MAVRIC-SL技術抑制頸椎前路術后STIR圖像上金屬偽影的可行性

楊仁杰，查云飛，范陽，張宇

磁共振成像具有良好的軟組織分辨率和多方位成像 的優(yōu)點，已經成為目前脊柱疾病的最佳檢查方法[1]。但是隨著脊柱外科中金屬植入物的使用越來越廣泛，它在MRI檢查中所造成的金屬磁化率偽影嚴重影響了對金屬植入物本身及其周圍組織的觀察[2-3]。因此，如何最大程度地減小金屬偽影、改善對金屬植入物及其周圍解剖結構的觀察，在臨床實踐中具有重要意義[4-5]。除了金屬偽影的限制，脂肪抑制不完全也會嚴重影響診斷信心，良好的脂肪抑制效果可以明顯提高對金屬植入物周圍的水腫、積液、炎癥和腫瘤等病變的檢出率[6-9]。因此，更小的金屬偽影和均勻一致的脂肪抑制效果對于脊柱金屬植入術后患者的MRI評價至關重要。

層面編碼金屬偽影校正(slice encoding for metal artifact correction，SEMAC)技術和多采集與可變諧圖像結合(multi-acquisition with variable resonance image combination，MAVRIC)技術等金屬磁化率偽影抑制技術已逐漸應用于臨床。近年來，將SEMAC和MAVRIC技術進行整合而開發(fā)出的一種獨特的金屬偽影抑制技術-層面選擇(slab selectivity，SL)-MAVRIC技術，發(fā)揮了前兩種技術在減小金屬偽影方面的優(yōu)勢[10]。為了實現(xiàn)脂肪抑制，MAVRIC-SL技術還可以與180°反轉脈沖相結合。本研究通過對比分析頸椎前路術后患者的帶寬優(yōu)化短反轉時間反轉恢復(short TI inversion recovery，STIR)和MAVRIC-SL STIR序列的圖像質量，旨在探討MAVRIC-SL STIR序列在抑制金屬偽影方面的臨床應用價值。

材料與方法

1.一般資料

2017年5月-2017年12月將20例頸椎前路金屬植入術后擬行MRI檢查的患者納入本研究。其中，男11例，女9例，平均年齡(54.6±15.5)歲，MRI檢查與手術的間間隔為5天～6年。所有患者外科手術中所使用的接骨板為符合GB/T 13810規(guī)定的TC4鈦合金材料，椎間融合器由符合YY/T 0660標準規(guī)定的聚醚醚酮材料制成。

2.MRI檢查方法

使用GE Discovery 750w 3.0T磁共振儀和全脊柱相控陣線圈。頸椎常規(guī)掃描序列包括矢狀面T2WI、T1WI和橫軸面T2WI；矢狀面帶寬優(yōu)化STIR序列：TR 3500 ms，TE 40 ms，TI 175 ms激勵次數2，層厚3 mm，帶寬125 kHz，采集時間2 min 13 s；矢狀面MAVRIC-SL STIR序列：TR 4960 ms，TE 7～8 ms，TI 175 ms，激勵次數0.5，層厚3 mm，帶寬125 kHz，脈沖單元數量24，間隔1 kHz，采集時間11 min 5 s)。

3.圖像后處理和分析

定量評價：所有測量工作由1位具有8年以上骨肌診斷經驗的MRI醫(yī)師在GE AW4.4工作站上完成。選取同一患者的MAVRIC-SL STIR 序列和帶寬優(yōu)化STIR序列中相匹配的正中矢狀面圖像，手動勾畫感興趣區(qū)(ROI)，測量金屬偽影的面積，包括信號缺失所形成的暗區(qū)、信號堆積所形成的亮區(qū)以及金屬植入物周圍的幾何失真區(qū)域[11]。

定性評價：由2位具有10年以上診斷經驗的骨肌方向的MRI醫(yī)師在不知道序列的情況下分別對脊髓的可見性和脂肪抑制的均勻性進行評分，評價不一致時則共同閱片直至達成一致意見。脊髓的可見性評價采用3分制：1分，脊髓受偽影影響明顯，無法診斷；2分，脊髓受偽影的輕度影響，診斷受限；3分，脊髓顯示清晰，診斷明確[7]。脂肪抑制效果的評價采用3分制：1分，在所有層面的圖像上脂肪均表現(xiàn)為明顯的高信號；2分，部分層面的圖像上僅少量脂肪呈高信號；3分，所有層面的圖像上脂肪均未表現(xiàn)為高信號[7]。

4.統(tǒng)計學分析

使用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，兩種序列間金屬偽影面積的比較采用配對t檢驗；兩種序列間總體圖像質量、脊髓的可見性以及脂肪抑制效果的比較采用配對設計的Wilcoxon秩和檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.定量評價結果

MAVRIC-SL STIR和帶寬優(yōu)化STIR序列圖像上金屬偽影的面積分別為(422±189)和(774±394) mm2，差異具有統(tǒng)計學意義(t=-6.033，P=0.000)，MAVRIC-SL STIR序列圖像上金屬偽影的面積顯著小于STIR序列(圖1、2)。

