3.0 T MRI 3種掃描序列對腰椎小關節軟骨成像的對比研究

羅慕晴，李宏偉，張堃*，馬孟甜，廖云杰，顏路悠，高輝，李平

作者單位：1.湖南中醫藥大學第一附屬醫院放射科，長沙 410007；2.懷化市中醫醫院影像科，懷化 418099；3.中南大學湘雅三醫院放射科，長沙 410003

腰椎小關節在維持腰椎結構穩定及限制腰椎過度活動中起著關鍵作用[1]。流行病學顯示，慢性腰痛中有近15%～45%由腰椎小關節退變引起[2]。腰椎小關節退變起病隱匿，臨床對其診斷缺乏特異性，大多數患者在出現臨床癥狀時才被發現[3]。腰椎小關節退變的病理特征改變主要為關節軟骨的損傷、變性及軟骨下骨的骨質增生、硬化，其中關節軟骨為核心病變、最容易受累且難以愈合[4-5]。因而早期診斷關節軟骨退變對腰椎小關節退變患者的早期指導治療具有重要意義。

腰椎小關節解剖結構小、位置深，且軟骨層厚度較薄（約2 mm），常規MRI檢查顯示效果欠佳[6-7]。3.0 T MRI具有多序列、多方位、多參數成像等優勢[8-9]，與軟骨敏感掃描序列的結合可對軟骨進行特異性形態學成像[10]。三維快速擾相梯度回波水激勵序列（water excitation three-dimensional spoiled gradient echo sequence,3D-WATSc）應用了頻譜、空間二項式脈沖脂肪抑制及三維容積數據采集技術，僅采集到水信號、脂肪無信號，因此達到了脂肪抑制下的水激勵[11-12]。三維快速場回波（three-dimensional fast field echo,3D-FFE）為擾相梯度回波序列，臨床多采用三維擾相梯度回波T1W1加脂肪抑制技術來顯示關節軟骨[13]。三維各向同性快速自旋回波（three-dimensional volumetric isotropic turbo spin echo acquisition,3D-VISTA）可進行圖像高質量多平面重組，并具有等體素成像、空間分辨率及對比分辨率高、掃描時間短及圖像偽影較少等優勢，已逐步應用于臨床及科研，具有廣泛的應用前景[14-15]。以上三種軟骨敏感序列在膝、腕及踝關節的軟骨成像及腰椎間盤成像中已經深入應用[16-23]，但在腰椎小關節成像中的研究及應用仍為空白。因此，本研究擬對基于T1W1 的3D-FFE（3D-T1-FFE）、3D-WATSc、基于質子密度加權成像（proton density weighted imaging, PDWI）的3D-VISTA（3D-PDWI-VISTA）這三種軟骨敏感序列在腰椎小關節中的應用價值進行對比分析。

1 材料與方法

1.1 研究對象

前瞻性納入2021 年2 月至2021 年8 月期間于湖南中醫藥大學第一附屬醫院放射科行腰部MRI檢查并符合下列納入標準的受試者。納入標準：（1）年齡大于18歲且小于35歲；（2）無腰痛病史、癥狀及體征。排除標準：（1）有腰椎外傷或手術史；（2）存在椎間盤膨/突出、腰椎椎管病變（狹窄或腫瘤）、椎體滑脫、脊柱腫瘤/腫瘤樣病變、結核等其他感染或炎性疾患；（3）存在MRI檢查禁忌證，如體內有鐵磁性物質、存在幽閉恐懼癥等。本研究獲得湖南中醫藥大學第一附屬醫院醫學倫理委員會批準（審批件號：HN-LL-KY-2021-025-01），所有研究對象在參與本項臨床研究前均被告知有關檢查注意事項并簽署了對本研究的知情同意書。

1.2 MRI掃描方案

采用3.0 T超導MRI系統（Ingenia, Philips Medical Systems, Netherlands）及脊柱專用線圈。由于運動狀態會對關節軟骨產生一定的影響[24]，因此每位受試者在接受MRI 掃描前必須休息30 min 以上。所有受檢者在同一時間段（18 點～21 點）接受檢查，采取頭先進、仰臥位，先行L4/L5～L5/S1水平的腰椎常規序列（T1WI 及T2WI）掃描，然后分別進行3D-WATSc、3D-T1-FFE、3D-PDWI-VISTA 序列掃描。MRI 序列及具體參數見表1。

