3.0T磁共振不同序列诊断膝关节滑膜炎的对照研究

杨 艳 敖国昆 刘杰爱 许国宇 常海峰 韩顺霞 吴 宁 董 莘*

3.0T磁共振不同序列诊断膝关节滑膜炎的对照研究

杨 艳①敖国昆①刘杰爱①许国宇①常海峰①韩顺霞①吴 宁①董 莘①*

目的：通过对比3.0T磁共振成像(MRI)三维可变翻转角快速自旋回波(3D-SPACE)双反转恢复(DRI)3D-Space-DRI序列、T1WI、T2WI和质子密度加权成像(PDWI)序列在膝关节滑膜炎中滑膜的对比噪声比(CNR)，从而确定显示滑膜最佳序列。方法：对60例临床怀疑膝关节滑膜炎的患者行膝关节T1WI、T2WI、PDWI和3D Space-DRI序列扫描，测量各序列图像滑膜与滑膜腔积液和滑膜周边脂肪组织的CNR，分别为CNR1和CNR2，并对3D Space-DRI、T2WI图像的均匀度、滑膜显示程度及图像整体质量进行双盲主观评分。图像的客观指标采用单变量方差分析(ANOVA)进行统计分析，主观指标采用Wilcoxon秩和检验进行统计分析。结果：3D Space-DIR、T1WI、T2WI和PDWI序列的CNR1分别为55.33±7.88、5.13±2.96、34.91±2.27和40.61±6.58；CNR2分别为44.38±1.22、30.10±0.24、26.86±0.67和9.23±0.44。3D Space-DIR、T2WI均匀度主观评分结果为(4.36±0.08)分、(4.44±0.07)分；对滑膜显示程度主观评分结果为(4.70±0.06)分、(2.05±0.03)分；图像整体质量评分为(1.23±0.06)分、(4.51±0.07)分。结论：3.0T磁共振3D Space-DIR序列对膝关节滑膜炎时滑膜形态的显示更有优势。

磁共振成像；3D Space双反转序列；膝关节滑膜炎

膝关节滑膜炎是膝关节多种疾病最常见的病理改变，表现为滑膜不同程度增厚、滑膜囊积液、滑膜结节形成。常见疾病有退行性骨关节病、类风湿性关节炎、结核、色素沉着绒毛结节性滑膜炎等。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)由于成像参数丰富，具有极高的软组织分辨能力，已成为滑膜病变的首选检查方法[1]。随着近年来高场、超高场磁共振仪临床使用的增加，图像质量明显提高。正常膝关节滑膜在MRI上不显示，当上述各种因素导致滑膜病变时，可出现滑膜组织增厚、肿胀[2-3]。而滑膜炎的诊断常基于MRI常规T1加权图像(T1weighted image，T1WI)、T2WI和质子密度加权成像(proton density weighted imaging，PDWI)序列，这些序列可以显示膝关节腔积液情况，但对滑膜厚度、病变分布、滑膜结节、绒毛形成以及周边组织受累程度的显示存在一定缺点，而3.0T MR可变翻转角的三维快速自旋回波[(3D sampling perfertion with application optimized contrasts using deifferent flip angle evolutions，3D SPACE)双反转恢复(double inversion recovery，DRI)，3D Space-DIR]序列通过施加两次180°反转预脉冲，可将滑膜腔积液及滑膜周边脂肪组织进行双重抑制，凸显滑膜组织[4-5]。本研究将3.0T MRI 3D Space-DIR序列与常规膝关节扫描序列对滑膜炎时滑膜形态学改变进行对照研究。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2015年6月至2016年12月在解放军第309医院就诊的60例临床怀疑膝关节滑膜炎患者，其中男性35例，女性25例；年龄46～70岁，平均年龄59岁；临床症状主要表现为膝关节肿胀、疼痛和功能障碍。该研究符合医学研究道德伦理准则并获得患者知情同意。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：临床症状主要表现为膝关节肿胀、疼痛和功能障碍的患者。

