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压缩感知技术用于评估膝关节半月板损伤

2024-06-17 55 上传者：管理员

摘要：目的：探讨压缩感知(CS)技术用于半月板成像的可行性及对半月板损伤诊断和评估的价值。方法：31名初诊为膝关节外伤患者(外伤组)和15名无膝关节外伤史的健康志愿者(对照组)分别行膝关节MRI检查，采集CS-3D-MRI(压缩因子为9)序列图像，对照组采集质子密度加权频率衰减反转恢复序列(PDW-SPAIR)图像作为对比，两个序列扫描时间分别为2min49s和6min，并记录外伤组患者关节镜手术的检查结果。外伤组患者在关节镜手术前行MRI检查。以CS-DSstrong方式生成CS-3D-MRI序列图像，其重建CS图像的诊断结果与关节镜手术检查结果行一致性分析。采用表观信噪比(SNR)、对比信噪比(CNR)及图像质量评分评价对照组图像质量。结果：对照组重建CS图像和PDW-SPAIR图像信噪比分别为2.71±0.71和2.43±0.68，对比噪声比分别为-19.96±4.47和-17.39±4.53；图像质量评分分别为2.90±0.28和2.93±0.18，差异无统计学意义(P>0.05)。外伤组重建CS图像均显示半月板损伤，与关节镜手术检查结果一致性较强(Kappa=0.67,P<0.05)。结论：CS-3D-MRI可用于膝关节半月板成像，图像信噪比与常规PDW-SPAIR图像相当，并且能显著缩短成像时间，可应用于评估膝关节半月板损伤。

关键词：
关节镜
半月板
压缩感知
磁共振成像
膝关节
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膝关节是人体最大最复杂的关节，也是非常容易受到损伤从而引起疼痛功能障碍的关节，它承上启下，负责负重、行走。半月板是构成膝关节的重要结构，位于股骨与胫骨之间，它增加了膝关节的稳定性，保证膝关节常年负重运动而不致受到损伤。半月板损伤在临床上非常常见，MRI因其无创性及组织分辨率高已普遍应用于诊断和评估膝关节的半月板损伤。通常情况下，横断位、矢状位、冠状位PDW-SPAIR序列及矢状位T1WI序列是膝关节MR扫描的常规序列，扫描时间约为5-7min。任何膝关节MRI检查都应该进行横断位、矢状位和冠状位PDW-SPAIR序列的扫描，三者结合才能够使诊断的准确性较高。但部分患者在行MRI检查时因膝关节疼痛往往难以坚持制动，从而影响图像质量，给诊断和评估带来困难[1]。压缩感知理论是一种新的信号采集理论，利用了信号在特定域上的稀疏性[2]。在K空间欠采样的情况下，压缩感知磁共振成像使用信号处理优化算法获取MR图像，可以明显缩短MR信号采集的时间，从而缩短患者的检查时长[3,4]。通过预试验发现，对压缩因子为9的CS-3D-MRI序列信噪比和图像质量均较满意，并且扫描时长只有2min49s。因此，本研究试图探讨压缩感知技术用于半月板MR成像的可行性及诊断和评估半月板损伤的价值。

1、资料与方法

1.1 一般资料

2020年10月至2021年5月，收集在我院就诊的膝关节外伤患者共31例（外伤组），其中男17例、女14例，年龄13-81岁，平均年龄（37.40±16.00）岁。另随机抽选15位健康志愿者（对照组），8位男性、7位女性，年龄13-44岁，平均年龄（29.20±8.30）岁；均无明确外伤史。本研究已经我院伦理委员会批准通过。

1.2 扫描设备与方法

采用Philips Ingenia 3.0T MR和膝关节专用8通道线圈。序列参数：横断位、矢状位及冠状位PDW-SPAIR序列：TE 30 ms,TR 2842 ms，层间距0.35，层厚3.5,FOV 180×180×92(mm），扫描时间6分钟；CS-3D-MRI:TE 111 ms,TR 1100 ms，层间距-0.43，层厚0.85,FOV 160×160×128(mm），压缩倍数9，扫描时间约2 min 49 s。外伤组患者均在关节镜手术前行MRI扫描，采用DS水平10%(CS-DSstrong）生成CS-3D-MRI重建图像，并记录外伤组关节镜手术的检查结果。对照组CS-3D-MRI重建图像包括横断位、冠状位以及矢状位图像，层厚、层间距及FOV与常规PDW-SPAIR序列图像相同，比较两种序列的表观信噪比、对比信噪比及图像质量评分。

