合成磁共振成像对于膝关节损伤应用价值的研究

王鹤宇，张凤翔（通讯作者），杨金花

（1.内蒙古医科大学，内蒙古 010100；2.鄂尔多斯市中心医院 影像科，内蒙古 017000）

膝关节结构较为复杂，由于其生理结构、位置的特殊性，导致膝关节损伤时易出现半月板损伤，最为常见的是运动损伤及慢性损伤［1］。半月板损伤可能会出现早期的临床症状，如疼痛和功能丧失，以及膝关节软骨的结构退化［2］。MRI在四肢软组织的显示方面有较好的效果，其一能够有效显示膝关节损伤时细微软组织结构的信号变化，其二可以对其损伤进行分级［3］。作为近年来新出现的一种MRI技术，合成磁共振成像可以在较短时间内完成1次扫描，同时获取多种弛豫定量图谱和不同对比加权图像［4-5］。相比传统MRI，合成MRI的优势在于节省时间成本，并且与传统MRI图像相比，二者不论在诊断敏感度、准确度和特异度还是在图像对比度方面均无明显差异［6］。本文就合成MRI中生成的多种子序列对膝关节损伤时形态学和功能学变化的应用和贡献展开综述，以探讨合成MRI在膝关节损伤方面的诊断价值及今后的研究方向。

1 合成MRI（SyMRI）的原理

基于多个延迟多回波（multiple-delay multipleecho，MDME）序列的原理［7］，即采用120°交叉的层面选择饱和恢复的多回波采集方式，同时量化T1弛豫时间、T2弛豫时间、质子密度（protondensity，PD）和射频磁场B1不均匀性，通过调整2个回波时间（echo time，TE）及4个延迟时间（delay time，TD）的参数，从而直接获得组织的T1、T2、PD定量图像［8］。量化后，通过相应的后处理软件，合成T1加权图（T1 weighted image，T1WI）、T2加权图（T2 weighted image，T2WI）、短时间反转恢复（short T1 inversion recovery，STIR）序列、液体衰减反转恢复（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR）序列等10个不同对比度加权图像［9］。

除了可以得到常规的加权图像，合成MRI序列还可获得双反转恢复 （double-inversion recovery，DIR）序列、相位敏感反转恢复（phase sensitive inversion recovery，PSIR）序列等临床相对少用的对比加权序列，这些合成序列的图像对于膝关节滑膜炎、半月板损伤等病变的诊断价值优于常规序列图像。双反转恢复（double inversion recovery，DIR）序列具有良好的水肿组织对比度，合成MRI所获得的DIR序列可以抑制关节积液，清楚显示增厚的滑膜。PSIR序列是具有相敏重建的T1加权序列，可以提供比传统T1加权反转恢复序列更大的信号强度范围，对于膝关节半月板［10］、组织水肿［11］、腘动脉的显示具有良好的优势。通过不同子序列的相互补充和定量弛豫图谱定量信息的完善，采用合成MRI序列可以在膝关节损伤的诊断方面实现组织自身特性的绝对成像，同时为从形态学诊断到定量化诊断提供基础。

2 合成MRI各对比加权序列在膝关节中的应用

2.1 合成T1序列在膝关节中的应用

众所周知，常规T1加权序列具有较高的信噪比和空间分辨率，组织间对比好，且没有明显的磁敏感伪影，这使之在显示不同组织、结构间的解剖结构关系时有很大的优势。但是在区分病变的边界与微小病变的检出方面不突出。在常规T1序列中，正常半月板多表现为连续走行的低信号，损伤或撕裂时出现组织水肿、关节滑液进入损伤处，使其低信号内出现线形或三角形的等高信号［12］。

