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A Comparative Study of Bone Age Assessment of the Knee: MRI Versus Radiography in Living Individuals

1,607명을 대상으로 한 이 후향적 연구는 무릎 MRI와 방사선 촬영이 골단 단계 결정에서 체계적인 차이를 보이지만, MRI가 골연령 평가 및 18세 연령 임계값 분류에 있어 약간 더 우수한 정확도를 제공하며 성별에 따라 최적의 등급 결정 방법이 달라짐을 보여준다.

원저자: Yu-Xiao Sun, Li-Rong Qiu, Yu-Chi Zhou, Meng-Jun Zhan, Yi-Hui Luo, Hui-Kun Yang, Yu-Fan Gui, Shuai Luo, Meng Liu, Xin-Yi Wang, Long-Bing Zhang, Bo Ren, Fei Fan, Zhen-Hua Deng

게시일 2026-09-08

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CC BY 4.0

원저자: Yu-Xiao Sun, Li-Rong Qiu, Yu-Chi Zhou, Meng-Jun Zhan, Yi-Hui Luo, Hui-Kun Yang, Yu-Fan Gui, Shuai Luo, Meng Liu, Xin-Yi Wang, Long-Bing Zhang, Bo Ren, Fei Fan, Zhen-Hua Deng

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

법의학의 세계에서 한 사람의 실제 연령을 결정하는 것은 종종 법적 결과와 직결되는 문제입니다. 청소년이 법정에 설 때, 미성년자인지 성인인지의 차이는 처벌의 엄중함이나 그들이 받게 될 정의의 유형을 결정지을 수 있습니다. 이러한 결정을 내리기 위해 전문가들은 골격이 어떻게 성장했는지를 살핍니다. 뼈는 단순히 완전히 형성된 상태로 나타나는 것이 아니라, 부드러운 연골에서 시작하여 성장판이 폐쇄될 때까지 점차 단단한 뼈로 굳어지는 일련의 예측 가능한 변화 과정을 거치며 발달합니다. '골격 성숙'이라고 알려진 이 과정은 의료 영상으로 읽어낼 수 있는 신체 속의 타임라인을 남깁니다. 수십 년 동안 이 타임라인을 읽는 표준 도구는 전리 방사선을 사용하여 뼈의 이미지를 만드는 X-레이였습니다. 효과적이기는 하지만, 어린이와 젊은 층에 대한 방사선 노출은 정당한 건강상의 우려를 불러일으키며, 이는 과학자들이 노출 없이도 동일한 세부 사항을 볼 수 있는 더 안전한 방법을 찾도록 촉구해 왔습니다.

최근 중국 남서부의 한 연구팀은 전통적인 X-레이 방식과 새로운 방사선 없는 대안인 자기공명영상(MRI)을 비교함으로써 이 과제에 도전했습니다. 연구진은 허벅지 뼈와 정강이 뼈가 만나는 복잡한 부위인 무릎 관절에 집중했는데, 이곳은 여러 성장 중심이 서로 다른 속도로 성숙하기 때문입니다. 연구진은 의료 목적으로 X-레이와 MRI를 모두 촬영한 5세에서 30세 사이의 1,600명 이상의 데이터를 수집했습니다. 그들은 세 가지 기존의 골격 발달 등급 체계를 사용하여 이미지를 검토했으며, 대퇴골 하단과 경골 상단의 성장판이 어떻게 융합되고 있는지 면밀히 조사했습니다. 목표는 단순히 MRI가 작동할 수 있는지 확인하는 것뿐만 아니라, MRI의 결과가 X-레이 표준과 얼마나 밀접하게 일치하는지, 그리고 사람의 연령을 유사한 정확도로 예측할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구 결과, 두 방법 모두 매우 신뢰할 수 있지만, 항상 동일한 이야기를 들려주는 것은 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 연구진이 두 종류의 영상에 동일한 등급 규칙을 적용했을 때, MRI는 일관되게 X-레이보다 뼈가 약간 덜 성숙한 것으로 나타냈습니다. 평균적으로 MRI는 발달 단계를 X-레이보다 약 반 단계 낮게 평가했습니다. 이러한 차이는 중요한데, 이는 MRI가 뼈가 "완전히 자랐다"고 선언하는 데 있어 더 신중할 수 있음을 시사하기 때문입니다. MRI는 X-레이가 놓치기 쉬운 남아있는 연골을 볼 수 있기 때문에, 거의 완료된 성장판을 완전히 끝난 것으로 오해할 가능성이 낮습니다. 이러한 미묘한 차이는 누군가를 너무 일찍 성인으로 선언하는 것이 심각한 결과를 초래할 수 있는 법적 환경에서 매우 중요합니다. 연구진은 이러한 체계적인 차이가 남성과 여성 모두에게 공통적으로 나타났으나, 뼈가 성장을 마치는 구체적인 시기는 성별에 따라 달랐다는 것을 발견했습니다.

