磁共振三維水激發序列對踝關節軟骨成像的影響

張乾營，劉旭紅，黃 瑩，韓曉兵，章思竹，阿 浣，張善幽，劉娜紅，何桂鳳

中國人民解放軍聯勤保障部隊第910醫院放射診斷科，福建 泉州362000

關節軟骨的厚薄變化、形態變化能直接對中長期關節功能變化產生影響，清晰精確地顯示關節軟骨的形態與三維數據在這類研究中至關重要。國內有研究報道，磁共振3D序列較2D序列顯示軟骨方面有明顯優勢，是未來序列應用的主流［1］。目前高分辨三維水激發（3DWE）序列主要為三種：3D雙回波穩態進動（3D-DESS）、3D多回波數據圖像重合（3D-MEDIC）和3D多回波數據圖像重合（3D-VIBE），多用于踝、膝等關節軟骨成像方面，各有不同的優勢，并且在不同關節的軟骨成像質量也各不相同［2-3］。但國內關于踝關節軟骨3D成像具體的技術研究較少。本研究將探討核磁高分辨3D-WE序列在踝關節核磁成像中的表現。本次研究以踝關節軟骨作為研究對象，通過比較三種序列掃描軟骨成像，探討此三種序列在踝關節軟骨成像中的差異與優缺點。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇30名男性青年志愿者作為研究對象，年齡20～25（22.0±1.4）歲，體質量48～70 kg。納入標準：無踝關節外傷及手術史；無關節疼痛或不適等臨床癥狀；行MRI檢查前1 d及檢查當日無訓練或鍛煉。排除標準：踝關節常規MRI 檢查表現軟骨、骨質、韌帶、軟組織損傷，腫瘤，發育畸形者；存在MRI檢查禁忌證者。本研究經過本單位醫學倫理委員會批準，被試者均填寫一般資料表和簽署志愿協議。

1.2 成像方法

采用Siemens Skyra 3.0T MR超導磁共振成像系統，頭頸聯合Head/Neck 18通道線圈，為了研究對比的一致性，保證踝關節的脛距關節的一致性，被試者踝關節需保證一致的體位，為此，筆者團隊專門設計一款踝關節固定器。足先進模式，被試者取仰臥位同時用磁共振專用固定器固定踝關節內外側以減少運動偽影。先行踝關節常規三平面定位Loc-plan，因本課題需測量距骨穹頂于脛骨凹面間前中后3個位置的間距并求平均值，為保證前中后3個位點的測量數據均為兩點間最短距離，故最終測量掃描序列方位均為矢狀位，掃描角度相同，并且在冠狀面、橫斷面定位，均平行于腓距關節面，薄層連續切面，范圍包括整個踝關節。視野均為150 mm×150 mm，矩陣256×256×100%，體素0.6 mm×0.6 mm×0.6 mm，采集次數為1次，同時均采用并行采集技術iPAT（p=2），掃描序列分別是水激發3D-DESS序列、水激發3D-MEDIC序列和水激發3D-VIBE序列。掃描序列及掃描參數（表1）。

表1 MR掃描序列及參數列表Tab.1 MR scanning sequence and parameter list

1.3 數據處理及圖像分析

由4名從事MR診斷的高年資主治醫師負責數據采集，采集被試者掃描序列的軟骨信噪比（SNR）和軟骨與各組織的對比噪聲比（CNR）。收集30個踝關節各序列矢狀面的正中層面，選取脛距關節面最大的層面，設定組織感興趣區，感興趣區=10 mm2，背景噪聲感興趣區=30 mm2，分別勾勒脛距關節軟骨、脛骨后方皮下脂肪、距骨骨髓、脛骨后側近踝關節處局部腓腸肌、關節液和背景噪聲的信號強度（SI）。每個組織結構選取3個數據采集區（圖1），然后計算平均值，最后根據公式：SNR=SICartilage/SDnoise及 CNR=(SICartilage-SIother)/SDnoise，計算SNRCartilage及軟骨-脂肪（CNRca-Fat）、軟骨-骨髓（CNRca-Bone）、軟骨-肌肉（CNRca-Muscle）和軟骨-滑液（CNRca-Fluid）（其中SICartilage為軟骨組織SI，SIOther為其他組織SI，SDNoise為背景噪聲SI）。

圖1 踝關節正中矢狀面數據測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of ankle midsagittal plane data measurement.

1.4 統計學分析

采用SPSS 25.0軟件進行數據錄入和統計學分析，計量資料以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析法。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同MR-3D序列踝關節正中矢狀面圖像表現

VIBE序列圖像關節軟骨邊界顯示明顯比其他兩個序列圖像清晰，分辨軟骨與關節腔積液的能力尤為突出（圖2～4）。

圖2 VIBE序列掃描的踝關節矢狀位圖像Fig.2 Image of ankle dysmorphic position scanned by VIBE sequence.

