3.0T MRI3D-VIBE序列联合OsiriX软件半自动分割在膝骨关节炎软骨体积测量中的应用价值

陈逸群，赵雪文

摘要：目的：探討3.0T MRI3D-VIBE序列联合OsiriX软件半自动分割对测量膝骨关节炎软骨体积的效率和可重复性。方法：随机选取2018年1月-2020年12月期间在本院影像科接受3.0T MRI3D-VIBE序列检查并符合条件的患者80例，分为轻度KOA组（39例）和重度KOA组（41例），同时纳入健康志愿者40例为对照组。对MR图像质量进行一致性检验;使用OsiriX软件分割比较三组受试者的各膝关节软骨体积;比较OsiriX软件半自动分割和常规手工分割在测量KOA组和对照组的软骨体积所需时间和可重复性误差。结果：3D-VIBE序列膝关节软骨成像的图像质量评分结果一致性较好（Kappa值=0.83，P<0.01）;轻度KOA组各软骨体积值均比对照组低，但都高于重度KOA组，所有比较均有显著统计学差异（P<0.01）;KOA组和对照组使用OsiriX软件半自动分割膝关节软骨所用时间都比常规手工测量少，差异均有统计学意义（P<0.01）;KOA组和对照组使用OsiriX软件半自动分割和常规手工测量比较，观察者间可重复测量误差和观察者内可重复测量误差均低于常规手工测量（P<0.05）。结论：3.0T MRI3D-VIBE序列成像对于显示膝关节软骨图像质量良好，其联合OsiriX软件半自动测量对于分割膝关节各软骨比常规手工测量更节约时间，可重复性更好。

关键词：核磁共振;膝骨关节炎;3D-VIBE序列;OsiriX软件;软骨分割

中图分类号：R445.2文献标识码：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

膝骨關节炎（knee osteoarthritis，KOA）是最常见的一种关节炎，其特征是进行性软骨丢失，邻近骨骼重塑，关节结构改变，导致疼痛和功能障碍[1]。因此，对KOA中软骨的改变进行研究，将有助于诊断和治疗。随着核磁共振（MRI）设备的不断发展和成像技术的不断进步，越来越多的方法和手段逐渐应用于MRI的临床诊断。如三维容积插入式屏气检查（three dimension volumetric interpolated breath-hold examination，3D-vibe）序列，是一种使用快速3D梯度回波序列生成T1图像的容积成像形式，具有提高Z轴分辨率的优点，可以获得高质量的多平面和3D重建图像，而且屏气时间通常小于30s，获得受呼吸运动影响最小的动态、高分辨率T1加权组织成像[2]，已被应用于诊断肺部肿瘤[3-4]、髋关节疾病[5-6]、乳腺病变[7]以及异常胎儿[8]等方面，但鲜有文献报道应用于膝关节软骨方面。功能强大的OsiriX开源软件，能方便地定量测量膝关节软骨[9]，以便于观察KOA的软骨改变情况。本研究通过在3.0T MRI上采用3D-vibe序列扫描KOA患者及健康志愿者的膝关节部位，结合OsiriX软件分割测量膝关节软骨体积，进而探讨3D-vibe序列成像联合OsiriX分割测量膝关节软骨体积在KOA中的应用价值，报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2018年1月-2020年12月期间在本院影像科行MRI检查的患者中符合条件的受试者80例。 纳入标准：①临床表现为膝关节疼痛和功能障碍，临床诊断为KOA;②行KOA的MRI检查;③在MRI检查前3h内无剧烈运动;④意识清醒，可积极配合本次研究;⑤在充分告知的基础上，自愿参加本课题研究，并签署知情同意书。排除标准：①膝关节外伤、膝关节手术病史，或合并有膝关节其他疾患;②MRI检查的禁忌症;③同期参与其他临床试验研究项目。根据WOMAC（western Ontario and McMaster University）骨性关节炎评分指数及Kellgren-Lawrence放射学诊断标准将KOA患者再分为轻度（I～II级）、重度（III～IV级）两组观察组，其中轻度KOA组男性患者14例，女性患者25例，左膝关节20例，右膝关节19例，患者年龄范围40-82岁，平均年龄（59.49±8.52）岁;重度KOA组男性患者18例，女性患者23例，左膝关节18例，右膝关节23例，患者年龄范围42-85岁，平均年龄（68.95±10.17）岁。另于同期在本院选取无膝关节炎及外伤病史、无膝关节痛的健康志愿者40例作为对照组，其中男性16例，女性24例，左膝关节17例，右膝关节23例，年龄范围38-75岁，平均年龄（52.38±7.46）岁）。本研究经医院伦理委员会审查批准，受试者均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 3.0T MRI 3D-VIBE序列成像

对所有受试者采用德国Siemens Verio 3.0T超导型磁共振扫描仪检查。受试者取仰卧位，固定患侧膝关节，采用膝关节专用线圈，将髌骨最下缘与胫骨结节的中点定位于线圈中心。扫描矢状位3D-VIBE序列，扫描参数设置为：TR11.6ms，TE 5.4ms，各向同性，水激发，层厚0.6mm，无层间距，矩阵256×256，视野15cm×15cm。

1.2.2 膝关节软骨体积的测量

采集的MRI图像先转入移动硬盘，然后再导入计算机，由2名经验丰富的图像后处理技师使用OsiriX MD 10.0版本软件分割膝关节各部分软骨，同时进行软件半自动分割（图A）和常规手工分割（图B）。分割好后由软件自动计算软骨体积，包括髌骨软骨（PC）、股骨软骨（FC）、胫骨内侧髁软骨（MTC）、胫骨外侧髁软骨（LTC）。

