合成磁共振成像對于膝關節損傷應用價值的研究

王鶴宇，張鳳翔（通訊作者），楊金花

（1.內蒙古醫科大學，內蒙古 010100；2.鄂爾多斯市中心醫院 影像科，內蒙古 017000）

膝關節結構較為復雜，由于其生理結構、位置的特殊性，導致膝關節損傷時易出現半月板損傷，最為常見的是運動損傷及慢性損傷［1］。半月板損傷可能會出現早期的臨床癥狀，如疼痛和功能喪失，以及膝關節軟骨的結構退化［2］。MRI在四肢軟組織的顯示方面有較好的效果，其一能夠有效顯示膝關節損傷時細微軟組織結構的信號變化，其二可以對其損傷進行分級［3］。作為近年來新出現的一種MRI技術，合成磁共振成像可以在較短時間內完成1次掃描，同時獲取多種弛豫定量圖譜和不同對比加權圖像［4-5］。相比傳統MRI，合成MRI的優勢在于節省時間成本，并且與傳統MRI圖像相比，二者不論在診斷敏感度、準確度和特異度還是在圖像對比度方面均無明顯差異［6］。本文就合成MRI中生成的多種子序列對膝關節損傷時形態學和功能學變化的應用和貢獻展開綜述，以探討合成MRI在膝關節損傷方面的診斷價值及今后的研究方向。

1 合成MRI（SyMRI）的原理

基于多個延遲多回波（multiple-delay multipleecho，MDME）序列的原理［7］，即采用120°交叉的層面選擇飽和恢復的多回波采集方式，同時量化T1弛豫時間、T2弛豫時間、質子密度（protondensity，PD）和射頻磁場B1不均勻性，通過調整2個回波時間（echo time，TE）及4個延遲時間（delay time，TD）的參數，從而直接獲得組織的T1、T2、PD定量圖像［8］。量化后，通過相應的后處理軟件，合成T1加權圖（T1 weighted image，T1WI）、T2加權圖（T2 weighted image，T2WI）、短時間反轉恢復（short T1 inversion recovery，STIR）序列、液體衰減反轉恢復（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR）序列等10個不同對比度加權圖像［9］。

除了可以得到常規的加權圖像，合成MRI序列還可獲得雙反轉恢復 （double-inversion recovery，DIR）序列、相位敏感反轉恢復（phase sensitive inversion recovery，PSIR）序列等臨床相對少用的對比加權序列，這些合成序列的圖像對于膝關節滑膜炎、半月板損傷等病變的診斷價值優于常規序列圖像。雙反轉恢復（double inversion recovery，DIR）序列具有良好的水腫組織對比度，合成MRI所獲得的DIR序列可以抑制關節積液，清楚顯示增厚的滑膜。PSIR序列是具有相敏重建的T1加權序列，可以提供比傳統T1加權反轉恢復序列更大的信號強度范圍，對于膝關節半月板［10］、組織水腫［11］、腘動脈的顯示具有良好的優勢。通過不同子序列的相互補充和定量弛豫圖譜定量信息的完善，采用合成MRI序列可以在膝關節損傷的診斷方面實現組織自身特性的絕對成像，同時為從形態學診斷到定量化診斷提供基礎。

2 合成MRI各對比加權序列在膝關節中的應用

2.1 合成T1序列在膝關節中的應用

眾所周知，常規T1加權序列具有較高的信噪比和空間分辨率，組織間對比好，且沒有明顯的磁敏感偽影，這使之在顯示不同組織、結構間的解剖結構關系時有很大的優勢。但是在區分病變的邊界與微小病變的檢出方面不突出。在常規T1序列中，正常半月板多表現為連續走行的低信號，損傷或撕裂時出現組織水腫、關節滑液進入損傷處，使其低信號內出現線形或三角形的等高信號［12］。

