MR 3D-PD-SPACE序列在评估正常踝关节韧带肌腱中的应用价值

秦红卫，王娟，黄耀渠，赵晓梅，伍惠琼

广东省中医药大学附属佛山市中医院MR室，佛山 528000 )

踝关节损伤很常见，约占所有肌肉骨骼系统损伤的25%，是膝关节之后第二容易损伤的关节[1]，韧带损伤是最常见的运动性损伤，对其治疗不及时不恰当，常遗留疼痛、关节不稳、继而发生骨关节炎等，影响功能。

MR是评估韧带损伤、肌腱疾病和骨软骨损伤最理想的检查手段[2]，3DMR用于评估骨骼病变越来越广泛[3]。近几年有国内外文献对3D-T2-SPACE序列显示正常踝关节的解剖结构方面有过相关报道，但大多文献都采用脂肪抑制T2加权3D-T2-SAPCE-FS序列，而且主要是在软骨损伤、骨性关节炎方面的研究较多[4-5]，对没有脂肪抑制质子加权3D-PD-SPACEC序列在韧带、肌腱方面的应用研究很少，在我们的研究中发现不加脂肪抑制质子加权成像3D-PD-SPACE序例能更好的显示韧带和肌腱解剖结构，此序列对于观察踝韧带、肌腱解剖细节和较复杂的骨关节结构显示上很有优势。由于踝关节韧带、肌腱走行较复杂，2D扫描有一定的局限性，很难在一个平面上显示环绕在踝关节周围的韧带、肌腱起止端的连续走行，具有高空间分辨率各项同性的3D-PD-SPACE-ISO序列可进行多平面重建和曲面重建，可帮助临床更准确的评估韧带、肌腱和骨关节疾病。以下通过3D-PD-SPACE序列与常规2D-T2-TSE序列就信噪比、对比信噪比、图像质量(模糊、假象、均匀性)等几方面进行探讨。

1 材料与方法

1.1 研究对象

在Siemens Avanto 1.5 T MR机器上选取正常志愿者21例(男8例，女13例)，年龄21～40岁，平均年龄28岁。自愿者踝关节既往无外伤史。

1.2 扫描方法及后处理

使用Siemens Avanto 1.5 T高场MR成像仪，头颅线圈，志愿者采取仰卧位，足先进，脚踝自然放松体位。分别进行3D-PD-SPACE和2D-T2W1-FSE序列的扫描，扫描参数见表1。

首先进行2D-T2-TSE标准横断面、矢状面、冠状面扫描，为了测量各组织的准确性， 3D复制2D扫描位置参数，3D与2D序列的FOV、扫描范围、扫描角度完全一致，在本实验中采用的是矢状面扫描，然后进行层厚3 mm、层间距3.6 mm标准矢状面、冠状面、轴面重建和层厚1 mm、层距1.3 mm各方位重建和曲面重建。

表1 2D-T2WI-TSE与3D-PD-SPACE序列扫描参数Tab.1 Scanning parameters of 2D-T2WI-TSE and 3D-PD-SPACE sequence

1.3 图像评估及数据处理

测量感兴趣区的信号强度(每个组织测量三次然后取均值)。感兴趣区设定为圆形，软骨、韧带感兴趣区设定为2 mm2，关节液、肌腱5 mm2，骨髓、肌肉、脂肪和背景噪声的感兴趣区设定为8 mm2。分别计算韧带、关节液、软骨、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓信噪比(SNR)，以及关节液与软骨、关节液与韧带、关节液与脂肪、肌肉与肌腱的对比信噪比(CNR)。

由2名在骨肌方面研究5年以上影像医生对各解剖结构及各韧带显示质量进行以下几点评估：韧带纤维条索样结构以及起至点描绘和连续走行，模糊、假象、信号均一性。用利克特量表五分法来评估图像(1：差，不易观察韧带结构；2：较差，观察到韧带、肌腱结构的50%；3：中等，韧带、肌腱结构能显示60%～80%；4：较好，韧带、肌腱结构能显示100%，但较模糊；5：好，韧带、肌腱结构可100%清晰显示)。

