0 前言

       MRI是脊柱肿瘤、炎症、外伤等疾病^{[1, 2, 3, 4]}常用的影像学诊断方法，尤其是快速自旋回波T1WI序列作为标准增强序列^{[5, 6, 7]}，在疾病诊断中具有重要价值。脂肪T1值短，在快速自旋回波T1WI序列上呈高信号，此外180°脉冲破坏J-偶连使脂肪信号进一步增高^{[8, 9]}。高信号脂肪易掩盖强化的病变，因此T1WI序列常需结合抑脂技术来达到临床诊断要求^{[10, 11]}。频率选择性抑脂是T1WI序列常用的抑脂方法^[12]，如频率预饱和结合反转恢复（spectral pre-saturation with inversion recovery, SPIR）抑脂就属于此类方法，该类抑脂方法对磁场不均匀敏感^{[13, 14]}，在磁场均匀性受肺组织影响较大的胸椎，常难以获得满意的抑脂效果。有研究报道^[15]，通过合理设置SPIR预脉冲的频率偏移（预脉冲中心频率与被抑制组织中心频率的差值），可有效改善弥散加权成像（diffusion weighted imaging, DWI）序列的抑脂效果。但这种调整频率偏移的方式改善儿童胸椎T1WI SPIR序列的抑脂效果如何，目前未见报道。因此，本文从调整SPIR预脉冲的频率偏移角度，探讨其对胸椎T1WI SPIR序列图像质量的影响，旨在寻找合理的频率偏移范围，提升儿童胸椎T1WI SPIR序列的图像质量。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究为回顾性研究，遵守《赫尔辛基宣言》，经北京儿童医院伦理委员会批准，免除受试者知情同意，批准文号：[2023]-E-034-R。回顾性纳入2022年7月至2023年1月于本院行胸椎MRI检查的38例患儿病例，其中男18名，女20名，年龄1～11（4.16±2.90）岁。纳入标准：全部完成9个不同频率偏移值T1WI SPIR抑脂序列扫描的患儿病例。排除标准：对于在检查过程中由于运动等原因出现伪影而影响图像质量准确评分者。

1.2 扫描方法及参数

       采用Philips Ingenia 1.5 T（Philips Healthcare, Best, the Netherlands）MR扫描仪扫描，32通道dstream后片线圈接收信号。患儿采用头先进体位，双臂及手内收置于胸腹前，两臂外侧用沙袋固定，并用绑带固定患儿。每名患儿扫描9个矢状位快速自旋回波T1WI SPIR抑脂序列，9个序列只有频率偏移参数不同，分别为40、60、80、100、120、127、140、160及180 Hz，其中127 Hz为设备默认频率偏移值，40～180 Hz为设备允许的最大设置范围，剩余序列参数均相同，基本扫描参数如下：TR 500 ms，TE 15 ms，层厚3 mm，层间隔0.3 mm，翻转角90°，敏感度编码因子1.3，层数11，相位编码方向：头足方向，回波链长度3。每个T1WI SPIR序列的扫描时间为1 min 15 s。

1.3 图像评价分析

       将所有患儿的图像从PACS调入飞利浦星云后处理工作站（Intellispace v9, Philips Healthcare, Best, the Netherlands），两名分别具有15年及13年阅片经验的主任医师利用4分法独立双盲对9个T1WI SPIR抑脂序列图像的背部脂肪抑制均一性、椎体脂肪抑制均一性及总体图像质量进行主观评分，如评分有歧义时，由第3位具有18年阅片经验的主任医师协调解决。椎体脂肪及背部脂肪抑制均一性评分标准：1分，差，不可接受；2分，较差；3分，好；4分，非常好。总体图像质量评分标准：1分，差，不能满足诊断要求；2分，满足胸椎部分位置病变诊断；3分，图像质量略有下降，不影响胸椎病变诊断；4分，非常好，满足胸椎全部位置病变诊断。

       在椎体、椎间盘、脊髓及脑脊液组织的合适区域勾画感兴趣区（region of interest, ROI），ROI面积在10～30 mm²左右，然后将ROI分别复制到另外8个序列图像的同一位置，测量每个序列椎体、脑脊液、脊髓及椎间盘的信号强度（signal intensity, SI）及标准差（standard deviation, SD），SD即为噪声值。根据测量的数据，计算不同组织信噪比（signal to noise ratio, SNR）及组织间的对比噪声比（contrast to noise ratio, CNR）。SNR及CNR具体计算见公式（1）～（2）。

