3TMRI关节软骨成像序列的比较和探讨

蒋胜洪 龚美林 吕英茹 陈 爽 钱建国 李 克 冯晓源

3T磁共振成像已广泛应用于软骨病变的诊断和疗效评价,3T MRI关节软骨成像序列众多,目前已从传统的二维、三维形态成像向功能生理成像转变,如何选择性价比理想的序列组合是关键,本研究拟通过临床上具有代表性的3T MRI成像序列之间的比较,探讨理想的3TMRI关节软骨成像序列组合。

方 法

1.临床资料

收集因不同临床需要而检查的36例单侧膝关节MRI患者,病因包括外伤,骨性关节炎等,36例膝关节MRI患者中男19例,女 17例,年龄8～78岁,平均年龄39岁。

2.检查方法

2.1M R设备:采用SIEMENS3.0T VERIO高场超导MRI,8通道关节表面线圈。SIEMENS VB17分析软件和工作站。

2.2M R扫描序列:包括自旋回波序列(SE),二维脂肪抑制质子密度加权像(FS-PD),二维短T1翻转恢复序列 (2D-ST IR),三维双重回波稳态 (3DDESS),三维平衡稳态序列(3D-True FISP)和关节软骨生理成像T 2m apping(具体成像参数见表1)。

2.3分析方法:利用PACS 终端显示的扫描定位线,选取各序列上膝关节髁间凹中央层面,设定3mm×3mm区域为感兴趣区(FOV),分别测量股骨远端软骨和背景噪声信号强度(signalintensity,SI)。计算以下参数:①软骨信噪比(signal-noise ratio,SNR);②软骨-关节液对比度噪声比(contrastnoise ratio,CNR)。公式如下:SNR=SI/SD,CNR=SI-SIT/SD(SI为软骨组织SI;SIT为其他各组织SI;SD为背景噪声标准差)。

3.统计学分析

采用EXCEL 2003和SPSS 13.0软件进行数据录入和统计分析。采用随机区组设计的方差分析进行SNR和不同CNR的整体比较;不同序列参数值采用Turkey法进行两两比较。P＜0.05即被认为具显著性差异。

结 果

1.不同MR序列关节软骨表现

在T1W序列上关节软骨表现为均匀中等信号带,与骨质间有低信号带相隔;在二维脂肪抑制质子密度加权像 (FS-PD),二维短T1翻转恢复序列(2D-STIR),三维双重回波稳态(3D-DESS),三维平衡稳态序列(3D-True FISP)上关节软骨表现为中等-高信号,周围关节液体表现为高信号,软骨的显示以3D-DESS和3D-True FISP为佳,但软骨-关节液边界对比以3D-DESS序列最好,见表2。在矢状面T2mapping原始图像及后处理图像上,正常关节软骨为蓝色,退变或损伤的软骨因含水量的改变而表现为红色,周围关节液体表现为红 色(图1～6)。

表1 各关节MR成像序列参数比较

表2 各MRI序列关节软骨的 SNR、CNR值

图1 二维脂肪抑制质子密度加权像(FS-PD)。关节软骨与股骨髁软骨周围液体显示清晰,但高信号液体下缘的股骨髁软骨被掩盖。图2 二维短T1翻转恢复序列。脂肪背景抑制明显,软骨/积液对比好,但软骨分辨差,较薄,同时高信号液体下缘的股骨髁软骨也被掩盖。

图3 三维双重回波稳态序列。软骨与股骨髁软骨/积液对比均显示清晰,特别是高信号液体与其下缘的股骨髁软骨分界清楚,股骨髁软骨与其周围液体之间没有互相被干扰。图4三维平衡稳态序列。软骨与股骨髁软骨/积液的显示与 3D–DESS相似,但股骨髁软骨与其周围液体的分界没有3D–DESS锐利,而且易产生伪影。

图5 T2mapping原始图像。关节内股骨髁液体表现为红色。图6 T 2m apping重建图像关节内股骨髁液体表现为红色,股骨髁信号不均匀,提示有关节软骨退变及软骨含水量有变化,蓝色代表完好没有退变的软骨。

2.不同MRI序列关节软骨的SNR、CNR值

D-DESS,3D-T rue FISP 和FS-PD 序列软骨SNR最高,与2D-ST IR和SET 1W相比有明显差异(P＜0.001),D-DESS,3D-True FISP和FS-PD之间SNR无差异 (P＞ 0.05);同时3D-DESS,3D-True FISP和FS-PD序列软骨-关节液对比度噪声比(CNR)高于2D-ST IR和SET 1W(P＜0.001)。3D-True FISP和FS-PD序列之间软骨-关节液对比度噪声比(CNR)无差异(P＞0.05),见表2。

讨 论

1.3TMRI关节软骨成像序列之间的比较

关节软骨成像一直备受研究者的关注,它的成像与临床诊断及治疗紧密相关,关节软骨成像序列种类繁多,主要分二维和三维两大类,各有优势和缺点。由于关节软骨复杂的表面形态和广泛的被覆区域,因此M R三维成像更适合进行软骨成像。其优势体现在:①可按任意方向进行数据重建,实现一次扫描任意层面重建;②在层面内和切层间保持同样的分辨率,获得小于1mm层厚的图像,从理论上讲,三维成像没有层厚和层间距的限制;③直观显示软骨形态和厚度变化。M R三维成像可进行关节软骨容积分析,对精确评价软骨病变有较大帮助。其软骨SNR和CNR也显著高于其他二维序列。三维成像的最大缺陷是耗时,不适于高龄和关节疼痛的患者。

