基于壓縮感知技術三維MRI用于半月板損傷

馬培旗，袁玉山*，張宗夕，胡小明，彭 彬，許 健

(1.阜陽市人民醫院影像中心；2.骨科，安徽 阜陽 236000)

MRI已廣泛用于觀察半月板損傷，常規膝關節MR序列包括橫位、矢狀位、冠狀位質子加權壓脂序列及矢狀位T1W，掃描時間約6～7 min，部分不能耐受疼痛患者難以堅持不動。壓縮感知(compressed sensing, CS)技術是在K空間欠采樣情況下利用信號處理優化算法獲得MR圖像，可明顯縮短MR信號采集時間。本研究探討基于CS技術的三維MRI(three dimensional MRI, 3D-MRI)在膝關節成像中的可行性及其評估半月板損傷的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2018年11月—2019年8月26例于阜陽市人民醫院就診的疑診膝關節損傷患者(損傷組)，男18例，女8例，年齡17～61歲，平均(39.8±11.0)歲；其中19例有明顯膝關節外傷病史，7例因膝關節疼痛就診。另隨機選擇30名健康志愿者(對照組)，男15名，女15名，年齡18～31歲，平均(26.5±3.5)歲；均無膝關節外傷病史。本研究經院倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 Philips Ingenia CX 3.0T MR掃描儀，配備膝關節專用8通道線圈。掃描參數：常規矢狀位、冠狀位及軸位脂肪抑制質子加權序列成像(fat saturation proton density-weighted imaging, fsPDWI)，TR 1 900 ms，TE 30 ms，FOV 160 mm×160 mm×70 mm，層厚4 mm，層間距0.4 mm，掃描時間6 min；CS-3D-MRI，CS壓縮倍數6，TR 1 200 ms，TE 200 ms，FOV 160 mm×180 mm×140 mm，層厚0.7 mm，層間距0 mm，掃描時間3 min 32 s。損傷組患者均于關節鏡手術前接受MRI，掃描結束對CS-3D-MRI按DS水平10%(CS-DSmedium)進行重建；對照組采集右膝關節MRI，掃描結束后按不同降噪(denosing, DS)水平，即CS-DSweak(5%)、CS-DSmedium(10%)、CS-DSstrong(20%)進行重建。重建圖像包括矢狀位、冠狀位及軸位圖像，FOV、層厚及層間距與常規MRI一致。記錄損傷組關節鏡檢查結果。

1.3 圖像質量分析

1.3.1 客觀評價 由2名具有5年MRI診斷經驗的副主任醫師于對照組矢狀位圖像上選取外側半月板后角(posterior angle of lateral meniscus, PLM)正中層面，手動于PLM及同層面肌肉處勾畫0.3 cm2橢圓形ROI，分別測量其信號強度(signal intensity, SI)SIPLM、SImuscle，以周圍空氣平均SI(SInoise)為背景噪聲值。計算PLM的表觀信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)和對比信噪比(contrast-to-noise ratio, CNR)，公式如下：SNR=SIPLM/SInoise；CNR=(SIPLM-SImuscle)/SInoise。

1.3.2 主觀評價 由2名具有5年MRI診斷經驗的副主任醫師分別獨立閱片，以3級評分標準評價對照組CS-3D-MRI質量：1分，圖像偽影較重，不能評估半月板損傷分級；2分，圖像偽影較輕，大致可評估半月板損傷分級；3分，圖像無明顯偽影，圖像質量高，可較準確評估半月板損傷分級。對損傷組CS-3D-MRI進行分析，并評估損傷類型。

1.4 統計學分析 采用SPSS 20.0統計分析軟件。計量資料以±s表示。采用Kappa檢驗評價2名醫師評估對照組圖像主觀評分結果的一致性及損傷組CS-3D-MRI的評價結果與關節鏡結果的一致性，Kappa≤0.20為一致性較差，0.21

2 結果

2.1 客觀評價結果 對照組膝關節MRI均未見明顯異常，不同方法重建CS圖像和fsPDWI表觀SNR及CNR差異均有統計學意義(P均<0.01)；兩兩比較結果示各序列圖像間表觀SNR差異均有統計學意義(P均<0.05)，fsPDWI與CS-DSmedium圖像間CNR值差異無統計學意義(P>0.05)，其余各序列圖像間CNR值差異均有統計學意義(P均<0.05)；見表1、圖1。

圖1 志愿者男，31歲，右膝關節矢狀位MRI A.常規fsPDWI；B.CS-DSweak重建圖像；C.CS-DSmedium重建圖像；D.CS-DSstrong重建圖像

表1 對照組組內不同方法重建CS圖像和fsPDWI的表觀SNR及CNR比較(±s)

表1 對照組組內不同方法重建CS圖像和fsPDWI的表觀SNR及CNR比較(±s)

序列SNRCNRfsPDWI2.61±1.1829.46±10.57CS-DSweak4.74±2.0825.38±7.56CS-DSmedium5.92±2.1631.44±11.83CS-DSstrong7.74±2.2239.40±11.12F值36.019.62P值<0.01<0.01

2.2 主觀評價結果 2名醫師對對照組MR圖像質量主觀評價結果的一致性強(Kappa=0.91，P<0.01)。分析2名醫師評分結果的均值，不同方法重建CS圖像和fsPDWI圖像質量評分差異無統計學意義(Z=0.35，P=0.32)。2名醫師均認為CS圖像中的CS-DSmedium圖像為評估膝關節的最佳圖像。

