李春霖，秦诗逸，甄志铭，陈家飞

(1.陆军军医大学第一附属医院放射科，重庆400038；2.陆军军医大学第一附属医院血管外科，重庆400038)

随着我国社会的老龄化，骨关节疾病的发病率逐年增高，而膝关节退行性骨性关节炎是最常见的骨关节疾病，严重者可能导致患者丧失独立生活能力,给社会及家庭带来严重负担。影像学检查是膝关节疾病的常规检查手段，其中MRI具有良好的软组织对比度，能早期、无创地检测膝关节疾病[1-3]。近十年来，高场强(3.0T)MRI已经在各大三甲医院普及，其与传统永磁型低场强MRI相比有着高信噪比(signal to noise ratio，SNR)、高空间分辨率的特点，然而在软骨、肌肉及周围神经等精细结构的显示上还不尽人意。临床科研型双模超高场强磁共振(ultra-high field，UHF，7.0T及以上)系统近年来开始用于探索肌肉骨骼系统。从理论上讲，与3.0T系统相比，其SNR提高了2.1倍，因而可以提供更高的分辨率，更好地显示病变，并可以在较短的扫描时间内得到更高质量的图像。但由于场强的增高导致共振频率变高，自旋加快导致运动伪影和化学位移伪影增加，SNR的改变与场强并不完全成正比。因此，相同序列、相同扫描时间下7.0T MRI与3.0T MRI的图像质量对比研究具有重要意义。本研究在3.0T MRI系统和7.0T MRI系统中分别采集了3D-DESS序列(3D序列)和PDWI序列(2D序列)膝关节图像，通过计算软骨、肌肉、周围神经等精细结构的SNR、对比信噪比(contrast to noise ratio，CNR)，以分析两种序列在不同场强下图像质量的差异性。

1 资料与方法

1.1 临床资料

招募受试者共16例，其中男5例，女11例；年龄18～65岁，平均(21.5±3.4)岁。纳入标准：常规膝关节MRI扫描无异常，膝关节运动功能正常，无任何膝关节疾病治疗史，图像无伪影。排除标准：有膝关节外伤史；有MRI检查禁忌证。 本研究通过了陆军军医大学第一附属医院伦理委员会审批[(A)KY2021016]。

1.2 检查方法

使用3.0T MRI (西门子 MAGNETOM Spectra，德国)和7.0T MRI(西门子MAGNETOM Terra，德国)及配套的膝关节专用线圈。扫描前先使用西门子圆柱形塑料瓶体模进行初始体模扫描以确保扫描的准确性，每位受试者均在同一天内完成7.0T MRI和3.0T MRI 的膝关节扫描，将髌骨下缘置于线圈中心，用沙袋固定膝部，保证2次定位的一致性。两台仪器采用相同的序列和相同的时间进行扫描，扫描参数见表1。

表1 3.0T MRI和7.0T MRI扫描参数

1.3 数据处理

在同一台西门子后处理工作站snygovia上处理所有受试者的膝关节图像，对每例受试者在7.0T MRI和 3.0T MRI中采集的图像计算感兴趣区(region of interest，ROI)的SNR和CNR，并请2位拥有10年诊断经验的放射科肌肉骨骼诊断医师对图像进行定性评估。

1.3.1 SNR的计算 定义解剖区域内的SNR=SI组织/SD背景，其中SI组织为组织内ROI信号强度的平均值，SD背景为背景信号的标准差[4]。运用双区域法采集图像的信号强度[5]。该方法是来自单个图像的两个独立ROI的信号统计：一个是所测量的组织作为ROI以确定该组织的信号强度，另一个来自图像背景以确定噪声强度。通过计算获得膝关节内骨骼、软骨以及韧带的SNR[4，6-7]。

1.3.2 CNR的计算 定义配对解剖区域的CNR=(SI组织1-SI组织2)/SD背景，其中SI组织1为被测组织的信号强度，SI组织2为被测组织周围正常组织的信号强度，SD背景为背景信号的标准差[4]。

1.3.3 解剖结构可视化评估 解剖结构可视化评估是基于对膝关节正常解剖结构的可视化和整体图像质量的独立、主观评估进行的。评估由2位拥有10年诊断经验的放射科肌肉骨骼诊断医师进行。在进行图像主观评估期间环境光照强度保持在50 lux以下，并在图像存储与传输系统显示器上进行图像显示。在每个图像评估期间，2位医师并不知道扫描序列以及扫描参数[8]。使用李斯特量表根据外观对骨骼、肌肉、软骨、韧带和神经进行评级：1=解剖结构不可见(差)；2=解剖结构仅部分可见(低于平均水平)；3=解剖结构完全可见，边界明显模糊(一般)；4=解剖结构完全可见(良)； 5=出色的解剖结构描绘(优)[4，7，9]。

1.4 统计学处理

采用SPSS 21.0统计软件包进行数据分析。对7.0T MRI及3.0T MRI在3D-DESS和PDWI序列下不同组织的SNR、CNR比较采用配对t检验；7.0T MRI及3.0T MRI下不同组织的可视化评估用Wilcoxon符号秩和检验。P<0.05为差异具有统计学意义，P<0.01为差异具有极显著性统计学意义。

