3.0T MRI3D-VIBE序列聯合OsiriX軟件半自動分割在膝骨關節炎軟骨體積測量中的應用價值

陳逸群，趙雪文

摘要：目的：探討3.0T MRI3D-VIBE序列聯合OsiriX軟件半自動分割對測量膝骨關節炎軟骨體積的效率和可重復性。方法：隨機選取2018年1月-2020年12月期間在本院影像科接受3.0T MRI3D-VIBE序列檢查并符合條件的患者80例，分為輕度KOA組（39例）和重度KOA組（41例），同時納入健康志愿者40例為對照組。對MR圖像質量進行一致性檢驗;使用OsiriX軟件分割比較三組受試者的各膝關節軟骨體積;比較OsiriX軟件半自動分割和常規手工分割在測量KOA組和對照組的軟骨體積所需時間和可重復性誤差。結果：3D-VIBE序列膝關節軟骨成像的圖像質量評分結果一致性較好（Kappa值=0.83，P<0.01）;輕度KOA組各軟骨體積值均比對照組低，但都高于重度KOA組，所有比較均有顯著統計學差異（P<0.01）;KOA組和對照組使用OsiriX軟件半自動分割膝關節軟骨所用時間都比常規手工測量少，差異均有統計學意義（P<0.01）;KOA組和對照組使用OsiriX軟件半自動分割和常規手工測量比較，觀察者間可重復測量誤差和觀察者內可重復測量誤差均低于常規手工測量（P<0.05）。結論：3.0T MRI3D-VIBE序列成像對于顯示膝關節軟骨圖像質量良好，其聯合OsiriX軟件半自動測量對于分割膝關節各軟骨比常規手工測量更節約時間，可重復性更好。

關鍵詞：核磁共振;膝骨關節炎;3D-VIBE序列;OsiriX軟件;軟骨分割

中圖分類號：R445.2文獻標識碼：ADOI：10？郾3969/j.issn.1001-0270.2022.01.04

Application Value of 3.0T MRI 3D-VIBE Sequence Combined with Osirix Semi-Automatic Segmentation in Cartilage Volume Measurement of Knee Osteoarthritis

CHEN Yi-qun， ZHAO Xue-wen（Corresponding author）

（Medical Imaging Department， Suzhou Ninth People's Hospital， Jiangsu 215200， China）

Abstract： Objective： To explore the efficiency and repeatability of 3.0T MRI 3D-VIBE sequence combined with OsiriX software semi-automatic segmentation in measuring cartilage volume of knee osteoarthritis. Methods： 80 patients who received 3.0T MRI 3D-VIBE sequence examination in the imaging department of our hospital from January 2018 to December 2020 were randomly divided into mild KOA group （n = 39） and severe KOA group （n = 41）， and 40 healthy volunteers were included as control group. The consistency of MR image quality was tested; the knee cartilage volumes of the three groups were compared by OsiriX software segmentation; the time and repeatability errors of OsiriX software semi-automatic segmentation and conventional manual segmentation in measuring cartilage volume between KOA group and control group were compared.Results： the image quality scores of 3.0TMRI3D-VIBE sequence knee cartilage imaging were consistent （Kappa=0.83， P<0.0l）， and the cartilage volume values of mild KOA group were lower than those of control group， but higher than those of severe KOA group （P<0.0l）. The time of semi-automatic segmentation of knee cartilage by OsiriX software in KOA group and control group was less than that by routine manual measurement， and the difference was statistically significant （P<0.01）. Compared with routine manual measurement and semi-automatic segmentation with OsiriX software， the inter-observer and intra-observer repeatable measurement errors in KOA group and control group were lower than those in conventional manual measurement （P<0.05）.Conclusion： 3.0TMRI3D-VIBE sequence imaging has good image quality for displaying knee cartilage， and its combination with OsiriX semi-automatic software measurement is more time-saving and repeatable than conventional manual measurement in segmenting knee cartilage， so it is worth popularizing.

Key Words： Nuclear Magnetic Resonance; Knee Osteoarthritis; 3D-VIBE Sequence; Osirix Software; Cartilage Segmentation

