Application value of 3D CS-SPACE sequence based on compressed sensing in the diagnosis of acromioclavicular joint injury

• ZHAO Rusheng ¹

  Affiliation：

  1. Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210029

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• ， WANG Mengyue ¹

  Affiliation：

  1. Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210029

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• ， XU Lulu ¹

  Affiliation：

  1. Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210029

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• ， XU Lei ¹

  Affiliation：

  1. Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210029

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• ， HAO Shaowei ²

  Affiliation：

  2. Customer Service Application，Siemens Healthineers Digital Technology（Shanghai）Co. Ltd.，Shanghai 200120 ，China

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• ， ZOU Yuefen ¹

  Affiliation：

  1. Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210029

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目的： 探讨三维可变翻转角快速自旋回波（sampling perfection with application optimized contrast using different flip angle evolution，SPACE）序列联合压缩感知（compressed sensing，CS）技术在肩锁关节损伤诊断中的应用价值。 方法： 前瞻性地纳入2023年5月—2024年2月在南京医科大学第一附属医院就诊的有肩部外伤史、临床怀疑肩锁关节损伤的患者34例，对患者分别进行常规二维（two-dimension，2D）磁共振序列和基于CS的3D CS-SPACE序列扫描。分别在两组图像上测量肱二头肌长头腱和肱骨骨髓腔的信号强度和标准差，并计算出信噪比（signal to noise ratio，SNR）、对比噪声比（contrast to noise ratio， CNR）；3位医生分别通过两组图像评估肩锁关节的损伤情况并给出其诊断信心评级。比较两组图像骨髓腔、肱二头肌长头腱的SNR、CNR以及诊断信心评级；分别分析3位医生在常规2D图像中的诊断一致性和3D CS-SPACE图像中的诊断一致性，最后评估两组图像之间的诊断一致性。 结果： 图像质量的客观评价中，3D CS-SPACE图像的SNR和CNR均明显优于常规2D图像；两组图像诊断信心的评级，2位医生的3D CS-SPACE图像评级明显高于常规2D图像，1位医生评级差异无统计学意义；3位医生在常规2D图像和3D CS-SPACE图像上对肩锁关节损伤的评估均具有较高的一致性（κ均>0.6），两组图像对肩锁关节的损伤评估具有较高的一致性（κ均>0.6）。 结论： 对于肩锁关节损伤的诊断，3D CS-SPACE图像与常规2D图像具有较高的一致性，且3D CS-SPACE序列能够在缩短扫描时间的同时获得更好的图像质量。

Abstract

Objective： To assess the value of sampling perfection with application optimized contrast using different flip angle evolution（SPACE）sequence combined with compressed sensing（CS）technique in the diagnosis of acromioclavicular joint injury. Methods： Total 34 patients with a history of shoulder trauma and suspected acromioclavicular joint injury in the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University were prospectively included form May，2023 to February，2024. Conventional 2D magnetic resonance sequence and 3D CS-SPACE sequence scanning based on CS were performed on the patients. Signal intensity and standard deviation of long head tendon of biceps and bone marrow cavity of humerus were measured on two sets of images，and SNR and CNR were calculated. Three doctors assessed the injuries of the acromioclavicular joint through two sets of images and gave their diagnostic confidence rating. The SNR，CNR of bone marrow cavity and biceps long tendon，and diagnostic confidence ratings were compared between the two groups. The diagnostic consistency of the three doctors in conventional 2D images and 3D CS-SPACE images was analyzed respectively，and the diagnostic consistency between the two sets of images was evaluated. Results： In the objective evaluation of image quality，SNR and CNR of 3D CS-SPACE image were obviously better than that of conventional 2D image. For the two groups of images，two doctors’ratings of 3D CS-SPACE images were significantly higher than those of conventional 2D images，and one doctor’s ratings had no significant difference. The three doctors demonstrated a strong agreement in the evaluation of acromioclavicular joint injury on both conventional 2D images and 3D CS-SPACE images（κ>0.6），and there was a high consistency in the evaluation of acromioclavicular joint injury between the two groups of images（κ >0.6）. Conclusion： For the diagnosis of acromioclavicular joint injury，3D CS-SPACE sequence images has high consistency with conventional 2D images，and 3D CS-SPACE sequence can shorten the scanning time and obtain better image quality.

