0 前言

       踝关节是由胫、腓骨远端、距骨及多组韧带共同构成的榫眼关节，为人体主要的承重关节，在日常活动中踝关节外侧韧带复合体易于损伤，其中以距腓前韧带（anterior talofibular ligament, ATFL）损伤最为常见，约占踝关节损伤的80%^{[1, 2]}。ATFL损伤常影响踝关节功能，产生反复疼痛、扭伤，致病情迁延不愈，因此早期准确诊断尤为重要。

       目前MRI为诊断ATFL损伤最准确的成像方法^[3]，吴关等^[4]研究认为其准确率可达89.7%，鉴于踝关节解剖结构复杂，MRI对ATFL的评估通常较为复杂，需要具有高空间分辨率的三维（three-dimensional, 3D）成像、薄层成像以及多平面重组（mulitplanar reformation, MPR）成像^[5]。XU等^[6]研究认为3D MRI诊断ATFL损伤的特异度为97%至100%，准确度为82%至100%。但3D MRI扫描过程中先通过一个带宽较大的硬脉冲激发整个成像范围，再在三个方向的梯度进行空间编码，因此扫描时间长，患者由于疼痛常无法忍受导致运动伪影增加，所以未能在临床普及。压缩感知（compressed sensing, CS）是一种新兴的MRI快速成像技术，它基于从K空间数据的欠采样重建图像，改变传统奈奎斯特采样技术，采用数字化随机稀疏采样技术及迭代重建，可同时保证图像质量及缩短扫描时间，为临床诊疗工作带来质的飞跃^{[7, 8]}。既往研究发现将压缩感知技术应用于踝关节二维（two-dimensional, 2D）成像，可以在保证图像质量的同时有效缩短扫描时间，但未探讨其在3D成像及不同加速因子方面的应用^{[9, 10]}。此外，国内外研究显示CS技术联合3D扫描已初步应用于临床研究探索，但局限于腹部、脑血管及心脏、膝关节等方面^{[11, 12, 13]}，目前关于其在踝关节扫描方面的应用报道较少。本研究为国内外首次将CS技术联合3D MRI技术应用于踝关节，同时探讨不同加速因子对图像质量的影响，通过对比CS-3D踝关节MRI和常规踝关节MRI图像质量，探讨该技术显示ATFL的可行性、寻找最佳的成像加速因子。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究为前瞻性研究，遵守《赫尔辛基宣言》，经阜阳市人民医院伦理委员会批准，批准文号：医伦理审查[2021]56号，全体受试者均签署了知情同意书。2021年1月至8月期间在阜阳市人民医院招募志愿者。纳入标准：（1）完成3.0 T MRI常规踝关节扫描和CS-3D踝关节扫描；（2）踝部发育正常，既往无骨折、手术史。排除标准：（1）ATFL陈旧性撕裂者；（2）图像质量不佳，无法显示者；（3）MRI扫描禁忌证者。最终纳入40名志愿者，男21名，女19名，年龄19～40（25.10±6.04）岁。

1.2 仪器与方法

       本研究采用Philips Ingenia CX 3.0 T MRI扫描仪（荷兰皇家飞利浦公司，荷兰），踝关节专业8通道线圈（Philips Ingenia CX，荷兰皇家飞利浦公司，荷兰）。所有受检者取仰卧位，足先进，踝关节置于线圈中央，脚掌平面垂直于扫描床，进行常规踝关节轴位扫描时，定位线平行于ATFL（与踝关节轴面成15°～20°角）。常规踝关节扫描序列及参数：矢状位、冠状位及轴位脂肪抑制质子密度加权图像（fat saturation proton density-weighted imaging, fsPDWI）序列，TR 3600 ms，TE 30 ms，FOV 140 mm×140 mm，体素0.6 mm×0.6 mm×4.0 mm，层厚4 mm；CS-3D踝关节扫描序列及参数：矢状位T2加权频率衰减反转恢复（T2 weighted imaging-spectral attenuated in-version recovery, T2WI-SPAIR）序列，TR 1500 ms，TE 231 ms，3D-FOV 160 mm×160 mm，体素0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm，层厚0.8 mm。40例志愿者均行常规踝关节扫描及CS-3D踝关节扫描。基于前期研究及设备序列模型，将CS踝关节压缩倍数分别设置为4倍、6倍、8倍，共获得4组图像，分别为常规组、CS-4组、CS-6组及CS-8组图像。

