膝关节交叉韧带重建术后MRI的去金属伪影技术研究进展＊

张　南，钱学江

综述与讲座

膝关节交叉韧带重建术后MRI的去金属伪影技术研究进展＊

张南，钱学江＊

膝关节是人体最大最复杂的屈曲关节，其所承受的杠杆作用力是最强的。前交叉韧带是维持膝关节稳定的重要静力结构，因而在膝关节外伤中以前交叉韧带撕裂最常见。膝关节交叉韧带重建术是前交叉韧带撕裂最有效的手段，利用MRI可以对重建术后移植物的完整性及韧带化的形态学、组织学变化做出准确评估，但由于重建术后金属伪影的干扰，严重影响周围组织的成像质量。因此，为了提高重建术后图像的质量为临床做出准确评估，故综述前交叉韧带重建术后MR成像中去金属伪影技术的研究进展。

膝关节前交叉韧带重建术；金属伪影；磁共振成像

膝关节是人体关节中承受力最强的关节，它是维持膝关节稳定的主要静力结构之一，外伤后容易引起韧带损伤，主要表现为关节不稳。若处理不当则会造成半月板损伤及其软骨退变引起的关节绞索，甚至关节畸形，严重影响膝关节功能。随着关节镜技术在国内外的广泛开展，膝关节交叉韧带重建术以其创伤小、恢复快的特点已成为其主要治疗手段。韧带的牢固固定是重建术后成功与否的关键。金属界面螺钉因其较高的固定强度而被广泛应用。MRI是具有良好的软组织对比，多平面、多序列的扫描方式，可以显示移植物的完整性，能够及时清晰显示移植物撞击、关节纤维化、移植物的黏液样退变及固定螺钉的脱落等并发症，尤其是增强MRI可准确评估移植物正常韧带化过程中形态学及组织学变化，其在诊断ACL撕裂有很高的应用价值，已被临床医师广泛接受。但由于在重建过程中，固定物大多为金属螺钉 （最常用为钛合金）改变了MRI内磁场的均匀性，造成MRI图像变形或明显异常（高低混杂信号），因此，减少膝关节交叉韧带重建术MRI金属伪影，具有重要的意义。

1　 膝关节交叉韧带重建术后MRI成像及影响

1.1前交叉韧带重建术后常见并发症MRI表现（1）移植物完整性中断、撕裂。MRI在T2呈高信号及移植物的厚度增加是完全撕裂的可靠直接征象，多量关节积液及胫骨外侧骨挫伤是其可靠间接征象。（2）移植物部分撕裂。部分纤维素中断。（3）弥散或局限性纤维化。弥散性纤维化T1、T2均呈等-低信号；局限性纤维化T1等-低信号，T2-混杂信号;且位于移植物的前方，周围有信号环。（4）黏液样退变。位于移植物内长T1长T2，边界清楚。（5）螺钉脱落。脱落的螺钉位于髌下囊内。

1.2金属伪影的影响膝关节交叉韧带重建术后由于金属界面螺钉的固定，金属不同的磁化率在局部形成涡流，使扫描仪磁场的均匀性受到破坏和干扰而变得不平衡，使图像易发生几何变性和信号强度失真，形成所谓的金属伪影，其主要造成三个方面的影响［1］：（1）使膝关节图像质量下降，甚至无法分析；（2）掩盖了移植物本身，无法对移植物的完整性进行分析；（3）出现了假病灶，造成了移植物术后并发症的误诊。

1.3安全性探讨在20世纪90年代开始，随着MR应用的迅速普及，特别出现一些植入物如血管夹在磁共振检查的情况下发生安全性问题的报道后，对医疗植入物在磁共振环境下的安全性就引起了广泛关注［2］。对于医疗器械，特别是金属植入物在进行MRI检查时必须考虑两个问题：一是金属植入物在磁场作用下是否会发生移位，如果发生移位则会造成植入物松动甚至损伤邻近组织。当把有铁磁性植入物植入患者体内时，置于强磁场中的植入物将被磁化，产生磁矩。依据邻近磁体“同性相斥，异性相吸”的原理，则可能产生两类磁力伤害。即转矩力和吸引力，转矩力即扭力，它能把铁磁性植入物转到与主磁场平行的方向；吸引力即平移力，使植入物水平移动。二是金属植入物在磁场的作用下是否会产热，如果产热导致植入物温度明显升高则有可能损伤邻近组织。根据法氏定理，在交变的电磁场中，磁化率较强的磁性材料会因为磁滞作用和感应涡流消耗比较多的能量，即衰减射频能，并将这一部分能量转变为热能，使其发热，植入物升高的温度必须为人体所能接受的温度，不至于对患者引起灼伤［3］。

