0 引言

       随着脊柱疾病患者的增多，接受脊柱金属植入物手术治疗的患者日益增加。更多的脊柱疾病，包括退行性疾病和与创伤有关的疾病，可以通过手术干预和金属植入物来治疗^[1]。脊柱术后的影像学诊断对于及时发现术后并发症或者肿瘤的复发至关重要。相比于其他影像学检查方式，MRI具有许多优势，能够提供关于椎体、椎间盘以及椎管等组织结构更多的细节信息^[2]，并且MRI具有出色的软组织对比度，同时不含电离辐射，从而受到广泛运用^{[3, 4, 5]}。然而，金属植入物会产生金属伪影，进而导致图像信号丢失或累积、图像几何形状失真，影响MRI的图像质量，并且容易降低诊断医师对金属植入物周围解剖结构和病变评估的准确率^[6]。因此，一些去金属伪影序列，如层面编码金属伪影校正技术（slice-encoding metal artifact correction, SEMAC）、高带宽序列（high bandwidth, HBW）等技术被研发出来应用于减低金属伪影^{[7, 8, 9]}。但与常规序列相比，去金属伪影序列扫描时间一般较长，限制了在实际临床扫描中的普遍应用。相关研究表明，压缩感知（compressed sensing, CS）结合SEMAC技术与原来的SEMAC技术相比，可以大大缩短扫描时间^{[10, 11]}。目前关于压缩感知结合层面编码金属伪影校正技术（compressed sensing-slice-encoding metal artifact correction, CS-SEMAC）序列的研究多集中在四肢大关节^{[12, 13]}，对脊柱金属植入物MRI研究较少^[14]，且在图像质量评价方面缺乏对脂肪抑制均匀性以及植入物周围解剖结构的可见性的评估，针对CS-SEMAC技术是否能提高脊柱金属植入物术后MRI图像质量还需进一步探索。本研究旨在探讨CS-SEMAC技术用于脊柱金属植入物术后MRI的应用价值，比较与HBW、水脂分离（Dixon）技术在脊柱金属植入物术后MRI检查的优劣，从而确定最佳去金属伪影技术，为临床医师提高诊断信心、加快诊疗速度提供有力的支持。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究为前瞻性研究，选取2023年8月至2024年2月于南京医科大学第一附属医院因脊柱病变行脊柱金属内固定术且需做MRI检查的患者。纳入标准：（1）患者为脊柱金属内固定术后患者（钛或钛合金植入物）；（2）愿意接受MRI扫描且无MRI检查禁忌证。排除标准：（1）身体疼痛等原因不能坚持完成MRI检查；（2）图像运动伪影加重，无法配合完成检查的患者。共有35例患者纳入本研究。其中男14例，女21例，年龄32~80（60±8）岁；颈椎内固定术5例，腰椎内固定术30例。本研究遵守《赫尔辛基宣言》并经南京医科大学第一附属医院伦理委员会批准（批准文号：2023-SR-700），所有受试者均已签署了知情同意书。

1.2 MRI扫描方法

       采用3.0 T MAGNETOM Vida（Siemens Healthcare，Erlangen, Germany）超导MRI扫描仪，线圈采用20通道头颈联合线圈及全脊柱32通道相控阵线圈（腰椎外加18通道腹部线圈包绕）。扫描序列分两组：一组为矢状位T1权重上T1WI-CS-SEMAC、T1WI-HBW、T1WI-Dixon三种序列；另一组为T2抑脂矢状位T2WI-tirm-CS-SEMAC、T2WI-tirm-HBW、T2WI-Dixon三种序列。扫描序列的具体参数见表1。

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表1  T1、T2权重上六种序列磁共振成像参数
Tab. 1  Magnetic resonance imaging parameters of six sequences on T1 and T2 weights

1.3 图像处理和评价

       由2名具有5年以上影像诊断经验的主治医师在西门子后处理工作站（Syngo Via VB40B版本）进行图像测量、分析及评估，主要包括植入物金属伪影面积与信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）的测量、图像清晰度、脂肪抑制效果以及评价植入物周围解剖结构的可见性的评估。

