宋春娟，張 怡

（南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，南京 210029）

0 引言

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是臨床常見(jiàn)的膝關(guān)節(jié)疾病。MRI具有多參數(shù)、多序列、多方位成像及無(wú)創(chuàng)性等優(yōu)點(diǎn)，診斷ACL具有很高的敏感度和較好的特異度[1]，已成為ACL損傷主要的檢查方法。2D MRI FSE是膝關(guān)節(jié)臨床常規(guī)檢查序列，但掃描層厚較厚，容易導(dǎo)致部分容積效應(yīng)，對(duì)ACL等特殊結(jié)構(gòu)成像效果不佳。未聯(lián)合壓縮感知技術(shù)（compressed sensing，CS）的常規(guī)3D-FSE序列采用各向同性掃描結(jié)合三維重建技術(shù)，可完整顯示ACL[2]。然而，由于其采集時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)引起患者不適并產(chǎn)生不必要的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生限制了其應(yīng)用和發(fā)展。因此，為了縮短掃描時(shí)間、減少偽影的產(chǎn)生，K空間采集的半傅里葉技術(shù)、并行采集技術(shù)以及CS技術(shù)等MRI的快速成像方法應(yīng)運(yùn)而生。CS技術(shù)只采集少量的數(shù)據(jù)即可重建高質(zhì)量圖像，大大縮短了掃描時(shí)間。目前，CS技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和臨床研究[3-4]，取得了較好的應(yīng)用效果，但其在膝關(guān)節(jié)ACL成像中的研究報(bào)道較少。本文通過(guò)對(duì)常規(guī)2D-FSE序列和CS-3D-MATRIX序列的圖像進(jìn)行對(duì)比研究，探討CS-3D-MATRIX序列在ACL損傷診斷中的可行性和應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究納入2018年9月至2019年12月來(lái)我院行膝關(guān)節(jié)MRI掃描的44例患者（男23例、女21例），平均年齡（40±12.98）歲。病例納入標(biāo)準(zhǔn):（1）明確有膝關(guān)節(jié)損傷癥狀；（2）臨床體格檢查懷疑膝關(guān)節(jié)半月板、軟骨及膝關(guān)節(jié)ACL撕裂損傷。排除標(biāo)準(zhǔn):（1）既往做過(guò)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的患者；（2）膝關(guān)節(jié)有感染、腫瘤史的患者；（3）有MRI禁忌證的患者。本組納入的受試者臨床表現(xiàn):膝關(guān)節(jié)疼痛伴功能障礙26例，外傷疼痛11例，關(guān)節(jié)炎疼痛6例，肢體麻木1例。本研究經(jīng)院倫理委員會(huì)審批，所有患者自愿參加本項(xiàng)目研究并簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

采用聯(lián)影3.0T超導(dǎo)MRI掃描儀（uMR 780），聯(lián)合應(yīng)用12通道相控陣膝關(guān)節(jié)線圈，患者仰臥，足先入，膝關(guān)節(jié)向外旋轉(zhuǎn)15°，線圈中心對(duì)準(zhǔn)髕骨下緣。按照表1中的參數(shù)對(duì)所有患者進(jìn)行常規(guī)2D-FSE序列的矢狀面、冠狀面、橫軸面和CS-3D-MATRIX序列掃描。CS-3D-MATRIX序列通過(guò)調(diào)整重復(fù)時(shí)間（repetitiontime，TR）和回波時(shí)間（echotime，TE）可以獲得T1WI、T2WI和質(zhì)子密度加權(quán)像（proton density weighted imaging，PDWI），本研究選用 PDWI，比較矢狀面的2D-FSE和CS-3D-MATRIX 2組序列的圖像效果。

1.3 評(píng)價(jià)方法

本研究從信噪比、圖像質(zhì)量評(píng)分及ACL顯示完整度3個(gè)方面對(duì)2組序列圖像效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中信噪比和主觀評(píng)分是對(duì)未經(jīng)重建的原始圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，ACL顯示完整度是對(duì)CS-3D-MATRIX序列經(jīng)多平面重建（multiplanner reformation，MPR）后的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。主觀評(píng)分及ACL顯示完整度由2名具有骨關(guān)節(jié)診斷10 a以上經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，意見(jiàn)不一致時(shí)，由2名醫(yī)師經(jīng)協(xié)商達(dá)成一致意見(jiàn)后得出。具體評(píng)價(jià)方法如下:

表1 膝關(guān)節(jié)常規(guī)2D-FSE序列與CS-3D-MATRIX序列掃描參數(shù)

（1）信噪比（signal to noise ratio，SNR）。分別測(cè)量膝關(guān)節(jié)ACL的起止端和中段感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的平均信號(hào)值（signal intensity，SI），在背景區(qū)選取2個(gè)同樣大小面積的ROI，測(cè)量背景噪聲平均標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD），根據(jù)韌帶的 SI值和背景的SD 值計(jì)算SNR，SNR=SI韌帶/SD背景。

