3TMRI關(guān)節(jié)軟骨成像序列的比較和探討

蔣勝洪 龔美林 呂英茹 陳 爽 錢建國 李 克 馮曉源

3T磁共振成像已廣泛應(yīng)用于軟骨病變的診斷和療效評價(jià),3T MRI關(guān)節(jié)軟骨成像序列眾多,目前已從傳統(tǒng)的二維、三維形態(tài)成像向功能生理成像轉(zhuǎn)變,如何選擇性價(jià)比理想的序列組合是關(guān)鍵,本研究擬通過臨床上具有代表性的3T MRI成像序列之間的比較,探討理想的3TMRI關(guān)節(jié)軟骨成像序列組合。

方 法

1.臨床資料

收集因不同臨床需要而檢查的36例單側(cè)膝關(guān)節(jié)MRI患者,病因包括外傷,骨性關(guān)節(jié)炎等,36例膝關(guān)節(jié)MRI患者中男19例,女 17例,年齡8～78歲,平均年齡39歲。

2.檢查方法

2.1M R設(shè)備:采用SIEMENS3.0T VERIO高場超導(dǎo)MRI,8通道關(guān)節(jié)表面線圈。SIEMENS VB17分析軟件和工作站。

2.2M R掃描序列:包括自旋回波序列(SE),二維脂肪抑制質(zhì)子密度加權(quán)像(FS-PD),二維短T1翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列 (2D-ST IR),三維雙重回波穩(wěn)態(tài) (3DDESS),三維平衡穩(wěn)態(tài)序列(3D-True FISP)和關(guān)節(jié)軟骨生理成像T 2m apping(具體成像參數(shù)見表1)。

2.3分析方法:利用PACS 終端顯示的掃描定位線,選取各序列上膝關(guān)節(jié)髁間凹中央層面,設(shè)定3mm×3mm區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)(FOV),分別測量股骨遠(yuǎn)端軟骨和背景噪聲信號強(qiáng)度(signalintensity,SI)。計(jì)算以下參數(shù):①軟骨信噪比(signal-noise ratio,SNR);②軟骨-關(guān)節(jié)液對比度噪聲比(contrastnoise ratio,CNR)。公式如下:SNR=SI/SD,CNR=SI-SIT/SD(SI為軟骨組織SI;SIT為其他各組織SI;SD為背景噪聲標(biāo)準(zhǔn)差)。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用EXCEL 2003和SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計(jì)分析。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的方差分析進(jìn)行SNR和不同CNR的整體比較;不同序列參數(shù)值采用Turkey法進(jìn)行兩兩比較。P＜0.05即被認(rèn)為具顯著性差異。

結(jié) 果

1.不同MR序列關(guān)節(jié)軟骨表現(xiàn)

在T1W序列上關(guān)節(jié)軟骨表現(xiàn)為均勻中等信號帶,與骨質(zhì)間有低信號帶相隔;在二維脂肪抑制質(zhì)子密度加權(quán)像 (FS-PD),二維短T1翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(2D-STIR),三維雙重回波穩(wěn)態(tài)(3D-DESS),三維平衡穩(wěn)態(tài)序列(3D-True FISP)上關(guān)節(jié)軟骨表現(xiàn)為中等-高信號,周圍關(guān)節(jié)液體表現(xiàn)為高信號,軟骨的顯示以3D-DESS和3D-True FISP為佳,但軟骨-關(guān)節(jié)液邊界對比以3D-DESS序列最好,見表2。在矢狀面T2mapping原始圖像及后處理圖像上,正常關(guān)節(jié)軟骨為藍(lán)色,退變或損傷的軟骨因含水量的改變而表現(xiàn)為紅色,周圍關(guān)節(jié)液體表現(xiàn)為紅 色(圖1～6)。

表1 各關(guān)節(jié)MR成像序列參數(shù)比較

表2 各MRI序列關(guān)節(jié)軟骨的 SNR、CNR值

圖1 二維脂肪抑制質(zhì)子密度加權(quán)像(FS-PD)。關(guān)節(jié)軟骨與股骨髁軟骨周圍液體顯示清晰,但高信號液體下緣的股骨髁軟骨被掩蓋。圖2 二維短T1翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列。脂肪背景抑制明顯,軟骨/積液對比好,但軟骨分辨差,較薄,同時(shí)高信號液體下緣的股骨髁軟骨也被掩蓋。