1.4 统计学分析

采用Excel表格及SPSS17.0软件对数据进行录入和统计学分析。多组之间信噪比、对比信噪比比较采用重复测量方差分析，3D与2D的利克特量表图像评分比较采用配对t检验，P<0.05认为有统计学意义。

2 结果

2.1 3D-PD-SPACE与常规2D-T2W-TSE序列各组织的SNR

具体见表2。3D序列各组织信噪比明显高于2D序列，两者之间的差异具有统计学意义(P<0.01)，3D-SPACE序列的各组织间，对比信噪比(CNR)高于常规2D-T2W-TSE序列，两者之间的差异具有统计学意义(P<0.01，表3)。

2.2 图像质量分析结果

具体见表4。3D-SPACE各项同性扫描进行3 mm层厚各方位重建(横断面、矢状面、冠状面)，由于重建的部分容积效应可能导致踝关节韧带组织的空间分辨率降低，对韧带细节结构显示会有所下降。3D的3 mm重建与2D序列比较在显示韧带能力方面没有优势，但薄层1 mm重建包括斜面和曲面重建在显示韧带和肌腱方面有较明显优势，距腓前韧带、跟腓韧带 、内侧副韧带、足底韧带3D与2D之间的差异有统计学意义(P<0.05)，趾长伸肌腱、胟伸肌腱；腓长肌腱、腓短肌腱；趾长屈肌腱、胟长屈肌腱3D与2D比较薄层重建同样有统计学意义(P<0.05) (表5)。

2.3 多方位重建

对包绕在踝关节周围的外侧副韧带和内侧副韧带，2D序列无法在一个平面内显示其全部内容。3D-SPACE序列最大的优势是各项同性扫描(0.6 mm)可以对图像进行任意方位多平面重建(图1～3)和曲面重建(图4)，提供多方位的图像重建信息，薄层重建内外侧韧带在所有序列中均表现为条或带状低信号改变，由于韧带间脂肪信号的镶嵌，韧带在MRI上常表现为纤维条索样改变，可从韧带的形态、结构、走行、连续性能较直观的评估图像质量。

表2 3D与2D序列各组织的信噪比(±s)Tab.2 Tissue’s signal noise ratio (SNR) of 2D and 3D sequence (±s)

表2 3D与2D序列各组织的信噪比(±s)Tab.2 Tissue’s signal noise ratio (SNR) of 2D and 3D sequence (±s)

Tissue 3D-PD-SPACE 2D-T2-TSE 3 mm F value P value 1 mm 3 mm Ligament 9.37±4.08 11.65±3.27 3.32±1.93 26.239 <0.01 Liquid 114.87±35.74114.33±36.7542.38±9.46 36.164 <0.01 Bone 59.232±2.63 63.63±31.7538.62±9.81 7.104 <0.01 Fat 80.20±32.15 77.61±27.5440.38±8.19 14.894 <0.01 Cartilage 12.30±5.08 14.00±6.26 1.80±0.92 33.367 <0.01 Tendon 6.54±2.22 7.67±3.21 1.73±0.56 35.429 <0.01 Muscle 26.57±7.55 28.31±8.85 7.20±2.21 56.215 <0.01

