身体的扩散张量成像：骨骼生长的可能生物标志物
身体的扩散张量成像：骨骼生长的可能生物标志物——151 名儿童的经验目的确定股骨远端和胫骨近端弥散张量成像（DTI）和纤维束成像与年龄、性别和身高相关的变化。
材料和方法在机构审查委员会批准、放弃同意并遵守 HIPAA 后，作者回顾性分析了 151 名儿童、73 名女孩（中位年龄，14.1 岁；范围，6.5-17.8 岁）和 78 名男孩（中位年龄）的膝关节 DTI 图像, 16.6 岁; 范围, 6.9–17.9 岁), 从 2013 年 1 月到 2014 年 10 月研究。在矢状回波平面 DTI (20 个方向, b值为 0 和 600 sec/mm 2），感兴趣的区域被放置在胫骨和股骨骺。使用 0.15 的分数各向异性阈值和 40° 的角度阈值，作者进行了纤维束成像并测量了表观扩散系数 (ADC) 和纤维束长度和体积。通过对自举样本使用拟合的非线性多项式函数来评估与年龄、性别和身高相关的变化。
结果股骨道体积和长度随着年龄的增长先增后减（P < .001）；股骨体积的峰值与生长突增一致，女孩（10.8 岁）早于男孩（13.0 岁）（P < .001）。与男孩相比，女孩的肠道体积较小（P = .013）。ADC 峰值比肠道体积早 2 年（女孩 9.3 岁，男孩 11.0 岁）。与身高低于 50% 的女孩相比，身高超过 50% 的女孩有更长的输尿管和更大的输尿管体积（P< .020)。男孩的 DTI 参数与身高百分位数无关 ( P > .300)。
结论骺端和干骺端的 DTI 显示生长最快年龄的受试者的束长度和体积更大。女孩的 ADC 和尿道长度和体积的峰值比男孩更早且更小。高个子女孩的股骨长度和体积更大。
介绍生长障碍很常见，会在儿童时期产生严重的残疾和痛苦。他们的评估需要确定身高速度和生长潜力，但不幸的是，这种评估是不精确的。生长的量化依赖于对身高、四肢长度和骨骼成熟度的简单测量，并且在肢体和躯干尺寸显着增加之前无法检测到生长。越来越多的身材矮小儿童接受重组人生长激素治疗，但只有在长期用药后才能确定对治疗的反应 。我们无法直接评估骨骺和相邻干骺端（骨骼生长器官）的活动。我们也无法评估何时存在有限的残余生长，因此应停止或重新评估促生长治疗。我们需要一种更强大且可量化的技术，可以在短时间内评估骨骼生长并确定预期进一步生长的程度。一项研究表明，磁共振 (MR) 扩散张量成像 ( DTI ) 可以定量评估骨骺和干骺端的微观结构和形态。在骨骺和邻近的干骺端可以检测到束，这可能反映了通过细胞增殖、细胞体积增加和软骨矿化产生骨生长的软骨细胞柱和新形成的骨。随着骨骺闭合，束变得杂乱无章并最终消失。
在该研究中，表观扩散系数（ADC）和骺道长度和体积在生长较快的区域更为突出。基于这一观察，我们假设这些参数在经历青春期生长突增的儿童中会更高，并且这些参数的分布将反映生长速度图表的分布。我们对 151 名儿童进行了一项横断面研究，以确定DTI对扩散率和骺板厚度的测量 是否（a）在生长最快的年龄更大，（b） 随性别而变化，以及（c）它们是否在骨骼成熟之前减少。我们还评估了更高的个体是否有更大的尿道长度和体积。
材料和方法
参与者本研究得到我院机构审查委员会的批准，并按照《健康保险流通与责任法案》进行。放弃了知情同意和同意的要求。我们回顾性搜索了 2013 年 1 月至 2014 年 10 月在我们机构进行的所有膝关节 MR 成像检查，纳入标准如下：年龄 5-18 岁，膝关节矢状DTI，充分描述股骨远端骨骺，以及DTI使用 15 通道膝关节线圈，使用 3.0-T MR 扫描仪进行。扩散加权成像已被纳入我们的常规膝关节方案中，因为我们发现它通常有助于诊断偶然发现的病理，并且几乎不需要额外的时间来做这件事。在序列中添加额外的方向使我们能够更好地了解肌肉、神经、肌腱和骺软骨的病理状况。
这项搜索产生了 239 项膝关节 MR 研究。我们排除了患有影响骨骺疾病或技术不佳图像的儿童。排除标准是股骨骺附近的广泛骨髓水肿（n = 38）、骺板急性骨折或骨桥（n = 9）、既往前交叉韧带重建（n = 7）、慢性滑膜炎症（n = 6 ） )、全身慢性类固醇使用 ( n = 6)、肿瘤和/或化疗 ( n = 5)、股骨发育不良 ( n= 3)、骨髓炎和/或化脓性关节炎 ( n = 3)、 DTI序列中的伪影( n = 3)、性早熟 ( n = 2)、马凡综合征 ( n = 1) 和镰状细胞病 ( n = 1）。仅包括一次以上检查（n = 4）的受试者的初始检查。