1.1自旋回波序列(SE):T1W I和T2W I是应用最普遍的脉冲序列。T 1W I具有良好的解剖结构显示能力,关节软骨与软骨下骨质在T1W I上可形成较好的信号对比,但软骨与关节液体间对比显示不佳,对软骨缺损的显示亦不敏感。文献报道T 1W I对病变的检出率为70%。T 2W I上软骨呈低信号,在呈高信号的关节液的对比下可出现类似造影的效果;当有关节液渗出时对软骨表层缺损的病变显示较好,但过低的信噪比无法得到足够高的空间分辨力。长回波时间选择性丢失软骨深层信号,使软骨与软骨下骨的交界变得模糊不清[1]。

1.2二维脂肪抑制质子密度加权像(FS-PD):长TR(1500～2500ms)短TE(15～30m s,60～80ms)。采集的回波信号幅度与主要质子密度有关,因而这种图像称为质子密度加权像,可极好地显示解剖细节,T 2W上具有长T 2弛豫时间的组织信号升高,脂肪信号被抑制,因此质子密度加权像有时常被用来代替脂肪抑制序列和T 2W,在肌骨系统应用广泛,可粗略地用于临床筛选,节约扫描时间,但在细节上还不能取代真正的脂肪抑制序列。

1.3二维短T 1翻转恢复序列 (short inversion recovery,2D-STIR):关节软骨在STIR成像上表现为中等信号,与高信号的滑液对比明显,能有效地显示关节软骨病变[2]。但在相同区域内因化学位移的干扰,高信号的滑液与关节软骨界限不清,这一序列在临床常规应用于骨髓内病变的显示。

1.4三维双重回波稳态(3D-double echo steady state,3D-DESS)序列:3D-DESS=FISP(平衡稳态序列)+PSIF,FISP相当于GE的GRASS,PSIF相当于GE的SSFP序列。PSIF也就是FISP的在时间上的翻转序列,也就是采集刺激回波。3D-DESS通过在稳态中两次回波的联合作用提高了关节软骨的显示分辨率,关节软骨在此序列中表现为中等密度的信号,与滑液间有良好的对比度。3D-DESS序列对关节软骨表面病损敏感性较高,研究表明其对软骨表面病损的诊断率与3D-SPGR序列无显著差异。与3D-T rue FISP序列相比,突出了T 2效应,因此能清晰区分关节软骨与周围积液[3]。

1.5三维平衡稳态序列(3D-T rue FISP):3DTrue FISP是个真正的平衡稳态序列,相当于GE的FIESTA。true FISP加上水激发技术,可以很好地显示关节软骨,提供了稳态序列中最高的信噪比,与3D–DESS序列相比,更加突出了关节软骨信号[4],但由于两次回波信号同时激发,易产生MRI伪影。

1.6T 2mapping:软骨T 2图成像采用多回波自旋回波序列,本研究采用 TR1680m s,TE 13.8m s、27.6m s、41.4m s、55.2ms、69m s五回波,对采集数据进行非线型计算和伪彩编码,是软骨T2值的空间分布图。T 2值受关节软骨的水含量和胶原纤维方向的影响。曾有研究表明,关节软骨中水分的增加是软骨退变的一个早期表现,由于胶原纤维破坏和胶原成分改变及排列方式改变,导致了软骨组织中水分的增加,进而T 2值延长[5]。Dunn等[6]对比研究正常人和轻重度骨性关节炎病人膝关节软骨的T2值后发现,软骨的T 2值随骨性关节炎的严重程度而升高。当关节软骨受压时,它对水的挤压和胶原纤维的变形敏感,Mosher等[7]研究了正常人运动前后膝关节软骨T 2值,发现关节表面的T 2值较高,且运动后该层T 2值下降明显,这与胶原纤维各向异性增加有关。因此,软骨的T2值是组织中水和胶原成分的一个功能指标,测量T 2值空间分布可以揭示水异常区和胶原纤维方向的改变。T2图能显示关节软骨生化成分的变化,能提供客观、定量指标去监测疾病进展并能潜在地指导治疗[8,9]。

2.3TMRI关节软骨成像序列的理想组合

通过本组病例的不同MR序列比较,在显示关节软骨形态上,我们认为二维脂肪抑制质子密度加权像(FS-PD)加上三维双重回波稳态(3D-DESS)是理想组合,辅以SET 1W,可以满足临床需要,性价比较高,成像时间10min左右,兼顾软骨和关节内结构、软骨下骨质的成像要求,同时软骨SNR和组织间CNR较高,图像质量高,减少漏诊可能。若进一步要反映关节软骨的生化及功能信息,T2mapping是很好的选择,反映关节软骨生化成分,特别是含水量的变化,有利于临床诊断、治疗和随访,评价治疗效果。虽然目前关节软骨的生理成像序列大都处于临床研究阶段,但随着MR设备和软件技术的发展,关节软骨MR生理成像技术将得到更大的发展和应用,成为骨关节影像研究的一个重点。