膝关节的法医年龄评估：提出使用二维超声体积的新分类...

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目标

通过二维超声体积和高分辨率 T1 加权 MRI 序列的记录，对 33 名健康男性个体（年龄 14.4-19.3 岁）进行了前瞻性评估，以评估右膝骨骺生长板的闭合情况。骨骺生长板闭合的程度由两名读者对每种方法使用特定的三点量表独立评定，该量表区分开放的骨骺 (S1)、部分闭合的骨骺 (S2) 和闭合的骨骺 (S3)。

结果

美国膝关节生长板闭合评估方法可以可靠地将男性个体分配到不同的骨化阶段，并以高精度识别未成年人。需要更多数量更大的研究来进一步评估这种方法。

关键点

• 膝关节US 可以高精度检测男性未成年人的开放生长板。

• 膝关节超声可用作法医年龄估计的快速、非侵入性成像工具，以识别男性未成年人。

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介绍自 1990 年代以来，由于大量移民进入欧洲，法医学中的年龄估计变得越来越重要，并且是外国人、庇护和刑法的一个要素 。根据国家/地区的不同，刑事责任年龄范围为 14 至 21 岁 。欧洲庇护程序规定，18 岁以下的个人为未成年人，因此适用于未成年人的权利和福利不同于适用于成年人的权利和福利。
为了潜在孩子的最大利益，必须保护年龄评估。如果仅通过非医学方法无法确定个人年龄，则可以根据当地法律规定使用医学影像，从左手 X 光片或牙科视图开始。骨化完成后，建议对锁骨进行计算机断层扫描 (CT)，以确定年龄 > 18 岁 。然而，由于电离辐射的潜在有害影响 和可替代的无辐射方法的可用性，将电离辐射用于非医疗目的而受到批评。
磁共振成像 (MRI) 已在多个解剖区域进行了年龄估计评估。膝关节有三个​​相邻的生长板，骨骺闭合的程度携带了有关人年龄的重要信息 。在 X 光片上，从女性 14 岁和男性 15-16 岁开始，在膝关节中可以看到完全的骨融合。后来在 MRI 上发现骨骺闭合，并通过更好地描绘小生长板残余物来解释。然而，由于与较年轻的年龄组重叠，膝关节 MRI 上的完全骨融合可用于定义大多数（年龄 > 18 岁）并没有得到一致的证明。此外，由于成本高、持续时间相对较长以及检查可能对受创伤的儿童造成的潜在压力，MRI 对法医年龄估计的适用性受到质疑。
最近，超声 (US) 已被证明是一种具有成本效益的替代方法，用于确定法医年龄，避免电离辐射。超声检查具有良好的耐受性，是儿童医学中首选的成像方式。因此，该方法似乎特别适用于无人陪伴的未成年人的检查。在试点研究中，US 已被用于检查髂嵴 、肘部、手和锁骨，以及股骨转子。报告的美国方法的局限性包括可访问性和覆盖导致可靠性降低 。根据所检查的区域，随着年龄的增长骨化增加阻碍了更深骨结构的成像，并导致区域记录不完整，例如锁骨骨骺。据我们所知，US 尚未用于膝关节的法医年龄估计。根据对健康儿童的系统研究以及创伤学和风湿病学的临床经验，已知膝关节的骨性和软组织结构在美国图像中清晰可见且清晰可见。
本研究的目的是测试基于美国的评估膝关节周围骨骺生长板闭合的方法的可行性，以进行法医年龄估计，并将结果与​​ MRI 进行比较。


材料与方法研究人群这项前瞻性研究得到了机构审查委员会的批准，并获得了所有参与者的书面知情同意。为了有条不紊地测试膝关节的 MRI 和 US 以确定年龄，定义了一个同质的研究人群，并仅限于 14-19 岁之间的健康男性个体。在我们机构，主要要求对男性受试者进行法医年龄评估。该研究的所有参与者都住在德国汉堡附近，具有中高社会经济地位，并且是从员工中招募的。在 2015 年 4 月至 2015 年 6 月期间，对 40 名男性（平均年龄 16.7 ± 1.6 岁）进行了右膝骨骺闭合检查。排除标准包括右膝周围存在骨折，一种可能影响骨骼生长的慢性疾病，以及不完整的记录。在预定的 40 例病例中，有 4 例 MRI 检查在检查当天因不兼容 MRI 的植入物而被取消。在 4 个案例中，美国检查的文件不完整。本研究共纳入 33 例具有完整 MRI 和美国数据集的病例（平均年龄 15.5 岁，范围 14.4-19.3 岁；表1 )。
表 1 纳入对象的特征全尺寸表