       其中，SItissue代表组织的SI，SDtissue代表组织的信号SD，tissueA代表组织A，tissueB代表组织B，CNRtissueA-tissueB代表组织A与组织B间的CNR。

1.4 统计学分析

       采用SPSS 26.0（SPSS, Inc, Chicago, Ⅲ）统计学软件进行统计学分析。对于椎体脂肪抑制均一性、背部脂肪抑制均一性及总体图像质量的评分，采用Kruskal-Wallis非参数检验进行比较；对于椎体、脑脊液、脊髓及椎间盘的SNR及四者间的CNR，由于数据符合正态分布及方差齐，采用平均值±SD表示，利用单因素方差分析进行比较，并采用LSD法作组间两两比较。所有检验方法均采用双侧检验，检验水准P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 椎体脂肪及背部脂肪抑制均一性

       9个T1WI SPIR序列间的椎体脂肪抑制均一性评分差异具有统计学意义（F=168.49，P＜0.001），频率偏移为40、60、80、100 Hz的4个T1WI SPIR序列具有最佳的椎体脂肪抑制均一性，4个序列的组间差异无统计学意义；9个T1WI SPIR序列间的背部脂肪抑制均一性评分差异具有统计学意义（F=96.10，P＜0.001），频率偏移为100、120、127、140、160 Hz的5个T1WI SPIR序列具有最佳的背部脂肪抑制均一性，5个序列的组间差异无统计学意义；9个T1WI SPIR序列间的总图像体质量评分差异具有统计学意义（F=27.11，P＜0.001），频率偏移为80、100 Hz的2个T1WI SPIR序列具有最佳的总体图像质量，2个序列的组间差异无统计学意义，具体结果见表1，组间差异见图1。椎体脂肪抑制欠佳主要表现为椎体信号缺失、背部脂肪抑制欠佳表现为脂肪抑制失败呈高信号（图2）。

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图1  9个T1WI SPIR序列的主观图像质量评分柱形图。1A~1C依次为9个T1WI SPIR序列的椎体脂肪抑制均一性评分、背部脂肪抑制均一性评分及总体图像质量评分的百分比构成及组间差异情况。f40、f60、f80、f100、f120、f127、f140、f160、f180分别代表频率偏移为40、60、80、100、120、127、140、160、180 Hz的T1W SPIR序列。T1WI SPIR：采用频率预饱和结合反转恢复抑脂方法的T1WI。
Fig. 1  Bar chart of the subjective image quality score for the 9 T1WI spectral pre-saturation with inversion recovery (SPIR) sequences. 1A to 1C are percentage composition and difference of the homogeneity of vertebral, back fat suppression, and overall image quality for the 9 T1WI SPIR sequences. f40, f60, f80, f100, f120, f127, f140, f160, f180 represented T1W SPIR sequences with frequency offsets of 40, 60, 80, 100, 120, 127, 140, 160,180 Hz, respectively.

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图2  男，10岁，9个T1WI SPIR序列的图像。2A～2I依次为频率偏移为40、60、80、100、120、127、140、160、180 Hz的T1WI SPIR序列的图像。频率偏移为40、60、80、100 Hz的T1WI SPIR抑脂序列的椎体脂肪抑制均一性评分为4分。在频率偏移为120、127、140、160、180 Hz的T1WI SPIR序列中，频率偏移为120 Hz
Fig. 2  Male, 10 years old, images of 9 T1WI spectral pre-saturation with inversion recovery (SPIR) sequences. 2A to 2I are images of T1WI SPIR sequences with frequency offset of 40, 60, 80, 100, 120, 127, 140, 160, 180 Hz, respectively. Scores of homogeneity of the vertebral fat suppression is 4 for the T1WI SPIR sequences with frequency offset of 40, 60, 80, 100 Hz. Among 5 T1WI SPIR sequences with frequency offset of 120, 127, 140, 160, 180 Hz, score of homogeneity of the vertebral fat suppression is 2 for T1WI SPIR sequence with frequency offset of 120 Hz and score of 1 for the remaining 4 sequences. For the T1WI SPIR sequences with frequency offset of 40 and 60 Hz, unsuppressed back fat show hyperintensity with score of 1 and 2 respectively, and score of 3 for the remaining sequences.

