academic radiology：MRI放射组学，实现踝关节结构改变的早期识别！
2023-10-10 shaosai MedSci原创 发表于上海
近年来，放射组学，即从医学图像中提取成像特征并使用机器学习算法从这些特征中得出结论，已成为计算机辅助临床评估和规划的一种新兴方法。
扭伤是最常见的踝关节损伤，通常会导致踝关节外侧韧带的损伤。踝关节前韧带（ATFL）损伤是最常见的，其次是ATFL和腓肠肌韧带（CFL）的联合损伤。大约10-30%的持续韧带损伤和复发性踝关节扭伤的病人可能发展为慢性外踝不稳定（CLAI）。以前的研究表明，CLAI通过距骨的过度前移和内旋改变踝关节运动学，使踝关节容易发生软骨变性和潜在的骨关节炎（OA）。据报道，在10年的随访中，OA的发病率高达77%。
软骨变性是早期OA的主要特征。然而，软骨变性很难通过体检和X光片来确定，因此在临床实践中通常被忽视。如果不加以诊断，将导致疼痛、活动能力受损，并有可能随着时间的推移导致OA。由于在形态学恶化之前的软骨早期退化，如果及时进行干预病情有可能发生逆转，所以对于CLAI患者来说，检测软骨基质中细微的结构变化是十分重要的。此外，目前，软骨下骨质在OA发病机制中的重要性已经引起了很多人的兴趣。软骨下骨和软骨之间有广泛的生物化学和生物力学串联。软骨下骨和软骨作为一个整体来维持机械压力。软骨的状况高度依赖于软骨下骨的密度和结构，软骨下骨质的恶化可能无法支持软骨的平衡，从而导致OA的进展。因此，检测潜在的软骨变性和软骨下骨质变化对于评估CLAI患者的早期OA和及时对CLAI进行临床干预至关重要。
MRI是目前唯一能对CLAI患者的软骨、软骨下骨和其他相关损伤进行无创和全面评估的影像学方法。此外，应用3.0T扫描仪和专用的多通道线圈可以为后足关节的薄软骨提供高分辨率的成像。常规踝关节MRI通常使用的脉冲序列包括质子密度与脂肪抑制（PD-FS）、T1加权成像（T1WI）和T2加权成像（T2WI）。其中，PD-FS序列可以显示软骨表面、软骨和软骨下板的界面以及软骨下骨。然而，放射科医生在常规MR图像上只能用肉眼识别软骨和软骨下骨的形态学变化，而不能识别其内部结构的细微变化。现阶段，定量MRI是早期评估软骨基质变化的可靠方法。最近的研究显示，根据T2 mapping、T2* mapping和T1r mapping，在CLAI患者的形态学变化之前观察距骨、胫骨远端和胫骨下关节的软骨退化已成为可能。然而，由于扫描和后处理的耗时要求，这些定量的MRI技术并没有在常规的临床检查中广泛使用。
近年来，放射组学，即从医学图像中提取成像特征并使用机器学习算法从这些特征中得出结论，已成为计算机辅助临床评估和规划的一种新兴方法。然而就我们所知，很少有研究试图使用放射学模型来检测CLAI患者常规MR图像上潜在的早期OA变化。
近日，发表在academic radiology杂志的一项研究利用放射组学检测基于MRI PD-FS图像的CLAI患者软骨和软骨下骨的细微结构变化，并建立了一系列基于软骨和软骨下骨的分类模型来对CLAI患者和健康人之间进行区分。
本项研究共纳入215名CLAI患者和186名健康对照者，并随机分成训练集（n=281，患者/对照者=151/130）和独立测试集（n=120，患者/对照者=64/56）。所有患者接受了踝关节MRI检查。在矢状面PD-FS图像上，画出了8个软骨区域和相应的软骨下骨区域。建立了软骨、软骨下骨以及软骨和软骨下骨组合的放射组学模型，以区分CLAI患者和对照组。并使用接收者操作特征曲线（ROC）来评估模型的性能。
在测试数据集中，软骨模型的曲线下面积（AUC）为0.0.912（95%置信区间（CI）：0.858-0.965，P<0.001）、敏感性为0.859、特异性为0.893、负预测值（NPV）为0.848、正预测值（PPV）为0.902。软骨下模型的AUC为0.837（95%CI：0.766-0.907，P<0.001）、灵敏度为0.875、特异性为0.714、NPV为0.833、PPV为0.778。对于联合模型，AUC为0.921（95%CI：0.863-0.972，P<0.001）、敏感性为0.844、特异性为0.911、NPV为0.836、PPV为0.915，其AUC高于软骨模型和软骨下骨模型。
图 红线为软骨区，黄线为软骨下骨区（软骨下3毫米厚的一层）。在上排，从左到右，这些区域是胫骨关节的胫骨内侧面、胫骨关节的距骨内侧面、胫骨关节的距骨内侧面、胫骨关节的小腿内侧面。在下排，从左到右，这些区域是胫骨关节的胫骨外侧切面、胫骨关节的距骨外侧切面、股骨关节的距骨外侧切面、股骨关节的小腿外侧切面
研究表明，联合放射组学模型在检测CLAI患者的软骨和软骨下骨的潜在早期结构变化方面取得了令人满意的表现，为临床的早期诊断及治疗提供了技术支持。
原始出处：
Hongyue Tao,Yibo Dan,Yiwen Hu,et al.Using Radiomics to Detect Subtle Architecture Changes of Cartilage and Subchondral Bone in Chronic Lateral Ankle Instability Patients Based on MRI PD-FS Images.DOI:10.1016/j.acra.2022.11.014
Using Radiomics to Detect Subtle Arc Source Acad Radiol SO 2022.pdf
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