0 前言

       脊柱复杂疾病的治疗常常需要采用脊柱重建术，术后的影像学评估对于及时发现手术并发症或者肿瘤的复发至关重要^{[1, 2, 3]}。MRI是观察脊柱复杂病变的理想影像学检查方式，然而金属伪影始终是影响术区观察的重要因素。近年来随着多种去伪影技术的发展，脊柱金属植入物的MRI效果得到进一步的改善^{[4, 5, 6]}。在脊柱重建术中，3D打印替代椎体具有良好的生物力学特性，在动物实验中成功诱导自身骨质再生，并可以根据患者情况个性化订制，因此正逐渐被临床广泛采用^{[7, 8]}。与传统钛网的中空结构相比，3D打印人工椎体具有较大的密度和体量^[9]。MRI去金属伪影技术是否可用于3D打印人工椎体脊柱重建术后成像，至今尚无研究报道。本研究旨在探究层面编码金属伪影校正结合视角倾斜（slice-encoding metal artifact corrections-view-angle tilting, SEMAC-VAT）技术在3D打印人工椎体脊柱重建术中的应用。

1 材料与方法

1.1 研究人群

       本研究为前瞻性研究，于2020年3月至2020年9月期间在北京大学第三医院招募了17名（男6名，女11名）3D打印椎体脊柱重建术后患者。纳入标准为：（1）患者为脊柱重建术后患者，使用了3D打印椎体替代物；（2）无MRI扫描禁忌证。排除标准为：患者一般情况较差，无法配合完成检查。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，并经北京大学第三医院医学伦理委员会批准，批准号：（2019）医伦审第（421-02）号，检查前患者均签署知情同意书。

1.2 金属椎体替代物

       本研究中3D打印椎体为根据每个患者实际情况订制，材质为钛合金（Ti6Al4V）。3D打印椎体使用计算机辅助设计（computer-aided design, CAD）工作站设计，经由瑞典爱康系统制造。图1示3D打印椎体一枚。

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图1  3D打印椎体上面（1A）、侧面观（1B）。
Fig. 1  The upper and lateral views of 3D-printed vertebral body.

1.3 MRI参数

       MRI扫描在北京大学第三医院进行，使用3 T西门子MAGNETOM Prisma扫描仪。采集序列包括：矢状位T2加权快速自旋回波（turbo-spin-echo, TSE）序列和矢状位T2加权SEMAC-VAT序列。由于比吸收率（specific absorption ratio, SAR）限制，重复时间、回波时间和翻转角度根据每个患者具体情况略有更改。参数列表详见表1。

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表1  T2加权TSE序列及SEMAC-VAT序列参数表
Tab. 1  MRI parameters of conventional T2 TSE imaging and T2 SEMAC-VAT imaging

1.4 图像分析

       两名分别具有3和4年骨肌影像诊断经验的医师进行了图像的评估，一名为主治医师，一名为副主任医师。所有的测量均使用PACS系统进行。定量分析由两名医师共同完成，半定量分析由两名医师独立完成。

1.4.1 定量分析

       定量分析方法在PARK等^[4]的研究方法基础上修改。（1）伪影前后、纵向直径测量：测量T2加权TSE序列及SEMAC-VAT序列图像中椎体及伪影的前后、纵向径，减去X线图像中椎体的前后、纵向径即得到T2加权TSE序列及SEMAC-VAT序列图像伪影相应直径（图2）。（2）测量金属替代椎体周围重要解剖结构的信号强度，并计算信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）。测量结构包括金属替代椎体紧邻的椎体、无金属固定物的椎体、椎管内脑脊液、脊髓或马尾。测量水平为椎体中线水平，相应感兴趣区（region of interest, ROI）如图2所示。SNR为ROI信号强度与空气信号强度的比值。（3）测量脊髓或马尾比椎管内脑脊液、无金属物椎体与有金属物椎体SNR的比值。