合成T1序列所得图像中，半月板及周围软骨结构清晰可见［13］，并且在半月板损伤的诊断准确性方面，常规和合成MRI是相同的，即在常规序列上观察到的所有结构及信号改变在矢状位合成T1序列上也显示清晰，且相对对比度更高。为了验证合成T1序列的图像对比度和病灶检出率，Park等（2017）［14］比较了19例正常志愿者的合成T1序列与常规T1序列的图像质量。其中，主要引入相对信号强度（signal intensity，SI）和相对对比度的概念进行分析。结果显示，合成MRI中的T1序列可以提供与常规T1序列相似的相对SI。与传统MR序列相比，合成T1加权序列显示出更高的骨髓与肌肉的相对对比度。

2.2 合成T2序列在膝关节中的应用

在常规T2加权序列中，半月板、软骨为极低信号，而关节滑液和关节下软骨显示为高信号，类似于关节造影，是临床常用于探查半月板、软骨损伤及髓腔水肿的序列［15］。其良好的信噪比，使检测半月板的低信号组织损伤更加容易。

Jisook等（2018）［16］的研究表明，膝关节矢状位上的常规图像和合成图像的同步比较，合成T2加权图像和常规T2加权图像的图像质量没有统计学上的显著差异，整体图像质量非常好，也没有明显的伪影。在评估半月板病变时，常规和合成MRI之间存在很强的相关性［17］。并且对于盘状半月板的检出，合成图像与常规T2图像有相同的检出率。然而，这其中出现半月板撕裂的3个假阴性病例（一个内侧半月板撕裂和两个外侧半月板撕裂）均通过关节镜确定为垂直撕裂。研究人员分析是由于矢状位上在周围复杂的解剖结构和后部肌肉、动脉结构的影响下，通常很难在MRI中检测到位于外周的垂直撕裂［18］。这种情况可以通过分析除了矢状位之外的冠状位或轴位来补充诊断。另一项针对儿童大脑的研究［19］，得出了关于合成序列可以用于诊断疾病的潜在用途的类似结论，结论显示，合成MRI图像的对比度更高，合成T2图像的信噪比也更高，且合成MRI的诊断准确性与传统序列相似。

2.3 合成PD序列在膝关节中的应用

常规PD加权像具有TE较短、组织的横向磁化矢量衰减少、清晰度和信噪比较高等特点。它不仅能清晰显示低信号的正常韧带、半月板，也能清晰分辨出韧带及半月板损伤后的高信号［20］，同时能很好地观察损伤的走形，为半月板损伤分级提供可靠证据。

Boudabbous等（2018）［13］的一项研究中，采集22名患者的SyMRI图像与常规MRI图像进行对比，结果显示，合成序列图像质量在所有对比度下都被评为良好。在合成PD序列的所有图像中，股胫软骨、半月板和伸肌腱均清晰可见［21］，结构清晰度被判定为优良。PD序列是膝关节检查中最常用的序列之一，两种扫描方法所得PD序列图像的所有评估参数均被评为良好，没有伪影，只有韧带结构在两个读者之间产生了不同的评分。在所有病例中，常规MRI和合成MRI的诊断准确率是相同的，即常规序列上观察到的所有发现也可以在矢状位的合成序列上找到，其中半月板撕裂的检出率与常规序列达成高度一致，准确率高达95%。在改进升级后，合成PD序列将会得到更好的图像质量以及更高的病变诊断检出率。

2.4 合成STIR序列在膝关节中的应用

常规STIR序列被广泛用于肌肉骨骼成像［22］，致力于其在四肢成像中应用了改进的脂肪抑制技术，并且金属植入物的存在对脂肪抑制的均匀性影响很小，这使得STIR序列即使是存在金属（例如，术后关节成形术）、大视野（例如，脊柱关节炎或转移性肿瘤情况下的整个脊柱），以及具有多个气体组织界面的具有挑战性的解剖区域（例如，臂丛神经、手指和脚趾）都显示良好。