1.3 图像评估方法与标准

       采用主观及客观两种评价方式对所有MRI图像进行分析，评价ATFL显示质量，对四种扫描方式的显示效果进行评估。

       客观评价：由1名具有5年影像诊断经验的住院医师在对成像参数不知情的情况下对图像进行定量分析，选取ATFL显示最佳层面绘制感兴趣区（region of interest, ROI）（图1），计算该层面信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和对比噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR）。信号强度（signal intensity, SI）测量方法：测量ATFL ROI的SI（SI距腓前韧带）、同层面肌肉SI（SI肌肉）及周围空气平均噪声的标准差（standard deviation, SD），每个区域测量两次，取平均值。计算公式如下：SNR=SI距腓前韧带/SD，CNR=（SI肌肉-SI距腓前韧带）/SD。

       主观评价：由另外两位高年资放射诊断医师（分别为具有13年与10年影像诊断经验的副主任医师）对图像进行独立诊断分析，评估ATFL的显示效果。根据ATFL的模糊程度，起、止点显示，区分周围组织及SNR将ATFL的显示效果由低到高分为1～3级，标准如下：1级，ATFL显示模糊，三维重建无法显示韧带起、止点，与周围组织结构信号差异小，SNR较低；2级，ATFL显示较清晰，可显示韧带全长，起、止点显示稍模糊，与周围组织结构信号差异较大，SNR尚可；3级，ATFL全长及起、止点显示清晰，与周围组织结构信号差异大，SNR较高。

点击查看大图

图1  客观评价感兴趣区测量示意图。图中红色圆圈为距腓前韧带信号强度测量区域，黄色圆圈为同层面肌肉信号测量区域，绿色圆圈为周围空气噪声信号强度测量区域。
图2  男，19岁，距腓前韧带常规及压缩感知（CS）序列的MRI图像及主观评分。右下角为距腓前韧带局部放大图，图中红色箭头示距腓前韧带起点，蓝色箭头为止点。2A、2C：常规组、CS-6组图像示距腓前韧带全长可见，起、止点稍模糊，显示效果评级2级；2B：CS-4组图像示距腓前韧带全长，起、止点显示清晰，显示效果评级3级；2D：CS-8组图像示距腓前韧带起、止点显示不清，与周围组织分辨欠清，显示效果评级1级。
Fig. 1  Schematic representation of measurement of the region of interest for objective evaluation. In the figure, the red circle is the measurement area of the anterior talofibular ligament (ATFL) signal intensity, the yellow circle is the measurement area of the muscle signal intensity at the same level, and the green circle is the measurement area of the surrounding air noise signal intensity.
Fig. 2  Male, 19 years old, MRI images and subjective scores of conventional sequences and compressed sensing (CS) sequences of the ATFL. The lower right corner is a partial enlarged drawing of the ATFL, in which the red arrow indicates the starting point of the ATFL and the blue arrow indicates the ending point. 2A, 2C: The images of the conventional group and CS-6 group show that the full length of the ATFL is visible, and the starting and ending points are slightly blurred, and the display effect is rated as level 2; 2B: Group CS-4 images show the full length of the ATFL, the starting and ending points are clearly displayed, and the display effect is rated as level 3; 2D: The images of CS-8 group show that the origin and insertion of the ATFL are not clearly displayed, and the differentiation from the surrounding tissues is not clear, and the display effect is rated as level 1.

