磁共振-超声图像融合验证腰椎关节突关节的可信度评估

高丽，米婧，张元智，胡旭锋，魏瑞峰，解雅英

（1.内蒙古医科大学附属医院麻醉科，内蒙古 呼和浩特 010050；2.内蒙古医科大学附属医院骨科，内蒙古 呼和浩特 010050）

慢性腰痛是指后背腰骶部的疼痛或不适感，可伴有下肢的放射痛。60%～80%的成人有患病史，而腰椎关节突关节病变（亦称腰椎小关节综合征）是产生慢性下腰痛的常见原因之一[1]。关节突关节注射（facet joint injection，FJI）是腰痛常见的临床治疗方法，目的是缓解疼痛和炎症，大部分关节突注射在X 线或CT 引导下进行。由于经常需要在X 线透视下进行定位，射线暴露量高[2]。超声便捷、无辐射，可以动态追踪病变的位置，显示组织的立体结构，因而采用超声引导下关节突关节穿刺已广泛开展，但超声在图像的显示效果、清晰度和分辨率等方面与CT 和MRI 相差很大，加之其在扫描深部组织时出现了“声影”的叠加[3]，这使得医师学习的周期变长，穿刺的不精确性大大增加，同时临床效果的不稳定也暴露了此方法的缺陷。磁共振-超声融合技术结合了实时超声和高分辨率磁共振的优点，避免医护人员和患者遭受辐射问题。本研究将腰椎磁共振图像与腰椎超声图像融合，评价超声图像显示腰椎关节突关节的可信度。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究共有6名志愿者，男女各3例；年龄25～55岁，平均年龄（31.96±4.02）岁；身高160～182 cm，平均身高（170.21±7.52）cm；体质量55～78 kg，平均体质量（73.41±4.96）kg。所有数据呈正态分布。

纳入标准：（1）无脊柱病史；（2）X线片无腰椎畸形。

排除标准：（1）存在脊柱肿瘤；（2）脊柱畸形，包括先天性脊柱侧弯、脊柱后凸、继发性畸形如强直性脊柱炎、脊柱结核、神经肌肉脊柱侧弯、Scheumann病和骨质疏松；（3）既往有腰椎手术史；（4）无法进行磁共振检查，如排除MRI 安全的起搏器、幽闭恐惧症等。

本研究已获医院伦理委员会批准，所有患者均知情同意并签署知情同意书。

1.2 MRI扫描序列

所有志愿者佩戴电磁追踪标定贴片（见图1A、B），核磁图像的采集在GE Discovery MR 750 3.0 T（美国）（TR 3.8 ms，矩阵：320×224，X/Y 分辨率：0.365/0.365 mm，层厚：0.6 mm，翻转角15°）进行。取仰卧位，扫描全腰椎，将图像以Dicom保存（见图1C）。

图1 MR扫描定位A：定位标定；B：安置定位贴片；C：MR扫描

1.3 超声扫查

采用GE LOGIQ E20 超声诊断仪，探头频率为10～13 MHz，受试者取俯卧位，将电磁接收器放置于腰部，超声系统中的融合系统识别电磁接收器捕捉的位置（见图1C），在融合系统进行注册配准，确立患者腰部的电磁追踪器与核磁图像在空间上的位置关系。调整融合系统的参数，使画面处于最佳位置和最佳清晰度，对患者腰椎目标节段区域进行连续的超声追踪扫描，建立腰椎容积超声图像，并与磁共振图像融合（见图2A、B）。

图2 磁共振-超声图像融合

1.4 评价方法

超声检查由两位具有丰富肌骨诊断经验的医师双盲检查，评估患者间重复测量的信度。

通过应用重叠模式来检查磁共振-超声融合成像的配准误差，以确定两种模式下的内部标志点是否准确叠加。以椎体解剖结构作为标志点来评估图像配准的准确性，包括椎体棘突、横突、关节突。测量L1～L4超声与磁共振重叠图像上标志点间的配准误差（见图3），验证是否在允许误差内（＜3.0 mm）[4]，取平均值，重复测量10 次。

图3 磁共振-超声图像融合配准测量（a：上关节突间误差距离；b：棘突间误差距离；c：下关节突间误差距离）

1.5 统计学方法

采用SPSS 21.0软件进行统计学分析，计量资料采取均数±标准差（±s）表示，计算配准成功率，配准成功率=可接受的测量值数量/总测量值数量。

2 结果

本组6 例腰椎融合图像，经10 次测量，均在误差允许范围内，配准成功率为100%（见表1）。

表1 图像融合质量（±s，%）

表1 图像融合质量（±s，%）

腰椎TRE（mm）L1 L2 L3 L4成功率（%）1 2 3 4 5 6 1.18±0.13 1.20±0.27 1.13±0.17 1.18±0.30 1.15±0.37 1.10±0.08 1.08±0.33 1.13±0.17 1.10±0.22 1.02±0.24 1.05±0.21 1.02±0.28 1.13±0.17 1.10±0.14 1.13±0.17 1.08±0.17 1.23±0.19 0.75±0.45 1.20±0.16 1.18±0.13 1.15±0.25 1.13±0.17 1.00±0.28 1.10±0.18 100 100 100 100 100 100