肩锁关节是由肩胛骨肩峰关节面和锁骨肩峰端组成的微动关节，对手臂的运动起着重要的协同作用，其损伤在运动医学和创伤学中经常遇到，约占肩部损伤的12% ^{[ 1 - 2 ]} ，目前，主要利用X线检查或磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查对其进行诊断。既往文献报道X线检查对低级别损伤的诊断具有局限性 ^{[ 3 ]} ，而MRI因具有较高的软组织分辨率，可以实现对肩锁关节脱位的准确 Rock⁃ wood分型 ^{[ 4 - 5 ]} 。在常规肩关节损伤的MRI检查中，主要利用二维（two⁃dimension，2D）快速自旋回波（turbo spin echo，TSE）序列分别在轴、冠、矢 3 个平面进行 T1加权像（T1⁃weighted image，T1WI）和质子密度加权像（proton density weighted image，PdWI）的扫描，因其扫描时间较长，容易产生运动伪影。三维可变翻转角快速自旋回波序列（sampling perfection with application optimized contrast using different flip angle evolution，SPACE）通过体积激励在相位编码的z轴方向上可以产生比2D更薄的切片 ^{[ 6 ]} ，继而允许在任意切面方向上进行多平面重建（multiplanar reconstruc⁃ tion，MPR）；然而，受限于传统并行采集的加速倍数，SPACE 的扫描时间亦较长，因此导致了其在 MRI 检查中难以常规开展 ^{[ 7 ]} 。压缩感知（com⁃ pressed sensing，CS）技术是近年来广泛应用于 MRI 中的快速成像技术，在既往研究中，CS与3D SPACE 相结合的 3D CS⁃SPACE 序列在颅内血管壁、内耳、膝关节等方面均有应用 ^{[ 8 - 10 ]} ，而在肩锁关节损伤中鲜有报道，故本研究尝试对3D CS⁃SPACE序列和2D 常规序列进行比较，以评估其在肩锁关节损伤诊断中的应用价值。

1 对象和方法

先由 1 位具有 10 年以上 MRI 扫描经验的技师将所得 3D 冠状位 T1WI⁃SPACE 和 PdWI⁃SPACE 图像沿常规 2D 轴位扫描方向进行 MPR 得到 1 mm 层厚的 3D 轴位 T1⁃SPACE 和 Pd⁃SPACE 图像 ^{[ 11 ]} ，然后由1位具有5年以上工作经验的医师在2D和3D轴位 T1WI和PdWI图像上的肱骨结节间沟层面的肱二头肌长头腱和肱骨骨髓腔上勾画感兴趣区（region of interest，ROI），测量ROI的信号强度（signal intensity， SI）以及标准差（standard deviation，SD），其中肱二头肌长头腱 ROI 为 2~5 mm ² ，骨髓腔 ROI 为 1~2 cm2， ROI的勾画方法见图1。分别计算肱二头肌长头腱、骨髓腔的信噪比（signal to noise ratio，SNR）以及长头腱⁃骨髓腔的对比噪声比（contrast to noise ratio， CNR）。计算公式如下 ^{[ 12 - 13 ]} ：

${\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{R}}_{\mathrm{长}\mathrm{}\mathrm{头}\mathrm{}\mathrm{腱}}\left({\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{R}}_{\mathrm{L}}\right)=\frac{{\mathrm{S}\mathrm{I}}_{\mathrm{长}\mathrm{}\mathrm{头}\mathrm{}\mathrm{腱}}}{{\mathrm{S}\mathrm{D}}_{\mathrm{长}\mathrm{}\mathrm{头}\mathrm{}\mathrm{腱}}};{\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{R}}_{\mathrm{骨}\mathrm{}\mathrm{髓}\mathrm{}\mathrm{腔}}\left({\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{R}}_{\mathrm{B}}\right)=\frac{{\mathrm{S}\mathrm{I}}_{\mathrm{骨}\mathrm{}\mathrm{髓}\mathrm{}\mathrm{腔}}}{{\mathrm{S}\mathrm{D}}_{\mathrm{骨}\mathrm{}\mathrm{髓}\mathrm{}\mathrm{腔}}};{\mathrm{C}\mathrm{N}\mathrm{R}}_{}=\frac{{\mathrm{S}\mathrm{I}}_{\mathrm{骨}\mathrm{}\mathrm{髓}\mathrm{}\mathrm{腔}}-{\mathrm{S}\mathrm{I}}_{\mathrm{长}\mathrm{}\mathrm{头}\mathrm{}\mathrm{腱}}}{\sqrt{{\mathrm{S}\mathrm{D}}_{\mathrm{骨}\mathrm{}\mathrm{髓}\mathrm{}\mathrm{腔}}^2+{\mathrm{S}\mathrm{D}}_{\mathrm{长}\mathrm{}\mathrm{头}\mathrm{}\mathrm{腱}}^2}}$ 。上述ROI测量均重复3次，取其均值后纳入公式计算。

由3位分别具有3年、5年和10年以上肌骨影像阅片经验的放射科医师对肩锁关节的上肩锁韧带 （superior acromioclavicular ligament，sACL）、下肩锁韧带（inferior acromioclavicular ligament，iACL）、斜方韧带（trapezoid ligament，TL）、锥状韧带（conoid liga⁃ ment，CL）进行诊断评估，并给出诊断信心评分。韧带损伤采用4分法进行评估（图2）。评估标准如下： 1，正常；2，损伤肿胀；3，部分撕裂；4，完全撕裂。诊断信心评级同样采用4分法，其评级标准为：1，信心欠佳；2，信心一般；3，信心较足；4，信心充足。将常规2D图像和3D CS⁃SPACE 图像分别交由上述3位医师进行诊断评估并得到各自的评分结果，然后由 3 位医师共同商量决定得到 2D 图像和 3D CS ⁃ SPACE 图像的诊断评估结果。上述医师进行个人评估时，均先对常规2D图像进行评估，间隔2周后再对 3D CS⁃SPACE 图像进行评估，评估时允许对 3D CS⁃SPACE图像进行MPR。