1.3.1 定量评价

       金属伪影面积的测量：由上述1名医师对同一患者各个序列相匹配的矢状位金属螺钉椎间孔层面图像测量两次，手动勾画感兴趣区（region of interest, ROI），测量金属伪影的面积，包括信号缺失所形成的暗区、信号堆积所形成的亮区及金属植入物周围的几何失真区域^{[15, 16]}（图1）。

       图像SNR的测量：选取图像正中矢状面，分别在金属植入物相邻上方椎体中心和同层面背景噪声区域设置ROI，ROI大小及形状一致，测量信号强度的平均值及其标准差（图1）。其中，由于并行成像和迭代图像重建算法可能会导致MRI图像中的非线性噪声分布，我们把每个序列不同层面的图像区域噪声进行平均测量。SNR是指图像中组织信号强度与背景噪声强度的比值^[17]。

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图1  手工绘制的感兴趣区（ROI），包括信号空洞、信号堆积和几何失真区（1A）、椎体信噪比的测量示意图（1B）。
Fig. 1  Hand-drawn regions of interest（ROI）, including signal voids, signal buildup, geometric distortion regions, and measurements of vertebral signal-to-noise ratios.

1.3.2 定性评价

       图像质量和伪影抑制效果评分：参照既往研究^[18]对总体图像质量进行5级法评分，1分为图像质量差，伪影严重，不能诊断；2分为伪影明显，对诊断有较大影响；3分为图像质量较好，有轻度伪影，对诊断影响较小；4分为图像质量良好，不影响诊断，部分解剖结构显示稍模糊；5分为图像质量优秀，解剖结构显示清晰。采用4级评分评估价图像清晰度^[19]，1分为有严重模糊和噪声，不能进行临床诊断；2分为中度模糊和噪声，清晰度较低，临床诊断使用有限；3分为轻度模糊和噪声，清晰度一般，不影响临床诊断；4为图像清晰，无模糊和噪声。用4级评分评价脂肪抑制作用^[2]，1分为各个层面的影像上均呈现显著的脂肪高信号；2分为多数层面的影像上呈现显著的脂肪高信号；3分为少部分层面的影像上呈现少量脂肪高信号；4分为各个层面的影像脂肪信号均得到抑制。

       植入物周围解剖结构可见性的评分，包括椎体、椎弓根、椎间神经孔、神经根在螺钉界面的可见度，参考既往研究^[20]分为五级：0分为完全不可见；1分为可见面积小于解剖结构的25%；2分为可见面积在25%~50%之间；3分为可见面积在>50%~75%之间；4分为可见面积大于预期面积的75%，但轻微受金属伪影影响；5分为完全可见。

1．4 统计学分析

       采用SPSS 26.0统计学软件进行数据分析，计量资料以均数±标准差表示；等级资料以中位数（上、下四分位数）表示。三种序列间金属伪影面积与SNR的比较采用ANOVA单因素方差分析，事后分析采用Bonferroni校正法，P<0.05表示差异具有统计学意义。使用Friedman检验评估图像质量、图像清晰度、脂肪抑制效果以及植入物周围解剖结构可见性，成对比较显著性值采用Bonferroni校正法校正，P<0.05表示差异具有统计学意义。观察者间一致性评估采用Kappa检验，Kappa值≥0.80为一致性好，0.60<Kappa值<0.80为一致性较好，0.40<Kappa值≤0.60为中度一致性，Kappa值≤0.40为一致性差^[21]。

2 结果

2.1 金属伪影面积比较

       CS-SEMAC在T1、T2权重图像上金属伪影面积分别为（15.45±6.84）、（22.23±9.76）cm²（图2、图3），显著低于其他两种序列在T1和T2上的金属伪影面积，差异具有统计学意义（P<0.001）（表2）。HBW序列和Dixon序列相比，在T1、T2上金属伪影面积差异无统计学意义（P>0.05）。