每个受试者和时间点的实际年龄计算为出生日期和成像采集日期之间的差异。按照法医年龄评估的保守估计，实际年龄四舍五入为整岁，例如，17.8岁四舍五入为17岁。在预处理步骤中，数据集是匿名的。执行每种方法所需的时间基于检查台上的持续时间（第一次和最后一次记录图像的时间之间的差异），并比较了执行 US 和 MRI 的时间。
美国协议两位放射科医生（JH，MG）中的一位在市售扫描仪（Logiq E9，GE Healthcare）上使用高分辨率线性传感器（ML6-15D，4-15 MHz， 50 毫米）。通过探头的内侧和外侧定位评估股骨远端和胫骨近端骨骺。由于解剖结构，腓骨近端骨骺仅从横向位置进行评估。代表性的 B 模式图像是从骨骺的中心部分获取的。此外，从每个骨骺的背侧部分到腹侧部分记录了同一平面中的纵向 B 模式二维 (2D) 体积（图1 ））。总共记录了每个病例的五个代表性单幅图像和五个二维体积（股骨远端内侧骺、股骨远端外侧骺、胫骨近端内侧、胫骨近端外侧和腓骨近端外侧）。
图。1
美国膝关节检查的插图。为了记录 2D-US 体积，将线性探头纵向放置并从背侧缓慢移动到额叶生长板端。从内侧和外侧检查股骨远端和胫骨近端骨骺。腓骨骺仅从侧面位置

核磁共振协议使用膝关节线圈 (8-Channel-Knee-Coil, Philips Healthcare) 在 3 T-MRI 扫描仪 (Ingenia 3.0, Philips Healthcare) 上进行 MRI。该协议包括横向方向的 3D-T1 加权 FFE 序列（TR 6.1 ms，TE 2.3 ms，翻转角 35°，视野 180 × 180，平面内分辨率 0.625 × 0.625 mm 2，切片厚度 1.2 mm，层间距 0.6 mm），矢状 T1 加权 TSE（TR 1120 ms，TE 10.8 ms，翻转角 90°，FOV 150 × 150，平面内分辨率 0.174 × 0.174 mm 2，层厚 2.0 mm，间距切片 2.2 mm）和冠状方向（TR 855 ms，TE 10.8 ms，翻转角 90°，FOV 150 × 150，平面内分辨率 0.188 × 0.188 mm 2，切片厚度 2.0 mm，切片间距 2.2 mm）。

生长板闭合分级我们对于基于美国的膝关节周围生长板闭合的视觉分级，制定了具有明确标准的三点量表（表2）。说明 US 和 MRI 阶段 1-3 定义的示例性案例显示在图 1-2 中。2、3和4（电子补充材料，代表US-S1-3案例的2D-US卷，如图2、3和4所示）。由两名评分员（JH、MG）独立在 PACS 站上离线进行评分。两位读者对受试者信息和 MRI 检查结果完全不知情。
表 2 膝关节周围生长板闭合的超声分期全尺寸表

图 2



一名 15 岁男孩的右膝在冠状位 T1 加权 MRI（a）和纵向超声图像（b）中显示股骨内侧远端（左图）、胫骨内侧近端的全开骺板（箭头） （中图）和腓骨近端（右图）。在美国，注意干骺端和骨骺皮层之间的间隙，以及横向延伸到骨骺的线性、回声强的钙化区（星号，US-S1）

图 3


一名 17 岁男孩的右膝在冠状位 T1 加权 MRI（a ）和股骨内侧远端（左图）、胫骨内侧近端的纵向超声图像（b ）上显示骺板略微张开（箭头） （中图）和腓骨近端（右图）。在美国，仅注意干骺端和骨骺皮层之间的小间隙，骺板不可见（US-S2）

图 4



一名 17 岁男孩的右膝在冠状 T1 加权 MRI（a）和股骨远端外侧（右图）、胫骨近端外侧（中图）的纵向超声图像上显示闭合的骺板（箭头）和腓骨近端（左图）。在美国，注意皮质骨的闭合回声线 (US-S3)


核磁共振根据 Jopp 等人 发表的方法，由两名独立的读者（EJ、MM，每个都有 5 年的法医学经验）使用三阶段视觉分级对骨骺闭合进行基于 MRI 的分级系统（表3）。如基于超声的方法所述，骨骺闭合程度针对股骨远端、胫骨近端和腓骨近端进行分级。分级是在视觉上预先选择的代表骨骼中心的冠状图像上进行的。对于股骨和胫骨，均使用一片。根据不同的切片对腓骨进行评级，以捕获骨骼的中心。也通过目测进行选择。
表 3 根据 Jopp 等人 的膝关节周围生长板闭合的基于 MRI 的分期系统