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图2  女，64岁，L3椎体置换术后金属替代椎体前后、纵向直径及周围重要解剖结构信号强度的测量。2A～2C：伪影前后、纵向直径测量，2A为T2加权常规快速自旋回波（TSE）序列图像，2B为层面编码金属伪影校正结合视角倾斜（SEMAC-VAT）序列图像，2C为X线图像；2D～2E：空心椭圆形示金属替代椎体周围重要解剖结构信号强度测量的感兴趣区，2D为T2加权TSE序列图像，2E为SEMAC-VAT序列图像，其中空心箭所指为无金属物椎体，空心三角所指为3D打印椎体相邻椎体，实心箭所指为脑脊液，实心三角所指为马尾。
Fig. 2  A 64-year-old woman with her vertebral body (VB) replaced with a 3D-printed VB due to plasmacytoma. The measurements of anterior-posterior and longitudinal diameters and signal intensity of main surrounding anatomical structures. Sagittal T2-weighted turbo-spin-echo (TSE) image (2A), sagittal T2-weighted slice-encoding metal artifact corrections-view-angle tilting (SEMAC-VAT) image (2B), and lateral X-ray image (2C) show measurements of the longitudinal and anterior-posterior diameters of the 3D-printed vertebral bodies (VBs). Sagittal T2-weighted TSE image (2D) and sagittal T2-weighted SEMAC-VAT image (2E) show the region of interests for the measurements of the signal intensity of the vertebral bodies adjacent to 3D-printed VB (black arrowheads), the non-fixated VBs (black arrows), the spinal cord (white arrowheads), and the cerebrospinal fluid (white arrows) within dural sac at the middle level of the 3D-printed VB.

1.4.2 半定量分析

       测定金属替代椎体周围关键解剖结构的可见度，包括椎间孔、神经根、骨与替代椎体交界处骨质以及椎管，分为四级。参考既往文献^[4]，由上述两名医师对解剖结构的可见度进行主观的半定量测评。1级：接近不可见；2级：可见区域＜50%；3级：可见区域≥50%且＜100%；4级：完全可见。可见度的测量以尽可能邻近金属替代椎体的解剖结构为准（图3）。

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图3  女，64岁，L3椎体置换术后金属替代椎体周围关键解剖结构的可见度的测量。3A：T2加权常规快速自旋回波（TSE）序列图像，椎管可见度为2级（实心箭）；3B：层面编码金属伪影校正结合视角倾斜（SEMAC-VAT）序列图像，椎管可见度为2级（实心箭）；3C：椎间孔层面T2加权TSE序列图像，L1～L2及L3～L5椎间孔及其内神经根（三角）可见度为2级，金属-椎体交界处（空心箭）可见度为2级；3D：SEMAC-VAT序列图像，L1～L2及L3～L5水平椎间孔及其内神经根（三角）可见度为3级，金属-椎体交界处（空心箭）可见度为3级。1级：接近不可见；2级：可见区域＜50%；3级：可见区域≥50%且＜100%；4级：完全可见。
Fig. 3  A 64-year-old woman with her vertebral body (VB) replaced with a 3D-printed VB due to plasmacytoma. Measurements of the visibility of main anatomical structures surrounding the metal vertebral body. Sagittal T2-weighted turbo spin echo (TSE) image (3A) and slice-encoding metal artifact corrections-view-angle tilting (SEMAC-VAT) image (3B) both show a grade 2 visibility of the spinal canal (arrow) at the L3 level. Sagittal T2-weighted TSE image (3C) shows a grade 2 visibility of the L1-L2 and L3- L5 neural foramen and nerve roots (arrowheads). SEMAC-VAT image (3D) shows improvement in the visibility (grade 3) of the L1-L2 and L3-L5 neural foramen and nerve roots (arrowheads). Grade 1: nearly invisible; grade 2: visible area＜50%; grade 3: visible area≥50% and＜100%; grade 4: completely visible.

1.4.3 统计学分析

       统计分析采用SPSS 26.0软件。伪影大小与解剖结构SNR的对比采用成对t样本检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。金属替代椎体周围关键解剖结构可见度的对比采用Wilcoxon秩和检验，多重对比采用Bonferroni校正，校正后P＜0.01为差异具有统计学意义。观察者间一致性采用Kappa检验，判定标准如下：当Kappa值位于0～0.20之间，判定低一致性；当Kappa值位于0.21～0.40之间，判定为较低一致性；当Kappa值位于0.41～0.60之间，判定为较中等一致性；当Kappa值位于0.61～0.80之间，判定为较高一致性；当Kappa值位于0.81～1.00之间，判定为高一致性。

2 结果

       患者年龄为10～69（43.9±15.8）岁。17名患者使用3D打印椎体作为椎体替代物。8名患者手术部位位于颈椎，3名位于胸椎，1名位于胸腰椎，5名位于腰椎。替代椎体数量为（1.8±1.2）节。17名患者均为病理确认的脊柱肿瘤术后患者。