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图2  45岁女性患者腰椎术后MRI图像。2A~2C分别显示的是在T1权重上HBW、Dixon、CS-SEMAC三种序列矢状位相同层面的图像；2D~2F分别显示的是在T2抑脂上HBW、Dixon、CS-SEMAC三种序列矢状位相同层面的图像，矢状位相同层面示CS-SEMAC序列（2C、2F）金属内固定伪影面积较HBW序列（2A、2D）和Dixon序列（2B、2E）明显减小。HBW：高带宽序列；Dixon：水脂分离序列；CS-SEMAC：压缩感知结合层面编码金属伪影校正技术。
Fig. 2  The postoperative MRI images of the lumbar spine in a 45-year-old female patient demonstrate consistent sagittal positioning across three sequences: HBW, Dixon, and CS-SEMAC on T1 weights (2A-2C) and T2 fat suppression (2D-2F). The CS-SEMAC sequences (2C, 2F) exhibit significantly reduced intra-metallic fixation artifacts compared to the HBW sequences (2A, 2D) and the Dixon sequences (2B, 2E). HBW: high bandwidth; Dixon: water-fat separation; CS-SEMAC: compressed sensing-slice-encoding metal artifact correction.

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图3  箱式图显示HBW、Dixon、CS-SEMAC三种序列分别在T1（3A）和T2抑脂（3B）上金属伪影面积的差别，CS-SEMAC序列在T1和T2抑脂图像上金属伪影面积的平均值均显著小于其他两个序列。HBW：高带宽序列；Dixon：水脂分离序列；CS-SEMAC：压缩感知结合层面编码金属伪影校正技术。
Fig. 3  Box plots show the difference in metal artifact area on T1 (3A) and T2 lipid suppression (3B) for the three sequences HBW, Dixon, and CS-SEMAC, respectively, with the mean value of metal artifact area on T1 and T2 lipid suppression images for the CS-SEMAC sequence being significantly smaller than that for the other two sequences. HBW: high bandwidth; Dixon: water-fat separation; CS-SEMAC: compressed sensing-slice-encoding metal artifact correction.

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表2  不同序列图像上金属伪影面积比较
Tab. 2  Comparison of metal artifact areas in images of different sequences

2.2 图像SNR分析

       T2WI-tirm-CS-SEMAC、T2WI-tirm-HBW和T2WI- Dixon三个序列邻近椎体SNR分别为26.60±10.42、103.67±40.57、8.58±4.09，差异具有统计学意义（F=134.14，P<0.001）。Bonferroni校正两两比较显示，HBW序列椎体SNR显著高于其他两种序列；Dixon序列椎体SNR显著低于其他两种序列；CS-SEMAC序列椎体SNR低于HBW序列，高于Dixon序列，差异均有统计学意义（P<0.001）。

2.3 定性评价

       对两名诊断医师在T2WI-tirm-CS-SEMAC、T2WI-tirm-HBW和T2WI-Dixon这三个序列矢状位图像上关于总体图像质量、图像清晰度、脂肪抑制均匀性的评分以及植入物周围椎体、椎弓根、椎间孔和神经根的可见性评价进行Kappa一致性分析，Kappa值范围为0.634~0.821，两者一致性较好。在图像质量方面，T2抑脂序列上CS-SEMAC图像质量评分显著优于HBW和Dixon两个序列，差异有统计学意义（P<0.001）。在图像清晰度上，T2WI-tirm-CS-SEMAC序列图像清晰度评分低于其他两种序列，差异有统计学意义（P<0.001）。在脂肪抑制均匀性方面，T2WI-tirm-CS-SEMAC序列脂肪抑制效果评分显著优于另外两种序列，差异有统计学意义（P<0.001）（表3）。

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表3  T2权重上抑脂序列图像质量、图像清晰度以及脂肪抑制均匀性评价
Tab. 3  Evaluation of image quality, image clarity and fat suppression uniformity of lipid suppression sequences on T2 weights

2.4 植入物周围解剖结构的可见性评价

       三者比较，T1序列上，T1WI-CS-SEMAC序列更能清晰显示金属植入物周围椎体、椎弓根、椎间孔及神经根；T2抑脂序列上，T2WI-tirm-CS-SEMAC序列矢状位图像相比于其他两种序列更能清晰显示植入物周围椎体、椎弓根、椎间孔及神经根，同时T2WI-Dixon抑脂序列也能清晰显示椎间孔内神经根（表4、表5）。

