磁共振三维水激发序列对踝关节软骨成像的影响

张乾营，刘旭红，黄 莹，韩晓兵，章思竹，阿 浣，张善幽，刘娜红，何桂凤

中国人民解放军联勤保障部队第910医院放射诊断科，福建 泉州362000

关节软骨的厚薄变化、形态变化能直接对中长期关节功能变化产生影响，清晰精确地显示关节软骨的形态与三维数据在这类研究中至关重要。国内有研究报道，磁共振3D序列较2D序列显示软骨方面有明显优势，是未来序列应用的主流［1］。目前高分辨三维水激发（3DWE）序列主要为三种：3D双回波稳态进动（3D-DESS）、3D多回波数据图像重合（3D-MEDIC）和3D多回波数据图像重合（3D-VIBE），多用于踝、膝等关节软骨成像方面，各有不同的优势，并且在不同关节的软骨成像质量也各不相同［2-3］。但国内关于踝关节软骨3D成像具体的技术研究较少。本研究将探讨核磁高分辨3D-WE序列在踝关节核磁成像中的表现。本次研究以踝关节软骨作为研究对象，通过比较三种序列扫描软骨成像，探讨此三种序列在踝关节软骨成像中的差异与优缺点。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择30名男性青年志愿者作为研究对象，年龄20～25（22.0±1.4）岁，体质量48～70 kg。纳入标准：无踝关节外伤及手术史；无关节疼痛或不适等临床症状；行MRI检查前1 d及检查当日无训练或锻炼。排除标准：踝关节常规MRI 检查表现软骨、骨质、韧带、软组织损伤，肿瘤，发育畸形者；存在MRI检查禁忌证者。本研究经过本单位医学伦理委员会批准，被试者均填写一般资料表和签署志愿协议。

1.2 成像方法

采用Siemens Skyra 3.0T MR超导磁共振成像系统，头颈联合Head/Neck 18通道线圈，为了研究对比的一致性，保证踝关节的胫距关节的一致性，被试者踝关节需保证一致的体位，为此，笔者团队专门设计一款踝关节固定器。足先进模式，被试者取仰卧位同时用磁共振专用固定器固定踝关节内外侧以减少运动伪影。先行踝关节常规三平面定位Loc-plan，因本课题需测量距骨穹顶于胫骨凹面间前中后3个位置的间距并求平均值，为保证前中后3个位点的测量数据均为两点间最短距离，故最终测量扫描序列方位均为矢状位，扫描角度相同，并且在冠状面、横断面定位，均平行于腓距关节面，薄层连续切面，范围包括整个踝关节。视野均为150 mm×150 mm，矩阵256×256×100%，体素0.6 mm×0.6 mm×0.6 mm，采集次数为1次，同时均采用并行采集技术iPAT（p=2），扫描序列分别是水激发3D-DESS序列、水激发3D-MEDIC序列和水激发3D-VIBE序列。扫描序列及扫描参数（表1）。

表1 MR扫描序列及参数列表Tab.1 MR scanning sequence and parameter list

1.3 数据处理及图像分析

由4名从事MR诊断的高年资主治医师负责数据采集，采集被试者扫描序列的软骨信噪比（SNR）和软骨与各组织的对比噪声比（CNR）。收集30个踝关节各序列矢状面的正中层面，选取胫距关节面最大的层面，设定组织感兴趣区，感兴趣区=10 mm2，背景噪声感兴趣区=30 mm2，分别勾勒胫距关节软骨、胫骨后方皮下脂肪、距骨骨髓、胫骨后侧近踝关节处局部腓肠肌、关节液和背景噪声的信号强度（SI）。每个组织结构选取3个数据采集区（图1），然后计算平均值，最后根据公式：SNR=SICartilage/SDnoise及 CNR=(SICartilage-SIother)/SDnoise，计算SNRCartilage及软骨-脂肪（CNRca-Fat）、软骨-骨髓（CNRca-Bone）、软骨-肌肉（CNRca-Muscle）和软骨-滑液（CNRca-Fluid）（其中SICartilage为软骨组织SI，SIOther为其他组织SI，SDNoise为背景噪声SI）。

图1 踝关节正中矢状面数据测量示意图Fig.1 Schematic diagram of ankle midsagittal plane data measurement.

1.4 统计学分析

采用SPSS 25.0软件进行数据录入和统计学分析，计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用方差分析法。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同MR-3D序列踝关节正中矢状面图像表现

VIBE序列图像关节软骨边界显示明显比其他两个序列图像清晰，分辨软骨与关节腔积液的能力尤为突出（图2～4）。

图2 VIBE序列扫描的踝关节矢状位图像Fig.2 Image of ankle dysmorphic position scanned by VIBE sequence.