单独叙述合成STIR序列在膝关节方面的研究鲜见报道，现有研究仅提及在合成MRI技术序列中综合评估图像质量时，合成STIR序列图像可以清晰显示膝关节各解剖结构。并且有研究表明［14］，合成STIR序列在诊断骶髂关节炎骨髓水肿（Bone marrow edema，BME）时的病灶检出率，与常规T2WI FS序列的检出率相同，医师间诊断一致率也相同，证明其在观察骨髓水肿中有较高的特异度及灵敏度。在膝关节急性损伤、出现韧带及半月板损伤的同时，经常伴有骨髓水肿的出现，合成STIR序列能在此方面提供有效诊断依据。

2.5 合成DIR序列在膝关节中的应用

在诊断膝关节滑膜炎时，钆对比增强（contrast enhanced-MRI，CE-MRI）被认为是评估的金标准，因为它可以区分滑膜和关节积液。而DIR序列使用两个反转脉冲，具有两个不同的反转时间（inversion time，TI），可以同时抑制来自两个不同组织的信号，从而提高成像对比度。这使得DIR成像取代CEMRI来评估膝关节滑膜炎成为可能［23］。

与此同时，合成MRI在生成不同对比度图像的同时通过使用两个TI可生成DIR序列，这可以模拟T1加权CE-MRI。Jisook等（2019）［24］的研究表明，尽管T1加权CE-MRI的整体图像质量优于合成DIR成像，但合成DIR成像足以提供出色的图像质量与诊断准确率。在合成DIR MRI上看到增厚的滑膜信号影与在T1 CE-MRI上观察到的强化滑膜信号影直接相关，表明是由滑膜炎引起的滑膜增强。因此，合成DIR成像可以在检测滑膜炎方面及在退行性关节疾病的成像中发挥重要作用，并且应用在钆过敏者的科学队列研究中可起到良好效果。

在一项关于多发性硬化 （multiple sclerosis，MS）病灶检测的研究中证明［25］，与标准序列FLAIR相比时，合成DIR序列的图像对比度更高，并能够发现更多的病变，也更加肯定了合成DIR序列的诊断价值。在半月板急性损伤时可以更好地分辨出半月板中出现的高信号是损伤时水肿所致还是关节滑液进入引起，为细微结构的辨别与组织损伤的诊断提供帮助。

3 合成MRI各定量序列在膝关节中的应用

3.1 合成T2 Mapping序列在膝关节中的应用

使用多回波自旋回波技术的T2 Mapping已被用于评估软骨的水和胶原蛋白含量，可预测早期骨关节炎（osteoarthritis，OA）形态变化开始之前软骨退变的早期生化变化。关节软骨的T2弛豫时间，被认为是OA的生物标志物。在临床OA的诊断中，可能比传统的T2对比加权图像更有价值［26］。

合成T2 Mapping伪彩图可以成功地识别组织的局部变性，且随着T2值的增加，色彩越鲜艳，与常规多回波CPMG（carr purcell meiboom gill）序列所得T2 Mapping伪彩的颜色显示及变化方向一致［27］。Dunn等（2004）［28］计算了55名膝关节OA不同阶段的受试者的股骨和胫骨软骨的T2值。该研究发现，局部T2值随着OA分期的增加而增加，中度和重度OA患者的T2值相似。这是因为软骨的发育符合非线性二次关系，即印证了天花板效应（软骨T2值的变化与T2进展斜率之间存在反比关系）的存在。Jungmann等（2013）［29］假设在软骨损伤发生之前，软骨基质退化一定程度后可能会出现饱和效应，因此在中度OA患者软骨损伤进展到重度时，T2值变化并不明显。而合成T2值与常规T2值变化显示出极好的相关性［27］，虽然在1.5T磁共振上对于软骨病的诊断性能低于常规序列［30］，但是合成序列中的T2 Mapping伪彩图仍然可以清晰显示软骨及半月板信号变化。

同时，T2 Mapping也可以用于评价骨关节炎患者随时间推进半月板T2值的变化。一项关于骨关节炎患者的队列研究证明［31］，在6年时间里，患者的半月板T2弛豫时间显著增加，从32毫秒增加到34毫秒（6.3%）。而合成序列在膝关节病变的诊断中，T2 Mapping伪彩图对于半月板撕裂有良好的显示效果，并且对T2值的定量是准确的［32］。同时生成的T2 Mapping序列在关节积液、软骨和半月板病变的显示方面具有高图像对比度。