分析了中位年龄为 13.8 岁（范围 6.5-17.9 岁）的 151 名连续受试者（73 名女孩，78 名男孩）的图像。女孩和男孩的中位年龄分别为 14.1 岁（6.5-17.8 岁）和 13.6 岁（6.9-17.9 岁）。151 名受试者中的 118 名 (78.1%) 在 MR 图像上具有开放的骺。26 名女孩和 7 名男孩的 17.2 岁（16.0-17.9 岁）和 17.2 岁（16.0-17.9 岁）的中位年龄。膝关节 MR 成像的临床适应症是创伤（n = 59）、疼痛（n = 47）、可能的剥脱性骨软骨炎（n = 17)、髌骨脱位或轨迹不良 ( n = 11)、锁定症状 ( n = 9)、肿胀 ( n = 6) 以及膝关节内部紊乱的随访 ( n = 2)。由于涉及胫骨骨骺的骨髓水肿，151 名受试者中有 16 名未评估胫骨骨骺近端的DTI图像。
磁共振成像参数在 3-T 设备（Verio [ n = 85]、Skyra [ n = 28]、Trio [ n = 22] 和 Prisma [ n = 16]；西门子医疗系统，Erlangen，德国）。DTI参数的选择基于先前对 physeal DTI的研究( 3 )。通过使用 0 和 600 sec/mm 2的b值和获得的两个信号，在 20 个非共线方向上进行 矢状DTI 。这DTI序列是一个 5 分钟和 20 秒的脂肪抑制单次自旋回波平面回波序列，重复时间毫秒/回波时间毫秒，7100/82；平行成像因子，二；视野，256 × 256 毫米；带宽，1446 Hz/像素；和矩阵，128 × 128。我们使用具有光谱绝热反转恢复的选择性脂肪抑制。通过使用 Siemens 扩散序列的预成像进行标准匀场。平面上的体素尺寸为 2.0 × 2.0 mm，截面厚度为 3.0 mm，截面之间没有间隙。
常规 MR 序列包括冠状、轴向和矢状自旋回波中间或 T2 加权（4020-6023/63-70；矩阵，320-384 × 256-307；视野，140-170 mm；和带宽，130 –203 Hz/像素），冠状自旋回波 T1 加权（500–800/11–28；矩阵，320–384 × 240–366；视场，140–170 mm；和带宽，203–270 Hz/像素），矢状自旋回波质子密度（3340–4280/11–28；矩阵，384–448 × 314–384；视场，160–170；和带宽，228–271 Hz/像素）和梯度-echo 双回波稳态（14.2–15.32/4.44–5；翻转角，25°；矩阵，256–320 × 238–320；视场，120–170 mm；和带宽，210–250 Hz/像素）序列。
DTI 分割与分析重建分数各向异性 ( FA ) 和ADC图并生成光纤轨迹数据。纤维轨迹数据是根据公布的膝关节 的骺线束成像参数通过使用确定性纤维跟踪算法、最小FA重建的阈值为 0.15，两个相邻体素之间的最大转向角为 40°。标准颜色编码用于扩散方向的牵引图可视化（蓝色，上下；红色，左右；绿色，前后）。两名分别具有 2.5 年和 3 年放射学研究经验的研究助理（MAB、JD）使用软件（TrackVis，版本 0.5.2.2）绘制感兴趣区域（ROIs) 在股骨远端和胫骨近端的整个骺板。在对 10 项未纳入本研究的研究进行初步共识审查期间，建立了 ROI 放置标准；这是由一位在小儿肌肉骨骼 MR 成像 (DJ) 领域拥有 25 年经验的放射科医生监督的。ROI s 放置在彩色FA图和b 值为 0 sec/mm 2的回波平面图像上，它们是对齐的。b值为 0 sec/mm 2的图像 允许区分软骨和骨骼，以及FA彩色图可以描述检测到的骺软骨组织最有序的部分。在骺闭合的受试者中，我们将ROI放置在骺疤痕中。通过使用多个矢状和冠状切片放置所有ROI 。ROI的大小取决于每个受试者的膝盖大小。股骨骺的平均ROI体积为 3.18 cm 3 ± 0.87（标准差）（范围，1.5–6.9 cm 3），胫骨骺的平均体积为 2.57 cm 3 ± 0.78（范围，1.1–4.8 cm 3）。
基于 ROI 数据，我们导出了 ADC 和 FA 值，并基于纤维束数据，我们导出了束长和束体积的平均值。
临床评估从临床图表中，我们记录了身高（厘米）、身高百分位、体重（千克）、体重百分位、体重指数和体重指数百分位。151 名受试者中有 3 名（2%）没有记录这些参数。MR 成像和人体测量测量之间的平均时间为 10 天（中位数，4 天 ± 20 天；范围，0-156 天）。根据疾病控制和预防中心的生长图表获得百分位数。
