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(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科,長(zhǎng)沙 410007;2.懷化市中醫(yī)醫(yī)院影像科,懷化 418099;3.中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院放射科,長(zhǎng)沙 410003
腰椎小關(guān)節(jié)在維持腰椎結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及限制腰椎過度活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用[1]。流行病學(xué)顯示,慢性腰痛中有近15%~45%由腰椎小關(guān)節(jié)退變引起[2]。腰椎小關(guān)節(jié)退變起病隱匿,臨床對(duì)其診斷缺乏特異性,大多數(shù)患者在出現(xiàn)臨床癥狀時(shí)才被發(fā)現(xiàn)[3]。腰椎小關(guān)節(jié)退變的病理特征改變主要為關(guān)節(jié)軟骨的損傷、變性及軟骨下骨的骨質(zhì)增生、硬化,其中關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)軟骨退變對(duì)腰椎小關(guān)節(jié)退變患者的早期指導(dǎo)治療具有重要意義。
腰椎小關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)小、位置深,且軟骨層厚度較?。s2 mm),常規(guī)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(shù)成像等優(yōu)勢(shì)[8-9],與軟骨敏感掃描序列的結(jié)合可對(duì)軟骨進(jìn)行特異性形態(tài)學(xué)成像[10]。三維快速擾相梯度回波水激勵(lì)序列(water excitation three-dimensional spoiled gradient echo sequence,3D-WATSc)應(yīng)用了頻譜、空間二項(xiàng)式脈沖脂肪抑制及三維容積數(shù)據(jù)采集技術(shù),僅采集到水信號(hào)、脂肪無信號(hào),因此達(dá)到了脂肪抑制下的水激勵(lì)[11-12]。三維快速場(chǎng)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(shù)來顯示關(guān)節(jié)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(jìn)行圖像高質(zhì)量多平面重組,并具有等體素成像、空間分辨率及對(duì)比分辨率高、掃描時(shí)間短及圖像偽影較少等優(yōu)勢(shì),已逐步應(yīng)用于臨床及科研,具有廣泛的應(yīng)用前景[14-15]。以上三種軟骨敏感序列在膝、腕及踝關(guān)節(jié)的軟骨成像及腰椎間盤成像中已經(jīng)深入應(yīng)用[16-23],但在腰椎小關(guān)節(jié)成像中的研究及應(yīng)用仍為空白。因此,本研究擬對(duì)基于T1W1 的3D-FFE(3D-T1-FFE)、3D-WATSc、基于質(zhì)子密度加權(quán)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(guān)節(jié)中的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行對(duì)比分析。
前瞻性納入2021 年2 月至2021 年8 月期間于湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科行腰部MRI檢查并符合下列納入標(biāo)準(zhǔn)的受試者。納入標(biāo)準(zhǔn):(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(biāo)準(zhǔn):(1)有腰椎外傷或手術(shù)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(jié)核等其他感染或炎性疾患;(3)存在MRI檢查禁忌證,如體內(nèi)有鐵磁性物質(zhì)、存在幽閉恐懼癥等。本研究獲得湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(審批件號(hào):HN-LL-KY-2021-025-01),所有研究對(duì)象在參與本項(xiàng)臨床研究前均被告知有關(guān)檢查注意事項(xiàng)并簽署了對(duì)本研究的知情同意書。