合成T1序列所得圖像中，半月板及周圍軟骨結構清晰可見［13］，并且在半月板損傷的診斷準確性方面，常規和合成MRI是相同的，即在常規序列上觀察到的所有結構及信號改變在矢狀位合成T1序列上也顯示清晰，且相對對比度更高。為了驗證合成T1序列的圖像對比度和病灶檢出率，Park等（2017）［14］比較了19例正常志愿者的合成T1序列與常規T1序列的圖像質量。其中，主要引入相對信號強度（signal intensity，SI）和相對對比度的概念進行分析。結果顯示，合成MRI中的T1序列可以提供與常規T1序列相似的相對SI。與傳統MR序列相比，合成T1加權序列顯示出更高的骨髓與肌肉的相對對比度。

2.2 合成T2序列在膝關節中的應用

在常規T2加權序列中，半月板、軟骨為極低信號，而關節滑液和關節下軟骨顯示為高信號，類似于關節造影，是臨床常用于探查半月板、軟骨損傷及髓腔水腫的序列［15］。其良好的信噪比，使檢測半月板的低信號組織損傷更加容易。

Jisook等（2018）［16］的研究表明，膝關節矢狀位上的常規圖像和合成圖像的同步比較，合成T2加權圖像和常規T2加權圖像的圖像質量沒有統計學上的顯著差異，整體圖像質量非常好，也沒有明顯的偽影。在評估半月板病變時，常規和合成MRI之間存在很強的相關性［17］。并且對于盤狀半月板的檢出，合成圖像與常規T2圖像有相同的檢出率。然而，這其中出現半月板撕裂的3個假陰性病例（一個內側半月板撕裂和兩個外側半月板撕裂）均通過關節鏡確定為垂直撕裂。研究人員分析是由于矢狀位上在周圍復雜的解剖結構和后部肌肉、動脈結構的影響下，通常很難在MRI中檢測到位于外周的垂直撕裂［18］。這種情況可以通過分析除了矢狀位之外的冠狀位或軸位來補充診斷。另一項針對兒童大腦的研究［19］，得出了關于合成序列可以用于診斷疾病的潛在用途的類似結論，結論顯示，合成MRI圖像的對比度更高，合成T2圖像的信噪比也更高，且合成MRI的診斷準確性與傳統序列相似。

2.3 合成PD序列在膝關節中的應用

常規PD加權像具有TE較短、組織的橫向磁化矢量衰減少、清晰度和信噪比較高等特點。它不僅能清晰顯示低信號的正常韌帶、半月板，也能清晰分辨出韌帶及半月板損傷后的高信號［20］，同時能很好地觀察損傷的走形，為半月板損傷分級提供可靠證據。

Boudabbous等（2018）［13］的一項研究中，采集22名患者的SyMRI圖像與常規MRI圖像進行對比，結果顯示，合成序列圖像質量在所有對比度下都被評為良好。在合成PD序列的所有圖像中，股脛軟骨、半月板和伸肌腱均清晰可見［21］，結構清晰度被判定為優良。PD序列是膝關節檢查中最常用的序列之一，兩種掃描方法所得PD序列圖像的所有評估參數均被評為良好，沒有偽影，只有韌帶結構在兩個讀者之間產生了不同的評分。在所有病例中，常規MRI和合成MRI的診斷準確率是相同的，即常規序列上觀察到的所有發現也可以在矢狀位的合成序列上找到，其中半月板撕裂的檢出率與常規序列達成高度一致，準確率高達95%。在改進升級后，合成PD序列將會得到更好的圖像質量以及更高的病變診斷檢出率。

2.4 合成STIR序列在膝關節中的應用

常規STIR序列被廣泛用于肌肉骨骼成像［22］，致力于其在四肢成像中應用了改進的脂肪抑制技術，并且金屬植入物的存在對脂肪抑制的均勻性影響很小，這使得STIR序列即使是存在金屬（例如，術后關節成形術）、大視野（例如，脊柱關節炎或轉移性腫瘤情況下的整個脊柱），以及具有多個氣體組織界面的具有挑戰性的解剖區域（例如，臂叢神經、手指和腳趾）都顯示良好。