3 讨论

由于成本低、无电离辐射且易于实施，超声成像成为许多介入方案的首选方法。超声波在临床的广泛应用解决了操作所面临的辐射问题。Karmakar 等[5]在超声引导下对15 例下肢手术患者行腰丛神经阻滞和坐骨神经阻滞麻醉取得了良好的效果。Ye 等[6]在一项前瞻性随机研究中，对10例患者进行超声引导下腰椎小关节穿刺注射并能准确完成注射治疗。然而，虽然其较高的空间和时间分辨率适用于实时应用和单个操作的引导，但有限的图像质量和解剖结构的可见性经常限制其在临床常规中的应用。在单纯超声引导下，由于腰部软组织声影的叠加，很难看清关节突关节的确切位置。在传统的小关节疾病诊治中，关节突关节注射是在X线透视引导或CT引导下进行的，传统的X线透视虽然能看到穿刺针和关节突关节，但X 线透视无法辨别确定空间位置，依赖于操作者的经验去判断，且穿刺过程中需要进行反复的正侧位透视。CT 扫描虽然能精准的提供穿刺针和关节突关节的空间位置，但扫描过程相对复杂，无法实时监测穿侧针的位置，且辐射暴露水平更高[7]。MRI 引导的关节突关节注射疗法也是一种有效的替代疗法，能够避免对患者和人员的辐射暴露，但高昂的成本、增加的手术时机以及对磁共振兼容针头的需求限制了这种疗法的临床应用[8]。无论是X 线、CT 或MRI 引导的关节突关节扫描，穿刺过程和影像数据的获取无法同时进行，都无法获得实时的影像数据。

融合成像是一种允许同步和叠加不同模式的图像，通过每种技术的图像同时评估感兴趣区域的技术。具体地说，它提供与采集的实时超声图像相对应的CT 或MRI 横断面多平面图像，所有图像可以根据超声探头的角度实现实时显示。CT 和磁共振图像都可以建立起3D 影像，可以呈现不同层面的影像，能满足超声扫描过程中，多位置、多角度的操作需求。近年来，磁共振-超声融合技术越来越得到医生的重视，它已逐步应用于多学科，对肿瘤病灶的穿刺、消融、切除均取得了良好的效果[9～11]。将患者术前的磁共振图像导入磁共振-超声融合系统，使用外部标记进行空间位置的配准，与患者的超声图像进行叠加对齐和矫正，融合系统将显示实时超声图像和相对应的磁共振融合图像，或者是实时叠加对齐的磁共振-超声融合图像和其相对应的磁共振切面图像。Sartoris 等[12]采用磁共振-超声实时对照的方法，对38 例患者采取了小关节的注射。结果显示，在112 次穿刺注射中，96 个小关节注射具有最佳的关节内针尖定位（准确度：85.7%）。手术后患者VAS 评分显著降低，CT 引导下穿刺针定位和采用超声核磁实时对照穿刺针定位的患者的针尖偏离距离没有显著差异，证实磁共振超声实时对照的方法用来引导小关节的穿刺是安全有效的。Xie等[13]采用新的超声磁共振融合导航技术，对10 例诊断为腰间盘突出症的患者进行了椎间孔镜髓核摘除手术。结果显示，与透视组相比，在准确性较高的前提下，这种方法辐射次数少、辐射剂量低，导航组总辐射剂量为（8.46±2.6），透视组的总辐射剂量为（28.3±5.1）。笔者认为，这种技术将有很广大的应用前景。

图像融合技术可以将超声图像与MR 或CT 图像进行融合，用于多种应用，包括前列腺活检、小关节和梨状肌注射以及肝脏经皮手术[14～16]。这项技术通过将MRI 或CT 的立体图像和高解剖细节与超声引导的实时性相结合，从而不会使患者进一步暴露在电离辐射中。在传统的超声图像中会遇到一些患者的回声较差的情况，且通过超声对深部骨质结构进行精确定位会比较困难，通过图像融合技术可以有效地弥补超声图像的缺陷。图像融合技术所使用的MRI或CT图像可以从先前的诊断检查中获得，并根据超声扫描计划实时重新格式化。CT-超声图像融合可以在穿刺过程中仅通过超声进行引导，通过实时获取的超声图像与诊断性检查时的CT图像相结合，可降低患者的辐射暴露水平，而磁共振超声图像融合可进一步避免患者的辐射暴露[7]。虽然磁共振成像在腰椎关节体质方面通常并不等同于CT[17]，但在临床实践中，它是下腰痛最常用的评估方法。MRI 图像能更加清晰地显示软组织的结构，对于缺乏超声检查技术的新手医师，可以通过MRI 图像来协助检查。

