壓縮感知三維快速自旋回波序列診斷膝關節軟骨損傷

王亞魁，金笑，袁慧書

磁共振成像(mag netic resonance imaging，MRI)是目前診斷膝關節損傷的主要無創檢查方式，臨床中常規采用二維快速自旋回波(two dimensional fast spin echo，2D FSE)序列進行多平面成像，其診斷膝關節半月板及前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷具有較高的準確性[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較差，因而一些軟骨特異的序列應用于膝關節軟骨損傷的診斷，如T2-mapping、T1ρ及三維梯度回波序列[2-4]，但是，在臨床實踐中這些序列往往需要與常規2D FSE序列相結合。三維快速自旋回波(three dimensional fast spin echo，3D FSE)具有連續薄層掃描及多平面重建的優勢，在診斷膝關節軟骨損傷中表現出更高的準確性[5-6]，但是過長的掃描時間限制了其在臨床的應用。最近，新的加速技術——壓縮感知(compression sensing，CS)的應用，提高了3D序列的信號采集效率，成像時間甚至短于2D FSE的總體成像時間。但是，采用CS后的3D FSE對軟骨損傷的診斷能力尚不明確。本研究目的在于評估CS加速后的3D FSE序列調制反轉角成像技術(modulated flip angle technique in refocused imaging with extended echo train，MATRIX)診斷膝關節軟骨損傷的價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

研究通過了本院倫理委員會的審查，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月本院運動醫學科住院患者。納入標準：(1)有明確膝關節創傷病史，需行常規MRI檢查；(2)計劃行關節鏡檢查或治療。排除標準：(1)患有以下疾病者：類風濕性關節炎、化膿性關節炎、腫瘤、前交叉韌帶粘液變性、關節纖維化；(2)既往有膝關節手術病史者；(3)MRI禁忌證：體內有金屬(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檢查后未能行關節鏡檢查；(5) MRI檢查與關節鏡檢查時間間隔超過1個月。

1.2 MR掃描方案

MRI檢查采用聯影3.0 T磁共振成像儀uMR770(中國上海聯影醫療科技有限公司)，采用12通道相控陣膝關節線圈，行常規2D FSE序列和MATRIX序列成像。2D FSE序列包括：軸位、冠狀位、矢狀位脂肪抑制質子密度加權像(fat-suppressed proton density weighted image，FS PDWI)及矢狀位非脂肪抑制T1加權像(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 關節鏡

關節鏡手術由本院運動醫學中心進行，關節鏡下軟骨損傷分級采用國際軟骨修復協會(International Cartilage Regeneration & Joint Preservation Society，ICRS)分級標準[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，但是未達軟骨下骨；Ⅳ度，軟骨損傷達軟骨下骨。

1.4 圖像分析

圖像分析包括測量圖像信噪比(signal to ratio，SNR)、對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)，計算兩序列診斷軟骨損傷的敏感度、特異度及準確度。由2名放射科醫師獨立閱片，最終結果為2名醫師測量結果的平均值。2D FSE與MATRIX序列閱片在同一臺顯示器進行，兩次軟骨損傷診斷時間間隔不少于3周，閱片時醫師對患者臨床病史、癥狀、體征均未知。

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

SNR計算方式參照美國電器制造商協會(Nation Electrical Manufactures Association，NEMA)技術標準[8-9]。感興趣區(region of interest，ROI)在矢狀位圖像上選取，測量的部位包括：關節液、髕軟骨、軟骨下骨，取相應組織的無損傷、信號均勻區域，兩序列圖像基本在相對應的層面選取ROI。組織信號強度(S組織)為ROI內的平均信號強度，圖像噪聲(noise)為圖像背景四個角區域信號標準差的平均值(SD平均)與校正因子f的商，即噪聲：，其中校正因子f為0.66，計算公式：信噪比，對比噪聲比