表1 磁共振掃描序列及參數列表Tab.1 MRI scanning sequence and parameter list

1.3 腰椎小關節圖像質量評估

對3 種序列的腰椎小關節MRI 圖像進行成像效果評估，包括定性評估及定量評估。定性評估指標共有5項，包括：軟骨均勻性、軟骨與關節間隙之間的邊緣清晰度、軟骨與骨之間的邊緣銳度、軟骨與關節間隙之間的對比度、軟骨與骨之間的對比度。每個定性評估指標分為優、良、中、差4 個等級，分別對應4 分、3 分、2 分、1 分[25-26]（1 分：圖像質量最差，軟骨均勻性、軟骨邊緣銳度及組織對比度差，幾乎不能分辨關節軟骨及關節間隙；2 分：圖像質量中等，軟骨均勻性、軟骨邊緣銳度及組織對比度一般，能顯示關節軟骨及關節間隙、但較模糊；3 分：軟骨均勻性、軟骨邊緣銳度及組織對比度良好，能較清晰分辨關節軟骨及關節間隙；4 分：圖像質量最好，能清晰顯示關節軟骨及關節間隙）。上述評分由2 名分別具有10 年和8 年骨肌影像診斷經驗的影像科副主任醫師獨立完成，意見不一致時，討論并達成一致意見。

腰椎小關節軟骨圖像質量的定量評估指標包括信噪比（signal to noise ratio,SNR）及對比噪聲比（contrast to noise ratio,CNR）。SNR 等于軟骨信號強度除以背景噪聲標準差。CNR為兩種不同組織信號強度差值的絕對值除以背景噪聲標準差。由上述2名影像科副主任醫師在三種3D序列軸位圖像中協商選取L4/L5 及L5/S1 水平小關節解剖結構顯示最完整、清晰的層面，然后在該層面對雙側腰椎小關節各組織結構的感興趣區（regions of interest,ROI）進行測量。ROI的選取范圍分別如下：關節軟骨為0.01～0.02 cm2、軟骨下松質骨為1 cm2、軟骨下皮質骨范圍為1 cm2、肌肉組織（多裂肌）范圍為2 cm2、背景噪聲范圍為4 cm2和關節間隙范圍為0.01～0.02 cm2，見圖1。三種序列的ROI范圍及位置均保持一致。腰椎小關節各解剖結構ROI的信號強度、背景噪聲標準差及相應SNR值、CNR值的測量均在飛利浦圖像后處理工作站完成，且由上述2名影像科副主任醫師獨立測量并計算，最終采用年資較高的影像醫師所得結果行后續分析。

圖1 男，25歲，L4/L5雙側腰椎小關節MRI圖各解剖結構感興趣區勾畫。1A：（1）腰椎小關節，（2）多裂肌，（3）背景噪聲；1B：1A圖腰椎小關節區域放大圖，（1）軟骨下皮質骨，（2）軟骨下松質骨，（3）關節間隙，（4）關節軟骨。Fig. 1 Male, 25 years old, region of interest selection of lumbar facet joint MRI images. 1A: (1) lumbar facet joint, (2) multifidus muscle,(3) background noise; 1B: Magnified image of lumbar facet joint,(1) subchondral cortical bone, (2) subchondral cancellous bone, (3) joint space,(4)articular cartilage.

1.4 統計分析

采用SPSS 22.0（SPSS Inc., Chicago, IL, USA）統計軟件行統計分析。經Kolmogorov-Smirnov正態性檢驗后，本研究圖像定性評估中的計量資料均為偏態分布，定量評估中的計量資料均為正態分布。以中位數（上下四分位數）表示定性評估中的計量資料，用均數±標準差表示定量評估中的計量資料。采用FriedmanM檢驗對3種掃描序列圖像質量的定性評估指標進行比較，采用Wilcoxon配對符號秩檢驗進行組間兩兩比較。采用配對t檢驗對定性評估結果中較好的兩種序列的定量指標進行分析。采用k分析評價定性評估中的觀察者間一致性，計算組內相關系數（intraclass correlation coefficient, ICC）及95% 可 信 區 間（confidence interval,CI）評價2名醫師在定量評估中的測量者間一致性。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 臨床資料

本研究共納入30 例受試者，其中女14 例，男16 例，年齡范圍為20～35 歲，中位年齡為26 歲。掃描研究過程無人退出且無不良事件發生。

2.2 觀察者間的一致性

5 項定性評估指標中的觀察者間一致性強（見表2），2名影像科醫師計算腰椎小關節的軟骨SNR、軟骨—關節間隙CNR、軟骨—骨CNR、軟骨—骨髓CNR及軟骨—肌肉CNR的ICC（95%可信區間）分別為0.865（0.836～0.932）、0.826（0.796～0.858）、0.882（0.843～0.924）、0.899（0.851～0.940）、0.904（0.896～958）和0.947（0.916～0.971），且均有統計學意義（P值均＜0.05）。結果說明這些評估指標均具有良好的觀察者間一致性，其變異程度均較低。

