0 引言

       骨关节疾病的高致残率（约53%患者会出现残疾）给全世界医疗系统带来了巨大的经济负担，对骨关节疾病的早期检测及提早干预成为当前亟需考虑的事项^[1]。影像和病理研究发现骨结构的改变提供了评价骨骼状态的有用信息，其早期微结构参数的量化在识别评估骨折风险和骨骼疾病的干预治疗有效性方面越来越得到重视^{[2, 3]}。

       CT可以对皮质骨和骨小梁进行独立评估，并排除软组织等的干扰^[4]，而基于密度成像的超高分辨率CT（ultra-high-resolution CT, U-HRCT）是传统评估骨结构的标准之一^[5]，由于CT的辐射给健康带来潜在影响，因此不能广泛使用。近年来，随着磁共振新技术及超高场磁共振的发展^{[6, 7, 8]}，MRI被认为是目前唯一一种完全非侵入性和无辐射能够敏感评价骨骼质量和骨折风险的技术^[9]。大量文献报道了3 T MRI在骨微结构的研究，由于图像分辨率的限制，在评估骨微结构的准确性仍需进一步提高^{[10, 11]}。

       7.0 T磁共振带来了更高的信噪比^[12]和分辨率^[13]。梯度回波序列（gradient re-called echo, GRE）单位比吸收率（specific absorption rate, SAR）积累相对自旋回波（spin-echo, SE）小。而GRE序列中，磁敏感加权序列（susceptibility weighted imaging, SWI）在骨关节钙化的研究中展现了出色的能力^[14]，为证明SWI序列在骨结构中的显示能力，本文旨在以U-HRCT为标准，探讨7.0 T磁共振下SWI序列对骨结构评估的能力。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，并经中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院伦理委员会临床试验审查批准，所有受试者检查前都已知晓并签署知情同意书（版本号V2.0），批准文号:（A）KY2022147。前瞻性分析陆军军医大学第一附属医院2022年12月至2023年3月期间31例行膝关节U-HRCT扫描的患者，完成膝关节CT一周内行7.0 T磁共振膝关节扫描。

       纳入标准：（1）年龄20~60岁；（2）经放射科医生诊断膝关节CT及7.0 T膝关节磁共振检查未见明显形态学异常的健康者。

       排除标准：（1）合并严重感染，严重的心、肺、肝、肾功能障碍者和患有威胁生命的疾病或严重不稳定的潜在疾病；（2）有幽闭恐惧症者，体内有金属节育环、心脏支架、耳蜗假体、动脉瘤夹等其他可能影响磁共振检查的植入物；（3）膝关节肿瘤患者；（4）膝关节骨折患者。

1.2 图像采集

       CT检查：双源CT（Newforce, Siemens）进行受试者扫描，受试者仰卧位，足先进，采用膝关节超高分辨率模式UHR-KNEE，参数为120 kV，自动毫安秒，锐利度算法为UR77，层厚为0.4 mm，重建层厚1 mm，重建矩阵为512×512，显示FOV为160 mm×160 mm。迭代算法为：admire。

       磁共振检查：选择Terra-7.0 T磁共振（Siemens）进行受试者扫描，采用28通道膝关节线圈对膝关节成像。定位中心为髌骨下缘，扫描序列见表1。

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表1  7.0 T磁共振扫描序列及参数
Tab.1  7.0 T MRI Sequences and parameters

1.3 测量方法

       所有受试者由2名放射科中级以上医师（A主治医师和B副主任医师分别具有6年和11年的工作经验）采用双盲法，在Siemens Syngovia工作站上分别对U-HRCT与SWI图像的髌骨上缘、下缘相同解剖层面测量同一位置股骨后份骨皮质厚度，结果分别取两名医师测量两次的平均值，见图1。使用Image J的插件Bone J（http://bonej.org）^[15]，对U-HRCT和SWI图像的髌骨上、下缘及胫骨平台骺线上水平相同解剖层面，进行骨小梁拟合度分析，见图2，以U-HRCT为标准评估SWI对膝关节骨微结构显示能力。

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图1  位磁敏感加权成像（SWI）和CT测量对照图。1A：髌骨上缘层面SWI；1B：髌骨上缘层面CT；1C：矢状位SWI；1D：矢状位CT；1E：髌骨下缘SWI；1F：髌骨下缘CT；1G：胫骨平台SWI；1H：胫骨平台CT。
Fig.1  Susceptibility weighted imaging (SWI) and CT measurement control charts. 1A: SWI of the upper border of patella; 1B: Superior patellar border CT; 1C: Sagittal position SWI; 1D: Sagittal CT; 1E: SWI of the lower margin of the patella; 1F: Lower margin patella CT; 1G: Tibial plateau SWI; 1H: Tibial plateau CT.