2.1 定量分析

       SEMAC-VAT序列图像中的3D打印椎体的纵向[（4.8±6.3）mm vs.（15.4±14.5）mm，P＜0.01]及前后[（3.1±7.5）mm vs.（9.0±9.1）mm，P＜0.01]伪影小于TSE序列（图4）。

       在SEMAC-VAT序列图像中，椎体替代物邻近椎体，无固定物椎体，椎管内脑脊液以及脊髓或马尾的SNR均低于TSE序列（表2）。

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图4  3D打印人工椎体金属伪影前后及纵向直径在常规快速自旋回波（TSE）序列及层面编码金属伪影校正结合视角倾斜（SEMAC-VAT）序列中的对比。
Fig. 4  Comparisons of anterior-posterior (P＜0.01) and longitudinal (P＜0.01) diameters of metal artifacts between conventional T2 turbo spin echo (TSE) images and slice-encoding metal artifact corrections-view-angle tilting (SEMAC-VAT) images.

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表2  TSE及SEMAC-VAT序列图像中3D打印椎体替代物周围解剖结构信噪比的对比
Tab. 2  Comparisons of SNRs and SNR ratios between conventional TSE and SEMAC-VAT images

2.2 半定量分析

       在所有金属替代椎体周围关键解剖结构中，椎间孔、神经根、骨-金属交界的可见度在SEMAC-VAT序列中均有显著改善（表3，图3）。椎管在SEMAC-VAT序列中的可见度与TSE序列相当，无显著差异。表4列出了医师间可见度测量值一致性检验Kappa值以及同一医师不同时间重复测量一致性检验Kappa值，结果位于0.636～1.000之间，判定为具有较高一致性。

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表3  TSE与SEMAC-VAT成像下金属替代椎体周围关键解剖结构可见度的对比
Tab. 3  Comparison of visibilities between conventional TSE and SEMAC-VAT imaging

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表4  医师间及同一医师不同时间重复测量可见度一致性检验Kappa值
Tab. 4  Kappa values between two observers' visibility measurements and between repeated visibility measurements

3 讨论

       本研究采用前瞻性设计，探索SEMAC-VAT技术在脊柱3D打印椎体替换术后患者中对3D打印金属椎体周围伪影减小的效果。因该手术技术难度较高，在国内外开展有限，国内外尚无类似研究。本研究发现SEMAC-VAT技术可以有效地减小3D打印椎体金属伪影的大小。金属替代椎体周围解剖结构的SNR会有所下降，但是椎体周围关键解剖结构的可见度大部分有所提升。研究结果表明在脊柱3D打印椎体替换术后患者中使用SEMAC-VAT技术进行术后随访成像，有助于改善术区关键解剖结构的可见度，从而有可能提高术后MRI的诊断效能。

3.1 本研究与既往研究的异同

       以往研究表明，CT及MRI去伪影技术可成功用于脊柱内固定术后影像评估^{[6,10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]}。WANDERMAN等^[18]的研究表明，在椎体融合术后患者中使用CT去伪影技术，可有效改善术区椎体的成像。KIM等^[19]发现MRI金属去伪影技术可以有效改善脊柱椎间盘置换术后术区解剖结构的成像。一项针对颈椎椎间盘置换术的研究发现，MRI去伪影技术可以有效改善术区解剖结构的观察^[20]。一项病例报道表明SEMAC技术可以改善脊柱术区软组织病变的观察^[21]。新一代低场强MRI结合SEMAC-VAT技术与传统1.5 T MRI检查相比，去金属伪影效果更好^[22]。然而目前的研究多集中于常见的脊柱融合术或椎间盘置换术后成像，由于椎体置换术难度较高而开展较少，目前尚无研究针对椎体置换术中减少金属伪影的成像方法进行研究。而在椎体置换术中，金属置换椎体本身体积较大、形态各异，对使用传统MRI时的术区成像影响很大。3D打印人工椎体基于CT薄层图像进行设计，由连续多层金属网状结构重叠融合铸成，网状结构空隙非常小，约300～600 mm^[23]。其结构较为致密，金属含量较多，但是其大体形态较规整，多为柱状，边缘光整。而在常见的脊柱融合术中，金属物多为螺钉和固定棒，金属体积较小，金属的主轴方向与3D打印人工椎体不同。SEMAC技术通过在层面选择方向（Z轴）上施加相位编码梯度磁场，进行附加Z轴相位编码，从而对原子核进行正确的层面定位，发现并记录每一个错误定位的原子核。在后处理中通过对其进行校正，来修复层面间形变。并需要与VAT结合使用来消除层面内伪影^[24]。VAT技术的原理为在常规读出梯度上，同时附加一个额外的层面选择梯度，从而造成读出方向的倾斜，相当于从一个倾斜的角度来观察激发层面，这样激发层面内的伪影可以被消除^[25]。因此金属物的体积、金属含量及主轴方向均对SEMAC-VAT去伪影技术的效果有较大的影响。因而去金属伪影技术在3D打印椎体置换术后患者中的应用与普通脊柱融合术或椎间盘置换术有较大差异。本研究发现尽管金属含量及体积较大，3D打印椎体在SEMAC-VAT成像技术中去伪影效果较好，其原因可能有很多，其中一点可能是由于人工椎体在体内的长轴与脊柱一致，平行于扫描时主磁场的方向，既往研究显示金属物长轴平行于主磁场方向时，SEMAC-VAT去伪影效果较好。此外，由于3D打印人工椎体主要采用钛合金材质，磁敏感度较其他金属材质低，也可能是成像效果较好的原因之一^{[26, 27]}。

