壓縮感知三維快速自旋回波序列診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷

王亞魁，金笑，袁慧書

磁共振成像(mag netic resonance imaging，MRI)是目前診斷膝關(guān)節(jié)損傷的主要無(wú)創(chuàng)檢查方式，臨床中常規(guī)采用二維快速自旋回波(two dimensional fast spin echo，2D FSE)序列進(jìn)行多平面成像，其診斷膝關(guān)節(jié)半月板及前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷具有較高的準(zhǔn)確性[1]。然而，由于2D FSE序列具有較大的層厚和層間距，在診斷軟骨損傷中的表現(xiàn)較差，因而一些軟骨特異的序列應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的診斷，如T2-mapping、T1ρ及三維梯度回波序列[2-4]，但是，在臨床實(shí)踐中這些序列往往需要與常規(guī)2D FSE序列相結(jié)合。三維快速自旋回波(three dimensional fast spin echo，3D FSE)具有連續(xù)薄層掃描及多平面重建的優(yōu)勢(shì)，在診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷中表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性[5-6]，但是過(guò)長(zhǎng)的掃描時(shí)間限制了其在臨床的應(yīng)用。最近，新的加速技術(shù)——壓縮感知(compression sensing，CS)的應(yīng)用，提高了3D序列的信號(hào)采集效率，成像時(shí)間甚至短于2D FSE的總體成像時(shí)間。但是，采用CS后的3D FSE對(duì)軟骨損傷的診斷能力尚不明確。本研究目的在于評(píng)估CS加速后的3D FSE序列調(diào)制反轉(zhuǎn)角成像技術(shù)(modulated flip angle technique in refocused imaging with extended echo train，MATRIX)診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

研究通過(guò)了本院倫理委員會(huì)的審查，所有入組患者均需簽署知情同意書。選取2018年2月至2018年6月本院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科住院患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)有明確膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷病史，需行常規(guī)MRI檢查；(2)計(jì)劃行關(guān)節(jié)鏡檢查或治療。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)患有以下疾病者：類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、化膿性關(guān)節(jié)炎、腫瘤、前交叉韌帶粘液變性、關(guān)節(jié)纖維化；(2)既往有膝關(guān)節(jié)手術(shù)病史者；(3)MRI禁忌證：體內(nèi)有金屬(起搏器、義眼、金屬植入物)，妊娠期或幽閉恐懼癥患者；(4)因各種原因MRI檢查后未能行關(guān)節(jié)鏡檢查；(5) MRI檢查與關(guān)節(jié)鏡檢查時(shí)間間隔超過(guò)1個(gè)月。

1.2 MR掃描方案

MRI檢查采用聯(lián)影3.0 T磁共振成像儀uMR770(中國(guó)上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司)，采用12通道相控陣膝關(guān)節(jié)線圈，行常規(guī)2D FSE序列和MATRIX序列成像。2D FSE序列包括：軸位、冠狀位、矢狀位脂肪抑制質(zhì)子密度加權(quán)像(fat-suppressed proton density weighted image，F(xiàn)S PDWI)及矢狀位非脂肪抑制T1加權(quán)像(non-fat-suppressed T1-weighted image，NFS T1WI)。MATRIX序列掃描包括：矢狀位脂肪抑制PDWI及非脂肪抑制T1WI (表1)，后處理行軸位、冠狀位薄層(層厚0.8 mm)重建。

1.3 關(guān)節(jié)鏡

關(guān)節(jié)鏡手術(shù)由本院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中心進(jìn)行，關(guān)節(jié)鏡下軟骨損傷分級(jí)采用國(guó)際軟骨修復(fù)協(xié)會(huì)(International Cartilage Regeneration & Joint Preservation Society，ICRS)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]：0度，正常；Ⅰ度，表面損傷，表面軟化不平或表淺的缺損、裂隙；Ⅱ度，損傷范圍≤50%軟骨厚度；Ⅲ度，損傷范圍＞50%軟骨厚度，但是未達(dá)軟骨下骨；Ⅳ度，軟骨損傷達(dá)軟骨下骨。

1.4 圖像分析

圖像分析包括測(cè)量圖像信噪比(signal to ratio，SNR)、對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)，計(jì)算兩序列診斷軟骨損傷的敏感度、特異度及準(zhǔn)確度。由2名放射科醫(yī)師獨(dú)立閱片，最終結(jié)果為2名醫(yī)師測(cè)量結(jié)果的平均值。2D FSE與MATRIX序列閱片在同一臺(tái)顯示器進(jìn)行，兩次軟骨損傷診斷時(shí)間間隔不少于3周，閱片時(shí)醫(yī)師對(duì)患者臨床病史、癥狀、體征均未知。