采用3.0 T超導(dǎo)MRI系統(tǒng)(Ingenia, Philips Medical Systems, Netherlands)及脊柱專用線圈。由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)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(shí)間段(18 點(diǎn)~21 點(diǎn))接受檢查,采取頭先進(jìn)、仰臥位,先行L4/L5~L5/S1水平的腰椎常規(guī)序列(T1WI 及T2WI)掃描,然后分別進(jìn)行3D-WATSc、3D-T1-FFE、3D-PDWI-VISTA 序列掃描。MRI 序列及具體參數(shù)見表1。
表1 磁共振掃描序列及參數(shù)列表Tab.1 MRI scanning sequence and parameter list
對(duì)3 種序列的腰椎小關(guān)節(jié)MRI 圖像進(jìn)行成像效果評(píng)估,包括定性評(píng)估及定量評(píng)估。定性評(píng)估指標(biāo)共有5項(xiàng),包括:軟骨均勻性、軟骨與關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)間隙之間的對(duì)比度、軟骨與骨之間的對(duì)比度。每個(gè)定性評(píng)估指標(biāo)分為優(yōu)、良、中、差4 個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)4 分、3 分、2 分、1 分[25-26](1 分:圖像質(zhì)量最差,軟骨均勻性、軟骨邊緣銳度及組織對(duì)比度差,幾乎不能分辨關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)間隙;2 分:圖像質(zhì)量中等,軟骨均勻性、軟骨邊緣銳度及組織對(duì)比度一般,能顯示關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)間隙、但較模糊;3 分:軟骨均勻性、軟骨邊緣銳度及組織對(duì)比度良好,能較清晰分辨關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)間隙;4 分:圖像質(zhì)量最好,能清晰顯示關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)間隙)。上述評(píng)分由2 名分別具有10 年和8 年骨肌影像診斷經(jīng)驗(yàn)的影像科副主任醫(yī)師獨(dú)立完成,意見不一致時(shí),討論并達(dá)成一致意見。
腰椎小關(guān)節(jié)軟骨圖像質(zhì)量的定量評(píng)估指標(biāo)包括信噪比(signal to noise ratio,SNR)及對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio,CNR)。SNR 等于軟骨信號(hào)強(qiáng)度除以背景噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。CNR為兩種不同組織信號(hào)強(qiáng)度差值的絕對(duì)值除以背景噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。由上述2名影像科副主任醫(yī)師在三種3D序列軸位圖像中協(xié)商選取L4/L5 及L5/S1 水平小關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)顯示最完整、清晰的層面,然后在該層面對(duì)雙側(cè)腰椎小關(guān)節(jié)各組織結(jié)構(gòu)的感興趣區(qū)(regions of interest,ROI)進(jìn)行測(cè)量。ROI的選取范圍分別如下:關(guān)節(jié)軟骨為0.01~0.02 cm2、軟骨下松質(zhì)骨為1 cm2、軟骨下皮質(zhì)骨范圍為1 cm2、肌肉組織(多裂?。┓秶鸀? cm2、背景噪聲范圍為4 cm2和關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)各解剖結(jié)構(gòu)ROI的信號(hào)強(qiáng)度、背景噪聲標(biāo)準(zhǔn)差及相應(yīng)SNR值、CNR值的測(cè)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(yī)師獨(dú)立測(cè)量并計(jì)算,最終采用年資較高的影像醫(yī)師所得結(jié)果行后續(xù)分析。
圖1 男,25歲,L4/L5雙側(cè)腰椎小關(guān)節(jié)MRI圖各解剖結(jié)構(gòu)感興趣區(qū)勾畫。1A:(1)腰椎小關(guān)節(jié),(2)多裂肌,(3)背景噪聲;1B:1A圖腰椎小關(guān)節(jié)區(qū)域放大圖,(1)軟骨下皮質(zhì)骨,(2)軟骨下松質(zhì)骨,(3)關(guān)節(jié)間隙,(4)關(guān)節(jié)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.