2.定性評價結果

兩種序列圖像上的定性評價結果見表1。帶寬優(yōu)化STIR序列對脊髓的顯示及脂肪抑制的效果均優(yōu)于MAVRIC-SL STIR序列(圖1、2)，差異均有統(tǒng)計學意義(P=0.001)。

表1 兩種序列間圖像質量主觀評分的比較

討 論

隨著金屬植入物的廣泛應用，金屬偽影明顯降低了MRI的診斷效能，在高場強條件下尤為嚴重。金屬偽影的產生的原因是金屬所導致的周圍局部磁場的不均勻性，在MR圖像上主要表現(xiàn)為信號丟失所形成的暗區(qū)、信號過度積累所形成的亮區(qū)以及組織結構的幾何形變等。常規(guī)快速自旋回波序列經過參數優(yōu)化以后可以在一定程度上減小金屬偽影、提高圖像質量，包括增加采集帶寬、減小層厚和加大采集矩陣以減小體素、改變頻率編碼的方向及縮短回波時間等。其中，采集帶寬的增加對減小金屬偽影的作用最為明顯[12-13]。然而，即使使用參數優(yōu)化的FSE序列，金屬偽影仍然會不同程度地掩蓋金屬周圍結構的顯示，尤其是在高場強條件下。因此，各大制造商開發(fā)了多種專門的金屬偽影抑制技術來提高金屬周圍組織的成像質量。具有代表性的就是層面編碼金屬偽影校正(SEMAC)技術和多采集與可變諧圖像結合(MAVRIC)技術，兩者均是基于3D-FSE序列。其中SEMAC技術為選擇性地激勵多個層面，然后使用視角傾斜技術來抑制層面內的形變，3D自旋回波的采集主要是用于解決每個激勵層面間的幾何形變[14]。已有研究證實，SEMAC技術可應用于脊柱金屬植入術后患者的MRI檢查中[15-16]。而MAVRIC技術是利用一系列有限帶寬的激發(fā)脈沖去減小層面內的形變，但是此技術并未在層面方向補償相位編碼梯度場，屬于非層面選擇性的，因此限制了此技術在脊柱MRI中的臨床應用。本研究中采用的MAVRIC-SL技術是SEMAC和MAVRIC技術的融合，整合了兩者所有的優(yōu)勢，層面選擇性為脊柱金屬植入術后的MRI提供了支撐，在減小脊柱金屬偽影方面表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。

圖1 女，52歲，頸椎前路椎間盤切除并椎體融合術后8天。a)MAVRIC-SL STIR序列，金屬偽影面積為579mm2，金屬植入物的輪廓顯示清晰、無明顯斷裂和移位，但后頸部皮下脂肪的信號抑制不徹底(星)，脊髓的模糊效應和低對比度導致脊髓顯示欠佳；b)帶寬優(yōu)化STIR序列，金屬偽影面積為964mm2，脊髓內線樣長T2信號的病灶顯示清晰(箭)。 圖2 男，55歲，頸椎前路金屬植入術后10天。MAVRIC-SL STIR序列與帶寬優(yōu)化STIR序列比較，金屬偽影面積更小，金屬植入物輪廓顯示清晰，無明顯斷裂和移位，但是后頸部皮下脂肪抑制效果欠佳(星)，脊髓的對比度和銳利度也有所下降(箭)。a)MAVRIC-SL STIR序列；b)帶寬優(yōu)化STIR序列。

本研究結果顯示，MAVRIC-SL STIR序列圖像上金屬偽影的面積較帶寬優(yōu)化STIR序列顯著減小，對金屬植入物的形態(tài)和位置顯示更加清晰，有利于判斷金屬植入物是否存在斷裂和移位等。而且，更小的金屬偽影有利于對周圍正常解剖結構及病灶的顯示。MAVRIC-SL STIR序列圖像上金屬偽影的面積顯著減小主要歸功于以下3個方面的原因：第一，不再使用常規(guī)的整體連續(xù)的射頻脈沖進行激勵，而采用多個偏中心的有限帶寬的離散且獨立的高斯脈沖單元進行激勵，每個獨立的射頻脈沖單元都可以重建出單獨的MR原始圖像，將所有的射頻脈沖單元獲得的不同偽影特點的原始圖像經過模糊數學算法進行后處理，即可獲得偽影顯著減小的合成圖像，并且提高例圖像的信噪比[2]。第二，MAVRIC-SL STIR作為3D采集序列，除了在層面方向施加常規(guī)的相位編碼梯度場進行層面定位之外，還在層面方向施加了一個與層面內相位編碼梯度場完全相同的補償梯度，可以減小氫質子在層面間的位移效應，有利于減小層面方向的幾何形變[17]。第三，MAVRIC-SL STIR技術中對信號的讀出方式采用了視角傾斜技術，通過在層面方向施加一個與頻率編碼梯度場完全相同的補償梯度來糾正氫質子在層面內的位移效應，從而減小層面內的幾何形變[18]。第四，與帶寬優(yōu)化STIR序列相比，MAVRIC-SL STIR序列使用了更小的有效TE，減小了氫質子的位移，從而有利于獲得更小的金屬偽影；而且可以將回波鏈中信號強度更高的前面的回波填充到K空間中心的相位編碼線，有利于提高信噪比和降低模糊效應。基于上述四個方面的優(yōu)勢，MAVRIC-SL STIR序列圖像上金屬偽影的面積得以顯著減小。