3 讨论

3D-PD-SPACE序列提供了高空间分辨率任意平面重建的能力，能更直观观察复杂关节的解剖结构[6]，对评估韧带损伤，肌腱疾病和骨软骨损伤是较理想的检查方法。最近，3D自旋回波序列已被用于评估颅脑结构，脊柱、骨盆及四肢骨骼[7]，有关研究结果表明：一个优化的3D序列是具有各项同性高分辨率的容积扫描和适当长度的重复时间质子密度或T2加权FSE序列，通常二维TSE成像能够提供相当高的层面内分辨率，但层厚一般都在3 mm以上，再考虑到层间距层面方向的分辨率进一步的降低，体素的这种几何形状在一定程度上使其层面内高分辨率丧失了意义。细小的病灶极有可能由于部分容积效应而被掩藏起来。3D-SPACE序列采用可变翻转角的超长回波链采集。可变翻转角随着回波链的变化而变化，优化的可变翻转角模式可以克服T2衰减效应，减小长回波链带来的模糊效应。而且由于回聚脉冲多为小角度，SAR也显著降低，所以即便是3.0 T系统上SPACE的回波链长度也可以轻松达到几百以上[8]。SPACE的扫描一般提供各项同性的分辨率，不仅减轻了部分容积效应，而且支持任意平面重建，实际上提高了成像效率。另外三维激发的信号区域一般较大，信号强度极高，其信噪比足以支持高维度的高分辨率成像。而二维中由于受相位编码的限制，是不可能实现的。而且三维成像为并行采集和K空间重排提供更大自由度，具备更高的加速潜力，这都是二维成像的局限所在。

图1 A：示三个角度观察距腓韧带在矢状面定位线；B：3D扫描垂直胫骨A方位重建，距腓前韧带显示不清，距腓后韧带模糊；C：3D扫描足指方向旋转20°～30°B方位重建能较好显示距腓前韧带；D：向足跟方向旋转20°～30°C方位重建，能较好显示跟腓韧带 图2 A：3D-PDSPACES矢状面扫描后1 mm重建，足底韧带显示清晰；B：3 mm重建容积效应，足底韧带显示模糊；C：2D-T2-FSE序列层厚3 mm扫描，图像分辨率不足 图3 A：胫腓前韧带斜冠状面的薄层重建；B：黑箭示胫腓后韧带，白箭示距腓后韧带薄层重建；C：白箭示内侧副韧带的胫距韧带，黑箭示距跟韧带；D：箭示斜冠状面内侧胫舟韧带。1 mm薄层重建可观察多条韧带之间脂肪镶嵌条索样信号改变 图4 A：矢状面黑箭示腓长肌腱，白箭示腓短肌腱；B：斜矢状面，黑箭示腓长肌腱，白箭示腓短肌腱从腓骨外侧延伸到第一趾骨；C：在矢状面曲面重建的腓长肌腱，腓骨外侧腓长肌延伸到足底骰骨到第一趾骨；D：为胟长屈肌腱的足底重建面。3D多平面重建和曲面重建可观察肌腱的连续走行，脂肪与肌腱信号有较好的对比Fig.1 A: Positioning line of three angles for showing ligament of talocrural joint on sagittal image.B: 3D reconstructed imaging vertical to tibia shows anterior talofibular ligament and posterior talofibular ligament are indefinite.C: 3D reconstructed imaging rotating 20°—30° by footplate consecutively shows anterior talofibular ligament.D: 3D reconstructed imaging rotating 20°—30° by heel clearly shows calcaneofibular ligament. Fig.2 A: Sagittal 3D-PD-SPACE imaging reconstructed at an interval of 1 mm clearly shows ligaments of footplate with high resolution.B: Sagittal 3D-PD-SPACE imaging reconstructed at an interval of 3 mm shows ligaments of footplate with low resolution.C: Sagittal 2D-T2-FSE imaging (slice thickness 3 mm,)shows ligaments of footplate on only one indefinite image. Fig.3 A: Oblique coronal reconstructed imaging of anterior tibiofibular ligament.B: posterior tibiofibular ligament (black arrow), posterior talofibular ligament (white arrow).C: Tibiotalar ligament (white arrow), Tibiocalcaneal ligament (black arrow).D: Coronal imaging of tibionaviculare ligament reconstructed at an interval of 1 mm shows band-like signal of fat in ligament (arrow). Fig.4 A: Sagittal imaging shows long peroneal muscle tendon (black arrow) and peroneus brevis tendon (white arrow).B: Oblique sagittal imaging shows long peroneal muscle tendon (black arrow) and peroneus brevis tendon (white arrow) extending from fibula to ossa suffraginis.C: Sagittal curved reconstruction imaging shows long peroneal muscle tendon extending to cuboid and ossa suffraginis.D: Reconstruction imaging of flexor pollicis longus muscle tendon.Threedimensional multiplanar and curved reconstruction imaging clearly shows continuous running of tendon against the hyperintensity of peripheric fatty tissue.