膝骨關節炎（knee osteoarthritis，KOA）是最常見的一種關節炎，其特征是進行性軟骨丟失，鄰近骨骼重塑，關節結構改變，導致疼痛和功能障礙[1]。因此，對KOA中軟骨的改變進行研究，將有助于診斷和治療。隨著核磁共振（MRI）設備的不斷發展和成像技術的不斷進步，越來越多的方法和手段逐漸應用于MRI的臨床診斷。如三維容積插入式屏氣檢查（three dimension volumetric interpolated breath-hold examination，3D-vibe）序列，是一種使用快速3D梯度回波序列生成T1圖像的容積成像形式，具有提高Z軸分辨率的優點，可以獲得高質量的多平面和3D重建圖像，而且屏氣時間通常小于30s，獲得受呼吸運動影響最小的動態、高分辨率T1加權組織成像[2]，已被應用于診斷肺部腫瘤[3-4]、髖關節疾病[5-6]、乳腺病變[7]以及異常胎兒[8]等方面，但鮮有文獻報道應用于膝關節軟骨方面。功能強大的OsiriX開源軟件，能方便地定量測量膝關節軟骨[9]，以便于觀察KOA的軟骨改變情況。本研究通過在3.0T MRI上采用3D-vibe序列掃描KOA患者及健康志愿者的膝關節部位，結合OsiriX軟件分割測量膝關節軟骨體積，進而探討3D-vibe序列成像聯合OsiriX分割測量膝關節軟骨體積在KOA中的應用價值，報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

隨機選取2018年1月-2020年12月期間在本院影像科行MRI檢查的患者中符合條件的受試者80例。 納入標準：①臨床表現為膝關節疼痛和功能障礙，臨床診斷為KOA;②行KOA的MRI檢查;③在MRI檢查前3h內無劇烈運動;④意識清醒，可積極配合本次研究;⑤在充分告知的基礎上，自愿參加本課題研究，并簽署知情同意書。排除標準：①膝關節外傷、膝關節手術病史，或合并有膝關節其他疾患;②MRI檢查的禁忌癥;③同期參與其他臨床試驗研究項目。根據WOMAC（western Ontario and McMaster University）骨性關節炎評分指數及Kellgren-Lawrence放射學診斷標準將KOA患者再分為輕度（I～II級）、重度（III～IV級）兩組觀察組，其中輕度KOA組男性患者14例，女性患者25例，左膝關節20例，右膝關節19例，患者年齡范圍40-82歲，平均年齡（59.49±8.52）歲;重度KOA組男性患者18例，女性患者23例，左膝關節18例，右膝關節23例，患者年齡范圍42-85歲，平均年齡（68.95±10.17）歲。另于同期在本院選取無膝關節炎及外傷病史、無膝關節痛的健康志愿者40例作為對照組，其中男性16例，女性24例，左膝關節17例，右膝關節23例，年齡范圍38-75歲，平均年齡（52.38±7.46）歲）。本研究經醫院倫理委員會審查批準，受試者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 3.0T MRI 3D-VIBE序列成像

對所有受試者采用德國Siemens Verio 3.0T超導型磁共振掃描儀檢查。受試者取仰臥位，固定患側膝關節，采用膝關節專用線圈，將髕骨最下緣與脛骨結節的中點定位于線圈中心。掃描矢狀位3D-VIBE序列，掃描參數設置為：TR11.6ms，TE 5.4ms，各向同性，水激發，層厚0.6mm，無層間距，矩陣256×256，視野15cm×15cm。

1.2.2 膝關節軟骨體積的測量

采集的MRI圖像先轉入移動硬盤，然后再導入計算機，由2名經驗豐富的圖像后處理技師使用OsiriX MD 10.0版本軟件分割膝關節各部分軟骨，同時進行軟件半自動分割（圖A）和常規手工分割（圖B）。分割好后由軟件自動計算軟骨體積，包括髕骨軟骨（PC）、股骨軟骨（FC）、脛骨內側髁軟骨（MTC）、脛骨外側髁軟骨（LTC）。

1.2.3 圖像評估

由2名高年資醫師評估采集到的MRI圖像，觀察膝關節各部分軟骨的關節面、關節間隙及關節面下骨侵蝕的情況。采用一致性檢驗方法（Kappa檢驗），比較2名醫師對MRI圖像質量評分結果的一致性。Kappa值≥0.75，表示一致性較好;0.4≤Kappa值<0.75，表示一致性一般;Kappa值<0.4，表示一致性較差。對于Kappa值<0.4的評分結果，另邀請1名MRI副主任醫師共同商議確定評分結果。

1.3 觀察指標

1.3.1 膝關節軟骨體積測量

使用OsiriX半自動軟件分別測量對照組、輕度KOA組和重度KOA組，獲得各組軟骨體積，包括：髕骨軟骨、股骨軟骨、脛骨內側髁軟骨和脛骨外側髁軟骨體積值。

1.3.2 測量膝關節軟骨體積所需時間

在操作過程中，分別使用OsiriX半自動軟件和常規手工測量，記錄KOA組和對照組測量全過程所需時間以及分割時間。

1.3.3 測量可重復性誤差

比較KOA組和對照組分別使用OsiriX半自動軟件和常規手工測量的可重復性誤差。

1.4 統計學分析

應用SPSS 21.0統計軟件對數據進行統計學分析。計數資料采用百分率（%）表示，計量資料采用x±s表示，通過計算變異系數均方根獲取各可重復性誤差。使用Kappa一致性檢驗比較圖像質量，使用兩獨立樣本t檢驗比較計量資料，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 MRI圖像質量評分結果的一致性