（2）圖像質(zhì)量評(píng)分。對(duì)膝關(guān)節(jié)ACL圖像偽影、邊緣銳利度及圖像綜合質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)并取得一致意見(jiàn)。對(duì)圖像的顯示情況進(jìn)行評(píng)分，分為5個(gè)等級(jí):0分，圖像質(zhì)量較差，偽影嚴(yán)重，不能診斷；1分，病變顯示欠清，偽影較大，對(duì)比度差，但尚能診斷；2分，有適度偽影，圖像質(zhì)量中等，不影響診斷；3分，有輕度偽影，對(duì)比度良好，病灶清晰；4分，沒(méi)有偽影，病灶及組織結(jié)構(gòu)清晰可辨，圖像質(zhì)量高。評(píng)定2分及以上則認(rèn)為圖像質(zhì)量滿足診斷要求。

（3）膝關(guān)節(jié)ACL顯示完整度。將采用CS-3DMATRIX序列進(jìn)行掃描的原始圖像傳至后處理工作站（uWS-MR，聯(lián)影）進(jìn)行斜冠狀面、斜矢狀面與橫軸面的MPR。根據(jù)韌帶的走行，重建顯示韌帶的起止點(diǎn)及形態(tài)。其重建的層厚和層間距與2D-FSE的參數(shù)一致。

由2名醫(yī)師對(duì)比2組圖像，觀察ACL及其周圍的細(xì)微結(jié)構(gòu)。本研究采用徐建興等[5]、張繼良等[6]提出的韌帶顯示的診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià):Ⅰ級(jí)，1幅圖像能顯示韌帶全長(zhǎng)；Ⅱ級(jí)，連續(xù)2～3幅圖像能顯示韌帶全長(zhǎng)；Ⅲ級(jí)，僅能顯示部分韌帶，圖像質(zhì)量不能滿足診斷要求。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以xˉ±s表示，采用配對(duì)t檢驗(yàn)，主觀評(píng)分使用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)法進(jìn)行對(duì)比，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2名醫(yī)師間的一致性檢驗(yàn)采用Kappa檢驗(yàn)，Kappa＜0.4表示一致性差，0.4≤Kappa≤0.6表示一致性中等，0.6＜Kappa≤0.8 表示一致性較好，Kappa＞0.8表示一致性高。

2 結(jié)果

2.1SNR

分別計(jì)算2組序列的SNR，CS-3D-MATRIX序列的 SNR為 36.94±18.45，2D-FSE序列的 SNR為49.16±15.23，2組SNR差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.124＞0.05）。

2.2 圖像質(zhì)量評(píng)分

由表2可知，在圖像偽影和圖像綜合質(zhì)量評(píng)分方面，CS-3D-MATRIX序列比2D-FSE序列略低，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在銳利度方面，CS-3DMATRIX序列評(píng)分明顯低于2D-FSE序列，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。如圖1所示，膝關(guān)節(jié)ACL水腫的圖像顯示相似，而ACL邊緣的銳利度稍模糊，病變清晰顯示程度相對(duì)較差。2名醫(yī)生對(duì)圖像質(zhì)量的主觀評(píng)分一致性高（Kappa＞0.8）。

表2 2組序列膝關(guān)節(jié)ACL的主觀評(píng)分分

圖1 患者1膝關(guān)節(jié)的2D-FSE序列、CS-3D-MATRIX序列圖像

2.3 膝關(guān)節(jié)ACL的顯示完整度

由表3可知，2D-FSE和CS-3D-MATRIX序列結(jié)合MPR技術(shù)在一幅圖像上完整顯示ACL全長(zhǎng)的例數(shù)分別為19例和43例（其中1例膝關(guān)節(jié)ACL斷裂），2組序列對(duì)ACL損傷的顯示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.000＜0.05）。2名醫(yī)生對(duì)膝關(guān)節(jié)ACL的顯示度一致性高（Kappa＞0.8）。如圖 2所示，CS-3D-MATRIX序列結(jié)合冠狀面和矢狀面重建，能更好地顯示膝關(guān)節(jié)ACL的完整度。