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表4  T1序列上脊柱金属植入物周围解剖结构可见性评价
Tab. 4  Evaluation of anatomical structure visibility around spinal metal implants on T1 sequences

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表5  T2抑脂序列上脊柱金属植入物周围解剖结构可见性评价
Tab. 5  Evaluation of anatomical structure visibility around spinal metal implants on T2 lipid suppression sequences

3 讨论

       本研究为前瞻性研究，探讨CS-SEMAC技术用于脊柱金属植入物术后MRI的应用价值。目前，国内外针对CS-SEMAC技术对脊柱金属植入物研究应用还比较有限。本研究发现在T2抑脂序列中，CS-SEMAC序列较HBW序列在脊柱金属植入物邻近椎体上的SNR有所下降，图像比HBW和Dixon图像略模糊。但相比于HBW、Dixon技术，CS-SEMAC技术能够有效减少T1和T2抑脂图像上脊柱植入物周围的金属伪影的大小，同时，金属植入物周围关键解剖结构的可见度都有所提升，并且CS-SEMAC技术能显著提高T2抑脂序列的图像质量以及脂肪抑制效果。研究结果表明在脊柱金属植入物后患者中使用 CS-SEMAC技术对脊柱术后解剖结构的显示有一定优势，可以为后续影像诊断评估提供更加全面、准确的信息，从而有可能提高脊柱金属植入物术后MRI的诊断效能。

3.1 金属伪影形成以及相关去金属伪影技术

       在MRI检查中图像产生金属伪影，主要是因为金属植入物的磁化率与人体组织的磁化率存在巨大差异，从而导致局部磁场不均匀，引起原子核进动频率发生偏移^[22]，而频率变化可能会产生多种影响：（1）信号缺失；（2）错误的空间定位；（3）选择性饱和脉冲的失效^[11]。这些都会导致MRI图像信号丢失或信号堆积，造成被测层面的空间失真，同时也可能会造成脂肪抑制的失败，进而大大限制了MRI在金属植入部位的临床应用^{[23, 24]}。如何减少金属伪影、提高MRI图像质量是当前骨科手术后患者进行MRI检查的一个重要议题。即在颈椎、腰椎、膝关节和髋关节等不同部位使用金属植入物时，可以通过一些MRI去金属伪影技术，优化图像质量，满足临床诊断需求，避免造成漏诊误诊。

       随着影像技术的发展，已有很多去金属伪影技术被研发来减少植入物相关的伪影。首先，可以优化成像序列参数，比如使用较低的磁场强度、较短的回波时间、恢复自旋回波序列、较薄的切片、较小的体素、较大的矩阵尺寸、切换相位和读出方向、提高接收带宽^{[25, 26]}等。其中，HBW序列主要是将采集参数的带宽设置为高带宽，用来减少磁共振序列对磁场不均匀的敏感性，通过减少在读出编码方向体素间的信号失相位和几何位移来减少层面内变形，从而可以去除部分金属植入物伪影^[27]。Dixon技术由于其压脂方式对磁场均匀度要求低，所以能够减少金属植入物对图像产生的磁敏感伪影^[28]。除此之外，各家医疗公司还开发了特殊的MRI序列以减少伪影。SEMAC技术通过在层面选择方向（Z轴）上额外施加相位编码梯度磁场，进行附加Z轴相位编码，发现并记录每个错误定位的原子核，并在后处理中对其进行校正，来校正层面间伪影^{[29, 30]}，通常与视角倾斜（view angle tilting, VAT）技术结合使用来消除层面内与层面间的伪影^{[31, 32]}。然而，这些序列相比于常规序列存在着采集时间长、SNR降低等缺点。CS-SEMAC序列在SEMAC基础上运用了CS技术，可以大大缩短扫描时间。根据CS-SEMAC相关研究报道，CS-SEMAC序列的图像质量与SEMAC相当，但其扫描时间可以从SEMAC的10~12 min缩短为3~4 min，提高了临床检查效率，这是由于CS-SEMAC技术在SEMAC技术基础上进行优化，采用随机化稀疏采样，从而显著缩短采样时间^{[33, 34, 35]}，这与本研究结果一致。