图3 DESS序列扫描的踝关节矢状位图像Fig.3 Image of ankle dysmorphic position scanned by DESS sequence.

图4 MEDIC序列扫描的踝关节矢状位图像Fig.4 Image of ankle dysmorphic position scanned by MEDIC sequence.

2.2 三种扫描序列所得图像的软骨SNR值

VIBE 为15.30±2.90，DESS 为9.47±2.50，MEDIC为18.82±4.47，差异有统计学意义（F=57.75，P＜0.001，事后多重比较P＜0.05）。

2.3 三种序列所得图像软骨与其他组织的信噪比平均值比较

三种序列的软骨与其他组织CNR值的差异有统计学意义（P＜0.001，表2）。

表2 不同MR-3D序列关节软骨与其他组织的CNRTab.2 CNR of articular cartilage and other tissues with different MR-3D sequences(Mean±SD)

2.4 三种序列所得图像软骨与其他组织的信噪比热力图

VIBE序列仅仅在软骨与脂肪的信噪比弱于其他两个序列图像外，其余信噪比均明显优于另外两个序列（图5）。

图5 三种序列所得图像软骨与其他组织的信噪比热力图Fig.5 Comparison of CNR of cartilage and other tissues in three sequences.

3 讨论

踝关节作为最重要的承重关节，踝关节软骨较其他关节有更重要的承重要求和运动稳定性要求［4-5］。磁共振成像软骨成像可以清晰显示软骨下关节面组织改变状况［6］，但常规磁共振2D序列检查区分软骨与关节腔积液、软骨下密致骨方面有欠缺［7］，显示清晰边界能力不足，测量软骨厚度、体积等数据存在不准等问题［8］。3D序列一次扫描可以多角度重复显示软骨形态［9-10］，且在＜1 mm的薄层各向同性扫描仍然获得较高空间分辨率，扫描的图像分辨力较其他成像序列有明显增高，降低了空间层面间的相互干扰，明显提升关节面软骨与邻近骨质、积液间的对比度［11-12］，能更加准确地显示解剖结构［13］，在这些方面较2D序列具有优势。

3D-DESS序列及3D-MEDIC序列都可以获得较高的SNR及T2权重值，组织区分度良好，关节腔内组织边界较清楚，滑液呈明显高信号，而关节透明骨膜呈中等信号，软骨信号对比偏差不显著。国内有学者认为DESS序列可以很好的显示关节软骨，明确软骨缺损性损伤，可以获得较高的诊断信心［14］。3D-MEDIC序列目前国内多用于各关节软骨成像研究，国内外学者将其用于研究关节的软骨损伤成像研究，认为该序列成像图像优秀，显示边界清晰，与其他组织区分度亦较好［15-16］。3D-VIBE序列也是3D-GRE的一种，具有超短TR（3～8 ms）、TE（1～3 ms）和较小角度（10°～15°）射频脉冲的特点［17］，在薄层扫描时可以保持较高的信噪比［18］，能够在高空间分辨率的要求下进行各向同性采集，并且扫描时间短，还有能保持与周围组织较高CNR的优点。有学者认为该序列在关节软骨损伤定量测量中有很高的实用价值［19-20］，软骨SNR值及CNR明显高于其他组织，该结论与本研究相同。

笔者将这三种3D-WE序列进行横向比较，认为三种序列均能明显显示软骨，其中VIBE序列图像在显示软骨与其他组织区分显示能力方面有明显优势，各组织间的对比CNR显著，图像质量明显高于其他两个序列，除软骨与脂肪CNR之外，3D-VIBE序列比其他两种序列SNR及CNR（软骨与肌肉、软骨与骨骼、软骨与积液）值高，差异有统计学意义。由于踝关节腔内缺少脂肪，所以在精确测量踝关节腔内软骨数据时，以3D-VIBE序列最好，3D-MEDIC序列次之，3D-DESS序列最差。除软骨与脂肪CNR之外，SNR及CNR值均高于其他序列，差异有统计学意义。

综上所述，3D-WE序列均有较强的软骨成像能力，但是在显示软骨边际方面各有不同，测量踝关节腔内软骨3D-VIBE序列组织区分度最好，能更好地显示软骨形态，更准确地勾勒软骨边界及更精确测算软骨体积。虽然3D 序列在显示软骨边际上能力超群，但是作为3D-GRE序列的一类，在显示软骨内部病变方面能力较弱，并不适合临床病变诊断应用，仅适用于软骨测量的定量损伤研究等特殊用途，应用范围较窄，希望今后能够探索3D-WE序列更加多元的用途。