Novel radiological criteria for the diagnosis of femoroacetabular impingement based on a three-dimensional simulation study

Abstract

Purpose Femoroacetabular impingement (FAI) is diagnosed by symptoms, impingement test, and radiological findings. However, the reliability of radiological findings is debated. Thus, we defined excursion angle (EA), impingement free range of motion between the acetabular edge and the femoral neck. The aims of this study were to develop diagnostic criteria of FAI based on EA, to evaluate the reliability and validity of the criteria, and to determine the optimal cut-off value of EA discriminating FAI and non-FAI hips.

Methods Thirty-three 3-dimensional hip models were reconstructed and 14 activities of daily living were simulated. Any colliding portions of the acetabular edge were removed, and lateral and anterior EAs were measured. The reliability and validity of the EA criteria were evaluated in a validation cohort of 411 hips. The optimal cut-off values discriminating FAI and non-FAI hips were determined using the receiver operating characteristic (ROC) curve analysis.

Results The mean lateral EA was 50.4° (±10.2°), and the mean anterior EA was 29.9° (±5.1°). Hips were categorized into low-risk group (lateral EA>40° and anterior EA>25°), moderate-risk group (lateral EA: 30°-40° or anterior EA:20°-25°) and high-risk group (lateral EA< 30° or anterior EA<20°). The EA measurement was highly reliable (k=0.96 and 0.97 for inter-and intra-observer reliabilities, respectively). Among the 411 validation hips, 106 (26%) were diagnosed as FAI. There was a strong correlation between FAI and risk groups: 8% (22/279) in the low-risk group, 44% (28/64) in the moderate-risk group, and 82% (56/68) in the high-risk group (x2=183.674, p<0.001). The EA criteria had excellent discrimination between FAI and non-FAI hips (area under the curve (AUC) 0.856[0.807-0.905], p<0.001). The optimal cut-off values for lateral EA were 51° in female and 43° in male; those for anterior EA were 29° in female and 25° in male.

Conclusion We developed reliable and valid criteria to diagnose FAI by measuring two EAs on hip AP and modified Dunn views. The EA criteria appeared as reliable and valid radiological measurement for FAI diagnosis. Further studies are warranted to evaluate the performance of the EA criteria in the diagnosis of FAI.

목 적: 대퇴비구 충돌증후군(Femoroacetabular impingement: FAI)은 임상 증상, 이학적 충돌 검사 그리고 방사선 소견으로 진단한다. 그러나 방사선학적 소견의 신뢰성에 대해서는 지속적인 논란이 있어왔다. 따라서, 저자들은 비구 가장자리와 대퇴 경부 사이의 충돌 없는(impingementfree) 운동 범위를 나타내는 excursion angle (EA)을 새로이 개발 및 정의하고자 한다. 본 연구의 목적은 FAI의 진단기준으로 사용할 수 있는 EA 값을 개발하고, 이 새로운 기준의 신뢰도와 타당도를 평가하며, FAI와 non-FAI hip을 구분하는 EA의 최적의 절단값을 결정하는 것이다.

대상 및 방법: 33개의 3차원 고관절 모델을 구성하고 충돌이 잘 발생한다고 알려진 14개의 일상 생활 활동 (Activity of daily living)을 시뮬레이션했다. 충돌이 일어나는 비구 가장자리의 부분을 제거한 모델에서 측면 (lateral) 및 전면 (anterior) EA를 측정했다. EA 기준의 신뢰성과 타당성은 411개의 고관절로 이루어진 검증 코호트에서 평가하였다. FAI와 non-FAI 를 구별하는 최적의 절단값은 수신자 조작 특성 (Receiver Operating Characteristic) 곡선 분석을 사용하여 구하였다.

결 과: 평균 외측 EA는 50.4°(±10.2°), 평균 전방 EA는 29.9°(±5.1°)였다. 이에 따라 각각의 고관절을 세 군으로 나누었다; 저위험군 (측면 EA >40° 및 전방 EA >25°), 중간 위험군 (측면 EA: 30°-40° 또는 전방 EA: 20°-25°) 및 고위험군으로 분류하였다. (측면 EA < 30° 또는 전방 EA <20°). 관찰자 간 및 관찰자 내 신뢰도는 각각 k =0.96 및 0.97로 EA 측정은 신뢰할 수 있었다. 411개의 고관절로 이루어진 검증 코호트 중 106개의 고관절이 (26%) FAI로 진단되었다. FAI와 세 군 사이에는 강한 상관관계가 있었다; 저３７위험군에서 8% (22/279), 중간 위험군에서 44% (28/64), 고위험군에서 82%(56/68)가 FAI로 진단되었다 (x2=183.674, p <0.001). EA 기준은 FAI와 non-FAI 환자를 구별하는데 용이했다 (Area under the curve, 0.856 [0.807-0.905], p <0.001). 측면 EA에 대한 최적의 절단값은 여성에서 51°, 남성에서 43°였다. 전방 EA의 경우 여성의 경우 29°, 남성의 경우 25°로 나타났다.

결 론: 이번 연구를 통해 개발한 EA가 FAI를 진단에 유용하게 쓰일 수 있다는 것을 확인하였다. EA 기준은 FAI 진단을 위한 유효하고 신뢰성이 있는 방사선학적 측정값으로 나타났다. 후속 연구를 통해 FAI 진단에서 EA 기준의 성능을 평가하는 것이 필요하겠다.