本研究結果還顯示，與帶寬優(yōu)化STIR序列相比，MAVRIC-SL STIR序列圖像對基本未被金屬偽影所遮蓋的脊髓的顯示效果卻明顯降低。這一情況的出現(xiàn)主要歸咎于兩個方面的因素：第一，組織對比度較低。圖像的組織對比主要反映的是組織之間質子密度的差異，MAVRIC-SL STIR序列所采用的有效回波時間(effective TE)為7～8 ms，使得T2信號對比被抑制，所以對脊髓的顯示質量受組織對比度低的影響而下降，這是一個恒定的影響因素。第二， 模糊效應。圖像的模糊效應來源于三個方面：①長回波鏈(20)?；夭ㄦ溤介L，回波之間信號強度的差異越明顯，造成圖像重建過程中相位計算錯誤而形成模糊偽影，這也是一個恒定的影響因素；②圖像算法。因成像過程中獲得的一系列不同偽影特點的原始圖像經模糊數學算法進行后處理來糾正偽影，這一圖像算法必定會造成所合成圖像顯示較模糊，這是另一個恒定的影響因素；③運動偽影。MAVRIC-SL STIR序列的采集時間約為11 min，某些患者可能會因為檢查時間過長而發(fā)生體位的變化。而且，MAVRIC-SL技術與相位過采樣(phase oversampling)技術不兼容，所以為了避免圖像卷褶，相位編碼方向只能設置為前后方向，則無法克服患者的吞咽運動所形成的運動偽影，從而加重了圖像模糊，但是每例患者的配合程度不同，所以這是一種隨機影響因素。Gutierrez等[10]將MAVRIC-SL技術應用于不同部位的金屬植入物(全髖關節(jié)置換、膝關節(jié)置換、股骨頸螺釘等)的MRI檢查中，其結果顯示和與常規(guī)2D-FSE序列相比，MAVRIC-SL圖像上骨與植入物的交界面顯示更加清晰，對周圍軟組織的遮蓋范圍更小，但是最大的缺點仍然是圖像存在不同程度的模糊效應。

脊柱金屬植入物所造成的局部磁場不均勻性為脂肪抑制技術的應用帶來了極大的挑戰(zhàn)[19-21]。當靜磁場(B0)不均勻時，使用特定頻率飽和脈沖的頻率選擇脂肪飽和技術很難獲得均勻一致的脂肪抑制效果[22]。STIR序列是目前臨床上廣泛應用的一種脂肪抑制技術，基于脂肪組織的短T1特性，而并不依賴氫質子的化學位移，所以對靜磁場的不均勻性不敏感[23-24]，有利于克服金屬偽影的影響和取得更好的脂肪抑制效果。但是本研究結果顯示，與MAVRIC-SL STIR序列相比，帶寬優(yōu)化STIR序列圖像上脂肪抑制更加徹底，脂肪抑制效果更佳。筆者認為造成上述結果的原因主要有兩個方面：首先，雖然兩個序列進行脂肪抑制的原理是相同的，即通過施加短反轉時間(TI)的180°反轉脈沖來實現(xiàn)脂肪抑制，但是MAVRIC-SL技術采用多個相互部分重疊的高斯脈沖進行激勵，雖然提高了圖像的信噪比，但脂肪組織的信號也在增加；另一方面，長回波鏈所造成的磁化轉移效應和J-偶聯(lián)效應進一步增加了脂肪組織的信號強度。但是從另外的角度來看，本研究中發(fā)現(xiàn)MAVRIC-SL STIR序列圖像上脂肪抑制效果不佳的部位主要為項背部的皮下脂肪，但其基本不會影響到對脊柱術后效果的評價，MAVRIC-SL技術結合脂肪抑制仍然有利于對金屬植入物周圍病灶的顯示。

本研究存在的不足之處：第一，兩個序列并未使用相同的TE，在一定程度上減弱了二者的可比性；第二，本研究的樣本量較小，還需在今后的研究中繼續(xù)增加樣本量；第三，僅將頸椎前路術后的患者納入研究，對其它部位脊柱內固定術后患者的MRI顯示效果尚不明確；第四，本研究中患者的植入物材料一致，今后擬將其它材料的金屬植入物納入研究。

綜上所述，MAVRIC-SL STIR序列可以明顯減輕頸椎前路術后患者MR圖像上的金屬偽影，但是對椎管內脊髓的顯示和頸部脂肪的抑制效果并不優(yōu)于帶寬優(yōu)化STIR序列。