3.2 临床意义

       在比较复杂的脊柱病变中，椎体替代脊柱重建术较常使用。术后影像学评估对早期发现并发症有十分关键的作用。X线和CT可以较好地显示术区骨质结构的改变，对植入物松动或断裂的诊断有较高的准确度，但是对软组织的分辨率很低，不便于观察术区感染、椎管内结构粘连、椎间盘改变或者术区肿瘤的复发。MRI是脊柱复杂病变成像的最优检查方法，但是由于金属伪影的干扰，其应用在临床中受到较大限制。尤其是3 T MRI，其图像质量很高，具有高清晰度、高SNR的特点，但由于其场强是1.5 T MRI的两倍，相应地金属伪影严重程度也成倍于1.5 T MRI。

       在本研究中，所有患者均为行椎体置换术的脊柱肿瘤患者，对这类患者的术后影像学评估如果没有及时发现手术并发症或者肿瘤的复发，会影响患者生存时间，甚至很快危及生命。在术后放疗中，金属伪影也对放疗的定位有直接的影像，从而影响治疗效果^{[28, 29]}。在术后患者中，如后续需要对术区新发病变进行穿刺，去金属伪影可以为穿刺导航提供直接的帮助^[30]。本研究显示SEMAC-VAT成像中脊髓与椎管内脑脊液信号强度的对比度并没有显著减低。在临床实践中，椎管内结构的辨认主要依靠这一对比度。另外从成像图像来看，由于伪影面积显著缩小，周围结构能得以显示，图像可提供的信息对比去金属伪影前显著增多。

       我们的研究也发现在传统TSE序列中椎管的形变严重。SEMAC-VAT序列中椎管可见度与TSE序列相当，但是形变程度减低（图3）。在实际工作中我们注意到椎管的形变会严重影响诊断，尤其是形变的椎管壁易与椎间盘结构或椎管内其他结构相混淆。对椎管形变的校正可以有效地辅助临床诊断工作。

3.3 不足及展望

       首先，由于接受3D打印人工椎体脊柱重建术的患者较少，该研究未能收集到更多的研究病例，但是本研究的研究结果已表明SEMAC-VAT技术的效果，今后如能收集到更多病例，可以针对不同部位、不同类型肿瘤的患者进行分组研究，探索不同组之间SEMAC-VAT技术的应用效果有无异同。其次，截止本文完成前，本研究收集的病例尚无术后并发症以及肿瘤术后复发的情况出现，本研究无法直接评估SEMAC-VAT技术对术后并发症及肿瘤术后复发诊断结果的改善，但是通过对金属伪影大小以及周围关键解剖结构可见度的评估，本研究已表明SEMAC-VAT对临床诊断的辅助改善作用。在今后的研究中，可收集更多的病例并进行长时间的随访，从而直接探索SEMAC-VAT对术后并发症及肿瘤术后复发的诊断结果的改善。

4 结论

       综上所述，在3D打印人工椎体脊柱重建术后患者中，相较于传统TSE技术，SEMAC-VAT技术的使用可以有效减少金属伪影的大小并改善术区大部分关键解剖结构的可见度，可以为影像学评估提供更加全面、准确的信息，有助于提高术后MRI的诊断效能。