3位观察者在两组图像诊断信心的评级方面，其中两位低年资医师的评级结果显示3D CS⁃SPACE 图像高于常规2D 图像（ P 均<0.01，图3，表3），另一位高年资医师的评级结果显示两组图像的诊断信心评级差异无统计学意义（ P >0.05，表3）。在常规 2D 图像和 3D CS ⁃ SPACE 图像中，3 位评估者对 sACL、iACL和CL的评估结果均具有近乎完美的一致性（κ均>0.8）；3位评估者对TL的评估中，在常规 2D 图像上具有较高的一致性（κ=0.80），在 3D CS⁃ SPACE 图像上具有近乎完美的一致性（κ=0.90，表4）；3位医生共同商讨后的韧带损伤评估结果见表5，评估结果显示在sACL、iACL、TL、CL的损伤评估中，常规2D图像与3D CS⁃SPACE图像之间均具有较高的一致性（κ均>0.6，表6），图4为1例41岁男性患者，外伤3 d后2D及3D CS⁃SPACE的MRI检查结果， 3D CS⁃SPACE图像的评估结果与常规2D图像一致。

SPACE 序列是在传统的快速自旋回波序列基础上发展而来的3D扫描技术，采用<180°翻转角的重聚脉冲和非层面选择的射频脉冲，从而增加了回波链的长度，减少了射频能量吸收率（specific ab⁃ sorption rate，SAR）值，缩短了回波间隙，最终获得了高分辨率的三维容积数据。CS 是一种新的MRI快速成像技术，是对于具有可压缩性或者在某一变换域内具有稀疏性的信号，以远低于奈奎斯特采样定理标准的采样频率进行数据采集，同时利用k空间中心决定图像对比，k空间中心能量高度集中的特性，采用变化密度随机采样，使k空间中心数据采样密度高于周边密度，最后运用非线性迭代算法重建出无混叠伪影的高质量图像 ^{[ 14 ]} 。在本研究中，将CS 技术结合到 SPACE 序列中，成功地解决了单个 SPACE序列扫描时间过长的弊端，继而使得本研究中 3D CS⁃SPACE 的扫描时间总计 451 s，与常规 2D 序列三平面扫描总时间752 s相比，3D CS⁃SPACE序列缩短了40%的扫描时间。

在图像质量的客观评价中，定量测量时选择了肱二头肌长头腱作为测量目标，这是由于肩锁关节损伤的患者其肩锁韧带和喙锁韧带多发生损伤或断裂，无法直接作为测量目标，因此选择信号强度与韧带相似的肱二头肌长头腱进行定量测量 ^{[ 15 ]} 。在进行 SNR和CNR的计算时采用所画ROI内组织信号的标准差作为该组织的噪声值，以此来代替背景噪声的大小，这样可以消除图像不同区域内背景信号不均匀带来的计算误差 ^{[ 16 ]} 。基于以上方法，本研究结果显示， 3D CS⁃SPACE 图像的 PdWI 和 T1WI 的 SNR _B 、SNR _L 、 CNR均明显高于常规2D图像，此结果与王亚魁等 ^{[ 17 ]} 的研究结果相同，其原因可能与CS技术有关 ^{[ 18 - 20 ]} ，其利用了信号稀疏性，通过设置阈值并反复进行非线性迭代运算，从而最大程度地去除噪声。

在两种成像序列对肩锁关节的损伤评估方面，3 D CS⁃SPACE图像与常规2D图像在评估sACL时获得了完全相同的评估结果（κ=1.00），对iACL、TL、CL 的损伤评估同样具有较高的一致性（κ>0.6）。从 3 位观察者评估的一致性情况来看，3 位观察者在 3D CS⁃SPACE图像和常规2D图像上对sACL、iACL、 TL、CL的损伤评估均具有较高的一致性（κ均>0.6），且 3D CS ⁃ SPACE 图像的一致性均高于常规 2D 图像。其可能原因为观察者被允许对3D CS⁃SPACE图像进行MPR，观察者可以根据评估需求沿目标韧带的走行方向进行重建。此外，在本研究中3D CS⁃SPACE 序列采用了1 mm×1 mm×1 mm的等体素扫描，这也避免了MPR时的解剖细节丢失。对于两组图像诊断信心的评级上，2 位低年资医师对 3D CS⁃SPACE 图像的诊断信心高于常规 2D 图像，而高年资医师 3D CS⁃SPACE图像和常规2D图像的诊断信心评级差异无统计意义，这可能与高年资医师有10年以上的阅片经验有关，丰富的阅片经验使其对常规2D图像的诊断信心较高。

以上研究结果表明 3D CS⁃SPACE 序列与常规 2D序列之间具有较高的一致性，且3D CS⁃SPACE序列具有更好的诊断稳定性，使医生有更高的诊断信心，在肩锁关节损伤诊断中具有临床应用价值。