统计分析使用 R 软件 (v 3.0.2) 对评分者间一致性、MRI 和美国分期之间的相关性以及分期和年龄估计之间的相关性进行了统计分析。使用一致性百分比 (PoA) 和科恩卡帕 (CK) 的计算值分析评估者间一致性。相关分析进行了双边和评估在 5% 显着性水平使用 Pearson 相关系数。使用双侧T检验比较 US 和 MRI 检查的持续时间。


结果分析了 33 名男性青少年和年轻成人右膝的标准化 US 体积和相应的 MRI 平面。每位受试者的五个高空间分辨率 US 体积和一个高分辨率 MRI T1 序列由两名评估者独立评估。所有检查的图像质量都很好，没有发现需要排除在研究之外的异常情况。

我们从内侧和外侧探头位置记录股骨远端和胫骨近端的超声体积。每个病例的每个解剖区域的内侧和外侧视图之间的成熟度没有差异。所有三个解剖区域的读者之间的一致性很高（CK：股骨远端 95.2%，胫骨近端 81.3%，腓骨近端 86.3%）。对于 US-S1（完全开放的骨骺）和 US-S3（完全闭合的骨骺）病例，发现最佳 PoA（表4）。胫骨和腓骨的 US-S2（部分开放的骨骺）的分配具有较低的读者间 PoA 值。
表 4 基于 US 和 MRI 的分期系统的评分者间协议全尺寸表

US确定的生长板闭合程度与年龄增长呈正相关（Pearson相关系数：股骨远端0.82，胫骨近端0.83，腓骨近端0.80）。US-S1、US-S2 和 US-S3（股骨、胫骨）受试者的中位年龄分别为 14.9 岁（范围，14.4-16.5 岁）、16.3 岁（范围，15.6-17.5 岁）和 17.7 岁（范围, 15.9-19.3 年），分别（图5）。

图 5



根据实际年龄（股骨，蓝色；胫骨，橙色，腓骨，绿色）的基于美国的阶段定义（US-S1-3）的箱线图。b根据实际年龄（股骨，蓝色；胫骨，橙色，腓骨，绿色）的基于 MRI 的阶段定义（MRI-S1-3）的箱线图


核磁共振使用 MRI 分期系统，所有三个解剖区域的评分者间一致性也很高（CK：股骨远端 70.2%，胫骨近端 90.8%，腓骨近端 79.8%）。与美国的结果相比，第 3 阶段和第 1 阶段的读者之间的一致性更好（完全封闭的 physis 和完全开放的 physis；表2）。第 2 阶段（部分开放的物理）的分配显示较低的 PoA 值。

较高的阶段与年龄增长呈正相关（Pearson 相关性：股骨远端 0.78，胫骨近端 0.80，腓骨近端 0.84）。MRI-S1、MRI-S2 和 MRI-S3 受试者的中位年龄分别为 15.5 岁（范围 14.4-16.5 岁）、17.7 岁（范围 16.5-19.2 岁）和 18.0 岁（范围 15.9-19.3年），分别（图5b）。

美国与 MRIMRI与US分期的相关性非常好（Pearson相关系数：股骨远端0.84，胫骨近端0.87，腓骨近端0.80）。所有在 MRI (MRI-S1) 上开放的病例也被美国评为开放，例如，对于股骨，12/12 病例同意 100%（表5）。两种方法之间最大的分歧是针对第 2 阶段分类（部分闭合的骺板）的病例。US 略优于 MRI，灵敏度更高（sens US = 1.0 vs. sens MRI = 0.7），但特异性略低（spec US = 0.7 vs. spec MRI = 0.85）和准确性（acc US = 0.76 vs. acc MRI= 0.85）在使用第 2 阶段阈值（胫骨和股骨）数据识别未成年人（年龄 < 18）时。对于 US 和 MRI 方法基于视觉评估识别年龄组的能力，US 分期显示年龄分离更清晰，重叠更低（图5a和 b）。US 检查也比 MRI 短 9.3 倍（2.65 ± 0.91 min vs. 24.72 ± 2.72 min，p < 0.001，t = 24.4，CK 为 99%）。

表 5 三个解剖区域中基于超声与基于 MRI 的阶段的一致性全尺寸表

讨论这项工作调查了基于美国的法医年龄估计方法的可行性，并将结果与​​ MRI 进行了比较。据我们所知，这是第一项评估膝关节超声作为确定年龄的其他横截面成像方法的替代方法的研究。
以前的研究使用超声对10-30岁受试者的其他骨骼区域进行法医检查，应用不同的分类系统。在我们的研究中，我们使用了一个新设计的三阶段系统来评估膝关节骨骺闭合的程度。美国分级系统与之前由 Jopp 等人 发表的用于年龄确定的基于 MRI 的膝关节分类系统密切相关。作为对 MRI 方法的修改，US 方法仅关注骺的表面部分，而忽略了生长板的不可评估的中心部分。这种方法在美国其他解剖区域的分类中很常见，反映了持续的骨化过程，经常出现在骨骺的中央部分，并逐渐涉及更外围的生长板 。