순수한 연령 예측 정확도 측면에서는 두 방법이 매우 유사하게 수행되었으며, MRI가 근소한 우위를 점했습니다. 연구진이 이미지를 바탕으로 사람의 연령을 추정하기 위해 통계 모델을 사용했을 때, MRI 기반 모델이 X-레이 결과보다 일반적으로 실제 연령에 더 가까웠습니다. 예를 들어, 젊은 남성의 연령을 예측할 때 MRI 기반 모델의 평균 오차는 약 1.49년이었던 반면, X-레이 모델은 약 1.76년의 오차를 보였습니다. 이 차이는 사람이 18세라는 중요한 법적 기준점에 도달했는지 판단할 때 더욱 두드러졌습니다. MRI는 성인을 미성년자와 구별하는 데 있어 더 높은 성공률을 달성하며, 누가 이 이정표를 통과했는지를 더 잘 식별해 냈습니다. 이는 법의학적 연령 평가라는 특정 목적을 위해, 방사선이 없는 MRI가 단순히 안전한 대안일 뿐만 아니라 잠재적으로 더 정밀한 도구임을 시사합니다.

하지만 연구진은 최선의 접근 방식은 사례의 구체적인 내용과 검사받는 사람에 따라 달라진다고 언급했습니다. 그들은 서로 다른 등급 체계가 서로 다른 집단에 더 적합하다는 것을 발견했습니다. 젊은 남성의 경우, '프로톤 밀도 가중치(proton density weighting)'라고 불리는 특정 MRI 시퀀스를 사용하여 무릎을 관찰하는 방법이 가장 정확한 결과를 제공했습니다. 젊은 여성의 경우, 표준 MRI 뷰와 전통적인 X-레이 등급 방식을 결ari한 방법이 가장 효과적이었습니다. 또한 본 연구는 MRI가 성인기에 접어드는 십 대 후반에게는 우수하지만, X-레이가 어린 아이들의 연령을 추정하는 데에는 여전히 약간 더 나을 수 있음을 강조했는데, 이는 MRI 등급 체계가 주로 청소년기를 염두에 두고 설계되었기 때문입니다.

궁극적으로, 이 대규모 연구는 MRI가 살아있는 개인의 골 연령을 평가하는 데 있어 실행 가능하고 견고한 도구임을 확인해 줍니다. MRI는 방사선 노출을 피하면서도 기존의 X-레이 표준만큼 신뢰할 수 있고, 어떤 경우에는 더 정확한 데이터를 제공하는 방법을 제시합니다. 이 연구 결과는 법의학 전문가들이 기존의 X-레이 차트에 의존하는 대신 MRI 기술에 특화된 참조 데이터를 사용한다면, 연령 추정을 위해 MRI를 자신 있게 사용할 수 있음을 시사합니다. 이 두 기술이 성장하는 골격을 바라보는 미묘한 차이를 이해함으로써, 법적 및 의료 전문가들은 더욱 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있으며, 이를 통해 연령 추정 과학이 안전하고 정밀하게 유지되도록 할 수 있습니다.