骨龄
112 名受试者（74%，151 名中的 112 名）获得了 6 个月内 MR 成像的膝关节 X 光片。MR 成像和膝关节 X 光片之间的平均时间为 17 天（中位数，8 天 ± 27 天；范围，0-175 天）。一位具有 5 年肌肉骨骼成像 (NAC) 经验的获得委员会认证的儿科放射科医生审查了 X 光片，并使用 Pyle 和 Hoerr 方法估计了骨龄。
信噪比为了确定信噪比 ( SNR )是否足以获得可靠的DTI数据，我们在 151 次随机选择的检查中的 67 次 (44.3%) 中测量了b值为 0 sec/mm 2和使用软件（OsiriX，v.5.5.2；Pixmeo，Bernex，Switzerland）对b值为 600 sec/mm 2的 20 个图像中的每一个。我们估计了股骨骺（面积，35.6 mm 2）和胫骨骺（面积，22.1 mm 2 ）中单个ROI的信号强度。三个投资回报率膝外空气背景的 s（每个ROI的面积为 86.4 mm 2），我们估计了噪声信号强度（SI）的平均标准偏差。以下公式用于测量股骨和胫骨的SNR：0.655 乘以骨骺 SI 除以背景 SI 的标准偏差的平均值 。
观察者内和观察者间变异性
在ROI放置三个月后，我们随机选择了 30 项研究来评估观察者间和观察者内的变异性。股骨和胫骨骨骺ROI由两名对初始ROI视而不见的独立观察者 (MAB, JD) 放置。我们比较了FA、ADC、第一特征向量 (λ1) 的特征值、横向扩散和束长度。
统计分析统计分析由具有 20 多年影像研究分析经验的统计学家 (DZ) 进行。我们使用 Mann-Whitney U检验来确定男孩和女孩在年龄和人体测量方面的差异。χ 2测试用于确定女孩和男孩之间检查的膝盖和种族的偏侧性差异。我们使用线性回归分析来确定实际年龄和骨龄之间的相关性。我们使用具有绝对一致性的双向混合组内相关系数模型评估了评估者间和评估者内的变异性。我们使用二次回归确定了基于束的扩散参数中与年龄相关的趋势。通过使用 SPSS 版本 21 (IBM, Armonk, NY) 软件进行分析。其他统计分析基于使用软件（R 软件中的“投资人”包，R 统计计算基金会；Vienna，奥地利 ）以评估已知年龄相关趋势的峰值高度和位置的组差异（例如，男孩与女孩、股骨与胫骨、短 [< 身高的第 50 个百分位] 与高 [> 身高的第 50 个百分位]） . 对于每个性别，拐点（最大拟合非线性多项式函数及其非参数标准误差的ROI ADC、轨道长度、轨道体积和最小ROI FA是基于 5000 个自举样本，其中 95% 的置信区间通过使用t分布确定。我们还应用了 delta 方法，通过估计每个性别的每个变量的模型回归参数和协方差矩阵来计算比率 - b .linear/(2 × b .quadratic)，其中 b是回归系数，它给出了 拟合二次函数顶点的x点，这些年龄结果非常接近 bootstrap 估计值。统计学显着性设定为P < .05。
结果女孩和男孩在年龄、种族、评估膝侧、身高、身高百分位数、体重、体重百分位数、体重指数和体重指数百分位数方面无显着差异（P >.147）（表1） . 在 112 名具有可用骨龄估计值的患者中，实足年龄与骨龄之间存在高度相关性（线性回归，P < .001； r 2 = 0.930）。
表 1女孩和男孩的年龄、人体测量、检查膝关节的偏侧性和种族的比较https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.tbl1.gif
注：除非另有说明，否则数据为患者人数，括号内为百分比。
*数据为中位数，括号内为范围。
† Mann-Whitney- U检验。
‡ χ 2检验。
与年龄和性别相关的股骨牵引参数束延伸至整个骺端并进入邻近的干骺端。在骨的其他部分没有观察到这样的平行束，在骨骺闭合后也没有看到。股骨牵引参数与年龄和性别相关。表 2 显示了基于年龄和性别的股骨远端扩散参数的平均值。
表 2股骨远端和胫骨近端的平均扩散参数https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.tbl2.gif
