四通道相控陣表面線圈與十二通道頭顱正交線圈在踝關節MRI中的應用比較

陳地友，冉啟勝

中國人民解放軍陸軍特色醫學中心（大坪醫院） 放射科 重慶市影像醫學與核醫學臨床研究中心，重慶 400042

引言

作為下肢特殊且重要的承重部位，加之復雜的解剖結構，頻繁的行走及劇烈運動，踝關節已經成為僅次于膝關節后最易發生損傷和退行性改變的關節[1]。踝關節損傷常見于韌帶損傷和關節軟骨損傷，如不及時進行治療，易遺留疼痛、關節不穩、繼而發生骨關節病等，影響功能。

MRI因其軟組織對比度高、能任意角度成像，在踝關節損傷（韌帶、關節軟骨、肌腱等損傷）的影像學診斷中明顯優于傳統的X線和CT[2‐3]，是目前評估韌帶損傷、肌腱疾病和關節軟骨損傷最理想的檢查手段[4]。優質的MR影像是踝關節損傷準確診斷的保障，磁共振線圈的主要功能是發射射頻脈沖和接收MR信號，是MRI系統的重要組成部分。目前應用于踝關節MRI的線圈多卻不統一，常見的有脊柱線圈、頭顱線圈、膝關節線圈、表面線圈、踝關節專用線圈，鮮有文獻報道各個線圈在此領域的成像質量差異。其中表面線圈與頭顱線圈是目前應用最廣泛的兩種線圈，本研究擬采用四通道相控陣表面線圈和十二通道頭顱正交線圈對踝關節進行成像，探討兩種線圈踝關節MRI的圖像質量差異。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選取2018年1月至5月期間在我院就診并行踝關節MRI檢查的89例患者。排除標準：① 圖像偽影嚴重影響圖像質量的患者；② 踝關節置換假體、內固定術后或韌帶重建術后的患者；③ 序列缺失的患者；④ 掃描范圍不足的患者；⑤ 腫瘤等其他病灶影響圖像信號、噪聲測量的患者。實驗組46例：男性30例，女性16例，年齡17～60歲，平均（39.69±13.78）歲；常規組43例：男性25例，女性18例，年齡20～58歲，平均（38.10±13.06）歲。其中MR提示骨折3例，骨挫傷40例，韌帶損傷25例，跟腱撕裂6例，關節積液35例，無明顯異常15例。本次研究通過醫院倫理委員會批準，所有患者知曉同意并簽署了知情同意書。

1.2 檢查方法

采用德國西門子1.5 T Magnetom Aera MR掃描儀，患者仰臥位足先進，被檢側取自然放松體位，跖屈20°，常規組選擇十二通道頭顱正交線圈，實驗組選擇四通道相控陣表面線圈包繞踝關節，并用沙袋固定，定位中心選擇內外踝連線中點上1 cm。所有患者均由兩名經驗豐富的技師按照相同體位設計及掃描參數完成，并作一致性分析。掃描序列：PD FSE T2 fs，掃描參數：TR3000 ms、TE31 ms、層厚3 mm、層間距0.6 mm、矩陣320×256、FOV180 mm×180 mm、翻轉角150°。

1.3 圖像分析、數據處理

將掃描所得影像數據傳至西門子副臺工作站，采用相同感興趣區域（Region of Interest，ROI）在相同層面測量距骨、滑液、跟腱、拇長屈肌的信號值，測量該層影像四個角（無卷褶偽影）的信號值（圖1），將其平均值作為計算信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）的噪聲值，于同層踝關節前方無卷褶偽影處選取ROI測量背景噪聲的標準差，所有ROI測量3次，取平均值。

圖1 噪聲值測量方法

1.3.1 客觀評價

計算距骨、滑液、跟腱、肌肉的SNR及相鄰組織間的對比信噪比（Contrast‐to‐Noise Ratio，CNR）。SNR的計算公式：SNR=S/SD；2種組織的CNR計算公式：CNR=(S‐S1)/SD。其中S為測量的距骨、滑液、跟腱、肌肉信號強度，S1為鄰近組織信號強度，SD為背景噪聲標準差。CNR比較選取計算：滑液/距骨，滑液/肌肉，跟腱/肌肉。

1.3.2 主觀評價

兩名具有獨立診斷經驗的放射診斷醫師對所有圖像進行診斷， 且從整體清晰程度、韌帶和肌腱清晰程度、脂肪抑制效果、圖像偽影4個方面進行評價：① 優：影像清晰，各韌帶、肌腱顯示清晰，脂肪抑制均勻，無明顯偽影；② 良：影像較清晰，各韌帶、肌腱顯示較清楚，脂肪抑制均勻，有輕微偽影；③ 差：影像較模糊，各韌帶、肌腱顯示欠清楚，脂肪抑制不均、偽影稍重，對診斷有一定影響。爭議評價再請另外的高級放射診斷醫師閱片討論后給出結論。