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表1  9个T1WI SPIR序列椎体脂肪、背部脂肪抑制均一性及总体图像质量评分比较
Tab. 1  Comparison of homogeneity of the vertebraland back fat suppression, and overall image quality for the 9 T1WI SPIR fat suppression sequences

2.2 客观图像质量评价

       由于绝大多数病例中，频率偏移为140、160及180 Hz序列的图像完全不满足诊断要求，所以只对频率偏移为40、60、80、100、120、127 Hz的6个T1WI SPIR序列进行了客观图像质量评价。6个序列间的椎体SNR（F=2.83，P=0.018）及椎体与脑脊液间的CNR（F=2.67，P=0.030）差异具有统计学意义，频率偏移为40、60、80 Hz的3个序列的椎体SNR及椎体与脑脊液的CNR差异无统计学意义，频率偏移为40 Hz序列的椎体SNR优于频率偏移为100、120、127 Hz的序列，其余被研究组织的SNR及组织间的CNR在6个序列间差异无统计学意义，具体结果见表2、表3，组间差异对比见图3～4。

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图3  6个T1WI SPIR序列的不同组织SNR柱形图。f40、f60、f80、f100、f120、f127分别代表频率偏移为40、60、80、100、120、127 Hz的T1W SPIR抑脂序列。频率偏移为40、60、80Hz的T1WI SPIR序列的椎体SNR差异无统计学意义，频率偏移为40 Hz的T1WI SPIR序列的SNR高于频率偏移为100、120、127 Hz的序列；脑脊液SNR、椎间盘SNR、脊髓SNR在6个序列中差异无统计学意义。T1WI SPIR：采用频率预饱和结合反转恢复抑脂方法的T1WI；SNR：信噪比。
图4  6个T1WI SPIR序列不同组织间的CNR柱形图。f40、f60、f80、f100、f120、f127分别代表频率偏移为40、60、80、100、120、127 Hz的T1W SPIR序列。频率偏移为40、60、80 Hz的T1WI SPIR序列的椎体-脑脊液间的CNR差异无统计学意义，频率偏移为40 Hz的T1WI SPIR序列的椎体-脑脊液CNR高于频率偏移为100、120、127 Hz的T1WI SPIR序列。剩余其他组织间的CNR在6个序列上差异无统计学意义。T1WI SPIR：采用频率预饱和结合反转恢复抑脂方法的T1WI；CNR：对比噪声比。
Fig. 3  Singal-noise-ratio (SNR) bar chart of different tissues among the 6 T1WI spectral pre-saturation with inversion recovery (SPIR) sequences. f40, f60, f80, f100, f120, f127 represent T1WI SPIR sequences with frequency offsets of 40, 60, 80, 100, 120, 127 Hz, respectively. The SNR of vertebra for the T1WI SPIR sequences with frequency offsets of 40, 60, 80 Hz has no significant difference, and the SNR of vertebra for the T1WI SPIR sequence with frequency offset of 40 Hz is higher than that of T1WI SPIR sequences with frequency offsets of 100, 120, 127 Hz. The SNR of cerebrospinal fluid, intervertebral disc, and spinal cord has no significant difference for 6 T1WI SPIR.
Fig. 4  Bar chart of contrast-noise-ratio (CNR) among different tissues for the 6 T1WI spectral pre-saturation with inversion recovery (SPIR) sequences. f40, f60, f80, f100, f120, f127 represent T1WI SPIR sequences with frequency offsets of 40, 60, 80, 100, 120, 127 Hz, respectively. The CNR between vertebra and cerebrospinal fluid for the T1WI SPIR sequences with frequency offsets of 40, 60, 80 Hz has no significant difference, and the CNR between vertebra and cerebrospinal fluid for the T1WI SPIR sequence with frequency offset of 40 Hz is higher than that of T1WI SPIR sequences with frequency offsets of 100, 120, 127 Hz. CNR among the remaining tissues has no significant difference for 6 T1WI SPIR.

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表2  6个T1WI SPIR序列的椎体、脑脊液、椎间盘及脊髓SNR比较
Tab. 2  Comparison of SNR of vertebra, cerebrospinal fluid, intervertebral disc, and spinal cord for 6 T1WI SPIR fat suppression sequences

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表3  6个T1WI SPIR序列的不同组织间CNR比较
Tab. 3  Comparison of CNR among different tissues for the 6T1WI SPIR fat suppression sequences

3 讨论

       在胸椎MRI扫描中，T1WI SPIR抑脂序列常不能达到满足诊断要求的图像质量，本研究从调整频率偏移的角度，优化T1WI SPIR序列的图像质量，目前未见相关研究报道。通过扫描频率偏移分别为40、60、80、100、120、127、140、160、180 Hz的9个T1WI SPIR序列，并对其图像质量进行主客观评价，结果显示频率偏移可明显影响T1WI SPIR抑脂序列的图像质量。当频率偏移80、100 Hz时可同时获得较佳的背部脂肪抑制效果及椎体抑脂效果，总体图像质量评分也高于其他的频率偏移序列。因此，合理设置频率偏移范围对提升T1WI SPIR抑脂序列的图像质量具有重要价值。

