基于压缩感知技术三维MRI用于半月板损伤

马培旗，袁玉山*，张宗夕，胡小明，彭 彬，许 健

(1.阜阳市人民医院影像中心；2.骨科，安徽 阜阳 236000)

MRI已广泛用于观察半月板损伤，常规膝关节MR序列包括横位、矢状位、冠状位质子加权压脂序列及矢状位T1W，扫描时间约6～7 min，部分不能耐受疼痛患者难以坚持不动。压缩感知(compressed sensing, CS)技术是在K空间欠采样情况下利用信号处理优化算法获得MR图像，可明显缩短MR信号采集时间。本研究探讨基于CS技术的三维MRI(three dimensional MRI, 3D-MRI)在膝关节成像中的可行性及其评估半月板损伤的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2018年11月—2019年8月26例于阜阳市人民医院就诊的疑诊膝关节损伤患者(损伤组)，男18例，女8例，年龄17～61岁，平均(39.8±11.0)岁；其中19例有明显膝关节外伤病史，7例因膝关节疼痛就诊。另随机选择30名健康志愿者(对照组)，男15名，女15名，年龄18～31岁，平均(26.5±3.5)岁；均无膝关节外伤病史。本研究经院伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 Philips Ingenia CX 3.0T MR扫描仪，配备膝关节专用8通道线圈。扫描参数：常规矢状位、冠状位及轴位脂肪抑制质子加权序列成像(fat saturation proton density-weighted imaging, fsPDWI)，TR 1 900 ms，TE 30 ms，FOV 160 mm×160 mm×70 mm，层厚4 mm，层间距0.4 mm，扫描时间6 min；CS-3D-MRI，CS压缩倍数6，TR 1 200 ms，TE 200 ms，FOV 160 mm×180 mm×140 mm，层厚0.7 mm，层间距0 mm，扫描时间3 min 32 s。损伤组患者均于关节镜手术前接受MRI，扫描结束对CS-3D-MRI按DS水平10%(CS-DSmedium)进行重建；对照组采集右膝关节MRI，扫描结束后按不同降噪(denosing, DS)水平，即CS-DSweak(5%)、CS-DSmedium(10%)、CS-DSstrong(20%)进行重建。重建图像包括矢状位、冠状位及轴位图像，FOV、层厚及层间距与常规MRI一致。记录损伤组关节镜检查结果。

1.3 图像质量分析

1.3.1 客观评价 由2名具有5年MRI诊断经验的副主任医师于对照组矢状位图像上选取外侧半月板后角(posterior angle of lateral meniscus, PLM)正中层面，手动于PLM及同层面肌肉处勾画0.3 cm2椭圆形ROI，分别测量其信号强度(signal intensity, SI)SIPLM、SImuscle，以周围空气平均SI(SInoise)为背景噪声值。计算PLM的表观信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)和对比信噪比(contrast-to-noise ratio, CNR)，公式如下：SNR=SIPLM/SInoise；CNR=(SIPLM-SImuscle)/SInoise。

1.3.2 主观评价 由2名具有5年MRI诊断经验的副主任医师分别独立阅片，以3级评分标准评价对照组CS-3D-MRI质量：1分，图像伪影较重，不能评估半月板损伤分级；2分，图像伪影较轻，大致可评估半月板损伤分级；3分，图像无明显伪影，图像质量高，可较准确评估半月板损伤分级。对损伤组CS-3D-MRI进行分析，并评估损伤类型。

1.4 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。计量资料以±s表示。采用Kappa检验评价2名医师评估对照组图像主观评分结果的一致性及损伤组CS-3D-MRI的评价结果与关节镜结果的一致性，Kappa≤0.20为一致性较差，0.21

2 结果

2.1 客观评价结果 对照组膝关节MRI均未见明显异常，不同方法重建CS图像和fsPDWI表观SNR及CNR差异均有统计学意义(P均<0.01)；两两比较结果示各序列图像间表观SNR差异均有统计学意义(P均<0.05)，fsPDWI与CS-DSmedium图像间CNR值差异无统计学意义(P>0.05)，其余各序列图像间CNR值差异均有统计学意义(P均<0.05)；见表1、图1。

图1 志愿者男，31岁，右膝关节矢状位MRI A.常规fsPDWI；B.CS-DSweak重建图像；C.CS-DSmedium重建图像；D.CS-DSstrong重建图像

表1 对照组组内不同方法重建CS图像和fsPDWI的表观SNR及CNR比较(±s)

表1 对照组组内不同方法重建CS图像和fsPDWI的表观SNR及CNR比较(±s)

序列SNRCNRfsPDWI2.61±1.1829.46±10.57CS-DSweak4.74±2.0825.38±7.56CS-DSmedium5.92±2.1631.44±11.83CS-DSstrong7.74±2.2239.40±11.12F值36.019.62P值<0.01<0.01

2.2 主观评价结果 2名医师对对照组MR图像质量主观评价结果的一致性强(Kappa=0.91，P<0.01)。分析2名医师评分结果的均值，不同方法重建CS图像和fsPDWI图像质量评分差异无统计学意义(Z=0.35，P=0.32)。2名医师均认为CS图像中的CS-DSmedium图像为评估膝关节的最佳图像。