2.3 損傷組CS-3D-MRI診斷結果與關節鏡結果的一致性分析 損傷組CS-3D-MRI診斷結果與關節鏡結果診斷結果的一致性強(Kappa=0.94，P<0.05)，見表2、圖2。

圖2 患者男，21歲，右側膝關節內側半月板后根部撕裂傷 A～C.重建矢狀位(A)、冠狀位(B)、軸位(C)膝關節CS-3D-MRI；D.關節鏡檢查結果與CS-3D-MRI一致 (箭示病灶)

表2 損傷組CS-3D圖像診斷結果與關節鏡結果(例)

3 討論

作為一種無創傷性檢查方法，MRI是診斷半月板損傷的首選檢查方法。針對不同類型半月板損傷，治療方式有所不同，如水平、放射狀、桶柄狀及復合型撕裂等常不可修復，需行半月板部分切除或全切除手術，縱行或斜行撕裂傷可恢復，宜采取縫合治療。術前明確半月板撕裂類型有助于明確手術指征及完善手術方案。常規矢狀位及冠狀位二維MRI診斷半月板撕裂的敏感度和特異度均較高，但對其能否準確區分半月板撕裂類型尚存在爭議。常規膝關節軸位掃描層面很難完全平行于半月板，且掃描層厚相對于半月板而言較厚，顯示半月板效果較差。SHAKOOR等[1]以手術結果為標準，比較分析3D-MRI與2D-MRI在評價膝關節半月板損傷中的診斷價值，發現2者診斷半月板損傷效能相當，而3D序列圖像可通過多平面重組而提高診斷特異度。AI等[2]認為3D-MRI可通過不同方位重建圖像、尤其薄層軸位圖像清楚顯示半月板損傷的形態。有學者[3]應用3D-SPACE序列，發現3D序列較傳統2D序列圖像對評估半月板撕裂類型具有更高的敏感性和特異性，尤其對于復合型撕裂。相比2D-MRI，3D-MRI通過重建各方位圖像、尤其軸位圖像，更有助于臨床術前評估半月板損傷。

常規3D-MRI掃描時間較長，目前1個序列約需6～7 min，如何在保證圖像質量的前提下縮短掃描時間是MR技術的一大挑戰。CANDES等[4]于2006年首次系統提出CS理論，在遠小于奈奎斯特采樣率的條件下隨機采樣，獲取信號離散樣本，之后通過非線性重建算法獲得原始信號。LUSTIG等[5]于2007年提出CS-MRI概念，只用部分k空間數據即可重建原始圖像。相比采集k空間信號的傳統MRI，CS-MRI先對信號進行空間變換，使其成為稀疏或可壓縮信號，再利用一個與變換基不相干的測量矩陣將變換所得高維信號投影至一個低維空間，并對所獲取的少量測量值進行求解凸優化，從而實現對信號的精確重構[6]。實現CS-MRI必須具備3個條件：①MRI是可稀疏的；②k空間亞采樣引起的混疊偽影是非相干的；③非線性重建方法可重新集中稀疏域中被欠采樣分散的值[7-8]。膝關節3D-MRI的相位編碼和層面編碼均可實現亞采樣，即CS采樣矩陣是二維的，較2D成像采樣矩陣高一個維度。根據預實驗結果，本研究將壓縮倍數調為6倍，比較常規膝關節MRI與CS-3D-MRI圖像質量，探討CS-3D-MRI用于膝關節成像的可行性。

由于k空間數據填充過程部分數據點丟失，重建時會出現偽影，如直接對亞采樣數據進行傅里葉重建，圖像會出現混響偽影[9]；根據壓縮感知原理及重建算法可有效恢復目標圖像。CS圖像重建過程中可選擇不同權重的降噪比率去除偽影，由此產生多組圖像。本研究結果顯示CS-DSstrong圖像的SNR及CNR均高于其他組。但圖像噪聲僅是影響圖像質量的一個因素，且CS圖像是非線性重建圖像，采用傳統客觀評價方法并不能真實評價CS-3D-MRI質量，主觀評價對評估CS圖像的診療價值可能具有更重要的指導意義[10-11]。本研究中2名醫師均認為CS-DSmedium圖像為評估膝關節的最佳圖像。張曉東等[12]將CS技術用于顱腦MRA，提出CS-DSstrong圖像為最佳診斷圖像。針對膝關節MRI，半月板呈低信號，應用CS稀疏采集信號，之后選擇權重較大的DS重建圖像，可能影響圖像的對比度。本研究損傷組CS-3D-MRI診斷結果與關節鏡結果的一致性強；對照組CS-3D-MRI圖像質量滿足診斷要求，而掃描時間明顯縮短，提示其或可取代常規MRI。既往研究[13]發現，常規MRI上內側半月板后根部撕裂呈高信號，難以與后交叉韌帶周圍腱鞘積液及后根部內正常線狀高信號相鑒別；通過對CS-3D圖像進行軸位重建，可以更好地鑒別。本組1例半月板后根部撕裂，通過觀察平行于半月板的軸位重建圖像明確診斷。

綜上所述，基于CS技術3D-MRI可用于膝關節成像，對評估膝關節半月板損傷有較好的價值，保證圖像質量的前提下，縮短了掃描時間。本研究僅針對半月板成像質量進行分析，而膝關節半月板損傷常伴韌帶損傷或骨骼損傷，其應用價值有待進一步加大樣本量深入探討。