李春霖，秦詩(shī)逸，甄志銘，陳家飛

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，重慶400038；2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院血管外科，重慶400038)

隨著我國(guó)社會(huì)的老齡化，骨關(guān)節(jié)疾病的發(fā)病率逐年增高，而膝關(guān)節(jié)退行性骨性關(guān)節(jié)炎是最常見的骨關(guān)節(jié)疾病，嚴(yán)重者可能導(dǎo)致患者喪失獨(dú)立生活能力,給社會(huì)及家庭帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。影像學(xué)檢查是膝關(guān)節(jié)疾病的常規(guī)檢查手段，其中MRI具有良好的軟組織對(duì)比度，能早期、無創(chuàng)地檢測(cè)膝關(guān)節(jié)疾病[1-3]。近十年來，高場(chǎng)強(qiáng)(3.0T)MRI已經(jīng)在各大三甲醫(yī)院普及，其與傳統(tǒng)永磁型低場(chǎng)強(qiáng)MRI相比有著高信噪比(signal to noise ratio，SNR)、高空間分辨率的特點(diǎn)，然而在軟骨、肌肉及周圍神經(jīng)等精細(xì)結(jié)構(gòu)的顯示上還不盡人意。臨床科研型雙模超高場(chǎng)強(qiáng)磁共振(ultra-high field，UHF，7.0T及以上)系統(tǒng)近年來開始用于探索肌肉骨骼系統(tǒng)。從理論上講，與3.0T系統(tǒng)相比，其SNR提高了2.1倍，因而可以提供更高的分辨率，更好地顯示病變，并可以在較短的掃描時(shí)間內(nèi)得到更高質(zhì)量的圖像。但由于場(chǎng)強(qiáng)的增高導(dǎo)致共振頻率變高，自旋加快導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影和化學(xué)位移偽影增加，SNR的改變與場(chǎng)強(qiáng)并不完全成正比。因此，相同序列、相同掃描時(shí)間下7.0T MRI與3.0T MRI的圖像質(zhì)量對(duì)比研究具有重要意義。本研究在3.0T MRI系統(tǒng)和7.0T MRI系統(tǒng)中分別采集了3D-DESS序列(3D序列)和PDWI序列(2D序列)膝關(guān)節(jié)圖像，通過計(jì)算軟骨、肌肉、周圍神經(jīng)等精細(xì)結(jié)構(gòu)的SNR、對(duì)比信噪比(contrast to noise ratio，CNR)，以分析兩種序列在不同場(chǎng)強(qiáng)下圖像質(zhì)量的差異性。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

招募受試者共16例，其中男5例，女11例；年齡18～65歲，平均(21.5±3.4)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：常規(guī)膝關(guān)節(jié)MRI掃描無異常，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能正常，無任何膝關(guān)節(jié)疾病治療史，圖像無偽影。排除標(biāo)準(zhǔn)：有膝關(guān)節(jié)外傷史；有MRI檢查禁忌證。 本研究通過了陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)審批[(A)KY2021016]。

1.2 檢查方法

使用3.0T MRI (西門子 MAGNETOM Spectra，德國(guó))和7.0T MRI(西門子MAGNETOM Terra，德國(guó))及配套的膝關(guān)節(jié)專用線圈。掃描前先使用西門子圓柱形塑料瓶體模進(jìn)行初始體模掃描以確保掃描的準(zhǔn)確性，每位受試者均在同一天內(nèi)完成7.0T MRI和3.0T MRI 的膝關(guān)節(jié)掃描，將髕骨下緣置于線圈中心，用沙袋固定膝部，保證2次定位的一致性。兩臺(tái)儀器采用相同的序列和相同的時(shí)間進(jìn)行掃描，掃描參數(shù)見表1。

表1 3.0T MRI和7.0T MRI掃描參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

在同一臺(tái)西門子后處理工作站snygovia上處理所有受試者的膝關(guān)節(jié)圖像，對(duì)每例受試者在7.0T MRI和 3.0T MRI中采集的圖像計(jì)算感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的SNR和CNR，并請(qǐng)2位擁有10年診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科肌肉骨骼診斷醫(yī)師對(duì)圖像進(jìn)行定性評(píng)估。