1.4 統計學分析

采用SPSS 19.0統計學軟件，對兩組影像上距骨、滑液、跟腱、肌肉的SNR，各組織間的CNR及影像質量評價進行統計學分析，計量數據采用均值±標準差（±s）表示，組間比較采用t檢驗，影像質量評價采用卡方檢驗，P<0.05認為有統計學差異。

2 結果

2.1 SNR的比較

兩種線圈踝關節各組織SNR比較：① 距骨：四通道相控陣表面線圈SNR高于十二通道頭顱正交線圈，有統計學差異（P<0.001）；② 滑液：四通道相控陣表面線圈SNR高于十二通道頭顱正交線圈，有統計學差異（P<0.001）；③ 跟腱：四通道相控陣表面線圈SNR高于十二通道頭顱正交線圈，有統計學差異（P=0.004）；④ 肌肉：四通道相控陣表面線圈SNR高于十二通道頭顱正交線圈，有統計學差異（P<0.001），見表1。

表1 兩種線圈踝關節各組織SNR比較（±s）

表1 兩種線圈踝關節各組織SNR比較（±s）

線圈名稱 距骨 滑液 跟腱 肌肉頭顱正交線圈（n=43） 5.07±1.73 3.13±1.05 0.69±0.28 8±1.63相控陣表面線圈（n=46） 10.74±3.11 6.36±1.76 1.73±1.01 20.9±1.32 P值 <0.001 <0.001 0.004 <0.001

2.2 CNR的比較

兩種線圈踝關節各組織CNR比較：① 四通道相控陣表面線圈滑液/距骨CNR高于十二通道頭顱正交線圈，有統計學差異（P<0.001）；② 四通道相控陣表面線圈滑液/肌肉CNR高于十二通道頭顱正交線圈，有統計學差異（P=0.002）；③ 四通道相控陣表面線圈跟腱/肌肉CNR高于十二通道頭顱正交線圈，二者無統計學差異（P=0.11），見表2。

表2 兩種線圈踝關節各組織CNR比較（±s）

表2 兩種線圈踝關節各組織CNR比較（±s）

線圈名稱 滑液/距骨 滑液/肌肉 跟腱/肌肉頭顱正交線圈（n=43） 58.02±1.02 5.01±1.63 18.17±1.18相控陣表面線圈（n=46） 85.95±2.65 7.29±2.61 29.33±1.97 P值 <0.001 0.002 0.11

2.3 圖像質量主觀評價

四通道相控陣表面線圈組影像優良率高于十二通道頭顱正交線圈組，二者有統計學差異（P<0.05），見表3。圖像優良性比較，見圖2。

表3 兩種線圈踝關節MR圖像主觀評價比較

圖2 圖像優良性比較

3 討論

3.1 MR在踝關節損傷影像學檢查中的優勢

踝關節損傷是臨床較為常見的損傷之一，影像學檢查主要有X線、CT、MR。X線檢查操作簡便、耗時短、價格低，主要用于懷疑骨折的急診患者和踝關節損傷治療時踝穴的解剖復位以及骨折術后的效果評估，但受多種因素影響且缺點明顯，例如：X線投照角度、病人體位設計、重復性難、影像重疊[5]。CT成像在三種影像學檢查中速度最快，能夠直觀的觀察骨折特征，尤其是對隱匿性骨折[6]（例如：內外踝、后踝的骨折類型、骨折片的大小和移位）的診斷優勢明顯，而軟組織顯示差、輻射劑量大和費用較貴是其主要的缺點。MR是目前踝關節損傷的首選影像學檢查方法。尤其是對韌帶、關節軟骨、肌腱等軟組織損傷的顯示明顯優于X線與CT[3,7]，能任意重建、多方位成像的三維序列等更高級序列的應用也極大提高了其診斷準確性[7‐8]。同時踝關節損傷多見于韌帶、關節軟骨等慢性損傷，常遺留疼痛、關節不穩、繼而發生骨關節炎等，需要定期影像學檢查，MR因其無輻射且對韌帶、關節軟骨顯示敏感，是目前的最佳復查方法。