1.3 图像质量分析

1.3.1 表观信噪比及对比信噪比

两位高年资医师在对照组外侧半月板后角（posterior angle of lateral meniscus,PLM) PDW-SPAIR序列图像及CS-3D-MRI重建图像的矢状位最大层面及同层面腓肠肌外侧头处勾画0.20cm2椭圆形ROI，测量半月板信号强度（signal intensity,SI)SIPLM及其信号强度的标准差SDPLM、肌肉信号强度SImuscle及其信号强度的标准差SDmuscle。通过公式运算得到PLM的对比信噪比（contrast-to-noiseratio,CNR）和表观信噪比（apparent signal-to-noise ratio,SNR）。公式如下：CNR=(SIPLM-SImuscle）/[1/2(SDPLM+SDmuscle)];SNR=SIPLM/SDPLM。

1.3.2 图像质量分析

两位医师在对患者关节镜检查结果不知情的情况下分别阅片，对照组CS-3D-MRI重建图像质量使用3级评分标准评估：图像存在明显伪影，半月板的损伤分级难以评估为1分；存在少量伪影，半月板的损伤分级未受影响为2分；图像整体质量很好，没有伪影，半月板损伤分级得以准确评估为3分。分析外伤组CS-3D-MRI重建图像，评估其半月板损伤的类型。

1.4 统计学分析

采用SPSS 23.0软件。计量资料用展示。对外伤组CS-3D-MRI重建图像的评价结果与关节镜结果及对照组CS-3D-MRI重建图像与常规PDW-SPAIR序列图像质量评分结果行Kappa一致性检验，Kappa≤0.20提示一致性较弱，0.21<Kappa≤0.40提示一致性一般，0.41<Kappa≤0.60提示一致性中等，0.61<Kappa≤0.80提示一致性较强，0.81<Kappa≤1.00提示一致性很强。采用Wilcoxon符号秩和检验比较对照组不同序列图像质量主观评分的差异，采用配对t检验分析对照组不同序列的图像质量客观分析结果，P<0.05存在统计学差异。

2、结果

2.1 对比信噪比及表观信噪比

对照组膝关节MRI均未见明确异常，CS-3D-MRI重建图像与常规PDW-SPAIR序列图像的表观SNR差异没有统计学意义（P>0.05),CNR差异有统计学意义（P<0.05）。见表1、图1。

表1 12例对照组重建CS图像和PDW-SPAIR序列图像的表观SNR及CNR比较

2.2 图像质量评分

对照组CS-3D-MRI重建图像和PDW-SPAIR序列的图像质量评分分别为2.90±0.28、2.93±0.18，没有统计学差异（Z=-1.73,P=0.08）。CS-3D-MRI重建图像质量评分的一致性较强（Kappa=0.63,P<0.05）。图1显示了一位志愿者的CS-3D-MRI重建图像和PDW-SPAIR序列图像。

图1 志愿者，女，29岁，右膝关节矢状位MRI图像

2.3 外伤组CS-3D-MRI重建图像的诊断结果和关节镜结果的一致性分析

外伤组CS-3D-MRI重建图像的诊断结果与关节镜诊断结果一致性较强（Kappa=0.67,P<0.05），如表2。图2显示了一例半月板撕裂患者的CS-3D-MRI重建图像的矢状位、冠状位和横断位。

表2 外伤组CS-3D-MRI重建图像诊断结果与关节镜结果(31例患者共34个半月板撕裂)