采用SPSS 22.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)統(tǒng)計(jì)軟件行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)后,本研究圖像定性評(píng)估中的計(jì)量資料均為偏態(tài)分布,定量評(píng)估中的計(jì)量資料均為正態(tài)分布。以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示定性評(píng)估中的計(jì)量資料,用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示定量評(píng)估中的計(jì)量資料。采用FriedmanM檢驗(yàn)對(duì)3種掃描序列圖像質(zhì)量的定性評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行比較,采用Wilcoxon配對(duì)符號(hào)秩檢驗(yàn)進(jìn)行組間兩兩比較。采用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)定性評(píng)估結(jié)果中較好的兩種序列的定量指標(biāo)進(jìn)行分析。采用k分析評(píng)價(jià)定性評(píng)估中的觀察者間一致性,計(jì)算組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient, ICC)及95% 可 信 區(qū) 間(confidence interval,CI)評(píng)價(jià)2名醫(yī)師在定量評(píng)估中的測(cè)量者間一致性。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
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(fā)生。
5 項(xiàng)定性評(píng)估指標(biāo)中的觀察者間一致性強(qiáng)(見表2),2名影像科醫(yī)師計(jì)算腰椎小關(guān)節(jié)的軟骨SNR、軟骨—關(guān)節(jié)間隙CNR、軟骨—骨CNR、軟骨—骨髓CNR及軟骨—肌肉CNR的ICC(95%可信區(qū)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均<0.05)。結(jié)果說明這些評(píng)估指標(biāo)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(zhì)量的一致性評(píng)價(jià)(k±SE)Tab.2 Consistency evaluation of image quality between two observers in different scanning sequences(k±SE)
在腰椎小關(guān)節(jié)圖像的定性評(píng)估中,3D-WATSc 序列在5 項(xiàng)定性評(píng)估指標(biāo)中評(píng)分均最高,3D-T1-FFE 序列圖像質(zhì)量的定性評(píng)估評(píng)分結(jié)果僅次于3D-WATSc序列,但僅軟骨的信號(hào)均勻性指標(biāo)在3D-WATSc 序列及3D-T1-FFE 序列之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),余4項(xiàng)指標(biāo)在二者之間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均>0.05)。3D-PDWI-VISTA 序列的5 項(xiàng)定性評(píng)估指標(biāo)評(píng)分均最差,且與3D-WATSc 序列及3D-T1-FFE 序列相比,差異均有統(tǒng)計(jì)意義。詳見表3、圖2。
表3 不同掃描序列圖像質(zhì)量的定性評(píng)估結(jié)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(guān)節(jié)MRI 圖像。2A~2C:男,25 歲,雙側(cè)L4/L5 腰椎小關(guān)節(jié)MRI 圖像;2D~2F:女,26 歲,右側(cè)L5/S1 腰椎小關(guān)節(jié)MRI 圖像。2A、2D:3D-WATSc序列圖像,顯示關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)間隙清晰;2B、2E:3D-T1-FFE序列圖像,顯示關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)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(duì)比度較差,幾乎不能分辨關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)間隙,圖像質(zhì)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.
由于3D-PDWI-VISTA序列在腰椎小關(guān)節(jié)MRI圖像中難以清晰分辨腰椎小關(guān)節(jié)的各解剖結(jié)構(gòu),因此無法進(jìn)行圖像SNR及CNR的定量評(píng)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);在L4/L5、L5/S1層面腰椎小關(guān)節(jié)各解剖結(jié)構(gòu)的CNR測(cè)量中,3D-WATSc圖像的軟骨與關(guān)節(jié)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(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),詳見表4、表5。
表4 L4/L5層面腰椎小關(guān)節(jié)各組織間SNR和CNR結(jié)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(guān)節(jié)各組織間SNR和CNR結(jié)果(±s)Tab.4 SNR and CNR between tissues of L4/L5 lumbar facet joints(±s)
注:SNR:信噪比;CNR:對(duì)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)各組織間SNR和CNR結(jié)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(guān)節(jié)各組織間SNR和CNR結(jié)果(±s)Tab.5 SNR and CNR between tissues of L5/S1 lumbar facet joints(±s)