3.2 CS-SEMAC技术用于脊柱金属植入物术后MRI的价值

       既往有很多研究都报道了CS-SEMAC技术关于金属植入物的应用价值^{[20, 21]}。例如在全踝关节置换术后MRI检查中，CS-SEMAC序列可以显著减少由于金属植入物存在产生的金属伪影，并且能更好地显示骨植入物界面、假体周围骨、肌腱和关节囊等组织结构，对患者的诊断治疗有积极作用^[12]。但目前关于CS-SEMAC序列研究主要是应用于髋关节^{[9, 36]}、膝关节^[13]和踝关节^[12]置换术后MRI，对脊柱应用目前还比较缺乏，仅有一篇相关文献研究报道了，且缺乏脂肪抑制均匀性的评估^[14]。因此，本研究以此为出发点，比较CS-SEMAC、Dixon和HBW三种序列应用于脊柱金属植入物术后患者MRI的检查效果，并确定最佳的去金属伪影技术。

       随着脊柱疾病患者的增多，脊柱金属植入手术也逐渐增加。术后的影像学评估对早期诊断术后并发症起着十分关键的作用。MRI相对于其他影像学检查方式，它能够提供关于椎体、椎间盘以及椎管等组织结构更多的细节信息，对软组织的分辨率较高，是诊断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，影像医师的诊断会受到很大的限制。本研究显示无论是在T1权重上还是T2抑脂序列上，CS-SEMAC序列相比于其余两种序列，都能有效减小金属伪影面积；在定性评估中，T2WI-tirm-CS-SEMAC序列关于图像质量与脂肪抑制效果评分也明显优于其他两种序列，且图像可提供的植入物周围解剖结构信息对比其他两种序列显著增多，可以为术后诊断评估提供更加全面、准确的信息，尽快发现并治疗并发症。另一方面，CS-SEMAC抑脂序列图像比HBW和Dixon图像略模糊，金属植入物邻近椎体的SNR相对T2WI-tirm-HBW序列有所降低，可能是因为CS-SEMAC算法在空间面元合并步骤中对可减轻的空间面元进行合并的结果，这一点也与之前相关的研究结果相仿^[2]。在扫描时间上，CS-SEMAC序列相比于其他两种序列时间有所延长，但尚在临床检查接受范围内。从此次研究结果来看，在脊柱金属植入物术后患者中使用 CS-SEMAC技术进行术后成像，可以有效减少植入物周围的金属伪影，提高T2抑脂成像的图像质量和脂肪抑制效果，并且有助于提高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。笔者建议在术后随访MRI中可以采用CS-SEMAC序列作为常规序列的补充。

3.3 本研究的不足

       本研究存在以下局限：首先，CS-SEMAC序列和Dixon、HBW序列图像存在差异，主观评分方面无法做到完全盲评，可能会出现评分偏倚；其次，由于本研究样本量较小，部分结果可能存在一定的偏移，为了得到更为可靠的统计结果，有待后续扩大样本量继续研究；最后，由于本研究患者例数较少，尚无法完全统计三种序列对术后并发症诊断结果的改善，但是目前可以通过对脊柱金属伪影面积的大小以及植入物周围解剖结构可见度的评估，可以表明CS-SEMAC序列对临床诊断有辅助改善的作用，在接下来的研究中，应收集更多的病例，从而直接研究三种序列对脊柱金属植入物术后并发症的诊断结果的改善。

4 结论

       综上所述，CS-SEMAC序列相比于HBW、Dixon序列能够有效减少植入物周围的金属伪影，并且能显著提高T2抑脂成像的图像质量和脂肪抑制效果。虽然在T2抑脂上，图像略模糊，金属植入物邻近椎体的SNR相比HBW序列有所下降，但是椎体周围关键解剖结构的可见度明显提升，可以为后续影像诊断评估提供更加全面、准确的信息，有助于提高脊柱金属植入物术后MRI的诊断效能。