1.4 统计学分析

       采用SPSS 20.0软件进行统计分析。4组图像的SNR、CNR客观评价采用单因素方差分析，以P＜0.05为差异有统计学意义；组间两两比较采用Bonferroni法调整α水平，校正后的检验水准α=0.008，故以P＜0.008为差异有统计学意义。采用加权Kappa系数对两位诊断医生之间主观评价结果进行一致性分析，Kappa系数值＜0.2则说明一致性程度较差；0.20～0.40之间说明一致性程度一般；0.41～0.60之间说明一致性程度中等；0.61～0.80之间说明一致性程度较强；0.81～1.00之间说明一致性程度强。4组图像的SNR、CNR主观评价采用Wilcoxon符号秩和检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 客观评价结果

       4组踝关节图像间的SNR和CNR值差异有统计学意义（P＜0.05）；进一步组间两两比较，CS-4组和常规组间、CS-8组和常规组间的SNR、CNR值差异有统计学意义（P＜0.008），CS-6组和常规组间的SNR、CNR值差异无统计学意义（P＞0.008），详见表1、2。常规组横、冠、矢三个方位fsPDWI序列扫描时间分别为2 min 24 s、2 min 38 s、2 min 36 s，总时间为7 min 38 s；CS-4组、CS-6组、CS-8组矢状位T2WI-SPAIR序列扫描时间分别为6 min 26 s、4 min 20 s、3 min 14 s；CS-4组、CS-6组、CS-8组扫描时间较常规组总时间分别缩短约16%、43%、58%。

点击查看表格

表1  40名志愿者4组图像比较结果
Tab. 1  Comparison results of 4 groups of images of 40 volunteers

点击查看表格

表2  4组踝关节图像SNR、CNR两两比较P值
Tab. 2  P-values of SNR and CNR in ankle joint images of 4 groups were pairwise compared

2.2 主观评价结果

       两位诊断医生对图像质量的主观评价具有较高的一致性（k=0.913，P＜0.001）（表3），CS-8组评分最低，CS-4组、CS-6组与常规组评分接近。取2名诊断医生对CS组和常规组图像主观评分进行Wilcoxon符号秩和检验，结果显示：CS-4、CS-6组与常规组图像质量评分差异均无统计学意义（Z=1.417、1.414，P=0.155、0.157），CS-8组与常规组图像质量评分差异有统计学意义（Z=3.771，P＜0.001）（图2）。

点击查看表格

表3  两名医师主观评分结果一致性比较
Tab. 3  Consistency comparison of subjective scoring results of two physicians

3 讨论

       本研究将CS联合3D MRI技术应用于踝关节扫描，比较不同加速因子的CS-3D MRI与常规MRI的图像质量及扫描速度，并通过主、客观分析对图像质量进行评价，评估ATFL的显示效果。研究显示当加速因子为6时，图像质量与常规扫描无明显差异，但扫描时间约缩短43%。本研究发现采用CS技术的3D MRI应用于踝关节扫描相较于传统MRI可在保证图像质量的情况下明显缩短扫描时间，优化临床诊疗工作，为常规检查应用中CS加速因子的选择提供一定的参考意义。

3.1 CS技术联合3D MRI与传统3D MRI相关性分析

       3D MRI薄层的分割能力和MPR能力消除了相关的部分体积效应，非常适合脚踝周围多个倾斜和弯曲结构的可视化^[14]，但传统3D MRI扫描采用奈奎斯特采样方法，采样方式时间长、效率低。而CS技术使用非线性重建来避免欠采样伪影，快速获得高质量的CS图像，其应用的前提条件是图像本身满足稀疏性、信号采样满足随机性及迭代重建^{[15, 16]}。本研究所选择3D踝关节成像的层面编码和相位编码均可以实现亚采样，即CS采样矩阵是3D的，比2D成像的采样矩阵高出一个维度。