2　减少膝关节交叉韧带重建术后MRI金属伪影的措施

2.1移植物固定及固定方式的选择移植物的固定是膝关节交叉韧带重建中最重要，也是最薄弱的环节。其固定主要是根据移植物与骨连接部位的主要生物力学特性，强度和硬度。其固定方式主要分为直接固定和间接固定，其中直接固定包括界面螺钉、Intrafix内固定系统等，间接固定主要包括骨桥打结固定、Endobutton纽扣钢板、横穿钉等［4］，两者固定强度和临床结果都令人满意，无明显区别［5］。

金属界面螺钉主要为钛合金，因其较高的固定强度而被广泛应用，但其金属磁敏感性严重影响了MRI成像质量。高岚等［5］通过对钴铬合金、镍铬合金、低钛合金及纯钛合金4种金属在相同场强相同序列下伪影面积对比，发现纯钛合金伪影程度最小。

除了金属伪影之外，移植物螺纹也会损伤移植物本身，可吸收界面螺钉替代金属界面螺钉已成为一种趋势。可吸收界面螺钉行MRI检查无金属伪影干扰，但其完全吸收的时间尚不清楚［6］，但Bagheria等［7］的临床试验研究发现在取出金属移植物后的MR成像上仍有金属伪影的存在；通过对颅脑钻井后行MRI检查［8］，也发现钻井过程中遗留下的小金属片也存在金属伪影。可见，不管是金属界面螺钉还是可吸收界面螺钉，在膝关节交叉韧带重建过程中，骨隧道的建立及移植物的固定均可能有金属碎片的残留，行MRI检查就有可能存在金属伪影的干扰。因此，减少金属伪影就显得至关重要。除尽量使用纯钛合金的金属界面螺钉和可吸收的界面螺钉外，周密等［9］采用嵌压固定法对膝关节交叉韧带重建的移植物固定，其未使用固定物，后行MRI观察移植物-隧道的界面，发生骨-腱及骨-骨的连接，不仅显示了生物固定的优势，而又避开了金属内固定伪影的干扰。综上，合理的固定方式界面螺钉的选择可有效减少甚至避免膝关节交叉韧带重建术后MRI金属伪影的干扰。

2.2金属螺钉固定物在磁场中场强及方位的选择如今广泛使用的是1.5T和3.0T场强磁共振，尤其是3.0T磁共振在膝关节MRI扫描得到广泛认可，其显示膝关节组织结构更加清晰，而且信噪比高。但是，在膝关节交叉韧带重建术后由于金属固定物产生的附加磁场会随着主磁场场强的增大而增大，其对主磁场局部均匀性的影响也随之增大，结果使伪影的范围增大。因此，在行膝关节前交叉韧带重建术后的MRI随访，尽量选低场强（1.5T）。

磁敏感伪影的形态会随着金属螺钉方位与主磁场的角度而发生改变，当其长轴与主磁场夹角增大时，金属伪影的比例也增大；当长轴与主磁场方向一致时，伪影相对减小。Guermcni等［10］认为，金属体在MRI中伪影可通过寻找患者在磁场中最佳方位的方法来减小。因此，根据患者体内螺钉的位置来调节主磁场方向，使金属螺钉长轴与主磁场长轴尽可能一致，可以减少金属螺钉在MRI成像中的伪影。

2.3扫描参数的选择一般认为［11］，像素矩阵少的方向选为相位编码方向以减少扫描时间；组织运动度大的方向选为频率编码方向，以减少运动产生伪影。磁敏感伪影的产生是金属造成了周围磁场均匀性的破坏，一般表现为读出方向上的图像变形拉长，线样高信号。Walker等［12］的研究表明，频率编码梯度及选层梯度比相位编码梯度更易受到金属磁化率的影响，选择频率编码方向可控制伪影出现的方向。因此，若图像出现较明显金属伪影，通过变换相位，频率编码方向改变伪影的方向以利于诊断，同时有可能减少伪影。

在矩阵不变的情况下，扫描视野减少，有助于减少散射相关的信号丢失，从而减少伪影。FOV虽然对伪影的产生无直接影响，但改变FOV可间接影响其他参数对伪影的影响，一般来说，减少FOV可提高图像的分辨力，尽管信噪比下降，但可减轻金属伪影。

TE（回波时间）是影响图像质量的关键因素，减少回波时间可减少由金属伪影产生的各向同性，随着TE的延长，弥散效应表现越明显，伪影也越重。Walker分别在1.5T和3.0T磁场中，将回波时间由7.2 ms减少到3.5 ms，发现可以有效限制图像的变形，减少了金属伪影。

回波链中的第一个回波信号最强，随后依次减弱，这样强弱不等的回波信号填充在K空间中，经过傅里叶转换会发生定位上的错误，从而导致图像模糊失真。同理，由于金属造成的磁场不均匀，这种差异经过傅里叶转换发生定位上的错误，使图像模糊。减少回波间距可相对减轻伪影。