圖3 DESS序列掃描的踝關節矢狀位圖像Fig.3 Image of ankle dysmorphic position scanned by DESS sequence.

圖4 MEDIC序列掃描的踝關節矢狀位圖像Fig.4 Image of ankle dysmorphic position scanned by MEDIC sequence.

2.2 三種掃描序列所得圖像的軟骨SNR值

VIBE 為15.30±2.90，DESS 為9.47±2.50，MEDIC為18.82±4.47，差異有統計學意義（F=57.75，P＜0.001，事后多重比較P＜0.05）。

2.3 三種序列所得圖像軟骨與其他組織的信噪比平均值比較

三種序列的軟骨與其他組織CNR值的差異有統計學意義（P＜0.001，表2）。

表2 不同MR-3D序列關節軟骨與其他組織的CNRTab.2 CNR of articular cartilage and other tissues with different MR-3D sequences(Mean±SD)

2.4 三種序列所得圖像軟骨與其他組織的信噪比熱力圖

VIBE序列僅僅在軟骨與脂肪的信噪比弱于其他兩個序列圖像外，其余信噪比均明顯優于另外兩個序列（圖5）。

圖5 三種序列所得圖像軟骨與其他組織的信噪比熱力圖Fig.5 Comparison of CNR of cartilage and other tissues in three sequences.

3 討論

踝關節作為最重要的承重關節，踝關節軟骨較其他關節有更重要的承重要求和運動穩定性要求［4-5］。磁共振成像軟骨成像可以清晰顯示軟骨下關節面組織改變狀況［6］，但常規磁共振2D序列檢查區分軟骨與關節腔積液、軟骨下密致骨方面有欠缺［7］，顯示清晰邊界能力不足，測量軟骨厚度、體積等數據存在不準等問題［8］。3D序列一次掃描可以多角度重復顯示軟骨形態［9-10］，且在＜1 mm的薄層各向同性掃描仍然獲得較高空間分辨率，掃描的圖像分辨力較其他成像序列有明顯增高，降低了空間層面間的相互干擾，明顯提升關節面軟骨與鄰近骨質、積液間的對比度［11-12］，能更加準確地顯示解剖結構［13］，在這些方面較2D序列具有優勢。

3D-DESS序列及3D-MEDIC序列都可以獲得較高的SNR及T2權重值，組織區分度良好，關節腔內組織邊界較清楚，滑液呈明顯高信號，而關節透明骨膜呈中等信號，軟骨信號對比偏差不顯著。國內有學者認為DESS序列可以很好的顯示關節軟骨，明確軟骨缺損性損傷，可以獲得較高的診斷信心［14］。3D-MEDIC序列目前國內多用于各關節軟骨成像研究，國內外學者將其用于研究關節的軟骨損傷成像研究，認為該序列成像圖像優秀，顯示邊界清晰，與其他組織區分度亦較好［15-16］。3D-VIBE序列也是3D-GRE的一種，具有超短TR（3～8 ms）、TE（1～3 ms）和較小角度（10°～15°）射頻脈沖的特點［17］，在薄層掃描時可以保持較高的信噪比［18］，能夠在高空間分辨率的要求下進行各向同性采集，并且掃描時間短，還有能保持與周圍組織較高CNR的優點。有學者認為該序列在關節軟骨損傷定量測量中有很高的實用價值［19-20］，軟骨SNR值及CNR明顯高于其他組織，該結論與本研究相同。

筆者將這三種3D-WE序列進行橫向比較，認為三種序列均能明顯顯示軟骨，其中VIBE序列圖像在顯示軟骨與其他組織區分顯示能力方面有明顯優勢，各組織間的對比CNR顯著，圖像質量明顯高于其他兩個序列，除軟骨與脂肪CNR之外，3D-VIBE序列比其他兩種序列SNR及CNR（軟骨與肌肉、軟骨與骨骼、軟骨與積液）值高，差異有統計學意義。由于踝關節腔內缺少脂肪，所以在精確測量踝關節腔內軟骨數據時，以3D-VIBE序列最好，3D-MEDIC序列次之，3D-DESS序列最差。除軟骨與脂肪CNR之外，SNR及CNR值均高于其他序列，差異有統計學意義。

綜上所述，3D-WE序列均有較強的軟骨成像能力，但是在顯示軟骨邊際方面各有不同，測量踝關節腔內軟骨3D-VIBE序列組織區分度最好，能更好地顯示軟骨形態，更準確地勾勒軟骨邊界及更精確測算軟骨體積。雖然3D 序列在顯示軟骨邊際上能力超群，但是作為3D-GRE序列的一類，在顯示軟骨內部病變方面能力較弱，并不適合臨床病變診斷應用，僅適用于軟骨測量的定量損傷研究等特殊用途，應用范圍較窄，希望今后能夠探索3D-WE序列更加多元的用途。