3.2 合成T1 Mapping在膝关节中的应用

T1、T2以及PD值为膝关节组织特性的定量评估提供了一个标准尺度，能够更客观地评价结构及组织变化［5］。其中，T1弛豫时间被用作检测软骨、半月板生化变化的替代参数［33］。它探索了运动受限的水分子与其局部大分子环境之间慢运动的相互作用。半月板中的细胞外基质为水分子提供了一个运动受限的环境。因此，细胞外基质的变化，如蛋白多糖（proteoglycan，PG）丢失，反映在T1、T2值的变化中，T1值对OA早期半月板基质中PG的变化更具特异性［34］。Mittal及其同事收集分析了25名早期膝关节骨关节炎患者及10名健康成年志愿者的合成T1值。研究表明，与健康志愿者相比，OA患者内侧和外侧半月板的合成T1弛豫时间显著增加，并且随着OA的进展和MRI上的半月板退化合成T1值将继续增高。但是健康志愿者和膝关节早期OA患者的内侧和外侧半月板平均厚度没有明显差异，这是因为半月板可能会因退化和撕裂而肿胀［35］。由此可见，合成T1值可以预测半月板损伤程度。

有研究表明，在体模验证中，合成序列可以在短时间内完成扫描，所得T1值具有较高的可重复性［36］。并且在不同带宽条件下测量所得T1值的组间变异系数（coefficient of variation，CV）均小于3%，甚至部分组织的组间CV小于组内CV。证明不同参数的调整对于T1值的准确性影响不大［37］，这也证实了合成序列所得T1值的可靠性。

4 总结与展望

目前的研究表明，合成MRI序列扫描时间短，并且一次扫描在合成多种对比加权图像的同时，还能产生T1、T2、PD定量弛豫图，不仅可以直接选取感兴趣区进行组织定量分析，并且数据后处理方面操作简单［38］，在半月板、软骨、韧带损伤、骨髓水肿的测定等方面都显示出良好优势。与常规MR图像相比，合成MRI序列的图像在总体图像对比度、解剖结构显示、病变检出率方面并不逊色，在检测膝关节病变方面有相同的诊断效能。

但是现阶段合成MRI序列仍然存在一些不足：①由于合成重建依赖于单次扫描的质量，因此在扫描时出现运动和采集伪影的情况下，其图像质量及病变显示清晰度将大大降低［39］；②合成T2 FLAIR、STIR序列相较于其他合成序列，在不干扰合成图像的结构显示和诊断水平的情况下，更容易发现高信号伪影和腘动脉搏动伪影；③在扫描膝关节过程中，合成序列矢状位扫描层厚约5mm，这导致前交叉韧带起始部显示欠佳，不利于前交叉韧带病变的诊断；④在合成T2 Mapping定量弛豫图上，关节囊内的滑液信号未受到抑制，这可能会导致在软骨损伤时的信号改变是由于滑液进入还是软骨病变时T2值增加的原因无法分辨［27］；⑤目前合成MRI多以2D成像方式采集，空间分辨率低，并且多方位图像需要多次采集。而膝关节3D成像［40］在没有层厚间隔的情况下采集容积数据，并且可以在任意平面上重建图像，这使得发现软骨下骨髓信号异常更加容易，并且具有更好的主观图像质量和更少的伪影，较2D成像有极大优势。

总之，虽然合成MRI还有一些不足，但是随着该技术的不断优化和改进，现存的问题将会随着新的图像加速技术（如压缩感知［41］、改进的并行成像和深度学习重建［42］）的进一步发展、3D合成序列的出现及人工智能［43］的普及得到妥善解决，未来的合成MRI序列将会发展得更好，以更加全面的功能为患者及临床服务。