表2 不同掃描序列兩觀察者之間圖像質量的一致性評價（k±SE）Tab.2 Consistency evaluation of image quality between two observers in different scanning sequences(k±SE)

2.3 腰椎小關節圖像質量的定性評估

在腰椎小關節圖像的定性評估中，3D-WATSc 序列在5 項定性評估指標中評分均最高，3D-T1-FFE 序列圖像質量的定性評估評分結果僅次于3D-WATSc序列，但僅軟骨的信號均勻性指標在3D-WATSc 序列及3D-T1-FFE 序列之間差異有統計學意義（P＜0.05），余4項指標在二者之間的差異均無統計學意義（P值均＞0.05）。3D-PDWI-VISTA 序列的5 項定性評估指標評分均最差，且與3D-WATSc 序列及3D-T1-FFE 序列相比，差異均有統計意義。詳見表3、圖2。

表3 不同掃描序列圖像質量的定性評估結果[M（P25,P75）]Tab.3 Qualitative evaluation of image quality of different 3.0 T MRI sequences[M(P25,P75)]

圖2 受試者腰椎小關節MRI 圖像。2A～2C：男，25 歲，雙側L4/L5 腰椎小關節MRI 圖像；2D～2F：女，26 歲，右側L5/S1 腰椎小關節MRI 圖像。2A、2D：3D-WATSc序列圖像，顯示關節軟骨及關節間隙清晰；2B、2E：3D-T1-FFE序列圖像，顯示關節軟骨及關節間隙較清晰；2C、2F：3D-PDWI-VISTA 序列圖像，顯示軟骨邊緣銳度及組織對比度較差，幾乎不能分辨關節軟骨及關節間隙，圖像質量較差。Fig.2 MRI images of the patient's lumbar facet joint.Images of bilateral L4/L5 lumbar facet joints in a 25-year-old male patient (2A-2C) and L5/S1 right lumbar facet joint in a 26-year-old female patient (2D-2F). 2A, 2D: 3D-WATSC image, showing articular cartilage and articular space clearly; 2B, 2E: 3D-T1-FFE image,showing articular cartilage and joint space relatively clearly;2C,2F:3D-PDWI-VISTA image,with poor edge sharpness and tissue contrast,poor image quality,and almost indistinct articular cartilage and joint space.

2.4 腰椎小關節圖像質量的定量評估

由于3D-PDWI-VISTA序列在腰椎小關節MRI圖像中難以清晰分辨腰椎小關節的各解剖結構，因此無法進行圖像SNR及CNR的定量評估。在L4/L5、L5/S1層面，3D-WATSc 圖像的軟骨SNR [L4/L5（70.73±14.86）、L5/S1（73.50±13.63）]較3D-T1-FFE序列高，且差異具有統計學意義（P＜0.05）；在L4/L5、L5/S1層面腰椎小關節各解剖結構的CNR測量中，3D-WATSc圖像的軟骨與關節間隙[L4/L5（25.30±8.44）、L5/S1（21.64±13.01）]、軟骨與骨[L4/L5（60.75±14.68）、L5/S1（64.31±12.98）]及軟骨與骨髓[L4/L5（50.22±14.33）、L5/S1（54.46±10.99）]的CNR 均較3D-T1-FFE 序列高，且差異有統計意義（P＜0.05），但軟骨與肌肉的CNR 在3D-WATSc 序列與3D-T1-FFE 序列之間差異無統計學意義（P＞0.05），詳見表4、表5。

表4 L4/L5層面腰椎小關節各組織間SNR和CNR結果（±s）Tab.4 SNR and CNR between tissues of L4/L5 lumbar facet joints(±s)

表4 L4/L5層面腰椎小關節各組織間SNR和CNR結果（±s）Tab.4 SNR and CNR between tissues of L4/L5 lumbar facet joints(±s)

注：SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。

序列3D-WATSc 3D-T1-FFE t值P值軟骨—肌肉CNR 9.09±9.65 11.07±6.72-1.05 0.30軟骨SNR 70.73±14.86 53.64±11.30 6.20＜0.01軟骨—關節間隙CNR 25.30±8.44 15.18±5.47 6.34＜0.01軟骨—骨CNR 60.75±14.68 44.85±10.61 6.11＜0.01軟骨—骨髓CNR 50.22±14.33 37.55±9.32 5.66＜0.01

表5 L5/S1層面腰椎小關節各組織間SNR和CNR結果（±s）Tab.5 SNR and CNR between tissues of L5/S1 lumbar facet joints(±s)

表5 L5/S1層面腰椎小關節各組織間SNR和CNR結果（±s）Tab.5 SNR and CNR between tissues of L5/S1 lumbar facet joints(±s)