單獨敘述合成STIR序列在膝關節方面的研究鮮見報道，現有研究僅提及在合成MRI技術序列中綜合評估圖像質量時，合成STIR序列圖像可以清晰顯示膝關節各解剖結構。并且有研究表明［14］，合成STIR序列在診斷骶髂關節炎骨髓水腫（Bone marrow edema，BME）時的病灶檢出率，與常規T2WI FS序列的檢出率相同，醫師間診斷一致率也相同，證明其在觀察骨髓水腫中有較高的特異度及靈敏度。在膝關節急性損傷、出現韌帶及半月板損傷的同時，經常伴有骨髓水腫的出現，合成STIR序列能在此方面提供有效診斷依據。

2.5 合成DIR序列在膝關節中的應用

在診斷膝關節滑膜炎時，釓對比增強（contrast enhanced-MRI，CE-MRI）被認為是評估的金標準，因為它可以區分滑膜和關節積液。而DIR序列使用兩個反轉脈沖，具有兩個不同的反轉時間（inversion time，TI），可以同時抑制來自兩個不同組織的信號，從而提高成像對比度。這使得DIR成像取代CEMRI來評估膝關節滑膜炎成為可能［23］。

與此同時，合成MRI在生成不同對比度圖像的同時通過使用兩個TI可生成DIR序列，這可以模擬T1加權CE-MRI。Jisook等（2019）［24］的研究表明，盡管T1加權CE-MRI的整體圖像質量優于合成DIR成像，但合成DIR成像足以提供出色的圖像質量與診斷準確率。在合成DIR MRI上看到增厚的滑膜信號影與在T1 CE-MRI上觀察到的強化滑膜信號影直接相關，表明是由滑膜炎引起的滑膜增強。因此，合成DIR成像可以在檢測滑膜炎方面及在退行性關節疾病的成像中發揮重要作用，并且應用在釓過敏者的科學隊列研究中可起到良好效果。

在一項關于多發性硬化 （multiple sclerosis，MS）病灶檢測的研究中證明［25］，與標準序列FLAIR相比時，合成DIR序列的圖像對比度更高，并能夠發現更多的病變，也更加肯定了合成DIR序列的診斷價值。在半月板急性損傷時可以更好地分辨出半月板中出現的高信號是損傷時水腫所致還是關節滑液進入引起，為細微結構的辨別與組織損傷的診斷提供幫助。

3 合成MRI各定量序列在膝關節中的應用

3.1 合成T2 Mapping序列在膝關節中的應用

使用多回波自旋回波技術的T2 Mapping已被用于評估軟骨的水和膠原蛋白含量，可預測早期骨關節炎（osteoarthritis，OA）形態變化開始之前軟骨退變的早期生化變化。關節軟骨的T2弛豫時間，被認為是OA的生物標志物。在臨床OA的診斷中，可能比傳統的T2對比加權圖像更有價值［26］。

合成T2 Mapping偽彩圖可以成功地識別組織的局部變性，且隨著T2值的增加，色彩越鮮艷，與常規多回波CPMG（carr purcell meiboom gill）序列所得T2 Mapping偽彩的顏色顯示及變化方向一致［27］。Dunn等（2004）［28］計算了55名膝關節OA不同階段的受試者的股骨和脛骨軟骨的T2值。該研究發現，局部T2值隨著OA分期的增加而增加，中度和重度OA患者的T2值相似。這是因為軟骨的發育符合非線性二次關系，即印證了天花板效應（軟骨T2值的變化與T2進展斜率之間存在反比關系）的存在。Jungmann等（2013）［29］假設在軟骨損傷發生之前，軟骨基質退化一定程度后可能會出現飽和效應，因此在中度OA患者軟骨損傷進展到重度時，T2值變化并不明顯。而合成T2值與常規T2值變化顯示出極好的相關性［27］，雖然在1.5T磁共振上對于軟骨病的診斷性能低于常規序列［30］，但是合成序列中的T2 Mapping偽彩圖仍然可以清晰顯示軟骨及半月板信號變化。