(2)排除标准：①幽闭恐惧症；②人工耳蜗植入和心脏起搏器植入患者。

1.3 仪器设备

采用Siemens Magnetom Skyra3.0T超导型MRI扫描仪(德国西门子公司)。

1.4 检查方法

采用3.0T超导型MRI扫描仪，线圈为T×R×CP Extremity Coil 3T，膝关节专用线圈。体位选择仰卧位足先进，扫描过程中受检侧膝关节保持静止。分别扫描快速自旋回波(turbo spin echo，TSE)序列T1WI、T2WI、PDWI及3D Space-DIR序列，各序列扫描参数设置如下：①T1WI序列，层数19，层厚4.0 mm，视野(field of view，FOV)170 mm，重复时间(repetition time，TR)608 ms，回波时间(echo time，TE)12 ms，激励次数1次，反转角(flip angle，FA)180 deg；②T2WI序列，层数19，层厚4.0 mm，FOV 170 mm，TR 2000 ms，TE 73 ms，激励次数2次，反转角172 deg；③PDWI序列，层数19，层厚4.0 mm，FOV 170 mm，TR 1700 ms，TE 32 ms，激励次数1次，反转角131 deg；④3D Space-DIR序列，层数19，层厚2.0 mm，FOV 210 mm，反转时间1(inversion time，TI1)1800 ms，TI 2354 ms，TR 5000 ms，TE 335 ms，激励次数1次，反转角131 deg。

1.5 图像分析

(1)所有扫描序列图像上传至Siemens Syngo工作站，分别于各图像滑膜增厚区、滑膜腔积液、髌上脂肪区勾画感兴趣区1(region of interest，ROI1)、ROI2和ROI3，测量记录各区域信号强度，噪声选取相应层面四周空气信号强度的标准差，并计算滑膜与滑膜腔积液对比噪声比1(contrast noise ratio，CNR1)，滑膜与髌上脂肪对比噪声比CNR2。CNR计算为公式1：

式中SNR为信噪比(signal noise ratio，SNR)；SD为标准偏差(standard deviation，SD)。

(2)由2名10年以上工作经验的放射科医生采用“五分法”分别对3D Space-DIR、T2WI图像的均匀度、对滑膜的显示程度和整体质量进行主观评分。

1.6 观察与评价指标

(1)图像整体质量评分：①均匀度、对滑膜的显示程度和图像整体质量差为1分；②图像质量一般为2分；③图像质量比较满意为3分；④图像质量满意为4分；⑤图像质量非常满意为5分。

(2)利用Cohen's Kappa检验评估2名读片医师之间的一致性，Kappa值在0.81～1.00认为一致性极好，0.61～0.80认为一致性良好，0.41～0.61认为一致性中等，0.21～0.41认为一致性较差，Kappa值＜0.20认为二者不一致。

1.7 统计学方法

采用SPSS 17.0软件进行统计学分析，CNR1、CNR2值分别用均数±标准差(x-±s)表示，四组序列间CNR1、CNR2比较均采用单因素方差分析(analysis of variance，ANOVA)，并进行组间多重比较最小显著性差异(least-significant difference，LSD)；主观评分采用配对Wilcoxon's秩和检验，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 3D Space-DRI、T1WI、T2WI和PDWI序列CNR1与CNR2比较

(1)60例患者3D Space-DRI、T1WI、T2WI和PDWI序列的CNR1、CNR2比较结果具有差异，且组间比较LSD有统计学意义(F=5.86，F=10.98；P＜0.05)，见表1。

(2)3D Space-DRI扫描序列图像的CNR1、CNR2明显高于其他序列，如图1所示。

图1 同一患者不同扫描序列图像

2.2 3D Space-DRI与T2WI序列主观评分结果

3D Space-DRI与T2WI序列在滑膜显示程度及图像整体质量比较差异有统计学意义(Z=-9.99，P＜0.05)；且3D Space-DRI在显示滑膜形态上优于T2WI序列，而图像的整体质量却不及T2WI序列。Kappa值为0.814，表明2名医生对图像主观评价一致性较好(见表2)。