2名醫師對于MRI圖像質量的結果評分一致性較好，Kappa值=0.83，P<0.01。見表1。

2.2 三組受試者膝關節軟骨體積比較

膝關節輕度KOA組各軟骨體積與對照組相比，FC（t=9.20，P<0.01），MTC（t=4.33，P<0.01），LTC（t=3.38，P<0.01），PC（t=2.65，P<0.01），所有比較均有顯著統計學差異。輕度KOA組與重度KOA組相比，FC（t=5.17，P<0.01），MTC（t=4.53，P<0.01），LTC（t=8.22，P<0.01），PC（t=5.09，P<0.01），所有比較均有統計學顯著性。見表2。

2.3 OsiriX軟件半自動分割和常規手工測量所需時間比較

KOA組使用OsiriX軟件半自動分割膝關節軟骨所用時間為（9±2）min，使用常規手工測量為（18±6）min，t=12.73，P<0.01，有統計學意義;對照組使用OsiriX軟件半自動分割所用時間為（7±3）min，使用常規手工測量為（14±5）min，t=7.59，P<0.01，有統計學意義。由此可見，使用OsiriX軟件半自動分割比常規手工測量更節約時間。見表3。

2.4 OsiriX軟件半自動分割和常規手工測量可重復性誤差比較

KOA組患者使用OsiriX軟件半自動分割和常規手工測量比較，觀察者間可重復測量誤差分別為8.6%和15.7%，觀察者內可重復測量誤差分別為2.2%和4.2%，均低于常規手工測量（P<0.05）。對照組使用OsiriX軟件半自動分割和常規手工測量觀察者間可重復測量誤差分別為3.8%和11.2%，觀察者內可重復測量誤差分別為0.5%和1.8%，也均低于常規手工測量（P<0.05）。見表4。

3 討論

3D-VIBE序列最初是為單次短時間屏氣的檢查而開發的，現已被廣泛用于3D檢查，其具有高信噪比[10]和各向同性體素的高空間分辨率圖像[11]。Zheng等（2010）[12]研究結果顯示，與3D FLASH序列相比，3D-VIBE序列提供更高的軟骨SNR、軟骨到滑液的CNR、軟骨到半月板的CNR和軟骨到骨髓的CNR。3D-VIBE序列運動偽影明顯較少，其顯示深層軟骨表面要好于3D FLASH序列。徐啟蘭等（2015）[13]研究結果顯示，采用3D-VIBE序列比常規X線攝片和CT掃描能更好顯示強直性脊柱炎患者的骶髂關節軟骨病變。本研究結果顯示，3.0T MRI 3D-VIBE序列能很好地顯示膝關節各部分軟骨的關節面、關節間隙及關節面下骨侵蝕的情況，2名醫師對于3D-VIBE序列圖像質量的評分結果也取得較好的一致性。

以往測量軟骨體積采用常規手工分割的辦法，對操作者要求較高，非常耗時，而且不同操作者的測量結果也會有差異，測量可重復性不高[14]。隨著技術發展，現在有很多圖像后處理軟件，可以定量測量關節軟骨體積，提高了效率和可重復性。董玉茹等（2015）[15]研究結果顯示，3D-VIBE序列聯合Argus軟件測量KOA患者髕骨軟骨體積比常規手工測量所需時間更短，可重復性誤差明顯低于手工測量，而且測量的體積無明顯差異。本研究結果顯示，膝關節輕度KOA組各軟骨體積均低于健康對照組，同時均高于重度KOA組，比較均具有統計學差異，這與KOA進行性軟骨丟失的特征相符。所有不同組受試者使用OsiriX軟件半自動分割比常規手工測量更節約時間。KOA組和對照組使用OsiriX軟件半自動分割和常規手工測量比較，觀察者間可重復測量誤差以及觀察者內可重復測量誤差，OsiriX軟件半自動分割均低于常規手工測量。

綜上所述，3.0T MRI 3D-VIBE序列成像對于顯示膝關節軟骨圖像質量良好，其聯合OsiriX半自動軟件測量對于分割膝關節各軟骨比常規手工測量更節約時間，可重復性更好。這將有助于我們更有效地發現KOA中軟骨的改變，更有利于KOA的診斷和治療。

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