增加带宽是减少金属伪影的一种有效方式。但增加带宽的同时会使图像信噪比下降，伪影的扩散现象加重，这种现象会随着宽带增加而严重，因此，适当增加带宽在膝关节韧带重建术后行MRI扫描是可行的，但需要与常规扫描对比观察。

综上所述可知，通过扫描参数的选择，即选择频率编码方向、短TE、短ETL、小FOV、大带宽的扫描方式，对膝关节韧带重建术后行MRI扫可以减少金属伪影。

2.4序列的选择序列的选择是MRI的基本技术之一，不同的扫描序列对磁敏感伪影的影响不同。实验研究行T1-SE、T2-FSE、GRE序列扫描，SE序列产生的金属伪影面积和受累层面总是大于FSE序列，而GRE序列又总是大于SE序列，在常规膝关节前交叉韧带重建术后MRI扫描中，FSE序列有助于减少金属伪影的产生，在显示金属固定物成像的清晰度有明显的优势，因此，应尽量使用FSE而避免使用GRE序列。但由于GRE序列式目前MRI快速扫描序列中最为成熟的技术之一，且在膝关节韧带损伤中有较好的应用价值，基于这些优势，对于如何减少GRE序列中金属伪影面临着新的挑战。

2.5脂肪抑制序列STIR（短时翻转恢复序列）王传兵等［13］将钛合金模型在TSE-STIR、TSE-TS、GRE、DWI序列扫描，进行伪影面积大小的比较，结果TSE-STIR伪影面积最小。STIR脂肪抑制对磁场的均匀度要求较低，高低磁场均适用，其反转恢复抑制序列对脂肪信号的抑制是基于弛豫时间的长短而非化学位移，运用这种序列金属导致磁敏感伪影影响较小。

2.63D-SPACE磁共振成像技术3D-SPACE序列，是采用不同翻转角度的三维扰相自旋回波。可对感兴趣区进行任意多平面重组、曲面重建，对膝关节走行倾斜的韧带、肌腱可直接描绘并显示出它们的走行及起止点。Hopper等［14］通过比较在2DSE、3D-SPACE、VAT等的序列成像，发现 3DSPACE序列所产生的伪影最小。

2.7VAT （视角倾斜技术）VAT（view angle tilting）视角倾斜技术，其原理是在常规SE序列中，在频率编码梯度给出并读出回波信号，同时，通过额外添加一个层面选择梯度，这一补修梯度（Gz）的幅度与激励脉冲发射的层面选择梯度（Gx）幅度完全一致。此时的MR信号是在两个梯度的共同作用下，形成一个所谓的倾斜角，重建出的图像有明显减少由磁场不均引起的化学位移及金属伪影的作用。基于其可减少层面金属伪影的原理，分别对膝关节钛金属螺钉固定和髋关节假体模型进行SEPT-VAT、并与常规2D-VAT序列对比，结果SEPT-VAT序列在合理的扫描时间范围内能明显控制图像失真［15］。随着VAT技术的成熟，将其与其他技术联合运用。Hopper等将VAT与常规SE序列结合，发现可显著减少层面内金属伪影，可使层面内伪影的减少高达43%。

2.8MAVRIC技术MAVRIC（多采集与可变谐图像结合技术）是基于对个三维快速自旋回波（3DFSE）成像，将高弥散法运用于射频发射和接收频率中来获得图像，这一技术通过后处理，合成图像，避免了层面间图像信号的失真。Koff等［16］对关节假体材料分别行3D-MAVRIC和 2D-FSE扫描对比，结果显示3D-MAVRIC能更好地去金属伪影，减少图像失真。这一技术在原理上同样适用于膝关节交叉韧带重建术后的患者，对其临床的报道还需进一步研究。

2.9SEMAC技术前面所述各种伪影的减少技术取得了不同效果的成效，但对于解决层面伪影仍有不足，为解决层面伪影，2009年SEMAC技术（层编码金属伪影校正技术）诞生。SEMAC技术原理是在VAF-SE序列基础上，在层面选择梯度上加一Z轴相位编码的梯度脉冲，时间点的选择恰好与相位编码梯度同步，这经后期临床实践，这一技术均有效地减少层面间的伪影，在SEMAC研究的基础上，Hargreavs等［18］通过提高成像的速度，使用快速SEMAC技术，即将SEMAC技术与标准回波序列队列成像翻转成像技术、部分傅里叶成像、平行成像技术相结合，发现在11 min的扫描时间内可很好地控制金属伪影。在此之上，Agtan［19］对膝关节单髁置换的45例患者分别STIR、PD序列扫描成像，随后再分别应用SEMAC技术增加宽带的方式扫描，分别对比结果表明STIR-SEMAC可以更好地发现术后水肿，为骨科医师对术后评估提供重要诊断依据。这些此研究表明SEMAC技术在有金属植入物的情况下，可最佳显示金属植入物周围组织，减轻金属体对周围组织的干扰，从而达到减少金属伪影的最佳效果。