表3 2D-FSE序列與CS-3D-MATRIX序列韌帶顯示效果例

圖2 患者2膝關(guān)節(jié)的2D-FSE序列、CS-3D-MATRIX序列圖像及其重建圖像

3 討論

膝關(guān)節(jié)是人體活動(dòng)量最大，亦是最容易受到損傷的關(guān)節(jié)[7]，ACL是維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)，早期準(zhǔn)確判斷ACL有無(wú)損傷及損傷程度對(duì)于臨床早期治療方案具有重要意義[8]。膝關(guān)節(jié)ACL結(jié)構(gòu)走行特殊，起自脛骨髁間隆起的前方，斜向后上方，呈散開(kāi)狀止于股骨外側(cè)髁的內(nèi)側(cè)面。MRI掃描方位通常有矢狀面、冠狀面和橫軸面，其中矢狀面成像對(duì)檢查膝關(guān)節(jié)ACL最有價(jià)值，由于其特殊的走行結(jié)構(gòu)，2D-FSE序列難以在同一層面顯示ACL完整結(jié)構(gòu)。張繼良等[6]采用3D序列掃描重建后顯示ACL的細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)、損傷程度更清晰，Subhas等[9]認(rèn)為對(duì)于膝關(guān)節(jié)韌帶的評(píng)價(jià)2D與3D序列獲得的診斷性能一致。Li等[10]認(rèn)為3D與常規(guī)2D序列在診斷膝關(guān)節(jié)損傷的敏感度和特異度方面無(wú)明顯差異。

CS技術(shù)[11-12]是一種特殊的加速技術(shù)，利用小波變換的圖像壓縮編碼方法對(duì)圖像進(jìn)行壓縮[13]，原始圖像經(jīng)過(guò)變換后很多信號(hào)接近于“零”。借助信號(hào)內(nèi)在的稀疏性或可壓縮性，在K空間下采樣，然后進(jìn)行非線性迭代重建，重構(gòu)出原始圖像，加快了MRI成像速度。目前，CS技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用于頭顱磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA），由于MRA圖像研究的目標(biāo)僅為高亮信號(hào)的血管，所以極易推廣應(yīng)用[14]，CS-MRA技術(shù)不僅可加快成像速度，還能有效減少偽影，使臨床醫(yī)師對(duì)人體內(nèi)部病變部位的觀察更直接、更清晰，提高確診率[15]。而對(duì)于實(shí)質(zhì)臟器的觀察，CS圖像質(zhì)量的評(píng)估則要更復(fù)雜[16]。

本研究中，CS-3D-MATRIX序列的檢查時(shí)間為233 s，較膝關(guān)節(jié)2D-FSE序列3個(gè)平面檢查的總時(shí)間明顯縮短，提高了檢查效率。CS-3D-MATRIX序列可以通過(guò)一次薄層無(wú)間隔掃描、任意角度的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行曲面重建ACL，特別是斜矢狀面、斜冠狀面重建圖像能在同一層面上顯示ACL的完整形態(tài)和損傷情況，清晰顯示細(xì)微結(jié)構(gòu)，提高韌帶的顯示率，而2D-FSE序列通常需要連續(xù)2～3個(gè)切面才能顯示ACL的完整形態(tài)。

在磁共振成像過(guò)程中，填充K空間中央?yún)^(qū)域的相位編碼線主要決定圖像的組織對(duì)比，而填充K空間周邊區(qū)域的相位編碼線主要決定圖像的解剖細(xì)節(jié)。在本次實(shí)踐中，CS技術(shù)在重建時(shí)，其K空間中央?yún)^(qū)域獲得的回波高于在K空間邊緣的回波，從而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)ACL邊緣的銳利度略低，圖像有少許的模糊（如圖1所示），但圖像的診斷效能并未降低。CS技術(shù)采用K空間欠采樣方式，圖像邊緣有很多黑色的區(qū)域，這些區(qū)域并不會(huì)對(duì)圖像的K空間數(shù)據(jù)造成影響，因此這部分信號(hào)不需要采集。Ding等[17]分析了不同降噪因子的CS方法在MRI重建中的噪聲特性，證明了CS重構(gòu)的去噪能力。該方法產(chǎn)生的背景噪聲較小，背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差較低，信噪比較高。本研究中，相比于2D-FSE序列的圖像，CS-3D-MATRIX序列膝關(guān)節(jié)ACL信噪比無(wú)明顯變化，診斷ACL的價(jià)值與2D-FSE序列相似。

本研究?jī)H局限于懷疑膝關(guān)節(jié)ACL損傷的病例，而且數(shù)量相對(duì)較少，對(duì)病變的顯示效果與外科關(guān)節(jié)鏡（金標(biāo)準(zhǔn)）的一致性有待進(jìn)一步研究。本研究運(yùn)用了CS-3D-MATRIX序列，將來(lái)可以進(jìn)一步嘗試CSFS-PDWI序列在診斷膝關(guān)節(jié)損傷方面的應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述，CS-3D-MATRIX序列作為一種新的MRI快速掃描序列，通過(guò)薄層原始圖像結(jié)合MPR可以更好地顯示膝關(guān)節(jié)ACL的形態(tài)，特別是在顯示ACL的完整度方面更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)檢查效率更高，因此對(duì)韌帶損傷程度的診斷具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。