股骨ADC与年龄呈二次关系（P < .001；女孩r 2 = 0.735，男孩 r 2 = 0.481）。如图 1和表 3所示，女孩（9.3 岁）的股骨ADC峰值出现早于男孩（11.0 岁）（P = .003）。女孩和男孩的峰值幅度没有差异（P = .122）。分析评估股骨ADC时随着年龄和性别在开放的受试者中重复，二次回归关系保持不变（P < .001；女孩r 2 = 0.482，男孩 r 2 = 0.327）。https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig1.gif图 1：二次回归散点图显示股骨ADC与年龄和性别的相关性。女孩的股骨ADC峰值出现早于男孩。虚线对应于 95% 的置信区间。
表 3在 Bootstrap 样本上使用拟合非线性多项式函数比较女孩和男孩的股骨扩散参数https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.tbl3.gif
注：数据是年龄中位数，使用自举法根据性别在峰值时估计，括号中的数据是使用t分布的置信区间。
* P < .05。
在包括开放和闭合骺体的受试者的分析中，股骨FA随着年龄的增长而增加（P < .001； 女孩r 2 = 0.624，男孩 r 2= 0.182）。然而，在仅限于开放式骨骺受试者的分析中，股骨FA与年龄之间没有相关性，女孩和男孩之间也没有差异 ( P > .264)（图 2）。https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig2.gif图 2：具有二次回归图的散点图显示了股骨FA与开放骨骺受试者年龄的相关性。股骨FA与年龄没有相关性，女孩和男孩之间没有差异。
股骨束体积和长度随着年龄的增长而增加然后减少（P < .001; r 2 > 0.197）（图3）。如图 4和表 3所示，女孩（11.3 岁）的股骨体积峰值出现早于男孩（13.0 岁）（P < .001）。与男孩相比，女孩的肠道体积较小（P = .013）。女孩（10.8 岁）的股骨长度峰值比男孩（12.2 岁）更早（P= .047)。与男孩相比，女孩的肠道较短（P= .049）。https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig3a.gif图 3a：(a) 7.4 岁男孩，(b) 13.9 岁男孩，(c) 15.9岁的 MR 图像 ( b = 0 sec/mm 2 ) 叠加在冠状面重建上的股骨纤维束图像-老男孩，和(d) 17.3 岁的男孩。(a)平行于股骨长轴的纤维束相对较短，组织良好。 (二)与股骨长轴平行的组织良好的束比a中年轻受试者中看到的更长和更多。(c)小册子比b中的主题更短，组织更差。红色和绿色的束垂直于股骨的长轴，这意味着骨骺微结构的组织减少。(d)在这个骨骼成熟的受试者中，骺区的束短且随机排列。
https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig3b.gif
图 3b：(a) 7.4 岁男孩，(b) 13.9 岁男孩，(c) 15.9岁的 MR 图像 ( b = 0 sec/mm 2 ) 叠加在冠状面重建上的股骨纤维束图像-老男孩，和(d) 17.3 岁的男孩。(a)平行于股骨长轴的纤维束相对较短，组织良好。 (二)与股骨长轴平行的组织良好的束比a中年轻受试者中看到的更长和更多。(c)小册子比b中的主题更短，组织更差。红色和绿色的束垂直于股骨的长轴，这意味着骨骺微结构的组织减少。(d)在这个骨骼成熟的受试者中，骺区的束短且随机排列。
https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig3c.gif
图 3c：(a) 7.4 岁男孩，(b) 13.9 岁男孩，(c) 15.9岁的 MR 图像 ( b = 0 sec/mm 2 ) 叠加在冠状重建上的股骨纤维束图像-老男孩，和(d) 17.3 岁的男孩。(a)平行于股骨长轴的纤维束相对较短，组织良好。 (二)与股骨长轴平行的组织良好的束比a中年轻受试者中看到的更长和更多。(c)小册子比b中的主题更短，组织更差。红色和绿色的束垂直于股骨的长轴，这意味着骨骺微结构的组织减少。(d)在这个骨骼成熟的受试者中，骺区的束短且随机排列。
https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig3d.gif