1.2.3 图像评估

由2名高年资医师评估采集到的MRI图像，观察膝关节各部分软骨的关节面、关节间隙及关节面下骨侵蚀的情况。采用一致性检验方法（Kappa检验），比较2名医师对MRI图像质量评分结果的一致性。Kappa值≥0.75，表示一致性较好;0.4≤Kappa值<0.75，表示一致性一般;Kappa值<0.4，表示一致性较差。对于Kappa值<0.4的评分结果，另邀请1名MRI副主任医师共同商议确定评分结果。

1.3 观察指标

1.3.1 膝关节软骨体积测量

使用OsiriX半自动软件分别测量对照组、轻度KOA组和重度KOA组，获得各组软骨体积，包括：髌骨软骨、股骨软骨、胫骨内侧髁软骨和胫骨外侧髁软骨体积值。

1.3.2 测量膝关节软骨体积所需时间

在操作过程中，分别使用OsiriX半自动软件和常规手工测量，记录KOA组和对照组测量全过程所需时间以及分割时间。

1.3.3 测量可重复性误差

比较KOA组和对照组分别使用OsiriX半自动软件和常规手工测量的可重复性误差。

1.4 统计学分析

应用SPSS 21.0统计软件对数据进行统计学分析。计数资料采用百分率（%）表示，计量资料采用x±s表示，通过计算变异系数均方根获取各可重复性误差。使用Kappa一致性检验比较图像质量，使用两独立样本t检验比较计量资料，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 MRI图像质量评分结果的一致性

2名医师对于MRI图像质量的结果评分一致性较好，Kappa值=0.83，P<0.01。见表1。

2.2 三组受试者膝关节软骨体积比较

膝关节轻度KOA组各软骨体积与对照组相比，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），所有比较均有显著统计学差异。轻度KOA组与重度KOA组相比，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），所有比较均有统计学显著性。见表2。

2.3 OsiriX软件半自动分割和常规手工测量所需时间比较

KOA组使用OsiriX软件半自动分割膝关节软骨所用时间为（9±2）min，使用常规手工测量为（18±6）min，t=12.73，P<0.01，有统计学意义;对照组使用OsiriX软件半自动分割所用时间为（7±3）min，使用常规手工测量为（14±5）min，t=7.59，P<0.01，有统计学意义。由此可见，使用OsiriX软件半自动分割比常规手工测量更节约时间。见表3。

2.4 OsiriX软件半自动分割和常规手工测量可重复性误差比较

KOA组患者使用OsiriX软件半自动分割和常规手工测量比较，观察者间可重复测量误差分别为8.6%和15.7%，观察者内可重复测量误差分别为2.2%和4.2%，均低于常规手工测量（P<0.05）。对照组使用OsiriX软件半自动分割和常规手工测量观察者间可重复测量误差分别为3.8%和11.2%，观察者内可重复测量误差分别为0.5%和1.8%，也均低于常规手工测量（P<0.05）。见表4。

3 讨论

3D-VIBE序列最初是为单次短时间屏气的检查而开发的，现已被广泛用于3D检查，其具有高信噪比[10]和各向同性体素的高空间分辨率图像[11]。Zheng等（2010）[12]研究结果显示，与3D FLASH序列相比，3D-VIBE序列提供更高的软骨SNR、软骨到滑液的CNR、软骨到半月板的CNR和软骨到骨髓的CNR。3D-VIBE序列运动伪影明显较少，其显示深层软骨表面要好于3D FLASH序列。徐启兰等（2015）[13]研究结果显示，采用3D-VIBE序列比常规X线摄片和CT扫描能更好显示强直性脊柱炎患者的骶髂关节软骨病变。本研究结果显示，3.0T MRI 3D-VIBE序列能很好地显示膝关节各部分软骨的关节面、关节间隙及关节面下骨侵蚀的情况，2名医师对于3D-VIBE序列图像质量的评分结果也取得较好的一致性。

以往测量软骨体积采用常规手工分割的办法，对操作者要求较高，非常耗时，而且不同操作者的测量结果也会有差异，测量可重复性不高[14]。随着技术发展，现在有很多图像后处理软件，可以定量测量关节软骨体积，提高了效率和可重复性。董玉茹等（2015）[15]研究结果显示，3D-VIBE序列联合Argus软件测量KOA患者髌骨软骨体积比常规手工测量所需时间更短，可重复性误差明显低于手工测量，而且测量的体积无明显差异。本研究结果显示，膝关节轻度KOA组各软骨体积均低于健康对照组，同时均高于重度KOA组，比较均具有统计学差异，这与KOA进行性软骨丢失的特征相符。所有不同组受试者使用OsiriX软件半自动分割比常规手工测量更节约时间。KOA组和对照组使用OsiriX软件半自动分割和常规手工测量比较，观察者间可重复测量误差以及观察者内可重复测量误差，OsiriX软件半自动分割均低于常规手工测量。

综上所述，3.0T MRI 3D-VIBE序列成像对于显示膝关节软骨图像质量良好，其联合OsiriX半自動软件测量对于分割膝关节各软骨比常规手工测量更节约时间，可重复性更好。这将有助于我们更有效地发现KOA中软骨的改变，更有利于KOA的诊断和治疗。

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