圖3 三維雙重回波穩(wěn)態(tài)序列。軟骨與股骨髁軟骨/積液對比均顯示清晰,特別是高信號液體與其下緣的股骨髁軟骨分界清楚,股骨髁軟骨與其周圍液體之間沒有互相被干擾。圖4三維平衡穩(wěn)態(tài)序列。軟骨與股骨髁軟骨/積液的顯示與 3D–DESS相似,但股骨髁軟骨與其周圍液體的分界沒有3D–DESS銳利,而且易產(chǎn)生偽影。

圖5 T2mapping原始圖像。關(guān)節(jié)內(nèi)股骨髁液體表現(xiàn)為紅色。圖6 T 2m apping重建圖像關(guān)節(jié)內(nèi)股骨髁液體表現(xiàn)為紅色,股骨髁信號不均勻,提示有關(guān)節(jié)軟骨退變及軟骨含水量有變化,藍(lán)色代表完好沒有退變的軟骨。

2.不同MRI序列關(guān)節(jié)軟骨的SNR、CNR值

D-DESS,3D-T rue FISP 和FS-PD 序列軟骨SNR最高,與2D-ST IR和SET 1W相比有明顯差異(P＜0.001),D-DESS,3D-True FISP和FS-PD之間SNR無差異 (P＞ 0.05);同時(shí)3D-DESS,3D-True FISP和FS-PD序列軟骨-關(guān)節(jié)液對比度噪聲比(CNR)高于2D-ST IR和SET 1W(P＜0.001)。3D-True FISP和FS-PD序列之間軟骨-關(guān)節(jié)液對比度噪聲比(CNR)無差異(P＞0.05),見表2。

討 論

1.3TMRI關(guān)節(jié)軟骨成像序列之間的比較

關(guān)節(jié)軟骨成像一直備受研究者的關(guān)注,它的成像與臨床診斷及治療緊密相關(guān),關(guān)節(jié)軟骨成像序列種類繁多,主要分二維和三維兩大類,各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)。由于關(guān)節(jié)軟骨復(fù)雜的表面形態(tài)和廣泛的被覆區(qū)域,因此M R三維成像更適合進(jìn)行軟骨成像。其優(yōu)勢體現(xiàn)在:①可按任意方向進(jìn)行數(shù)據(jù)重建,實(shí)現(xiàn)一次掃描任意層面重建;②在層面內(nèi)和切層間保持同樣的分辨率,獲得小于1mm層厚的圖像,從理論上講,三維成像沒有層厚和層間距的限制;③直觀顯示軟骨形態(tài)和厚度變化。M R三維成像可進(jìn)行關(guān)節(jié)軟骨容積分析,對精確評價(jià)軟骨病變有較大幫助。其軟骨SNR和CNR也顯著高于其他二維序列。三維成像的最大缺陷是耗時(shí),不適于高齡和關(guān)節(jié)疼痛的患者。

1.1自旋回波序列(SE):T1W I和T2W I是應(yīng)用最普遍的脈沖序列。T 1W I具有良好的解剖結(jié)構(gòu)顯示能力,關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨質(zhì)在T1W I上可形成較好的信號對比,但軟骨與關(guān)節(jié)液體間對比顯示不佳,對軟骨缺損的顯示亦不敏感。文獻(xiàn)報(bào)道T 1W I對病變的檢出率為70%。T 2W I上軟骨呈低信號,在呈高信號的關(guān)節(jié)液的對比下可出現(xiàn)類似造影的效果;當(dāng)有關(guān)節(jié)液滲出時(shí)對軟骨表層缺損的病變顯示較好,但過低的信噪比無法得到足夠高的空間分辨力。長回波時(shí)間選擇性丟失軟骨深層信號,使軟骨與軟骨下骨的交界變得模糊不清[1]。

1.2二維脂肪抑制質(zhì)子密度加權(quán)像(FS-PD):長TR(1500～2500ms)短TE(15～30m s,60～80ms)。采集的回波信號幅度與主要質(zhì)子密度有關(guān),因而這種圖像稱為質(zhì)子密度加權(quán)像,可極好地顯示解剖細(xì)節(jié),T 2W上具有長T 2弛豫時(shí)間的組織信號升高,脂肪信號被抑制,因此質(zhì)子密度加權(quán)像有時(shí)常被用來代替脂肪抑制序列和T 2W,在肌骨系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,可粗略地用于臨床篩選,節(jié)約掃描時(shí)間,但在細(xì)節(jié)上還不能取代真正的脂肪抑制序列。

1.3二維短T 1翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列 (short inversion recovery,2D-STIR):關(guān)節(jié)軟骨在STIR成像上表現(xiàn)為中等信號,與高信號的滑液對比明顯,能有效地顯示關(guān)節(jié)軟骨病變[2]。但在相同區(qū)域內(nèi)因化學(xué)位移的干擾,高信號的滑液與關(guān)節(jié)軟骨界限不清,這一序列在臨床常規(guī)應(yīng)用于骨髓內(nèi)病變的顯示。