2 结果

2.1 3.0T MRI和7.0T MRI 膝关节成像的SNR比较

在3D-DESS序列下，受试者3.0T MRI图像和7.0T MRI图像股骨、髌骨、胫骨SNR值比较，差异具有极显著性统计学意义(P<0.01)；3.0T MRI图像和7.0T MRI图像软骨SNR值比较，差异有统计学意义(P=0.012)，见表2。在PDWI序列下，受试者膝关节3.0T MRI图像和7.0T MRI图像中股骨、髌骨、软骨、胫骨、肌肉、神经SNR值比较，差异具有极显著性统计学意义(P<0.01)；3.0T MRI图像和7.0T MRI图像韧带及半月板SNR值比较，差异有统计学意义(P=0.017)，见表3。

表2 3D-DESS序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的SNR

表3 PDWI序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的SNR

2.2 3.0T MRI和7.0T MRI膝关节成像的CNR比较

在3D-DESS序列下，受试者3.0T MRI和7.0T MRI图像软骨/股骨、软骨/髌骨的CNR值比较，差异无统计学意义(P>0.05)；由于软骨/胫骨的CNR差值不符合正态性，无法进行配对t检验，见表4。在PDWI序列下，受试者7.0T MRI图像髌骨/软骨的CNR值高于3.0 T MRI图像，差异有极显著性统计学意义(P<0.01)；但7.0T MRI图像与3.0T MRI图像股骨/韧带、胫骨/韧带、肌肉/神经的CNR值比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表5。

表4 3D-DESS序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的CNR

表5 PDWI序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的CNR

2.3 解剖结构可视化评估

在3D-DESS序列下，受试者膝关节7.0T MRI的股骨、软骨、胫骨图像效果优于3.0T MRI图像，差异有统计学意义(P<0.05)；7.0T MRI的髌骨图像效果与3.0T MRI的图像效果比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表6。在PDWI序列下，受试者7.0T MRI的股骨、髌骨、胫骨、肌肉、韧带及半月板图像效果与3.0T MRI的图像效果一样；7.0T MRI的软骨、神经图象效果与3.0T MRI比较，差异具有显著性统计学意义(P<0.01)，见表7。

表6 3D-DESS序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的解剖结构可视化评估结果

表7 PDWI序列在3.0T MRI和7.0T MRI成像的解剖结构可视化评估结果

3 讨论

膝关节精细结构的显示在临床上具有一定难度。传统的X射线成像虽具有较高的空间分辨率，但因其投射的二维性质导致敏感性有限[10]。CT对膝关节疾病的评估是将横截面成像技术的优势与多平面重建结合，可高分辨率显示骨小梁等结构[11-12]，与普通X射线成像相比，CT可提供较好的膝关节影像评估效果，但其软组织对比不佳，同时也有辐射。MRI是一种无创、无辐射的检查方式，可发现早期骨关节病变，特别是X射线不易观察到的改变[13]。MRI有较强的软组织对比度，在膝关节半月板、韧带、软骨及周围神经等细小结构的显示方面有着明显的优势，已普遍应用于骨关节疾病的检查。

在MRI发展的早期，由于场强低，导致扫描时间长，图像的SNR和CNR均无法令人满意[14-15]。为了提高图像质量，可以从以下几方面着手：①提高场强，因信号强度与场强的平方成正比 (S∝B02) ,噪声强度与场强成正比 (N∝B0) ,所以SNR与场强成正比 (S/NB0) ,即S/N(7.0T) =2.1S/N (3.0T)，因此，7.0T MRI的SNR理论上是3.0T MRI的2.1倍[16]；②增加激励次数；③增加层厚；④增加相位编码步数[17]。3.0T MRI的图像质量相比早期的永磁型低场强MRI有了显著改善，但在显示软骨、周围神经等更加精细的结构时依然不能达到理想的效果。近年来，临床科研双模型7.0T MRI开始初步应用于临床，可有效显示精细结构。

研究显示，3D-DESS序列对软骨具有极佳的三维显示能力[18-19]，PDWI序列则能良好地显示骨骼、肌肉、韧带及周围神经[20]。本研究对7.0T MRI和3.0T MRI在3D-DESS序列和PDWI序列下采集的膝关节图像质量进行了对比分析，计算两种场强下图像的SNR，结果显示，PDWI序列下7.0T MRI所采集的膝关节各组织图像质量的SNR均高于3.0T MRI；在3D-DESS序列中，7.0T MRI采集的膝关节骨组织和软组织的SNR优于3.0T MRI，在7.0T MRI下高SNR可以提供更高的图像分辨率，从而更好地显示软骨等结构的细微形态变化。因此，相较于3.0T MRI，7.0T MRI能提供更优质的图像质量，有着更高的临床价值。但由于7.0T MRI的采集体素相对更小，从而导致其CNR与3.0T MRI比较差异并不十分显著。

本研究也有一定局限性。首先，本研究未纳入患有关节疾病的患者，且入组样本量相对较小，未来应增加关节疾病患者，扩大样本量；其次，由于SNR和CNR的限制，3.0T MRI和7.0T MRI的采集时间不能做到完全相同。

综上所述，在相同序列、相同扫描时间下，7.0T MRI的膝关节图像质量明显优于3.0T MRI图像质量。