1.3.1 SNR的計(jì)算 定義解剖區(qū)域內(nèi)的SNR=SI組織/SD背景，其中SI組織為組織內(nèi)ROI信號(hào)強(qiáng)度的平均值，SD背景為背景信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差[4]。運(yùn)用雙區(qū)域法采集圖像的信號(hào)強(qiáng)度[5]。該方法是來自單個(gè)圖像的兩個(gè)獨(dú)立ROI的信號(hào)統(tǒng)計(jì)：一個(gè)是所測(cè)量的組織作為ROI以確定該組織的信號(hào)強(qiáng)度，另一個(gè)來自圖像背景以確定噪聲強(qiáng)度。通過計(jì)算獲得膝關(guān)節(jié)內(nèi)骨骼、軟骨以及韌帶的SNR[4，6-7]。

1.3.2 CNR的計(jì)算 定義配對(duì)解剖區(qū)域的CNR=(SI組織1-SI組織2)/SD背景，其中SI組織1為被測(cè)組織的信號(hào)強(qiáng)度，SI組織2為被測(cè)組織周圍正常組織的信號(hào)強(qiáng)度，SD背景為背景信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差[4]。

1.3.3 解剖結(jié)構(gòu)可視化評(píng)估 解剖結(jié)構(gòu)可視化評(píng)估是基于對(duì)膝關(guān)節(jié)正常解剖結(jié)構(gòu)的可視化和整體圖像質(zhì)量的獨(dú)立、主觀評(píng)估進(jìn)行的。評(píng)估由2位擁有10年診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科肌肉骨骼診斷醫(yī)師進(jìn)行。在進(jìn)行圖像主觀評(píng)估期間環(huán)境光照強(qiáng)度保持在50 lux以下，并在圖像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)顯示器上進(jìn)行圖像顯示。在每個(gè)圖像評(píng)估期間，2位醫(yī)師并不知道掃描序列以及掃描參數(shù)[8]。使用李斯特量表根據(jù)外觀對(duì)骨骼、肌肉、軟骨、韌帶和神經(jīng)進(jìn)行評(píng)級(jí)：1=解剖結(jié)構(gòu)不可見(差)；2=解剖結(jié)構(gòu)僅部分可見(低于平均水平)；3=解剖結(jié)構(gòu)完全可見，邊界明顯模糊(一般)；4=解剖結(jié)構(gòu)完全可見(良)； 5=出色的解剖結(jié)構(gòu)描繪(優(yōu))[4，7，9]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)7.0T MRI及3.0T MRI在3D-DESS和PDWI序列下不同組織的SNR、CNR比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)；7.0T MRI及3.0T MRI下不同組織的可視化評(píng)估用Wilcoxon符號(hào)秩和檢驗(yàn)。P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P<0.01為差異具有極顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 3.0T MRI和7.0T MRI 膝關(guān)節(jié)成像的SNR比較

在3D-DESS序列下，受試者3.0T MRI圖像和7.0T MRI圖像股骨、髕骨、脛骨SNR值比較，差異具有極顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；3.0T MRI圖像和7.0T MRI圖像軟骨SNR值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.012)，見表2。在PDWI序列下，受試者膝關(guān)節(jié)3.0T MRI圖像和7.0T MRI圖像中股骨、髕骨、軟骨、脛骨、肌肉、神經(jīng)SNR值比較，差異具有極顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；3.0T MRI圖像和7.0T MRI圖像韌帶及半月板SNR值比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.017)，見表3。

表2 3D-DESS序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的SNR

表3 PDWI序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的SNR

2.2 3.0T MRI和7.0T MRI膝關(guān)節(jié)成像的CNR比較

在3D-DESS序列下，受試者3.0T MRI和7.0T MRI圖像軟骨/股骨、軟骨/髕骨的CNR值比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；由于軟骨/脛骨的CNR差值不符合正態(tài)性，無法進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，見表4。在PDWI序列下，受試者7.0T MRI圖像髕骨/軟骨的CNR值高于3.0 T MRI圖像，差異有極顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；但7.0T MRI圖像與3.0T MRI圖像股骨/韌帶、脛骨/韌帶、肌肉/神經(jīng)的CNR值比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表5。

表4 3D-DESS序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的CNR

表5 PDWI序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的CNR

2.3 解剖結(jié)構(gòu)可視化評(píng)估

在3D-DESS序列下，受試者膝關(guān)節(jié)7.0T MRI的股骨、軟骨、脛骨圖像效果優(yōu)于3.0T MRI圖像，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；7.0T MRI的髕骨圖像效果與3.0T MRI的圖像效果比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表6。在PDWI序列下，受試者7.0T MRI的股骨、髕骨、脛骨、肌肉、韌帶及半月板圖像效果與3.0T MRI的圖像效果一樣；7.0T MRI的軟骨、神經(jīng)圖象效果與3.0T MRI比較，差異具有顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，見表7。