3D-SPACE序列的采集时间与图像质量是互相制约的，如何最合理的选择扫描方案是MRI面临最重要的问题，添加并行采集技术是平衡时间与质量矛盾的可靠途径。加并行采集可以缩短扫描时间但同时也会降低图像质量[9-10]，但由于笛卡子采样技术中自动校准的重建特性[11]，有效的降低了对图像质量的影响，因此采用并行采集技术后虽然SNR有所下降，但本研究结果表明，在加速因子(acceleratione factor)选为3时，3D-SPACE序列的图像仍较2D-FSE有更高的SNR和图像质量，足以满足临床诊断的需要。3D-PD-SPACE序列的扫描时间较2D三次采集时间总和短，具有较高的检查效率。但是3D-PD-SPACE序列的单次扫描时间较长(7:58)，对于疼痛难以坚持、幽闭恐惧症和小儿不配合的病人可能难以完成扫描。此时还可以根据病人情况适当降低采集次数，比如选择N=1-1.5，仍能保证较满意的图像质量。3D-PD-SPACE采用的是半傅立叶高分辨率各项同性扫描方法，从图像质量(模糊、假象、均匀)评估，3D扫描用3 mm重建的图像质量与2D-T2-TSE图像相似，1 mm重建图像比3D-SPACE各项同性0.6 mm图像的模糊度有少量增加，很可能是由于层厚增加所致，但从图像的整体质量来看并没有降低。

表3 3D与2D序列各组织之间的对比信噪比(±s)Tab.3 Tissue’s contrast noise ratio (CNR) of 2D and 3D sequence (±s)

表3 3D与2D序列各组织之间的对比信噪比(±s)Tab.3 Tissue’s contrast noise ratio (CNR) of 2D and 3D sequence (±s)

Tissue 3D-PD-SPACE 2D-TSE 3 mm F value P value 1 mm 3 mm Liquid-cartilage 102.57±31.76 100.32±31.49 40.58±9.25 34.852 <0.01 Liquid-fat 34.67±13.58 36.72±14.53 2.00±3.07 49.631 <0.01 Liquid-ligament 100.20±29.51 103.90±39.50 40.12±9.38 24.661 <0.01 Fat-marrow 20.98±16.72 13.98±8.39 1.76±3.02 11.482 <0.01 Tendon-muscle 20.03±6.78 20.64±7.83 5.48±1.83 37.76 <0.01

表4 3D与2D 韧带解剖结构的图像质量分析(±s)Tab.4 Image quality analysis of ligament between 2D and 3D sequence (±s)

表4 3D与2D 韧带解剖结构的图像质量分析(±s)Tab.4 Image quality analysis of ligament between 2D and 3D sequence (±s)

Note: 5-point likert scale(5=best ,1=worst).