表1 磁共振成像序列參數(shù)Tab. 1 Parameters of magnetic resonance imaging sequences

SNR計(jì)算方式參照美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(Nation Electrical Manufactures Association，NEMA)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。感興趣區(qū)(region of interest，ROI)在矢狀位圖像上選取，測(cè)量的部位包括：關(guān)節(jié)液、髕軟骨、軟骨下骨，取相應(yīng)組織的無(wú)損傷、信號(hào)均勻區(qū)域，兩序列圖像基本在相對(duì)應(yīng)的層面選取ROI。組織信號(hào)強(qiáng)度(S組織)為ROI內(nèi)的平均信號(hào)強(qiáng)度，圖像噪聲(noise)為圖像背景四個(gè)角區(qū)域信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值(SD平均)與校正因子f的商，即噪聲：，其中校正因子f為0.66，計(jì)算公式：信噪比，對(duì)比噪聲比

MRI關(guān)節(jié)軟骨損傷分級(jí)采用ICRS分級(jí)系統(tǒng)：0度，正常，軟骨表面光滑，內(nèi)部信號(hào)均勻；Ⅰ度，僅表現(xiàn)為軟骨信號(hào)異?；虮砻娌黄?，無(wú)明確軟骨缺損；Ⅱ度，軟骨缺損，深度小于或等于軟骨厚度50%；Ⅲ度，軟骨缺損，深度大于軟骨厚度50%，但未達(dá)軟骨下骨；Ⅳ度，軟骨全層缺損，暴露軟骨下骨。所有的關(guān)節(jié)面分為6個(gè)部分：髕骨、滑車、股骨內(nèi)側(cè)髁、股骨外側(cè)髁、脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)、脛骨外側(cè)平臺(tái)，對(duì)于同一關(guān)節(jié)面軟骨有多處損傷者，以分級(jí)較高的損傷為準(zhǔn)。對(duì)于2名醫(yī)師診斷結(jié)果不一致的病例，保留2名醫(yī)師結(jié)果，最終計(jì)算2名醫(yī)師診斷率值的平均值。

表2 MATRIX 與2D FSE圖像SNR、CNR比較Tab. 2 Comparison of SNR and CNR between MATRIX and 2D FSE

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件。MATRIX與2D FSE圖像SNR、CNR為2名醫(yī)師測(cè)量結(jié)果的平均值，采用配對(duì)t檢驗(yàn)比較兩序列差異。以關(guān)節(jié)鏡結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算2D FSE與MATRIX序列診斷軟骨損傷的敏感度、特異度和準(zhǔn)確度。采用McNemar檢驗(yàn)分析兩序列診斷的差異。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

共有66例膝關(guān)節(jié)符合納入標(biāo)準(zhǔn)，其中3例因未行關(guān)節(jié)鏡手術(shù)，1例患者因既往有膝關(guān)節(jié)術(shù)史而被排除，最終共有62例(男39例，女23例)納入分析，平均年齡(36.7±15.0)歲，最大65歲，最小13歲，所有納入分析的病例關(guān)節(jié)鏡手術(shù)與MRI檢查時(shí)間間隔均未超過(guò)4 d。

MATRIX序列圖像的液體、軟骨及軟骨下骨髓的SNR均顯著高于2D FSE序列，關(guān)節(jié)軟骨相對(duì)于液體及骨髓的CNR亦顯著高于2D FSE序列(表2)。

表3 兩名放射科醫(yī)師采用2D FSE與MATRIX序列診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的敏感度、特異度及準(zhǔn)確度[%，(例)]Tab. 3 Sensitivity, speci ficity, and accuracy of 2D FSE and 3D MATIRX in detection of cartilage lesions for both doctors combined [%，(n)]

圖1 患者男，49歲。內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨，關(guān)節(jié)鏡診斷Ⅰ度損傷。A：2D FSE FS PDWI示內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨無(wú)明顯異常信號(hào)；B：MATRIX FS PDWI可見(jiàn)內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨點(diǎn)狀高信號(hào)(箭) 圖2 患者女，63歲，外側(cè)脛骨平臺(tái)關(guān)節(jié)軟骨，關(guān)節(jié)鏡未見(jiàn)軟骨損傷。A：2D FSE FS PDWI矢狀位箭頭所示外側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨無(wú)明顯信號(hào)改變；B：MATRIX FS PDWI矢狀位，在相應(yīng)位置可見(jiàn)軟骨內(nèi)部點(diǎn)狀高信號(hào)(箭)Fig. 1 Medial tibial plateau cartilage of a 49-year-old male con firmed grade Ⅰ cartilage lesion by arthroscope. A: 2D FSE FS PDWI shows a normal cartilage without any abnormal signal. B: MATRIX FS PDWI shows punctiform increased signal in the cattilage (arrow). Fig. 2 Lateral tibial plateau cartilage of a 63-yearold female con firmed normal cartilage by arthroscope. A: 2D FSE FS PDWI does not show any abnormal signal in the cartilage. B: MATRIX FS PDWI shows punctiform increased signal in the cattilage (arrow).