图 3d：(a) 7.4 岁男孩，(b) 13.9 岁男孩，(c) 15.9岁的 MR 图像 ( b = 0 sec/mm 2 ) 叠加在冠状面重建上的股骨纤维束图像-老男孩，和(d) 17.3 岁的男孩。(a)平行于股骨长轴的纤维束相对较短，组织良好。 (二)与股骨长轴平行的组织良好的束比a中年轻受试者中看到的更长和更多。(c)小册子比b中的主题更短，组织更差。红色和绿色的束垂直于股骨的长轴，这意味着骨骺微结构的组织减少。(d)在这个骨骼成熟的受试者中，骺区的束短且随机排列。
https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig4.gif
图 4：带有二次回归图的散点图显示了股骨体积与年龄和性别的相关性。与男孩相比，女孩的肠道体积的年龄峰值出现得更早，并且幅度较小。虚线对应于 95% 的置信区间。
股骨DTI参数与身高百分位数的关系
基于已知的股骨DTI参数的性别相关差异，身高相关性分析按性别划分。在ADC ( P = .300) 或FA ( P = .910)方面，小于 50% 的女孩与大于 50% 的女孩之间没有差异。然而，身高低于 50% 的女孩的轨道长度较短 ( P = .020) 和轨道体积较小 ( P = .006)（图 5）。对于男孩，在ADC ( P = .200)、FA ( P = .300)、轨道长度 ( P = .520) 或轨道方面，小于 50% 和大于 50% 的男孩之间没有差异体积（P = .530）。https://pubs.rsna.org/cms/10.1148/radiol.2017160681/asset/images/medium/radiol.2017160681.fig5.gif
图 5：女孩的二次回归散点图显示了股骨体积与年龄的相关性以及基于身高百分位数的峰值差异。身高超过 50% 的女孩的肠道体积更大。虚线对应于 95% 的置信区间。
股骨远端和胫骨近端肌束形态的差异
在二次拟合的基础上，控制年龄，股骨远端的ADC、FA、束长度和束体积大于胫骨近端（表 2）（P < .004）。Wilcoxon 符号秩检验显示ADC存在显着差异（P < .001；中位数差异，9 × 10 -5 mm 2 /sec；范围，-3 × 10 -4至 5 × 10 -4 mm 2 /sec），法（磷< .001; 中位数差异，0.036；范围，-0.312 至 0.208），输尿管长度（P < .001；中位差，1.3 mm；范围，-2.9 至 16.8 mm）和输管体积（P < .001；中位差，4.6 cm 3；范围，- 0.12 至 25.1 厘米3 )。
再现性和信噪比组内相关系数表明测量的重现性非常好。对于胫骨和股骨的所有DTI参数，观察者内变异性高于 0.97（平均组内相关系数，0.99 ± 0.009；范围，0.97-0.99），观察者间变异性高于 0.92（平均组内相关系数，0.97 ± 0.02；范围, 0.92–0.99)。
在b值为 0 sec/mm 2 （中位数，22.3；范围，5.7-51.9）的图像中， 开放股骨骺 ( n = 52) 中的骺SNR达到或高于 5.7，在b值为 600 秒的图像中高于 4.3 /mm 2（中位数，10.4；范围，4.3–21.1）。在闭合的股骨骺（n = 15）中，b值为 0 sec/mm 2（中位数，4.7；范围，2.0-12.5）的图像中的SNR高于 2.0，b值为 600 sec/mm的图像中的 SNR 高于 2.1 2（中位数，3.9；范围，2.1-6.3）。开放股骨骨骺的SNR高于闭合骨骺（Shapiro-Wilks 检验，P < .001）。
在胫骨骨骺中，开放骨骺 ( n = 48)的SNR在b值为 0 sec/mm 2的图像中高于 3.7 （中位数，15.2；范围，3.7-43.17），在b值为 600的图像中高于 4.0 sec/mm 2（中位数，8.9；范围，4.0–22.3）。在闭合的胫骨骺（n = 19）中，b值为 0 sec/mm 2（中位数，3.12；范围，2.0-8.7）的图像中SNR高于 2.0，b值为 600 sec/mm的图像中 SNR 高于 1.8 2（中位数，3.1；范围，1.8–6.3）。
讨论**** Hidden Message *****
知识进步
[*]■ 在骺端及邻近干骺端，表观弥散系数（ ADC ）和束长、束体积随年龄和性别而变化，呈先高后低；这些变量与年龄呈二次相关，峰值出现在青春期生长突增之前或之时。
[*]**** Hidden Message *****
[*]
对患者护理的意义
[*]**** Hidden Message *****
页:
[1]