MRI關節軟骨損傷分級采用ICRS分級系統：0度，正常，軟骨表面光滑，內部信號均勻；Ⅰ度，僅表現為軟骨信號異常或表面不平，無明確軟骨缺損；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%，但未達軟骨下骨；Ⅳ度，軟骨全層缺損，暴露軟骨下骨。所有的關節面分為6個部分：髕骨、滑車、股骨內側髁、股骨外側髁、脛骨內側平臺、脛骨外側平臺，對于同一關節面軟骨有多處損傷者，以分級較高的損傷為準。對于2名醫師診斷結果不一致的病例，保留2名醫師結果，最終計算2名醫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 統計方法

統計分析采用SPSS 20.0統計軟件。MATRIX與2D FSE圖像SNR、CNR為2名醫師測量結果的平均值，采用配對t檢驗比較兩序列差異。以關節鏡結果為金標準，計算2D FSE與MATRIX序列診斷軟骨損傷的敏感度、特異度和準確度。采用McNemar檢驗分析兩序列診斷的差異。P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

共有66例膝關節符合納入標準，其中3例因未行關節鏡手術，1例患者因既往有膝關節術史而被排除，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節鏡手術與MRI檢查時間間隔均未超過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，關節軟骨相對于液體及骨髓的CNR亦顯著高于2D FSE序列(表2)。

表3 兩名放射科醫師采用2D FSE與MATRIX序列診斷膝關節軟骨損傷的敏感度、特異度及準確度[%，(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。內側脛骨平臺軟骨，關節鏡診斷Ⅰ度損傷。A：2D FSE FS PDWI示內側脛骨平臺軟骨無明顯異常信號；B：MATRIX FS PDWI可見內側脛骨平臺軟骨點狀高信號(箭) 圖2 患者女，63歲，外側脛骨平臺關節軟骨，關節鏡未見軟骨損傷。A：2D FSE FS PDWI矢狀位箭頭所示外側脛骨平臺軟骨無明顯信號改變；B：MATRIX FS PDWI矢狀位，在相應位置可見軟骨內部點狀高信號(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例膝關節共372個關節面軟骨，關節鏡下共有113例軟骨損傷，與常規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序列對于顯示較小的軟骨損傷(Ⅰ～Ⅱ度)更為敏感(圖1)，另外，對于部分軟骨表面完整、關節鏡診斷正常的軟骨，MATRIX能夠顯示其內部信號的變化(圖2)。

3 討論

3.1 MATRIX序列特點

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

3.2 MATRIX序列顯示軟骨及診斷軟骨損傷的表現

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。之前一些學者采用其他3D FSE序列(3D SPACE)的得出相似的結論[12]，另外，最近Kijowski等[13]對CS加速前后的3D FSE序列(FSE-Cube)圖像質量進行比較，結果表明CS的應用并沒有明顯降低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信號的變化。

在之前的研究中，Kijowski等[14]比較了FSE-Cube與常規2D FSE序列診斷膝關節軟骨損傷的差異，FSECube表現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，其他的一些研究結果顯示雖然二者診斷軟骨損傷的敏感度及特異度沒有顯著差異，但是3D序列的敏感度均具有更高的趨勢[6，12]。我們的結果與之前的研究相似，與常規2D FSE序列相比，CS加速后的MATRIX診斷關節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更高的對比噪聲比，也有利于提高損傷軟骨與正常軟骨的對比度。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序列層面內的分辨率較低，而且有研究表明CS的應用會增加圖像的模糊效應[13]，這些因素可能使軟骨表面信號不均勻。另外，關節鏡難以觀察到軟骨內部的損傷，而三維薄層磁共振成像對軟骨內部信號的改變較為敏感(圖2)，也是MATRIX序列特異度較低的原因之一。

3.3 總結

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，減少了3D FSE序列的成像時間。本研究結果表明，與常規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診斷關節軟骨損傷具有更高的敏感度，尤其是對Ⅰ～Ⅱ度損傷的識別，但是其診斷軟骨損傷的特異度較低。

利益沖突：無。