3.2 踝關節MR影像的質量指標及影響因素

SNR與CNR是評價MR成像質量的主要指標。SNR即信號值與背景噪聲的比值，高SNR圖像主要表現為圖像清晰、邊緣鮮明；而低SNR圖像主要表現為顆粒感強，背景噪聲增加，圖像模糊[9]；CNR是不同組織信號的差值與背景噪聲的比值，是反映不同組織成分差異的指標，CNR越大，圖像質量也就越好，是MR影像上區分正常組織與病灶即診斷疾病的核心[10]。SNR與CNR受主磁場強度、磁場均勻性、掃描參數（激勵次數、層厚、帶寬）、線圈等因素影響。本次研究中所有數據均采用西門子1.5 T磁共振采集，掃描參數統一，由兩名經驗豐富的技師完成（一致性檢驗：實驗組與對照組的Kappa值分別為0.805（P=0.009），0.784（P=0.012），兩名技師掃描圖像一致性較好），僅掃描線圈不同。結果發現實驗組距骨、滑液、跟腱、肌肉的SNR均高于常規組，同時實驗組滑液/距骨、滑液/肌肉、跟腱/肌肉CNR也高于常規組，說明選擇四通道相控陣表面線圈時MR成像質量優于十二通道頭顱正交線圈。

3.3 不同線圈在踝關節MR成像的既往相關研究

線圈是MR成像中射頻系統的重要組成部分，由發射線圈和接收線圈構成[11]。目前應用于踝關節MR成像的線圈主要有頭顱正交線圈、膝關節線圈、踝關節專用線圈、表面線圈[12]，亦有研究采用脊柱線圈[13]。膝關節線圈、脊柱線圈踝關節影像質量低于前述余下三種線圈，適用于無法承擔高額線圈費用的基層醫院；踝關節專用線圈價格昂貴，因其設計得更貼合踝關節走行，使在對細微結構的信號采集上，由于距離更近所以信號衰減的更少，在很大程度提高了對骨軟骨、韌帶等細節的分辨能力[14]。孫巖等[15]分別用小視野表面線圈與靴型線圈對距骨軟骨成像，發現小視野表面線圈因貼得更近，對距骨軟骨顯示更好；而靴型線圈個體差異較大，顯示相對較差。

3.4 頭顱正交線圈與相控陣表面線圈在踝關節MR成像中的差異

本研究中納入目前使用最多的頭顱正交線圈（常規組）與相控陣表面線圈（實驗組）進行研究，發現實驗組距骨、滑液、跟腱、肌肉的SNR、CNR以及影像優良率均高于常規組，其原因可能是：① 本研究中頭顱正交線圈既是發射線圈也是接收線圈，而表面線圈僅作為接收線圈，磁體內體線圈作為發射線圈，而體線圈的穩定性優于頭顱線圈；② 表面線圈相較于頭顱線圈體積更小，與踝關節貼得也越近，使填充因子增加，其產生的信號更強而噪聲相對更小。而實驗組跟腱/肌肉CNR雖高于常規組，但二者無統計學差異（P>0.05），其原因可能是：① 納入樣本量不足；② 線圈因素：本次研究中的兩種線圈均是由多個子線圈單元構成的，多個數據采集通道與之匹配，圖像的SNR與線圈通道數成正比，但多通道線圈之間的去耦合技術也直接影響整個線圈的SNR，常通過改變相鄰線圈間重疊面積來消除耦合[16‐17]。盡管本研究中頭顱線圈具有十二個通道數，多于表面線圈（四個），但表面線圈更貼近踝關節，填充因子更多，去耦合技術可能優于頭顱線圈。綜合以上因素，在使用表面線圈大部分組織SNR、CNR優良率均優于頭顱線圈的前提下，少數組織趨于接近，例如本研究中跟腱/肌肉CNR比較。

3.5 本次研究的不足

不足之處主要包括以下幾個方面：① 納入病例病種較復雜，未對某單一類病種或僅針對健康者進行研究，對測量結果有一定偏倚；② 距骨軟骨厚度僅1.35～2.69 mm，厚度較薄[18]，本研究采用二維序列，踝關節軟骨顯示較差，無法比較兩種線圈對軟骨顯示的差異（定量比較），故僅對距骨進行測量；③ 采用的二維序列，層厚較厚，對韌帶、肌腱等復雜走形解剖結構的顯示欠佳，所以無法在該領域對兩組線圈進行詳細比較，之后將優化序列或采用三維序列做進一步研究。

綜上所述，在踝關節MRI中，相較于十二通道頭顱正交線圈，選擇四通道相控陣表面線圈能夠更好地顯示踝關節的韌帶等軟組織，更有利于踝關節病變的影像診斷，其高SNR、高CNR能更好滿足臨床需求，考慮脊柱線圈、膝關節等線圈的低SNR，踝關節專用線圈的高昂價格，表面線圈是目前踝關節MRI檢查中的優勢線圈。