尽管SEMAC技术在减少伪影的理论和实践中的应用都得到认可，但国内外对SEMAC技术在膝关节交叉韧带重建金属螺钉内固定的研究并不多，同时研究也发现SEMAC在信噪比降低、金属伪影校正后的波纹伪影等缺点，虽然Lu对SEMAC技术进一步报告提出，奇异值分解——噪重建方法以提高金属伪影校正后图像的信噪比，但其实际临床价值仍需进一步探讨。

2.10螺旋桨和预饱和技术GE公司的螺旋桨技术（西门子称为刀锋技术）在MRI检查中消除各种运动伪影的成熟可靠，但近年来对于其在减少金属伪影的研究不断涌现，通过有对金属异物的患者进行头颅MRI检查，分别运用螺旋桨技术与DWI序列对比结果发现，螺旋桨技术可明显消除金属异物造成的伪影，可获得较满意、分辨高且无伪影，具有临床价值的理想成像。高利臣［20］通过研究发现，螺旋桨技术可以减少口腔金属假牙MRI伪影。但是对于膝关节韧带重建后的去伪影化研究较少。

2.11“理想”成像迭代分解水和脂肪的回声不对称与最小二乘法估计，IDEAC技术是一种改良式的水脂分离成像，这一技术可克服磁场的不均匀性，清晰显示水肿边界，可将水脂彻底分离，多用于肾损伤的成像。由于其可克服磁场不均匀性这一特点，Chamuraka等［21］分别应用IDEAC技术对肾柱有金属植入物患者MRI扫描，均表明该技术可减少金属植入物的伪影，改善图像质量。对于IDEAC应用于膝关节减少金属伪影的报道还罕见，仍需进一步研究，一旦成熟，将对膝关节交叉韧带重建术后图像质量的改善有极大帮助［22］。

2.12计算机对金属伪影的矫正随着计算机应用的逐渐高端化，通过计算机对金属体MRI进行图像处理，可有效改善图像的失真。Pauchard等［23］研究计算机以点为基础的细板样条纹来配比金属伪影的图像，将可修复的伪影转变为正常的图像。Bui［24］采用回转串联模式的程序模拟分析金属体成像所产生的各种非线性变，区分可修复区和不可修复区的伪影范围，并对可修复区的自动回复，有效地提高了金属伪影造成的非线性失真。而这种计算机矫正技术的应用仅限于可修复区，比实际伪影范围小，对于不可修复区仍需进一步研究，期待新的解法来提高可修复区的范围。

综上所述，当今膝关节交叉韧带重建术的临床应用得到广泛、肯定的认可，MR成像已成为一种无创性的术后随访的最佳选择，而去除金属伪影的MR成像仍面临着巨大挑战。金属体在MR成像中的伪影，本文已述通过各个环节，虽然完全克服伪影的方法几乎是不可能的，但相信随着研究的不断深入，膝关节交叉韧带重建术后MRI检查的伪影将越来越小。

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［2016－05－17收稿，2016－06－15修回］

［本文编辑：王军红］

Research progress on the technique of reducing the metal artifacts in MR imaging after knee anteriorcruciate ligament reconstruction

ZHANG Nan，QIAN Xue-jiang.Department of Radiology，No.89 Hospital ofPLA，Weifang，Shandong 261021，China

The knee is the largest and most complex buckling joint in human body and its subjecting lever forces is the strongest.Anterior cruciate ligament is one of the important static structures to stabilize the knee joint，thus the most common tear in the knee joint injury is cruciate ligament.Knee cruciate ligament revascularization is the most effective means of anterior cruciate ligament tear；using MR imaging to rebuild the integrity of the postoperative graft and ligament of the morphological，histological changes make an accurate assessment，but due to the postoperative metal artifacts interference in reconstruction，seriously affect the image quality of the surrounding tissue.Therefore，in order to improve the quality of reconstruction image for clinical evaluation accurate，this article reviews relveat progress on the postoperative MR imaging of anterior cruciate ligament reconstruction with metal artifacts.

Knee joint anterior cruciate ligament reconstruction；Metal artifacts；Magnetic resonance imaging（MRI）

R445.2

A

10.14172/j.issn1671-4008.2016.11.033

2015年度军区后勤科研计划重点课题（CJNJ5JOO7）。

261021山东潍坊，解放军89医院放射科［张南（潍坊医学院在读研究生），钱学江］

钱学江，Email：qxj89yy@163.com