기술 요약: 무릎의 골연령 평가에 관한 비교 연구: 생존자를 대상으로 한 MRI와 방사선 촬영법의 비교

문제 제기
골연령 평가(BAA)는 법의학 실무, 특히 중국의 법적 연령 기준(예: 12세, 14세, 16세, 18세)을 결정하는 데 있어 매우 중요하다. 기존의 방사선 촬영법이 표준이지만, 이는 이온화 방사선에 의존하여 청소년에게 위험을 초래할 수 있으며 특정 관할 구역에서는 법적 제한을 받기도 한다. 자기공명영상(MRI)은 방사선 노출이 없는 대안을 제공하며 손목 및 쇄골 평가에서 유망한 가능성을 보여주었다. 그러나 생존자를 대상으로 다중 시퀀스 무릎 MRI와 방사선 촬영법을 체계적으로 비교한 연구는 제한적이다. 기존 연구들은 종종 표본 크기가 작거나, 사후 데이터에 의존하거나, 연령 범위가 좁다는 문제점이 있었으며, 한족(Han Chinese) 인구에 대한 MRI의 방사선 촬영 대체 가능성에 대한 임상적 검증 근고를 확보하는 데 공백을 남겨두었다.

연구 방법
본 회고적 연구는 2012년 2월부터 2025년 7월 사이 중국 서남부 지역의 두 일반 병원에서 수집된 5~30세 사이의 한족 1,607명(남성 874명, 여성 -733명)의 데이터를 분석하였다.

데이터 수집: 참가자들은 무릎 방사선 촬영(전후방 및 측면 뷰)과 MRI(1.5T 또는 3.0T 스캐너) 검사를 모두 받았다. MRI 프로토콜에는 종단면 T1 강조 영상(T1WI), 종단면 T2 강조 영상(T2WI), 그리고 관상면 프로톤 밀도 강조(PDWI) 지방 억제 시퀀스가 포함되었다.
등급 시스템: 원위 대퇴골(distal femur)과 근위 경골(proximal tibia)의 골단 성숙도는 세 가지 확립된 등급 시스템을 사용하여 평가되었다:
1. Schmeling & Kellinghaus: T1WI MRI 및 방사선 촬영에 적용.
2. Vieth: T1WI/T2WI MRI 조합에 적용.
3. Dedouit: PDWI MRI에 적용.
통계 분석: 가중 카파 계수(weighted kappa coefficients)를 사용하여 관찰자 내 및 관찰자 간 일치도를 평가하였다. 짝지은 t-검정(paired t-tests)을 통해 양식 간의 단계 차이를 비교하였다. 스피어만 상관계수(Spearman's correlation)를 사용하여 골단 등급과 실제 연령 간의 관계를 평가하였다.
모델링: 연속적인 연령 예측 및 법적 임계치(12, 14, 16, 18세)에서의 이진 분류를 위해 다변량 선형 회귀 및 머신러닝 모델(Ridge, Random Forest, SVM, MLP 포함)을 개발하였다. 성능은 평균 절대 오차(MAE), 평균 제곱근 오차(RMSE), $R^2$ , 곡선 아래 면적(AUC)을 사용하여 측정되었다. 데이터셋은 훈련 세트(1,098례)와 독립적인 테스트 세트(114례)로 분할되었다.

주요 기여

대규모 비교 분석: 본 연구는 생존자의 골연령 평가를 위해 다중 시퀀스 무릎 MRI와 방사선 촬영을 직접 비교한 가장 큰 규모의 데이터셋(n=1,607) 중 하나를 제공하며, 광범위한 연령대(5~30세)를 포괄한다.
다중 모드 및 다중 시스템 평가: 단일 시퀀스나 양식에 집중했던 이전 연구들과 달리, 본 연구는 세 가지 서로 다른 등급 시스템을 MRI 시퀀스와 방사선 투영법 모두에 걸쳐 체계적으로 평가한다.
체계적 편향의 정량화: 본 연구는 동일한 등급 기준을 사용할 때 MRI와 방사선 촬영 간의 단계 차이를 엄격하게 정량화하였으며, MRI가 일관되게 낮은 단계 점수를 나타낸다는 것을 밝혀냈다.
성별 층화 성능: 본 분석은 서로 다른 성별에 최적화된 등급 방법을 식별함으로써, MRI 기반 평가에 있어 "원 사이즈(one-size-fits-all)" 접근 방식이 최선이 아닐 수 있음을 시사한다.

