MRI CS-3D-MATRIX序列在膝关节前交叉韧带损伤诊断中的应用研究

宋春娟，张 怡

（南京医科大学第一附属医院放射科，南京 210029）

0 引言

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是临床常见的膝关节疾病。MRI具有多参数、多序列、多方位成像及无创性等优点，诊断ACL具有很高的敏感度和较好的特异度[1]，已成为ACL损伤主要的检查方法。2D MRI FSE是膝关节临床常规检查序列，但扫描层厚较厚，容易导致部分容积效应，对ACL等特殊结构成像效果不佳。未联合压缩感知技术（compressed sensing，CS）的常规3D-FSE序列采用各向同性扫描结合三维重建技术，可完整显示ACL[2]。然而，由于其采集时间较长，会引起患者不适并产生不必要的运动，运动伪影的产生限制了其应用和发展。因此，为了缩短扫描时间、减少伪影的产生，K空间采集的半傅里叶技术、并行采集技术以及CS技术等MRI的快速成像方法应运而生。CS技术只采集少量的数据即可重建高质量图像，大大缩短了扫描时间。目前，CS技术在多个领域开展了实验和临床研究[3-4]，取得了较好的应用效果，但其在膝关节ACL成像中的研究报道较少。本文通过对常规2D-FSE序列和CS-3D-MATRIX序列的图像进行对比研究，探讨CS-3D-MATRIX序列在ACL损伤诊断中的可行性和应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究纳入2018年9月至2019年12月来我院行膝关节MRI扫描的44例患者（男23例、女21例），平均年龄（40±12.98）岁。病例纳入标准:（1）明确有膝关节损伤症状；（2）临床体格检查怀疑膝关节半月板、软骨及膝关节ACL撕裂损伤。排除标准:（1）既往做过关节镜手术的患者；（2）膝关节有感染、肿瘤史的患者；（3）有MRI禁忌证的患者。本组纳入的受试者临床表现:膝关节疼痛伴功能障碍26例，外伤疼痛11例，关节炎疼痛6例，肢体麻木1例。本研究经院伦理委员会审批，所有患者自愿参加本项目研究并签署知情同意书。

1.2 检查方法

采用联影3.0T超导MRI扫描仪（uMR 780），联合应用12通道相控阵膝关节线圈，患者仰卧，足先入，膝关节向外旋转15°，线圈中心对准髌骨下缘。按照表1中的参数对所有患者进行常规2D-FSE序列的矢状面、冠状面、横轴面和CS-3D-MATRIX序列扫描。CS-3D-MATRIX序列通过调整重复时间（repetitiontime，TR）和回波时间（echotime，TE）可以获得T1WI、T2WI和质子密度加权像（proton density weighted imaging，PDWI），本研究选用 PDWI，比较矢状面的2D-FSE和CS-3D-MATRIX 2组序列的图像效果。

1.3 评价方法

本研究从信噪比、图像质量评分及ACL显示完整度3个方面对2组序列图像效果进行评价。其中信噪比和主观评分是对未经重建的原始图像进行评价，ACL显示完整度是对CS-3D-MATRIX序列经多平面重建（multiplanner reformation，MPR）后的图像进行评价。主观评分及ACL显示完整度由2名具有骨关节诊断10 a以上经验的放射科医师对图像进行评价，意见不一致时，由2名医师经协商达成一致意见后得出。具体评价方法如下:

表1 膝关节常规2D-FSE序列与CS-3D-MATRIX序列扫描参数

（1）信噪比（signal to noise ratio，SNR）。分别测量膝关节ACL的起止端和中段感兴趣区（region of interest，ROI）的平均信号值（signal intensity，SI），在背景区选取2个同样大小面积的ROI，测量背景噪声平均标准差（standard deviation，SD），根据韧带的 SI值和背景的SD 值计算SNR，SNR=SI韧带/SD背景。

（2）图像质量评分。对膝关节ACL图像伪影、边缘锐利度及图像综合质量进行评价并取得一致意见。对图像的显示情况进行评分，分为5个等级:0分，图像质量较差，伪影严重，不能诊断；1分，病变显示欠清，伪影较大，对比度差，但尚能诊断；2分，有适度伪影，图像质量中等，不影响诊断；3分，有轻度伪影，对比度良好，病灶清晰；4分，没有伪影，病灶及组织结构清晰可辨，图像质量高。评定2分及以上则认为图像质量满足诊断要求。

（3）膝关节ACL显示完整度。将采用CS-3DMATRIX序列进行扫描的原始图像传至后处理工作站（uWS-MR，联影）进行斜冠状面、斜矢状面与横轴面的MPR。根据韧带的走行，重建显示韧带的起止点及形态。其重建的层厚和层间距与2D-FSE的参数一致。

由2名医师对比2组图像，观察ACL及其周围的细微结构。本研究采用徐建兴等[5]、张继良等[6]提出的韧带显示的诊断标准进行评价:Ⅰ级，1幅图像能显示韧带全长；Ⅱ级，连续2～3幅图像能显示韧带全长；Ⅲ级，仅能显示部分韧带，图像质量不能满足诊断要求。

1.4 统计学方法

采用SPSS 20.0软件进行统计学分析，计量资料以x¯±s表示，采用配对t检验，主观评分使用Wilcoxon秩和检验法进行对比，以P＜0.05为差异有统计学意义。2名医师间的一致性检验采用Kappa检验，Kappa＜0.4表示一致性差，0.4≤Kappa≤0.6表示一致性中等，0.6＜Kappa≤0.8 表示一致性较好，Kappa＞0.8表示一致性高。