1.4三維雙重回波穩(wěn)態(tài)(3D-double echo steady state,3D-DESS)序列:3D-DESS=FISP(平衡穩(wěn)態(tài)序列)+PSIF,FISP相當(dāng)于GE的GRASS,PSIF相當(dāng)于GE的SSFP序列。PSIF也就是FISP的在時(shí)間上的翻轉(zhuǎn)序列,也就是采集刺激回波。3D-DESS通過在穩(wěn)態(tài)中兩次回波的聯(lián)合作用提高了關(guān)節(jié)軟骨的顯示分辨率,關(guān)節(jié)軟骨在此序列中表現(xiàn)為中等密度的信號,與滑液間有良好的對比度。3D-DESS序列對關(guān)節(jié)軟骨表面病損敏感性較高,研究表明其對軟骨表面病損的診斷率與3D-SPGR序列無顯著差異。與3D-T rue FISP序列相比,突出了T 2效應(yīng),因此能清晰區(qū)分關(guān)節(jié)軟骨與周圍積液[3]。

1.5三維平衡穩(wěn)態(tài)序列(3D-T rue FISP):3DTrue FISP是個真正的平衡穩(wěn)態(tài)序列,相當(dāng)于GE的FIESTA。true FISP加上水激發(fā)技術(shù),可以很好地顯示關(guān)節(jié)軟骨,提供了穩(wěn)態(tài)序列中最高的信噪比,與3D–DESS序列相比,更加突出了關(guān)節(jié)軟骨信號[4],但由于兩次回波信號同時(shí)激發(fā),易產(chǎn)生MRI偽影。

1.6T 2mapping:軟骨T 2圖成像采用多回波自旋回波序列,本研究采用 TR1680m s,TE 13.8m s、27.6m s、41.4m s、55.2ms、69m s五回波,對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行非線型計(jì)算和偽彩編碼,是軟骨T2值的空間分布圖。T 2值受關(guān)節(jié)軟骨的水含量和膠原纖維方向的影響。曾有研究表明,關(guān)節(jié)軟骨中水分的增加是軟骨退變的一個早期表現(xiàn),由于膠原纖維破壞和膠原成分改變及排列方式改變,導(dǎo)致了軟骨組織中水分的增加,進(jìn)而T 2值延長[5]。Dunn等[6]對比研究正常人和輕重度骨性關(guān)節(jié)炎病人膝關(guān)節(jié)軟骨的T2值后發(fā)現(xiàn),軟骨的T 2值隨骨性關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度而升高。當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨受壓時(shí),它對水的擠壓和膠原纖維的變形敏感,Mosher等[7]研究了正常人運(yùn)動前后膝關(guān)節(jié)軟骨T 2值,發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)表面的T 2值較高,且運(yùn)動后該層T 2值下降明顯,這與膠原纖維各向異性增加有關(guān)。因此,軟骨的T2值是組織中水和膠原成分的一個功能指標(biāo),測量T 2值空間分布可以揭示水異常區(qū)和膠原纖維方向的改變。T2圖能顯示關(guān)節(jié)軟骨生化成分的變化,能提供客觀、定量指標(biāo)去監(jiān)測疾病進(jìn)展并能潛在地指導(dǎo)治療[8,9]。

2.3TMRI關(guān)節(jié)軟骨成像序列的理想組合

通過本組病例的不同MR序列比較,在顯示關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)上,我們認(rèn)為二維脂肪抑制質(zhì)子密度加權(quán)像(FS-PD)加上三維雙重回波穩(wěn)態(tài)(3D-DESS)是理想組合,輔以SET 1W,可以滿足臨床需要,性價(jià)比較高,成像時(shí)間10min左右,兼顧軟骨和關(guān)節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)、軟骨下骨質(zhì)的成像要求,同時(shí)軟骨SNR和組織間CNR較高,圖像質(zhì)量高,減少漏診可能。若進(jìn)一步要反映關(guān)節(jié)軟骨的生化及功能信息,T2mapping是很好的選擇,反映關(guān)節(jié)軟骨生化成分,特別是含水量的變化,有利于臨床診斷、治療和隨訪,評價(jià)治療效果。雖然目前關(guān)節(jié)軟骨的生理成像序列大都處于臨床研究階段,但隨著MR設(shè)備和軟件技術(shù)的發(fā)展,關(guān)節(jié)軟骨MR生理成像技術(shù)將得到更大的發(fā)展和應(yīng)用,成為骨關(guān)節(jié)影像研究的一個重點(diǎn)。