Ligament 3D-PD-SPACE 2D-T2-TSE t value P value Lateral collateral ligament Anterior talofibular ligament 5.0±0.0 4.6±0.5 2.447 <0.05 Calcaneofibular ligament 4.6±0.5 3.9±0.7 4.583 <0.01 Posterior talofibular ligament 4.6±0.5 4.6±0.5 0.000 ＞0.05 Medial collateral ligament Ligamentum tibionaviculare 4.3±0.6 3.8±0.63 3.000 <0.05 Tibiocalcaneal ligament 4.7±0.5 4.2±0.8 3.000 <0.05 Tibiotalar ligament 4.7±0.5 4.1±0.7 2.714 <0.05 Plantar calcaneonavicular ligament Transverse calcaneonavicular ligament 4.6±0.5 4.5±0.7 0.429 ＞0.05 Longitudinal calcaneonavicular ligament 4.5±0.5 3.9±0.7 2.714 <0.05

表5 3D与2D肌腱解剖结构的图像质量分析(±s)Tab.5 Image quality analysis of tendon between 2D and 3D sequence (±s)

表5 3D与2D肌腱解剖结构的图像质量分析(±s)Tab.5 Image quality analysis of tendon between 2D and 3D sequence (±s)

Note: 5-point likert scale(5=best ,1=worst).

肌腱(tendon) 3D-PD-SPACE 2D-T2-FSE t value P value Flexor tendon Anterior tibial tendon 5.0±0.0 5.0±0.0 0.000 ＞0.05 Extensor digitorum longus tendon 4.6±0.5 4.1±0.7 3.000 <0.05 Extensor pollicis longus 4.6±0.5 4.1±0.7 2.449 <0.05 Peroneal tendon Peroneus longus tendon 5.0±0.0 4.2±0.8 3.207 <0.05 Peroneus brevis tendon 5.0±0.0 4.6±0.5 2.449 <0.05 Tibial tendon Posterior tibial tendon 5.0±0.0 5.0±0.0 0.000 ＞0.05 Flexor digitorum longus tendon 4.6±0.5 3.9±0.6 3.280 <0.05 Flexor pollicis longus 4.3±0.7 3.9±0.7 1.809 ＞0.05 Extensor tendon Achilles tendon 5.0±0.0 5.0±0.0 0.000 ＞0.05

踝关节韧带较多，分布在踝的周围，不同的韧带、肌腱由于走行不同，其最佳的观察方向、角度也不同。在2D序列中由于层厚和角度的缘故使得在观察韧带细节上分辨率不足，往往在一个层面上不能显示韧带和肌腱的起始走行。3D各项同性采集方法能进行任意方位的重建和曲面重建，直观、完整的观察不规则的韧带和包绕在踝关节周围的肌腱，使3D-SPACE在韧带和肌腱评估方面与2D相比变得更有优势。比如：在矢状面上垂直胫骨作为基准线，向足指方向旋转20º～30º可较好观察距腓前韧带，向足跟方向旋转20º～30º可观察跟腓韧带，腓长肌腱在矢状面上从腓骨外侧腓长肌延伸到足底骰骨到第一趾骨，肌腱的连续走行在曲面重建上可一目了然，这在2D上是不可能做到的。又比如内侧副韧带复合体的各韧带分浅深两层并呈扇形走行，难以通过一个方位的扫描同时清晰显示各韧带，因此以往对这些韧带的描述较为含糊不确定，SPACE三维各项同性扫描及三维重建[12]，选择合适的扫描参数和薄层重建角度能在同一层面上完整展现内侧副韧带复合体各组成韧带的形态、连续性等，使临床能更为细致、可靠的评估内侧复合韧带情况。

有些资料研究得出脂肪抑制的T2-PD-SPACEFS序列0.6 mm的薄层扫描能更好的显示踝关节软骨[13]，从而能更为敏感的发现踝关节软骨的微小病变。常规2D扫描由于采用了较厚的扫描层厚，软骨面特别是曲面边缘的软骨面容易受到部分容积效应的影响而遗漏较小的病变。3D序列的薄层厚和多平面重建互相佐证可以最大限度减少部分容积效应的影响，提高了敏感性和准确性。

综上所述， 3D-PD-SPACE序例较常规2D-TSE能更好的显示踝关节解剖结构，对于观察韧带、肌腱解剖细节和较复杂的骨关节结构上很有优势，其多平面重建和曲面重建等特点能更好地满足临床需要。

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