和伪CT无法完全复制X线衰减对比而进一步复杂化。尽管有四个参数显示出统计学显著的系统性偏倚，但这些差异的幅度较小，且大部分处于CR观察者间变异的临床可接受范围内，不太可能改变远离诊断阈值髋关节的分类。LCE角作为评估髋臼覆盖最重要的临床参数，在VR与CR之间无显著差异，且两者在髋臼畸形分层上达到高度一致性（κ=0.62），与CR观察者间一致性（κ=0.70）相当。这支持了VR在需要避免辐射的临床场景（如需要多次成像的年轻患者或人群筛查项目）中的潜在应用价值。在无症状参与者中的应用显示了该无辐射方法的临床适用性，所观察到的髋臼发育不良患病率（13%）与基于CR的人群研究报告的范围一致。研究的局限性包括：基于单一序列、空间分辨率较低；排除了晚期骨关节炎和复杂畸形；为单中心研究；患者与无症状参与者使用不同3T设备；后倾定义偏向特异性；以及无症状队列较年轻等。

研究结论翻译：总之，本研究证明，使用基于深度学习的方法从临床髋关节MRI生成的虚拟前后位骨盆X线片代表了评估髋臼形态的一种可行且临床可比的辅助手段，尽管存在AI可靠性和重复性较差的局限性。在无症状参与者中的成功应用，无需辐射暴露即可识别出临床相关的形态学异常，突显了该技术在CR不可行的人群研究中的潜力。通过从三维MRI数据集中提取标准的二维度量指标，该工作流为临床和研究环境中髋关节畸形的评估提供了一种无辐射、经济高效的增强方案。