同時，T2 Mapping也可以用于評價骨關節炎患者隨時間推進半月板T2值的變化。一項關于骨關節炎患者的隊列研究證明［31］，在6年時間里，患者的半月板T2弛豫時間顯著增加，從32毫秒增加到34毫秒（6.3%）。而合成序列在膝關節病變的診斷中，T2 Mapping偽彩圖對于半月板撕裂有良好的顯示效果，并且對T2值的定量是準確的［32］。同時生成的T2 Mapping序列在關節積液、軟骨和半月板病變的顯示方面具有高圖像對比度。

3.2 合成T1 Mapping在膝關節中的應用

T1、T2以及PD值為膝關節組織特性的定量評估提供了一個標準尺度，能夠更客觀地評價結構及組織變化［5］。其中，T1弛豫時間被用作檢測軟骨、半月板生化變化的替代參數［33］。它探索了運動受限的水分子與其局部大分子環境之間慢運動的相互作用。半月板中的細胞外基質為水分子提供了一個運動受限的環境。因此，細胞外基質的變化，如蛋白多糖（proteoglycan，PG）丟失，反映在T1、T2值的變化中，T1值對OA早期半月板基質中PG的變化更具特異性［34］。Mittal及其同事收集分析了25名早期膝關節骨關節炎患者及10名健康成年志愿者的合成T1值。研究表明，與健康志愿者相比，OA患者內側和外側半月板的合成T1弛豫時間顯著增加，并且隨著OA的進展和MRI上的半月板退化合成T1值將繼續增高。但是健康志愿者和膝關節早期OA患者的內側和外側半月板平均厚度沒有明顯差異，這是因為半月板可能會因退化和撕裂而腫脹［35］。由此可見，合成T1值可以預測半月板損傷程度。

有研究表明，在體模驗證中，合成序列可以在短時間內完成掃描，所得T1值具有較高的可重復性［36］。并且在不同帶寬條件下測量所得T1值的組間變異系數（coefficient of variation，CV）均小于3%，甚至部分組織的組間CV小于組內CV。證明不同參數的調整對于T1值的準確性影響不大［37］，這也證實了合成序列所得T1值的可靠性。

4 總結與展望

目前的研究表明，合成MRI序列掃描時間短，并且一次掃描在合成多種對比加權圖像的同時，還能產生T1、T2、PD定量弛豫圖，不僅可以直接選取感興趣區進行組織定量分析，并且數據后處理方面操作簡單［38］，在半月板、軟骨、韌帶損傷、骨髓水腫的測定等方面都顯示出良好優勢。與常規MR圖像相比，合成MRI序列的圖像在總體圖像對比度、解剖結構顯示、病變檢出率方面并不遜色，在檢測膝關節病變方面有相同的診斷效能。

但是現階段合成MRI序列仍然存在一些不足：①由于合成重建依賴于單次掃描的質量，因此在掃描時出現運動和采集偽影的情況下，其圖像質量及病變顯示清晰度將大大降低［39］；②合成T2 FLAIR、STIR序列相較于其他合成序列，在不干擾合成圖像的結構顯示和診斷水平的情況下，更容易發現高信號偽影和腘動脈搏動偽影；③在掃描膝關節過程中，合成序列矢狀位掃描層厚約5mm，這導致前交叉韌帶起始部顯示欠佳，不利于前交叉韌帶病變的診斷；④在合成T2 Mapping定量弛豫圖上，關節囊內的滑液信號未受到抑制，這可能會導致在軟骨損傷時的信號改變是由于滑液進入還是軟骨病變時T2值增加的原因無法分辨［27］；⑤目前合成MRI多以2D成像方式采集，空間分辨率低，并且多方位圖像需要多次采集。而膝關節3D成像［40］在沒有層厚間隔的情況下采集容積數據，并且可以在任意平面上重建圖像，這使得發現軟骨下骨髓信號異常更加容易，并且具有更好的主觀圖像質量和更少的偽影，較2D成像有極大優勢。

總之，雖然合成MRI還有一些不足，但是隨著該技術的不斷優化和改進，現存的問題將會隨著新的圖像加速技術（如壓縮感知［41］、改進的并行成像和深度學習重建［42］）的進一步發展、3D合成序列的出現及人工智能［43］的普及得到妥善解決，未來的合成MRI序列將會發展得更好，以更加全面的功能為患者及臨床服務。