注:SNR:信噪比;CNR:對(duì)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(guān)節(jié)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
本研究通過對(duì)腰椎小關(guān)節(jié)軟骨行3種3.0 T MRI三維成像序列的形態(tài)學(xué)掃描,發(fā)現(xiàn)3D-WATSc在腰椎小關(guān)節(jié)軟骨中的成像效果優(yōu)于3D-T1-FFE及3D-PDWI-VISTA序列,可清晰顯示軟骨層及關(guān)節(jié)間隙。本研究為國內(nèi)首次在形態(tài)學(xué)成像上對(duì)人腰椎小關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行3.0 T MRI 三維掃描序列的對(duì)比分析,有助于臨床早期較準(zhǔn)確地評(píng)估腰椎小關(guān)節(jié)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(xiàng)定性指標(biāo)評(píng)分及各組織結(jié)構(gòu)的軟骨SNR、CNR 均最高,整體質(zhì)量評(píng)價(jià)最好,能較清晰地顯示腰椎小關(guān)節(jié)的各細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)。分析原因,3D-WATSc序列具有短重復(fù)時(shí)間(repetition time,TR)、短回波時(shí)間(echo time,TE)的特點(diǎn)[16],使得軟骨下骨和關(guān)節(jié)液均為低信號(hào),關(guān)節(jié)軟骨呈高信號(hào),因此能準(zhǔn)確地分辨出關(guān)節(jié)軟骨。本研究采用1.5 mm 層厚和連續(xù)、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(yīng),也提高了對(duì)軟骨的分辨能力。劉仁偉等[12]在膝關(guān)節(jié)的研究中發(fā)現(xiàn),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(yōu)點(diǎn),與本研究中3D-WATSc 對(duì)小關(guān)節(jié)軟骨的成像效果較為一致。王立振等[16]以關(guān)節(jié)鏡的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為對(duì)照,證明了3D-WATSc 序列對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨退變的分級(jí)結(jié)果具有較高的診斷效能,可以較準(zhǔn)確地評(píng)估膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨損傷。但在本研究中,由于腰椎小關(guān)節(jié)缺乏關(guān)節(jié)鏡作為其形態(tài)學(xué)評(píng)估金標(biāo)準(zhǔn),因此3D-WATSc 序列對(duì)腰椎小關(guān)節(jié)退變的診斷效能尚未得到驗(yàn)證。
3D-T1-FFE序列在腰椎小關(guān)節(jié)軟骨圖像質(zhì)量的定性評(píng)估和軟骨SNR、CNR 評(píng)估中僅次于3D-WATSc 序列。分析原因,3D-T1-FFE具有產(chǎn)生高空間分辨率圖像數(shù)據(jù)集的優(yōu)點(diǎn)[27],該圖像數(shù)據(jù)集由各向同性體素組成,部分容積效應(yīng)導(dǎo)致的偽影較少,因此能精確檢測(cè)軟骨厚度及范圍。與3D-WATSc序列對(duì)磁場(chǎng)變化不敏感相比[12],3D-T1-FFE存在磁敏感偽影較明顯的缺點(diǎn)[28],因此較難準(zhǔn)確地評(píng)估鄰近軟骨下骨的松質(zhì)骨病變,導(dǎo)致成像效果不如3D-WATSc序列。3D-T1-FFE這一缺點(diǎn)也在一定程度上限制了其在軟骨成像中的廣泛應(yīng)用。Kim等[29]的研究表明,在軟骨—液體的對(duì)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(jié)果類似。Bapst等[13]研究表明,3D-VISTA序列與其他三維序列相比,關(guān)節(jié)軟骨的SNR較高,但軟骨與滑膜液間的對(duì)比度較低。也有研究表明3D VISTA 成像技術(shù)在評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨損傷以及膝關(guān)節(jié)其他結(jié)構(gòu)(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(guān)膝關(guān)節(jié)的研究結(jié)果不同,本研究3D-PDWI-VISTA的圖像質(zhì)量定性評(píng)估在三種掃描序列中評(píng)分最差,圖像細(xì)節(jié)模糊,幾乎不能分辨腰椎小關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨層及關(guān)節(jié)間隙,使其在腰椎小關(guān)節(jié)成像中的臨床應(yīng)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(guān)節(jié)軟骨敏感序列進(jìn)行對(duì)比分析,后續(xù)將繼續(xù)探索其他優(yōu)勢(shì)序列在腰椎小關(guān)節(jié)軟骨中的成像質(zhì)量,并針對(duì)掃描和后處理技術(shù)的優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化及可重復(fù)性評(píng)估等方面開展深入研究。第二,本研究樣本量較少,下一步應(yīng)擴(kuò)大樣本量及研究范圍,對(duì)優(yōu)勢(shì)序列的應(yīng)用價(jià)值行進(jìn)一步驗(yàn)證。
綜上所述,3D-WATSc 序列能清晰地呈現(xiàn)腰椎小關(guān)節(jié)的軟骨層及關(guān)節(jié)間隙,可作為腰椎小關(guān)節(jié)軟骨成像的相對(duì)優(yōu)勢(shì)序列,為臨床早期準(zhǔn)確地評(píng)估腰椎小關(guān)節(jié)退變提供有價(jià)值的參考。
作者利益沖突聲明:全體作者均聲明無利益沖突。