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图2  CT（2A）和磁敏感加权成像（SWI；2B）骨小梁提取示意图。
Fig.2  CT (2A) and susceptibility weighted imaging (SWI; 2B) bone trabecular extraction diagram.

1.4 统计学分析

1.4.1 样本量计算

       本研究对影像质量优良性验证。采用单样本诊断试验方法计算样本量（公式1），诊断的敏感度p取0.85，双侧检验α为0.05，容许误差δ取0.2。

1.4.2 统计学方法

       采用SPSS 26.0（SPSS version 25, Chicago, IL, USA）统计分析软件。通过计算组内相关系数（intra-class correlation cofficient, ICC），验证两位观察者客观测量的一致性，ICC≤0.40表示一致性较差，0.40<ICC≤0.75为一致性一般，0.75<ICC≤1.00为一致性良好。符合正态分布的计量资料以x¯±s表示，使用配对t检验验证同一患者CT、磁共振测量的骨皮质厚度差异。P<0.05为差异有统计学意义。骨小梁拟合度采用Bone J软件对CT及MRI图像自动计算。

2 结果

2.1 基本资料

       样本量计算表明，样本量应该大于13例；本研究纳入31例受试者符合样本量数量规范要求。其中，男20例，年龄（26.5±3.1）岁，女11例，年龄（25.1±3.5）岁。

2.2 一致性分析

       两位测量者分别髌骨上缘层面股骨后份CT和SWI测值、髌骨下缘层面股骨后份CT和SWI两次测量的平均测量值的ICC为0.984（95% CI：0.968~0.992）（P<0.001），可重复性较好。

2.3 骨皮质厚度及骨小梁拟合分析结果

       髌骨上缘层面股骨后份骨皮质厚度，MRI测值高于CT测值[（0.320±0.020）mm vs.（0.230±0.025）mm，t=19，P<0.001]；髌骨下缘层面股骨后份骨皮质厚度，MRI测值高于CT测值[（0.260±0.021）mm vs.（0.158±0.028）mm，t=21，P<0.001]；胫骨平台层面因骨皮质太薄，未能准确测量，故而排除（图3）。

       髌骨上缘层面，股骨骨小梁CT和磁共振拟合度为47%±11%，髌骨下缘层面，股骨骨小梁CT和磁共振拟合度为53%±10%，胫骨平台缘层面胫骨骨小梁CT和磁共振拟合度为55%±6%（表2）。

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图3  髌骨上缘（3A）、下缘（3B）CT和MRI股骨皮质厚度对比图。TRA：横轴位。
Fig.3  Comparison of CT and MRI femoral cortical thickness at the superior border (3A) and the inferior border (3B) of the patella. TRA: transverse.

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表2  骨皮质厚度及骨小梁拟合分析结果
Tab. 2  Results of bone cortical thickness and bone trabecular fitting analysis

3 讨论

       本研究前瞻性使用超高场磁共振（7.0 T）SWI序列探讨膝关节骨微结构的显示能力。研究结果显示：以U-HRCT为标准，7.0 T磁共振SWI序列能够较准确显示膝关节股骨后份骨皮质厚度，但在骨小梁结构的显示方面存在一定局限性。本研究创新性地探究超高场磁共振（7.0 T）SWI序列评估早期膝关节疾病骨微结构变化，为临床诊断治疗提供更多的诊断价值。

3.1 骨小梁的磁共振研究现状分析

       骨小梁成像对分辨率要求极高，在满足图像分辨率的同时，磁共振研究骨微结构的信噪比（signal-noise ratio, SNR）必须大于10^[16]。既往研究报道，在3.0 T磁共振研究中可以显示骨小梁结构，因其图像分辨率并不适合进行骨小梁形态学分析^[17]。而随着磁场的增加，超高场7.0 T磁共振带来的高信噪比和高空间分辨率显著提高了骨关节形态学成像及骨关节组织特性方面定量评价的检出能力^[18]。WELSCH等^[19]对比了3.0 T和7.0 T在相同扫描时间下MRI常见序列的成像效果，7.0 T的空间分辨率较3.0 T可提高1.3~3.9倍，骨小梁、软骨、韧带和肌肉等不同组织间的对比噪声比显著提高，对骨关节微小病变的检出能力明显高于3.0 T^[20]。7.0 T快速小角度激发（fast low angle shot, FLASH）序列成像可以测定骨小梁数目、骨小梁间隔等多个反映骨小梁微结构的指标，量化评估骨质疏松的严重程度^[21]。CHANG等^[21]报道，在双能X射线吸收测定法（dual-energy X-ray absorptiometry, DXA）骨密度测量结果没有差异的两组女性中，7.0 T MRI能够检测到相对于无骨折的女性组，发生脆性骨折女性组股骨远端干骺端的骨小梁微结构发生了恶性改变。本研究证实，7.0 T超高场磁共振能提供高信噪比和高空间分辨率图像，能清楚地显示膝关节的骨皮质及骨小梁等微结构，相比于3.0 T场强的磁共振具有明显优势。