2.3 损伤组CS-3D-MRI诊断结果与关节镜结果的一致性分析 损伤组CS-3D-MRI诊断结果与关节镜结果诊断结果的一致性强(Kappa=0.94，P<0.05)，见表2、图2。

图2 患者男，21岁，右侧膝关节内侧半月板后根部撕裂伤 A～C.重建矢状位(A)、冠状位(B)、轴位(C)膝关节CS-3D-MRI；D.关节镜检查结果与CS-3D-MRI一致 (箭示病灶)

表2 损伤组CS-3D图像诊断结果与关节镜结果(例)

3 讨论

作为一种无创伤性检查方法，MRI是诊断半月板损伤的首选检查方法。针对不同类型半月板损伤，治疗方式有所不同，如水平、放射状、桶柄状及复合型撕裂等常不可修复，需行半月板部分切除或全切除手术，纵行或斜行撕裂伤可恢复，宜采取缝合治疗。术前明确半月板撕裂类型有助于明确手术指征及完善手术方案。常规矢状位及冠状位二维MRI诊断半月板撕裂的敏感度和特异度均较高，但对其能否准确区分半月板撕裂类型尚存在争议。常规膝关节轴位扫描层面很难完全平行于半月板，且扫描层厚相对于半月板而言较厚，显示半月板效果较差。SHAKOOR等[1]以手术结果为标准，比较分析3D-MRI与2D-MRI在评价膝关节半月板损伤中的诊断价值，发现2者诊断半月板损伤效能相当，而3D序列图像可通过多平面重组而提高诊断特异度。AI等[2]认为3D-MRI可通过不同方位重建图像、尤其薄层轴位图像清楚显示半月板损伤的形态。有学者[3]应用3D-SPACE序列，发现3D序列较传统2D序列图像对评估半月板撕裂类型具有更高的敏感性和特异性，尤其对于复合型撕裂。相比2D-MRI，3D-MRI通过重建各方位图像、尤其轴位图像，更有助于临床术前评估半月板损伤。

常规3D-MRI扫描时间较长，目前1个序列约需6～7 min，如何在保证图像质量的前提下缩短扫描时间是MR技术的一大挑战。CANDES等[4]于2006年首次系统提出CS理论，在远小于奈奎斯特采样率的条件下随机采样，获取信号离散样本，之后通过非线性重建算法获得原始信号。LUSTIG等[5]于2007年提出CS-MRI概念，只用部分k空间数据即可重建原始图像。相比采集k空间信号的传统MRI，CS-MRI先对信号进行空间变换，使其成为稀疏或可压缩信号，再利用一个与变换基不相干的测量矩阵将变换所得高维信号投影至一个低维空间，并对所获取的少量测量值进行求解凸优化，从而实现对信号的精确重构[6]。实现CS-MRI必须具备3个条件：①MRI是可稀疏的；②k空间亚采样引起的混叠伪影是非相干的；③非线性重建方法可重新集中稀疏域中被欠采样分散的值[7-8]。膝关节3D-MRI的相位编码和层面编码均可实现亚采样，即CS采样矩阵是二维的，较2D成像采样矩阵高一个维度。根据预实验结果，本研究将压缩倍数调为6倍，比较常规膝关节MRI与CS-3D-MRI图像质量，探讨CS-3D-MRI用于膝关节成像的可行性。

由于k空间数据填充过程部分数据点丢失，重建时会出现伪影，如直接对亚采样数据进行傅里叶重建，图像会出现混响伪影[9]；根据压缩感知原理及重建算法可有效恢复目标图像。CS图像重建过程中可选择不同权重的降噪比率去除伪影，由此产生多组图像。本研究结果显示CS-DSstrong图像的SNR及CNR均高于其他组。但图像噪声仅是影响图像质量的一个因素，且CS图像是非线性重建图像，采用传统客观评价方法并不能真实评价CS-3D-MRI质量，主观评价对评估CS图像的诊疗价值可能具有更重要的指导意义[10-11]。本研究中2名医师均认为CS-DSmedium图像为评估膝关节的最佳图像。张晓东等[12]将CS技术用于颅脑MRA，提出CS-DSstrong图像为最佳诊断图像。针对膝关节MRI，半月板呈低信号，应用CS稀疏采集信号，之后选择权重较大的DS重建图像，可能影响图像的对比度。本研究损伤组CS-3D-MRI诊断结果与关节镜结果的一致性强；对照组CS-3D-MRI图像质量满足诊断要求，而扫描时间明显缩短，提示其或可取代常规MRI。既往研究[13]发现，常规MRI上内侧半月板后根部撕裂呈高信号，难以与后交叉韧带周围腱鞘积液及后根部内正常线状高信号相鉴别；通过对CS-3D图像进行轴位重建，可以更好地鉴别。本组1例半月板后根部撕裂，通过观察平行于半月板的轴位重建图像明确诊断。

综上所述，基于CS技术3D-MRI可用于膝关节成像，对评估膝关节半月板损伤有较好的价值，保证图像质量的前提下，缩短了扫描时间。本研究仅针对半月板成像质量进行分析，而膝关节半月板损伤常伴韧带损伤或骨骼损伤，其应用价值有待进一步加大样本量深入探讨。