62例膝關(guān)節(jié)共372個(gè)關(guān)節(jié)面軟骨，關(guān)節(jié)鏡下共有113例軟骨損傷，與常規(guī)2D FSE序列相比，MATRIX序列診斷軟骨損傷的具有更高的敏感度，但是特異度較低(表3)。并且，MATRIX序列對(duì)于顯示較小的軟骨損傷(Ⅰ～Ⅱ度)更為敏感(圖1)，另外，對(duì)于部分軟骨表面完整、關(guān)節(jié)鏡診斷正常的軟骨，MATRIX能夠顯示其內(nèi)部信號(hào)的變化(圖2)。

3 討論

3.1 MATRIX序列特點(diǎn)

MATRIX是基于可變翻轉(zhuǎn)角技術(shù)的3D FSE序列，具有薄層連續(xù)掃描、可多平面重建的優(yōu)點(diǎn)。另外為了減少成像時(shí)間，MATRIX采用了CS加速技術(shù)。CS是一種新的加速信號(hào)采集的技術(shù)，在MRI成像中CS采取稀疏采樣方式，降低K空間樣本量，然后通過(guò)非線性迭代算法無(wú)失真重構(gòu)圖像，目前CS已經(jīng)應(yīng)用于多種MRI技術(shù)[10-11]。筆者采用的MATRIX序列3.7倍的加速因子使壓脂PDWI圖像的成像時(shí)間只需約5 min (表1)，基本滿足了臨床應(yīng)用的需求。

3.2 MATRIX序列顯示軟骨及診斷軟骨損傷的表現(xiàn)

本研究表明MATRIX圖像中軟骨具有更高的SNR，且軟骨與周圍液體、軟骨下骨CNR更高。之前一些學(xué)者采用其他3D FSE序列(3D SPACE)的得出相似的結(jié)論[12]，另外，最近Kijowski等[13]對(duì)CS加速前后的3D FSE序列(FSE-Cube)圖像質(zhì)量進(jìn)行比較，結(jié)果表明CS的應(yīng)用并沒(méi)有明顯降低FSE-Cube圖像的SNR。理論上更高的SNR與CNR更有利于顯示軟骨損傷區(qū)信號(hào)的變化。

在之前的研究中，Kijowski等[14]比較了FSE-Cube與常規(guī)2D FSE序列診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的差異，F(xiàn)SECube表現(xiàn)出更高的敏感度與較低的特異度，而Ai等[5]的研究中FSE-Cube診斷軟骨損傷的敏感度及特異度均顯著高于2D FSE序列。另外，其他的一些研究結(jié)果顯示雖然二者診斷軟骨損傷的敏感度及特異度沒(méi)有顯著差異，但是3D序列的敏感度均具有更高的趨勢(shì)[6，12]。我們的結(jié)果與之前的研究相似，與常規(guī)2D FSE序列相比，CS加速后的MATRIX診斷關(guān)節(jié)軟骨損傷具有更高的敏感度，尤其是Ⅰ～Ⅱ度損傷(表3)，其主要原因在于薄層圖像具有更高的空間分辨率，降低了部分容積效應(yīng)的影響，有利于更小的軟骨損傷的顯示(圖1)。另外，MATRIX更高的對(duì)比噪聲比，也有利于提高損傷軟骨與正常軟骨的對(duì)比度。與2D FSE序列相比，MATRIX診斷軟骨損傷特異度較低，其主要原因在于MATRIX序列層面內(nèi)的分辨率較低，而且有研究表明CS的應(yīng)用會(huì)增加圖像的模糊效應(yīng)[13]，這些因素可能使軟骨表面信號(hào)不均勻。另外，關(guān)節(jié)鏡難以觀察到軟骨內(nèi)部的損傷，而三維薄層磁共振成像對(duì)軟骨內(nèi)部信號(hào)的改變較為敏感(圖2)，也是MATRIX序列特異度較低的原因之一。

3.3 總結(jié)

與既往研究相比，我們的研究的意義在于采用了新的加速技術(shù)，減少了3D FSE序列的成像時(shí)間。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)2D FSE序列相比，CS加速的MATRIX序列圖像軟骨具有更高的SNR與CNR，MATRIX診斷關(guān)節(jié)軟骨損傷具有更高的敏感度，尤其是對(duì)Ⅰ～Ⅱ度損傷的識(shí)別，但是其診斷軟骨損傷的特異度較低。

利益沖突：無(wú)。