3.2 SWI序列在骨关节中的研究价值

       SWI是一种利用组织之间的磁化率差异使用幅度和相位图像来增强这些差异的技术^[22]，可以描述局部磁场的不均匀性，通过结合幅度和处理过的相位数据从这些微观磁场变化中提取信息，以获得所谓的磁敏感图像。我们通常选择多回波方法，因为它们在选择回波时间方面提供了更大的灵活性，以及更好的信噪比和对比度^{[23, 24, 25, 26, 27]}。即使是很小的磁化率变化导致的场扭曲也可以得到量化，该技术在神经系统应用于监测微小出血灶、颅内钙化、脑血管微小血管畸形以及颅内核团铁沉积^{[28, 29, 30]}。近年来，SWI逐渐应用于检测人体骨骼中逆磁性的钙质等成分。在骨皮质、骨赘和籽骨等较大骨性结构，既往研究SWI相位图提供了较高的钙化对比度以及可以与CT相媲美的显示钙化能力^[31]。有学者研究了SWI应用于评估椎体血管瘤的骨小梁^[32]，以及髋、膝、腕等关节骨小梁可视化研究的可行性^{[33, 34]}，也有学者研究发现，SWI技术在骨创伤领域中评估椎体骨折具有较高的敏感性和准确性^[35]。不同于以往SWI主要运用于神经系统，本研究创新性地运用SWI序列中特有的组织间磁化率差异技术来量化评估膝关节骨皮质及骨小梁等骨微结构。

3.3 CT对比SWI序列优劣研究分析

       本研究在显示骨皮质的基础上，定量研究了SWI对股骨后份骨皮质厚度的放大率为1.5倍左右。最小骨小梁尺寸约为0.1 mm。如果像素大小大于骨小梁尺度，则会掩盖真实骨小梁结构。显示小梁的结构增宽将导致小梁的消失、聚集或放大，进而导致主要形态特征的高估或低估^[36]。CT虽然受部分容积效应和噪声的影响对骨小梁结构有微小放大，但可以相对准确地反映骨小梁结构的真实性。与CT图像相比，由于微观磁场的不均匀效应，骨小梁的T2^*减小使得SWI图像在部分骨小梁之间提供了较高的对比度。本研究表明在骨小梁结构显示中，SWI序列表现出了明显的抗磁效应，用CT作参考标准，对比发现其结构拟合度并不高（小于60%），提示SWI容易误导临床对骨小梁结构的判断，即大量的磁敏感伪影掩盖了真实的骨小梁结构，与3.0 T相比，7.0 T更容易受磁敏感伪影影响^[37]。在另一方面，相比于CT，SWI序列对于软骨肌肉显示清晰，无辐射，相比于其他磁共振序列，SWI提供了更多的磁化率信息。有报道在骨质疏松患者中SWI的多回波定量序列（quantitative susceptibility mapping, QSM）已应用于脊柱的小梁骨定量，成为评价骨质疏松程度的可靠指标^[38]。而SE序列的骨髓信号较均匀，能进行较好的骨小梁成像^[39]，ULAS等^[40]发现SWI序列结合T1加权序列相比于单独使用SWI序列或T1加权序列更能提高准确性。

3.4 局限性

       （1）本研究样本量较小，且未将SWI与SE序列及其他功能代谢成像进行对比。（2）SE在7.0 T应用中，应警惕自旋回波序列引起的能量沉积导致局部组织温度升高和高场化学位移问题，并限制相同时间可获取图像的数量。（3）未匹配使用更多通道数、多核的线圈。

4 结论

       综上所述，与U-HRCT膝关节成像相比，7.0 T超高场SWI能够较准确显示膝关节股骨后份骨皮质厚度，但在骨小梁结构的显示方面存在一定局限性。结合本研究结果，SWI序列在膝关节骨微结构的磁共振研究仍需进一步探讨。