3 讨论

膝关节滑膜是人体关节中最大的滑膜关节，也是最为复杂的关节之一，滑膜是滑液囊的内层[6]。常见疾病包括退行性骨关节病、风湿性关节炎、色素沉着绒毛结节性滑膜炎、关节结核、滑膜软骨肉瘤；比较少见但具有典型特征的有滑膜囊肿、血管瘤、滑膜肉瘤等。滑膜囊一般分为内外两层，厚度约为1～3 μm，外层为纤维层，含有大量的纤维组织，又名支持层，附着于其内侧面的是滑膜层，即内层又称为内衬细胞层，而两层之间分界并不十分清楚，因此正常关节滑膜在MRI上难以显示[7-8]。滑膜由结缔组织细胞和间质纤维组成，表面有2～4层扁平或立方形的上皮样结缔组织细胞，即内层滑膜细胞，细胞间有纤维和基质。电镜下滑膜细胞分为2种：①似巨噬细胞，称M细胞，有文献称之为A型细胞，含较多溶酶体，有吞噬能力；②似成纤维细胞，称F细胞，又名B型细胞，含有大量内质网，可分泌透明质酸[9]。滑膜细胞能分泌滑液，可以减少关节面之间的摩擦，起到润滑作用，还可营养半月板、关节软骨，排泄废物等[10]。

表2 DIR与T2WI序列图像主观评分比较(分)

膝关节滑膜炎可分为3期，早期为急性期，主要表现为滑膜血管的充血、水肿，部分纤维素渗出，炎症细胞侵润。中期为血管翳生成期，主要为滑膜血管增生，周边纤维细胞生成，此期滑膜增厚最明显。最后增生血管纤维化，形成纤维化期[11]。

因MRI具有良好的软组织分辨率，对膝关节滑膜病变的显示具有独特的优势，但其常规序列T1WI图像难以将低信号的滑膜腔积液与低信号滑膜组织进行区别，因此，本研究中T1WI序列中CNR1非常低；而T2WI序列图像虽然可以将滑膜炎时稍高信号的滑膜组织与滑膜腔积液进行区分，但是在显示滑膜病变细微结构上仍有缺陷，尤其是在显示髌下脂肪区滑膜病变时，与此区域内流空血管影较难区分，受部分容积效应的影响难以对积液少、病变轻的急性期膝关节滑膜炎进行显示；PDWI序列主要反映单位体积不同组织间质子含量的差别，换而言之，质子含量越多的组织信号越高，而关节腔积液中质子含量要高于滑膜组织，故PDWI序列将膝关节周边脂肪组织抑制呈低信号，更进一步显示滑膜腔内积液，滑膜组织的低信号与周边被抑制的脂肪组织难以区分[12-13]。膝关节增强扫描虽然可以清晰的显示滑膜组织，但是此种方法是通过人工增加组织对比度，不但增加了检查费用，而且造影剂的肾毒性一直是MRI检查的争议点，况且临床对膝关节非肿瘤性病变的检查很少应用增强扫描，故本研究未将增强扫描方式纳入研究。

表1 60例患者3D Space-DRI、T1WI、T2WI和 PDWI序列的CNR1与CNR2比较(x-±s)

3D Space-DRI序列是在1.5T以上磁共振仪常规序列基础上开发的一种新型序列，在快速自旋回波之前施加2个反转预脉冲，根据TI时间的不同，可对两种组织进行抑制，提高组织间的信号强度比[14]。因其最初TI时间设定，能够分别抑制脑白质及脑脊液信号，常用于神经系统疾病的诊断。本研究基于此基础将最初的TI时间参数进行优化，选择性地对脂肪和关节腔积液进行抑制，突出显示关节滑膜，而3D技术的应用，使图像空间分辨率明显提高，并可对任意层面进行重建，利于滑膜组织细微结构的显示，由于滑膜组织本身比较微薄，这样就避免了部分容积效应对图像的影响[15-16]。