在本研究中选择了左、右下关节突和上关节突、左右横突及棘突最高处作为骨性标志点。这些标志物在超声扫描中很容易识别。腰椎关节突关节由上、下关节突关节连接而成，呈光滑的高回声。高回声提示有骨软骨交界处，关节软骨覆盖关节表面，关节间隙清晰低回声。因此，可通过超声信号的变化而准确地辨识出关节突。准确地选取骨性标志点可以使磁共振-超声图像在互相配准时能提高效率和精度。磁共振图像和超声图像要实现空间上的配准，所选取的骨性标志须是结构突出的部分，减小因标志点选取偏倚所产生的误差。椎骨的棘突和关节突在超声图像上可清晰呈现轮廓，与软组织信号明显区别，能精准地选取出标志点。由于超声图像在采集的过程中，探头均贴于背部皮肤，且超声信号无法穿透骨组织，故超声图像无法显示椎体的结构，故选择横突和棘突来对磁共振图像和超声图像进行矢状位和冠状位上的配准。

本次实验采用的是新型的超声磁共振影像系统，可通过超声显像准确地显示腰椎的结构，可用于引导腰椎的穿刺治疗。目前用于获取建立超声容积图像的方法有四种：机械扫描器、有位置感知的徒手方式、无位置感知的徒手方式和二维阵列[18]。有位置感知的徒手方式通常由跟踪装置和传统的二维超声扫描探头组成。利用该跟踪装置，可以在每个采集的超声影像数据上携带相对应的位置信息。本研究通过采集的腰椎超声数据形成腰椎超声容积影像，并与磁共振影像进行配准，通过磁共振验证超声对腰椎椎体结构显示的准确性。在进行磁共振图像采集时，会在患者腰部安置定位贴片，该贴片安置简易，为非侵入性的定位装置，且不影响磁共振数据的采集。在进行超声扫描的过程中，电磁信号追踪器会实时获取超声探头和定位贴片的位置，所获取的超声图像会传入至超声磁共振影像系统，系统根据将不同位置所获得的超声图像进行叠加处理，形成操作区域的超声容积影像。选取内部的骨性标志点来评估超声图像和磁共振图像的配准率。本研究采取的内部标志点腰椎椎体、棘突、横突、关节突在超声和磁共振图像上存在一定的配准误差，这可能和超声图像的成像清晰度有关，且定位装置采用的是皮外固定的方式，会受到呼吸运动或软组织变形的影响。本研究由两位经验丰富的医师采用双盲的方式来进行超声检查，医师独立多次测量内部标志点间的配准误差，消除了个人选择偏倚的影响。结果显示配准误差均在临床允许的范围内，配准率能达到100%。这说明所使用的超声影像系统能准确地显示椎骨结构。在关节突关节疾病的治疗中，关节突关节穿刺是最为常用的治疗方法，穿刺时穿刺针无须进入骨质，在椎骨后方可观察到关节突关节的具体位置，无须使用CT 获取椎骨的内部结构。相对于椎骨的结构位置，更为清晰的软组织结构可以避免穿刺过程中对神经根和血管的损伤。普通的超声图像在成像质量方面不够清晰，而磁共振图像在获取更为清晰的软组织结构的同时还能获得软组织的立体空间结构。实施配准后的磁共振-超声融合图像能结合两者的优势，在当前探头所获取的超声图像上可叠加与其切面位置相对应的磁共振图像，可以提高成像的质量，更易分辨软组织结构和关节突关节，实时的超声图像可以监控穿刺针的位置。磁共振超声影像融合系统应用于关节突关节的穿刺注射，一方面可提高穿刺的精准度，减少徒手穿刺的失败率，降低反复穿刺给患者带来的恐惧和痛苦；另一方面，由于患者在门诊检查下腰痛时，几乎常规做腰部核磁共振检查，在检查时只需将外部定位器固定于患者腰部，当患者需要做治疗与穿刺时，将已经做过的核磁共振图像导入到影像融合系统即可，并不需额外增加患者的费用，且穿刺时无须使用与磁共振兼容的穿刺针，降低了对穿刺设备的要求；另外，采用磁共振-超声融合图像的方法对患者实施关节突关节注射，减少了患者住院期间总的X 线辐射剂量和辐射次数，更有利于患者的健康。

本研究结果表明，该超声影像系统可准确显示腰椎结构，与磁共振图像能实现极高的配准，能更好地用于腰椎关节突关节的引导穿刺，但由于本组例数较少，更准确的结果有待于进一步研究。