3.1 调整频率偏移可改善椎体及背部脂肪抑脂效果

       SZUMOWSKI等^[16]指出，预脉冲的频率范围与脂肪频率范围不一致是导致频率选择性抑脂失败的根本原因，合理的频率偏移设置能够保证预脉冲抑制脂肪信号又不影响水信号^[15]。本研究得出，频率偏移设置在40～100 Hz范围内，SPIR预脉冲的频率范围与胸椎椎体内脂肪频率具有很好的一致性，椎体抑脂效果明显提升。而在127～180 Hz范围时，预脉冲频率范围不仅覆盖了椎体内脂肪的频率，且与水的频率有部分重合，导致绝大部分病例的部分胸椎椎体的脂肪与水同时被抑制，椎体呈现不同程度的信号缺失或变黑。在127～180 Hz范围时，椎体抑脂均一性达到好与非常好的最高比例仅占36%，特别是在180 Hz时，抑脂效果均为较差或非常差。对背部脂肪，频率偏移设置在100～160 Hz时，预脉冲的频率与背部脂肪频率具有很好的一致性，脂肪抑脂效果佳，频率偏移在上述范围之外时，预脉冲的频率范围不能完全覆盖到背部脂肪的频率，导致部分病例的背部部分脂肪未被抑制呈高信号。本试验结果还提示，抑制失败的椎体及背部脂肪信号是调整频率偏移的依据和方向，当脂肪未被抑制时可加大频率偏移值，当脂肪信号出现缺失变黑时可降低频率偏移值，以保证在胸椎T1WI SPIR序列扫描中获得好的抑脂效果。

3.2 调整频率偏移可提升T1WI SPIR序列的总体图像质量

       本研究结果显示，频率偏移对各组织的SNR及不同组织的CNR影响不大，总体图像质量主要取决于椎体及背部脂肪的抑脂效果。当频率偏移在80～100 Hz范围时，能够平衡的覆盖到椎体脂肪及背部脂肪的频率，二者均达到了最佳的抑脂效果，可获得满意的总体图像质量。特别是在80 Hz时，总体图像质量评分为好及非常好的病例比例接近于95%，明显高于相关报道^{[17, 18]}中的频率选择法T1WI抑脂序列的总体图像质量评分。水脂分离的Dixon抑脂技术是目前公认的最佳抑脂方法，在骨关节肌肉疾病中得到了广泛的应用^{[19, 20]}，可获得比频率选择抑脂法更高的图像质量以及更短的扫描时间^{[21, 22, 23, 24]}，CAKMAK等^[25]学者的一项研究结果显示，T1WI Dixon抑脂序列的总体图像质量评分为好及非常好的比例高达97.5%。本研究中，频率偏移为80 Hz时所获得的结果与之非常接近，这说明调整频率偏移对改善T1WI SPIR图像质量非常有效，能达到与T1WI Dixon抑脂方法相当的图像质量。此外，SPIR抑脂法与Dixon相比，还具有对运动不敏感的优势，Dixon抑脂是利用不同TE时间采集数据并进行后处理后获得^[26]，对运动更敏感^{[27, 28]}，因此，相比于T1WI Dixon抑脂序列，T1WI SPIR序列对呼吸节律幅度不规则的儿童适应性更强。通过调整频率偏移，改善了T1WI SPIR抑脂图像质量，这也为儿童胸椎MRI增强时获得高质量的增强图像提供了重要质量保障。

3.3 本研究的不足之处

       本研究存在以下不足：（1）样本量小且为回顾性研究，得到的结果可能存在一定的偏倚；（2）大部分病例的胸椎未见明显异常病变，在后续的研究中，将纳入更多有病变的胸椎病例，使研究更具有说服力；（3）本研究只探讨了频率偏移对T1WI SPIR抑脂序列图像质量的影响，未与采用其他抑脂方法的序列进行对比，在今后的研究中，会进一步与采用其他抑脂方法的T1WI序列做对比研究。

4 结论

       总之，调整频率偏移本质是调整SPIR预脉冲的频率范围与脂肪频率范围达到一致，该方法对改善T1WI SPIR抑脂序列图像质量具有重要价值，本研究得出的合理频率偏移范围为提升改善1.5 T设备上儿童胸椎T1WI SPIR抑脂序列图像质量提供了参考依据。