本研究中，60例膝关节滑膜炎患者均有不同程度滑膜腔积液，而3D Space-DRI序列将积液与脂肪组织进行双重抑制，进一步凸显出滑膜组织，其中23例患者均能清楚显示滑膜皱襞增生毛刺样改变，37例患者显示滑膜的增厚程度及滑膜扩大的范围，其中3例结核性滑膜炎患者由于结核致关节周围脓肿，结核性肉芽组织的增生同样呈现高信号，与增厚的滑膜组织较难区分。主观评分方面，在3D Space-DRI、T2WI序列的比较中，均匀度无统计学意义，而对滑膜的显示程度中，3D Space-DRI序列高于常规T2WI序列，但是图像整体质量却远低于T2WI，究其原因，主要是因为3D Space-DRI序列图像极低的信噪比，虽可以凸显滑膜组织，但对膝关节其他病变的显示却不及常规序列，本研究中26例患者同时患有不同程度关节面骨软骨炎征象，而3D Space-DRI只显示出了6例，除了与本序列信噪比比较低有关，很可能与不同组织弛豫时间不同有关。

3D Space-DRI序列用于膝关节滑膜炎的显示，可以较为精准的显示滑膜增厚的程度、累及范围以及与周边组织的关系，对滑膜炎进行影像分期，但由于其信噪比较低，对膝关节其他病变的显示并不如常规序列，故对膝关节疾病的全面诊断，需常规序列和3D Space-DRI序列联合使用。

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A control study of different sequences of 3.0T MRI system in diagnosis for gona- rthromeningitis/

YANG Yan, AO Guo-kun, LIU Jie-ai, et al//
China Medical Equipment,2017,14(10):54-57.

Objective: To confirm the optimal sequence of displaying synovial membrane through compare the contrast noise ratio (CNR) of different sequences MRI for synovial membrane of gonarthromeningitis. Methods: 60 patients with suspected gonarthromeningitis were scanned on knee-joint by using a series of sequences including T1WI, T2WI, PDWI and 3D space-DRI, respectively. And the CNRs between synovium and effusion of synovial cavity and between synovium and adipose tissue around synovium of different sequences were detected, and they were recorded as CNR1and CNR2, respectively. Besides, double-blind subjective scores were applied to 3D Space-DRI, uniformity of T2WI, display degree of synovium and the total quality of image. And ANOVA was adopted to analyze the objective indexes of image, and Wilcoxon rank sum test was used to analyze objective index. Results:The CNR1s of 3D Space-DIR, T1WI, T2WI, PDWI were 55.33±7.88, 5.13±2.96, 34.91±2.27 and 40.61±6.58,respectively. And the CNR2s of them were 44.38±1.22, 30.10±0.24, 26.86±0.67 and 9.23±0.44, respectively. The subjective scores about image uniformity of 3D Space-DIR and T2WI were 4.36 ±0.08 and 4.44±0.07, respectively.And the subjective scores about display degree of synovial membrane were 4.70±0.06 and 2.05 ±0.03, respectivley.Besides, the total quality scores of image were 1.23±0.06 and 4.51±0.07, respectively. Conclusion: 3D Space-DIR sequence of 3.0T MRI has more advantages in the diagnosis of synovial morphology for gonarthromeningitis.

Magnetic resonance imaging; 3D space double inversion recovery sequence; Gonarthromeningitis

Department of Radiology, The 309thHospital of Chinese PLA, Beijing 100091, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.10.016

杨艳,女,(1974- ),硕士，副主任医师。解放军第309医院放射科，从事MRI诊断工作。

2017-03-29

1672-8270(2017)10-0054-04

R445.2

A

①解放军第309医院放射科 北京 100091

*通讯作者：13050036888@163.com