결과

체계적 차이: Schmeling & Kellinghaus 시스템을 사용한 짝지은 분석 결과, MRI와 방사선 촬영 사이에 유의미한 체계적 차이가 발견되었다(평균 차이: -0.483 ~ -0.631 단계; 모든 $p < 0.001$ ). MRI 단계는 방사선 촬영 단계보다 일관되게 낮았는데, 이는 방사선 촬영이 융합으로 해석할 수 있는 잔류 연골을 MRI가 더 잘 시각화할 수 있기 때문으로 보인다.
관찰자 일치도: MRI는 방사선 촬영( $\kappa$ : 0.766–0.813)에 비해 더 높은 관찰자 내 및 관찰자 간 일치도(가중 $\kappa$ : 0.815–0.920)를 보였다.
연령 예측: 연속적 연령 예측에서 MRI 기반 모델은 일반적으로 방사선 촬영 기반 모델보다 우수한 성능을 보였다. 테스트 세트에서 최적의 MRI 모델은 남성 1.486년, 여성 1.555년의 MAE를 달 기록하여 방사선 촬영(남성 1.755년, 여성 1.747년)보다 낮은 MAE를 달성했다. 구체적으로, Dedouit(PDWI) 방식이 남성에서 가장 낮은 MAE(1.486년)를 기록했으며, "모든 MRI 특징(All MRI features)" 세트는 1.568년의 MAE를 달성했다.
임계치 분류: 중요한 18세 분류를 위해, MRI는 방사선 촬영보다 높은 AUC를 달성했다(남성: 0.943 vs 0.913, 여성: 0.963 vs 0.894). 그러나 12세 및 14세와 같은 낮은 임계치에서는 방사선 특징 세트가 때때로 더 나은 성능을 보였다.
방법론별 결과: Dedouit 방식은 남성에서 강력한 성능(MAE = 1.486년)을 보이며 "모든 MRI 특징" 결합 세트(MAE = 1.568년)보다 우수한 성능을 나타냈다. Schmeling & Kellinghaus 방식은 높은 관찰자 일치도와 여성에 대한 적합성을 보여주었다.

의의 및 주장
본 논문은 MRI와 방사선 촬영이 법의학적 골연령 평가에서 전반적으로 대등한 성능을 보이며, 특히 18세 임계치에 대한 대부분의 지표에서 MRI가 약간의 우위를 점한다고 결론짓는다. 본 연구는 MRI가 법의학 실무에서 유효한 방사선 없는 대안임을 상정한다. 그러나 저자들은 단계상의 체계적 편차(MRI가 더 낮은 단계를 나타냄)로 인해, 오분류를 피하기 위해서는 실무에서 양식별 참조 데이터가 반드시 사용되어야 함을 강조한다.

저자들은 MRI가 연령 과대평가의 위험을 줄여주지만(잔류 연골 식별을 통해), 18세 임계치에 대한 이점은 18세 미만에서도 성숙 단계가 관찰되었으므로 주의 깊게 해석되어야 한다고 경고한다. 또한, 본 연구는 인구 집단의 동질성(중국 서남부의 한족)과 딥러닝 방식이 아닌 고전적 머신러닝 모델을 사용했다는 한계를 인정한다. 연구 결과는 MRI가 유망한 도구이지만, 그 적용을 위해서는 특정 등급 시스템 및 인구 특성에 따른 정밀한 보정이 필요함을 시사한다.

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