在我们的研究中，对先前分期系统的改进是通过沿骨骺的平移运动对美国体积进行标准化记录。由此产生的高空间分辨率图像允许对浅层骺板进行详细评估，并且可以由多个阅读器独立离线执行。

我们的研究表明，我们定义的美国阶段是有效的，并且具有很高的评分者间一致性。计算出的 US 值与 MRI 分期值具有很好的相关性。特别是，完全开放的物理层（阶段 1）以非常高的可靠性上演。另一方面，部分开放和封闭的骺板（第 2 和第 3 阶段）更难以通过超声和​​ MRI 区分。在比较美国和 MRI 方法识别年龄组的能力后，美国分期显示年龄划分更清晰，重叠更少。这可能是因为，在 MRI 方法中，阶段评估仅基于代表性层进行，而在 US 方法中，可以估计沿骨板的整个序列。

在临床使用中，将骨龄与患者的实际年龄进行比较来确定骨骼成熟度。然而，在实际年龄未知的法医年龄估计中，骨骼骨化的迹象被用来定义个体的年龄上限或下限。在我们的研究中，美国在对年轻人进行法医分期方面表现得特别好。如果分类为第 1 阶段（最大年龄 16.5 岁）和第 2 阶段（最大年龄 17.5 岁），美国方法可以确定男性个体小于 18 岁。与我们的 MRI 数据比较并应用第 2 阶段阈值后，美国方法对少数群体定义的敏感性更高（100% 对 70%），而特异性略低（70% 对 85%）。有趣的是，MRI 阶段 1-3 的平均和最大年龄与之前的 MRI 研究非常吻合。

因此，Fan 等人在基于 MRI 而不是 X 射线检查的分期时证明了更高的平均和最大年龄。这些差异可以通过 MRI 更好的对比度和清晰度来解释，它的能力甚至可以检测到非常小的中央生长板残留物。MRI 所描绘的骨化过程的更高细节和复杂性也可能给视觉分级系统带来问题，并解释了我们研究中股骨的相对较低的评分者间一致性。
按照这一论点，在膝关节周围生长板的高分辨率扫描生成和解释的容易性是美国方法的明显优势。使用所介绍的方法通过超声检查膝关节所需的时间相对较短（2.65±0.91 分钟），并且明显短于 MRI 检查（24.72±2.72 分钟）。US 和 MRI 方法在持续时间上的差异应该更加明显，因为正确定位患者进行 MRI 是耗时的，并且在我们的研究中没有测量。此外，通过将检查限制为每个物理层扫描一次，可以进一步减少 US 花费的时间，因为在比较两种视图的记录时，我们没有发现分期有任何差异。其他有利于 US 分期的因素包括一些患者不符合 MRI 的条件（在我们的研究中 4 例，

我们的研究有以下局限性：

• (1)在这项可行性研究中，检查了一个年龄范围有限的相对较小的同质样本。结果应在更大的队列中进行验证，应包括女性受试者和具有不同种族和社会经济地位的人
• (2)需要识别骨骺生长模式的变化，例如骨骺皮质不规则和身体成分，例如肥胖，这可能导致仅通过 US 进行的误导或不太敏感的评估。
• (3)未知骨骼病理学、潜在疾病或异常的病例，如营养或遗传性生长板紊乱、自身炎症性疾病、过度使用损伤或创伤，可能会被仅集中在美国的评估遗漏。在我们的研究中，应用了严格的排除标准；然而，在临床情况下和正在调查的异质人群较多时，必须始终谨慎应用 US 方法，并且可能需要使用额外的评估方法。
• (4)超声非常依赖于操作者，因此与 CT 或 MR 相比不太客观。引入的方法可以提高年龄确定的准确性，因为它包括基于标准化美国体积的骨骼成熟标准。
  总之，我们可以得出结论，尽管 US 的时间要求远低于 MRI，但 US 可以可靠地将个体分配到具有明确时间年龄分离的不同骨化阶段。美国方法可以确定男性个体的年龄小于 18 岁，如果分类为第 1 阶段或第 2 阶段（最大年龄 17.5 岁），因此可以用作法医年龄估计中的非侵入性成像工具，以识别没有使用电离辐射。鉴于法律诉讼，需要对更多的青少年和年轻人进行更多的研究，以进一步评估这种用于法医估计的方法。到目前为止，年龄和分类（18 岁：是/否）之间的相关性是根据 MRI 和美国视觉分期系统计算的。潜在地，