2 结果

2.1SNR

分别计算2组序列的SNR，CS-3D-MATRIX序列的 SNR为 36.94±18.45，2D-FSE序列的 SNR为49.16±15.23，2组SNR差异无统计学意义（P=0.124＞0.05）。

2.2 图像质量评分

由表2可知，在图像伪影和图像综合质量评分方面，CS-3D-MATRIX序列比2D-FSE序列略低，但差异无统计学意义（P＞0.05）；在锐利度方面，CS-3DMATRIX序列评分明显低于2D-FSE序列，差异有统计学意义（P＜0.05）。如图1所示，膝关节ACL水肿的图像显示相似，而ACL边缘的锐利度稍模糊，病变清晰显示程度相对较差。2名医生对图像质量的主观评分一致性高（Kappa＞0.8）。

表2 2组序列膝关节ACL的主观评分分

图1 患者1膝关节的2D-FSE序列、CS-3D-MATRIX序列图像

2.3 膝关节ACL的显示完整度

由表3可知，2D-FSE和CS-3D-MATRIX序列结合MPR技术在一幅图像上完整显示ACL全长的例数分别为19例和43例（其中1例膝关节ACL断裂），2组序列对ACL损伤的显示差异有统计学意义（P=0.000＜0.05）。2名医生对膝关节ACL的显示度一致性高（Kappa＞0.8）。如图 2所示，CS-3D-MATRIX序列结合冠状面和矢状面重建，能更好地显示膝关节ACL的完整度。

表3 2D-FSE序列与CS-3D-MATRIX序列韧带显示效果例

图2 患者2膝关节的2D-FSE序列、CS-3D-MATRIX序列图像及其重建图像

3 讨论

膝关节是人体活动量最大，亦是最容易受到损伤的关节[7]，ACL是维持膝关节稳定的重要结构，早期准确判断ACL有无损伤及损伤程度对于临床早期治疗方案具有重要意义[8]。膝关节ACL结构走行特殊，起自胫骨髁间隆起的前方，斜向后上方，呈散开状止于股骨外侧髁的内侧面。MRI扫描方位通常有矢状面、冠状面和横轴面，其中矢状面成像对检查膝关节ACL最有价值，由于其特殊的走行结构，2D-FSE序列难以在同一层面显示ACL完整结构。张继良等[6]采用3D序列扫描重建后显示ACL的细微解剖结构、损伤程度更清晰，Subhas等[9]认为对于膝关节韧带的评价2D与3D序列获得的诊断性能一致。Li等[10]认为3D与常规2D序列在诊断膝关节损伤的敏感度和特异度方面无明显差异。

CS技术[11-12]是一种特殊的加速技术，利用小波变换的图像压缩编码方法对图像进行压缩[13]，原始图像经过变换后很多信号接近于“零”。借助信号内在的稀疏性或可压缩性，在K空间下采样，然后进行非线性迭代重建，重构出原始图像，加快了MRI成像速度。目前，CS技术已经运用于头颅磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA），由于MRA图像研究的目标仅为高亮信号的血管，所以极易推广应用[14]，CS-MRA技术不仅可加快成像速度，还能有效减少伪影，使临床医师对人体内部病变部位的观察更直接、更清晰，提高确诊率[15]。而对于实质脏器的观察，CS图像质量的评估则要更复杂[16]。

本研究中，CS-3D-MATRIX序列的检查时间为233 s，较膝关节2D-FSE序列3个平面检查的总时间明显缩短，提高了检查效率。CS-3D-MATRIX序列可以通过一次薄层无间隔扫描、任意角度的旋转进行曲面重建ACL，特别是斜矢状面、斜冠状面重建图像能在同一层面上显示ACL的完整形态和损伤情况，清晰显示细微结构，提高韧带的显示率，而2D-FSE序列通常需要连续2～3个切面才能显示ACL的完整形态。

在磁共振成像过程中，填充K空间中央区域的相位编码线主要决定图像的组织对比，而填充K空间周边区域的相位编码线主要决定图像的解剖细节。在本次实践中，CS技术在重建时，其K空间中央区域获得的回波高于在K空间边缘的回波，从而导致膝关节ACL边缘的锐利度略低，图像有少许的模糊（如图1所示），但图像的诊断效能并未降低。CS技术采用K空间欠采样方式，图像边缘有很多黑色的区域，这些区域并不会对图像的K空间数据造成影响，因此这部分信号不需要采集。Ding等[17]分析了不同降噪因子的CS方法在MRI重建中的噪声特性，证明了CS重构的去噪能力。该方法产生的背景噪声较小，背景噪声的标准差较低，信噪比较高。本研究中，相比于2D-FSE序列的图像，CS-3D-MATRIX序列膝关节ACL信噪比无明显变化，诊断ACL的价值与2D-FSE序列相似。

本研究仅局限于怀疑膝关节ACL损伤的病例，而且数量相对较少，对病变的显示效果与外科关节镜（金标准）的一致性有待进一步研究。本研究运用了CS-3D-MATRIX序列，将来可以进一步尝试CSFS-PDWI序列在诊断膝关节损伤方面的应用价值。

综上所述，CS-3D-MATRIX序列作为一种新的MRI快速扫描序列，通过薄层原始图像结合MPR可以更好地显示膝关节ACL的形态，特别是在显示ACL的完整度方面更具优势，同时检查效率更高，因此对韧带损伤程度的诊断具有潜在的临床应用价值。