       YI等^[17]将CS及并行成像（parallel imaging, PI）应用于3D MRI踝关节扫描，发现加入CS的各向同性3D踝关节MRI提供了可接受的诊断性能，同时减少了扫描时间，但其未比较不同加速因子对于图像质量的影响。本研究利用CS采用的加速因子系数设置4组图像，比较不同加速因子对于图像质量的影响，从而获得在满足图像诊断的同时最快的加速倍数。随着加速因子系数的增加，扫描时间大幅缩短，但由于K空间欠采样，部分数据丢失，会导致图像模糊或图像细节特征丢失^[18]，因此需找到一个保证图像质量的同时能够最快完成扫描的加速倍数。CS-4组与常规组相比，采用薄层扫描，客观评价图像质量有一定提升，扫描时间较常规组总时间缩短约16%，但主观评价二者之间则无明显差异；而当加速倍数为6时，图像质量与常规扫描主客观平均结果无明显差异，扫描时间减少约43%，说明CS-4组的图像质量已可以满足日常诊断需要；当加速倍数为8时，虽然扫描时间进一步减少约58%，但图像噪声随之增加，图像细节特征显示欠佳，临床诊断价值较小。本组数据客观评价与主观评价结果稍有差别，但由于CS技术采用非线性重建，CS-MRI图像不宜采用传统的SNR测量评价，主观评价则对于此类图像有更重要临床指导意义^[19]，因此，当加速因子为6时，可以获得图像质量和扫描速度的双赢。

3.2 CS技术联合3D MRI与CS技术联合2D MRI评价ATFL相关性分析

       常规MRI踝关节2D快速自旋回波（turbo spin echo, TSE）序列通常会采用横断、冠、矢三方位采集，结合压脂和不压脂序列进行对比诊断^[9]，本研究对比了几组图像，常规组完成三个fsPDWI序列扫描总时间约为7 min 38 s，为2D成像，图像不利于多方位观察解剖结构，部分图像无法完全显示ATFL，整体扫描时间较长，且易出现运动伪影，但图像分辨率较高。杜雪婷等^[10]将CS技术应用于2D MRI踝关节扫描，相较于传统MRI大大缩短了扫描时间，进行横断、冠、矢三个方位的扫描总时间为5 min 2 s。ATFL在横断面上显示最佳，但由于其在解剖上向前下内侧走行，2D MRI横轴位扫描平行于胫距关节，有时无法完全显示其全长，且ATFL较细小（宽约6～8 mm、厚约2～2.5 mm），常规MRI扫描层厚约3～4 mm，常产生部分容积效应，因此易导致误诊或漏诊。近年来虽有研究^[20]认为斜轴位MRI扫描可以更好地显示ATFL，但部分ATFL发育细小或走形不规则的患者ATFL仍然显示欠佳。目前国内外研究^{[21, 22, 23]}认为3D MRI检查在肌腱韧带等图像质量的评估上优于2D MRI，但检查时间较长，患者检查过程中顺应性较差，影响诊断结果。而CS技术联合3D MRI则可解决上述问题，首先，相较于2D MRI可多方位扫描，可根据诊断需求随意调整图像角度，更加易于显示ATFL，降低漏诊、误诊概率，具有较高的诊断效能；其次，由于CS技术的应用，3D MRI在加速因子为6时，可获得图像质量与速度的双赢，此时扫描时间约4 min 20 s。可以发现CS技术联合3D MRI较CS技术联合2D MRI在图像质量与速度上都得到了提升。

3.3 局限性

       本研究存在以下局限性：第一，样本量较小，在后续研究中将进一步扩充样本量；第二：设置加速因子的跨度较大，因此加速因子可能推荐不够精准，未来将在此加速因子的基础上缩小跨度并进一步探索；第三，本组志愿者ATFL不存在病理改变，在ATFL损伤患者中是否仍然适用，笔者将进行下一步探索。

       综上所述，CS-3D踝关节MRI可根据诊断需求进行多方位薄层重建，对于ATFL的显示具有重要的临床意义，同时可大幅缩短扫描时间，当加速因子越大时，扫描时间越短，但随着加速因子的增大，由于CS技术的K空间欠采样，导致数据丢失变多，图像质量降低，影响病变的诊断。当加速因子为6时，在图像质量不影响临床诊断的同时，CS-3D踝关节MRI完成矢状位T2WI-SPAIR序列的扫描时间较常规踝关节MRI横、冠、矢三个方位fsPDWI序列的总扫描时间缩短了约43%，提示未来CS技术在3D踝关节扫描的应用中，可以首选CS-6。