3、讨论

MRI作为一种无创伤性、组织分辨率高的检查方法，是临床上半月板损伤诊断和评估的重要检查方法[5,6]。MRI软组织分辨率高，与其他影像检查方法相比，MRI检查方法对于病变的检出要更加敏感，可以较早地发现病变。MRI是诊断和评估半月板损伤最佳的影像检查方法。正常半月板在MRI成像图像的任何序列上都表现为低信号，以PDW序列加脂肪抑制技术显示半月板最好，关节液和关节软骨均为高信号，与低信号的半月板形成良好的对比。球形或线形高信号但未到达半月板表面提示半月板的慢性损伤或变性；半月板内的高信号延伸到其表面则代表了半月板的撕裂。临床上对于不同类型的半月板损伤，需要采取不同的治疗方法，主要包括保守治疗与手术治疗。手术治疗包括半月板缝合修复、半月板切除术；如果患者没有机械性的交锁症状，特别是对于退变性撕裂，一般先采取及时休息、避免寒冷的刺激、减轻负重等保守治疗，很多不严重的半月板损伤，可能没有症状。这种情况下，患者需要限制自身活动量，不要进行剧烈运动，而无需其他治疗。此外，还要适当加强肌肉锻炼，以保证膝关节稳定，比如练习抬腿、负重勾腿等。而如果半月板损伤的患者有症状，比如走路、跑步感觉疼痛等，影响到生活和运动，就需要对其进行治疗。例如，对于桶柄状撕裂可移动的内侧缘、瓣状撕裂的瓣一般需要行半月板部分切除术[7]。目前临床上多采用常规横断位、矢状位及冠状位PDW-SPAIR序列图像诊断半月板撕裂，该序列层厚对于半月板这样的结构来说比较厚，往往难以较好地使半月板成像。Shakoor等（2019)[8]分析比较了3D-MRI和2D-MRI评估膝关节半月板损伤的价值，发现两者的诊断能力相当。3D-MRI通过多平面重组可以更加全面地评估半月板损伤，明显优于2D-MRI[9]，但是常规3D-MRI成像耗时，只1个序列就约耗费24 min，因此如何在保证图像质量的前提下缩短成像时间是膝关节MR扫描技术需要突破的瓶颈。压缩感知理论来源于kashin的泛函分析与逼近论[10]。LUSTIG于2007年提出CS-MRI，以少量K空间数据即可无失真地重建医学图像。相较于传统MRI,CS-MRI在采集的时候完成数据压缩，以少量的投影重构出原信号，实现对信号的精确重构。实现CS-MRI需满足三个条件：①信号的稀疏性或稀疏变换；②不相干欠采样，将信号与一组确定的波形行相关操作，这些波形与信号所在的稀疏空间不相关；③非线性重建，膝关节CS-MRI的采样矩阵是二维的，较2D成像采样矩阵高一个维度[11,12]。由于所需要采集的数据明显减少，从而减少了扫描时间，避免长时间扫描造成的SAR值过高以及与运动相关的伪影[13,14]。之前已有文章探讨过CS-3D-MRI用于评估半月板损伤的价值，研究显示以DSstrong方式生成的图像SNR最高，本研究采用的正是以DSstrong方式生成的CS-3D-MRI重建图像[15]。根据预实验以及参考之前的文献成果，在此次研究中把压缩倍数设置为9，比较膝关节CS-3D-MRI重建图像和常规PDW-SPAIR序列图像质量，探讨压缩感知（CS）技术在半月板MR成像的可行性及评估半月板损伤的价值。本研究结果显示，CS-3D-MRI重建图像和常规PDW-SPAIR序列图像的表观信噪比及对比信噪比无显著统计学差异。评价CS-3D-MRI的图像质量采用传统客观的评价方法是不够的，因为CS图像是非线性的重建图像，所以不能仅用图像信噪比评估图像质量。因此，评估CS的图像质量，图像质量分析似乎具有更重要的临床指导意义。本试验中外伤组CS-3D-MRI诊断结果与关节镜手术检查结果一致性强；对照组CS-3D-MRI图像质量和常规PDW-SPAIR序列的图像质量相当，能够满足临床诊断需要，并且扫描时间明显短于PDW-SPAIR序列，表明CS-3D-MRI序列可取代常规PDW-SPAIR序列。必要时CS-3D-MRI扫描可实现各个方位重建，从而更好地显示半月板损伤。

图2 患者男，25岁，右膝内侧半月板桶柄状撕裂CS-3D-MRI重建图像的矢状位、冠状位和横断位

总之，膝关节半月板成像可采用CS-3D-MRI，在半月板损伤的诊断和评估价值方面与常规PDW-SPAIR序列相当，而且可以在保证成像质量的前提下，减少扫描时间。本研究仅分析了半月板的图像质量，然而临床上膝关节损伤除了半月板损伤还通常合并有肌腱或韧带等组织的损伤，因此压缩感知技术用于膝关节成像的临床应用价值需要更大的样本量进一步深入研究。

参考文献:

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文章来源:陈佳玲,周全,刘渊,等.压缩感知技术用于评估膝关节半月板损伤[J].影像技术,2024,36(03):30-34.