注：SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。

序列3D-WATSc 3D-T1-FFE t值P值軟骨—肌肉CNR 5.05±8.75 1.73±6.64 1.99 0.05軟骨SNR 73.50±13.63 49.45±10.15 10.49＜0.01軟骨—關節間隙CNR 21.64±13.01 16.19±10.51 3.57＜0.01軟骨—骨CNR 64.31±12.98 41.00±8.87 11.01＜0.01軟骨—骨髓CNR 54.46±10.99 33.54±8.18 11.57＜0.01

3 討論

本研究通過對腰椎小關節軟骨行3種3.0 T MRI三維成像序列的形態學掃描，發現3D-WATSc在腰椎小關節軟骨中的成像效果優于3D-T1-FFE及3D-PDWI-VISTA序列，可清晰顯示軟骨層及關節間隙。本研究為國內首次在形態學成像上對人腰椎小關節軟骨進行3.0 T MRI 三維掃描序列的對比分析，有助于臨床早期較準確地評估腰椎小關節退變。

在本研究涉及的三種軟骨敏感序列中，3D-WATSc圖像的5項定性指標評分及各組織結構的軟骨SNR、CNR 均最高，整體質量評價最好，能較清晰地顯示腰椎小關節的各細微解剖結構。分析原因，3D-WATSc序列具有短重復時間（repetition time,TR）、短回波時間（echo time,TE）的特點[16]，使得軟骨下骨和關節液均為低信號，關節軟骨呈高信號，因此能準確地分辨出關節軟骨。本研究采用1.5 mm 層厚和連續、無間隔的掃描方式，較大地增加了圖像空間分辨力，并減少了層間隙和部分容積效應，也提高了對軟骨的分辨能力。劉仁偉等[12]在膝關節的研究中發現，3D-WATSc 具有空間分辨率高、抑脂效果良好、軟骨顯示清晰及掃描速度較快等諸多優點，與本研究中3D-WATSc 對小關節軟骨的成像效果較為一致。王立振等[16]以關節鏡的分級標準為對照，證明了3D-WATSc 序列對膝關節軟骨退變的分級結果具有較高的診斷效能，可以較準確地評估膝關節的關節軟骨損傷。但在本研究中，由于腰椎小關節缺乏關節鏡作為其形態學評估金標準，因此3D-WATSc 序列對腰椎小關節退變的診斷效能尚未得到驗證。

3D-T1-FFE序列在腰椎小關節軟骨圖像質量的定性評估和軟骨SNR、CNR 評估中僅次于3D-WATSc 序列。分析原因，3D-T1-FFE具有產生高空間分辨率圖像數據集的優點[27]，該圖像數據集由各向同性體素組成，部分容積效應導致的偽影較少，因此能精確檢測軟骨厚度及范圍。與3D-WATSc序列對磁場變化不敏感相比[12]，3D-T1-FFE存在磁敏感偽影較明顯的缺點[28]，因此較難準確地評估鄰近軟骨下骨的松質骨病變，導致成像效果不如3D-WATSc序列。3D-T1-FFE這一缺點也在一定程度上限制了其在軟骨成像中的廣泛應用。Kim等[29]的研究表明，在軟骨—液體的對比度方面，3D-FFE掃描序列較3D-VISTA 序列顯示更佳，這與本研究結果類似。Bapst等[13]研究表明，3D-VISTA序列與其他三維序列相比，關節軟骨的SNR較高，但軟骨與滑膜液間的對比度較低。也有研究表明3D VISTA 成像技術在評估關節軟骨損傷以及膝關節其他結構（如韌帶和半月板）方面可與二維多平面掃描相媲美[18,30]。與上述有關膝關節的研究結果不同，本研究3D-PDWI-VISTA的圖像質量定性評估在三種掃描序列中評分最差，圖像細節模糊，幾乎不能分辨腰椎小關節的關節軟骨層及關節間隙，使其在腰椎小關節成像中的臨床應用受到了限制。

本研究尚存在一些局限。第一，本研究未將所有的關節軟骨敏感序列進行對比分析，后續將繼續探索其他優勢序列在腰椎小關節軟骨中的成像質量，并針對掃描和后處理技術的優化、標準化及可重復性評估等方面開展深入研究。第二，本研究樣本量較少，下一步應擴大樣本量及研究范圍，對優勢序列的應用價值行進一步驗證。

綜上所述，3D-WATSc 序列能清晰地呈現腰椎小關節的軟骨層及關節間隙，可作為腰椎小關節軟骨成像的相對優勢序列，為臨床早期準確地評估腰椎小關節退變提供有價值的參考。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。