表6 3D-DESS序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的解剖結(jié)構(gòu)可視化評(píng)估結(jié)果

表7 PDWI序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的解剖結(jié)構(gòu)可視化評(píng)估結(jié)果

3 討論

膝關(guān)節(jié)精細(xì)結(jié)構(gòu)的顯示在臨床上具有一定難度。傳統(tǒng)的X射線成像雖具有較高的空間分辨率，但因其投射的二維性質(zhì)導(dǎo)致敏感性有限[10]。CT對(duì)膝關(guān)節(jié)疾病的評(píng)估是將橫截面成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與多平面重建結(jié)合，可高分辨率顯示骨小梁等結(jié)構(gòu)[11-12]，與普通X射線成像相比，CT可提供較好的膝關(guān)節(jié)影像評(píng)估效果，但其軟組織對(duì)比不佳，同時(shí)也有輻射。MRI是一種無創(chuàng)、無輻射的檢查方式，可發(fā)現(xiàn)早期骨關(guān)節(jié)病變，特別是X射線不易觀察到的改變[13]。MRI有較強(qiáng)的軟組織對(duì)比度，在膝關(guān)節(jié)半月板、韌帶、軟骨及周圍神經(jīng)等細(xì)小結(jié)構(gòu)的顯示方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，已普遍應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)疾病的檢查。

在MRI發(fā)展的早期，由于場(chǎng)強(qiáng)低，導(dǎo)致掃描時(shí)間長(zhǎng)，圖像的SNR和CNR均無法令人滿意[14-15]。為了提高圖像質(zhì)量，可以從以下幾方面著手：①提高場(chǎng)強(qiáng)，因信號(hào)強(qiáng)度與場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比 (S∝B02) ,噪聲強(qiáng)度與場(chǎng)強(qiáng)成正比 (N∝B0) ,所以SNR與場(chǎng)強(qiáng)成正比 (S/NB0) ,即S/N(7.0T) =2.1S/N (3.0T)，因此，7.0T MRI的SNR理論上是3.0T MRI的2.1倍[16]；②增加激勵(lì)次數(shù)；③增加層厚；④增加相位編碼步數(shù)[17]。3.0T MRI的圖像質(zhì)量相比早期的永磁型低場(chǎng)強(qiáng)MRI有了顯著改善，但在顯示軟骨、周圍神經(jīng)等更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)時(shí)依然不能達(dá)到理想的效果。近年來，臨床科研雙模型7.0T MRI開始初步應(yīng)用于臨床，可有效顯示精細(xì)結(jié)構(gòu)。

研究顯示，3D-DESS序列對(duì)軟骨具有極佳的三維顯示能力[18-19]，PDWI序列則能良好地顯示骨骼、肌肉、韌帶及周圍神經(jīng)[20]。本研究對(duì)7.0T MRI和3.0T MRI在3D-DESS序列和PDWI序列下采集的膝關(guān)節(jié)圖像質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析，計(jì)算兩種場(chǎng)強(qiáng)下圖像的SNR，結(jié)果顯示，PDWI序列下7.0T MRI所采集的膝關(guān)節(jié)各組織圖像質(zhì)量的SNR均高于3.0T MRI；在3D-DESS序列中，7.0T MRI采集的膝關(guān)節(jié)骨組織和軟組織的SNR優(yōu)于3.0T MRI，在7.0T MRI下高SNR可以提供更高的圖像分辨率，從而更好地顯示軟骨等結(jié)構(gòu)的細(xì)微形態(tài)變化。因此，相較于3.0T MRI，7.0T MRI能提供更優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量，有著更高的臨床價(jià)值。但由于7.0T MRI的采集體素相對(duì)更小，從而導(dǎo)致其CNR與3.0T MRI比較差異并不十分顯著。

本研究也有一定局限性。首先，本研究未納入患有關(guān)節(jié)疾病的患者，且入組樣本量相對(duì)較小，未來應(yīng)增加關(guān)節(jié)疾病患者，擴(kuò)大樣本量；其次，由于SNR和CNR的限制，3.0T MRI和7.0T MRI的采集時(shí)間不能做到完全相同。

綜上所述，在相同序列、相同掃描時(shí)間下，7.0T MRI的膝關(guān)節(jié)圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于3.0T MRI圖像質(zhì)量。