人工腰椎間盤磁共振成像的實驗研究.pdf

1、一、研究背景 人工椎間盤置換手術(shù)是最近幾年出現(xiàn)的治療腰椎退變性疾病的新方法，與傳統(tǒng)的腰椎融合手術(shù)相比，其保留了病變節(jié)段的活動，更加符合生理狀況，因而能夠減輕融合手術(shù)后常見的鄰近節(jié)段退變的并發(fā)癥發(fā)生，具有很好的應(yīng)用前景。 但人工椎間盤置換手術(shù)也存在一些問題：有報道稱術(shù)后小關(guān)節(jié)退變加速，并且也還存在鄰近節(jié)段的退變問題；此外也存在與其他一些手術(shù)類似的并發(fā)癥：如減壓不徹底、神經(jīng)功能損害等。而且，人工椎間盤置換手術(shù)患者相對比較年輕

2、，術(shù)后需要長時間的隨訪，在這一較長的隨訪時間段，也可能出現(xiàn)其他脊柱相關(guān)的疾病。 磁共振成像由于其優(yōu)良的軟組織對比性能，是脊柱外科診斷隨訪的有用工具，但是對帶有金屬植入物的患者進行磁共振檢查時要考慮兩個問題：一是成像安全性的問題，包括鐵磁性材料在磁共振儀器強磁場的作用下發(fā)生作用而移位，及在射頻作用下的產(chǎn)熱問題。二是金屬植入物在磁共振圖像上的偽影問題，這會降低圖像的診斷性能。但由于人工椎間關(guān)節(jié)置換手術(shù)越來越廣泛，MRI對其術(shù)后隨訪的

3、意義非常重大。 關(guān)于金屬植入物磁共振成像的安全性和相容性的問題，國際上正在建立相關(guān)檢測標準，美國材料測試學會(American Society for Testing and Materials，ASTM)研究制定了檢測醫(yī)療器械在MR環(huán)境中安全性和有效性的適用方法和指導原則，到目前為止，已經(jīng)形成了關(guān)于植入材料在MR環(huán)境中安全性和相容性的五個相關(guān)標準。 關(guān)于MRI金屬偽影，雖然難以完全避免，但也可通過一些方法減少其影響，如

4、選擇合適材料、改變患者體位或編碼方向，采用短回波時間，低磁場強度，寬讀出頻帶和小體素可減輕偽影，避免偽影較大的序列如快速梯度回波序列(gradientrecalled echo，GRE)，采用快速自旋回波(fast spin echo，F(xiàn)SE同TSE)和自旋回波(spinecho，SE)等序列以及新成像技術(shù)如視角傾斜可減少MRI金屬偽影。反轉(zhuǎn)回復序列(inversion recovery，IR)比頻率選擇脂肪飽和序列(frequency

5、 selective fat saturation)偽影小。然而大多數(shù)能減少金屬偽影的措施也同樣降低了磁共振圖像的質(zhì)量，特別是信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。 目前經(jīng)FDA批準的臨床使用較多的腰人工椎間盤有：DePuy Spine公司的SBCHARIT(E)和Synthes Spine公司的PRODISC(R)-L假體。兩種假體均由成分為鈷鉻鉬合金的兩塊蓋板及聚合材料的中間體組成。有關(guān)兩種假體的磁共

6、振成像安全性、偽影表現(xiàn)及其對鄰近結(jié)構(gòu)的影響目前仍未見詳細報道。本文將設(shè)計對照實驗闡明其安全性有關(guān)的數(shù)據(jù)和偽影表現(xiàn)及其對鄰近結(jié)構(gòu)的影響，并提出優(yōu)化的磁共振掃描方案，從而為腰椎間盤置換術(shù)后磁共振檢查提供理論依據(jù)。 二、研究目的 1．通過對兩種人工腰椎間盤在1.5TMRI磁場中受力以及在人體標本中MRI掃描后產(chǎn)熱數(shù)據(jù)的測定，評價兩種人工椎問盤在1.5T磁共振檢查中的安全性。 2．通過自行設(shè)計的偽影評價水模實現(xiàn)對兩種人工

7、椎間盤金屬偽影的定量測量，并比較不同序列及參數(shù)條件對偽影大小的影響。 3．通過標本模型，驗證優(yōu)化參數(shù)對人工椎間盤植入術(shù)后磁共振成像質(zhì)量的影響。 三、研究內(nèi)容 第一部分 CHARIT(E)與PRODISC(R)-L腰人工椎間盤磁共振成像安全性的研究 根據(jù)ASTM F2052-06el推薦的磁共振主磁場受力測試方法，分別將兩種人工椎間盤金屬蓋板用細線懸吊，用角度測量儀測出器械在磁共振入口處的最大偏移角度；采用

8、新鮮人尸體標本，按照器械公司推薦的植入方法在L5/S1節(jié)段植入人工椎間盤，采用熱敏溫度計分別測量磁共振檢查前和檢查后植入物鄰近組織的溫度(快速自旋回波序列，極端射頻波，作用30分鐘)。 第二部分人工椎間盤磁共振偽影分析水模的設(shè)計及兩種人工椎間盤在不同掃描序列及參數(shù)下的偽影分析 根據(jù)ASTM推薦的偽影測試方法，采用自行設(shè)計的水模來測試偽影，水模為有機玻璃材料組成的長方體，內(nèi)盛1％CuSO4溶液，用細線將椎間盤假體組合懸吊固

9、定于水模中央。在植入與不植入人工椎間盤的情況下，分別采用SE、TSE、GRE、短T1反轉(zhuǎn)回復(Short T1 Inversion Recovery，STIR．)等序列及調(diào)整參數(shù)(視野、相位編碼方向、回波時間、飽和帶、帶寬、回波鏈長度等)進行檢查，得到植入物偽影圖像，對偽影形態(tài)進行描述，并根據(jù)ASTM推薦的偽影測試方法，在OSIRIS影像處理軟件上測量偽影的最大直徑，比較不同序列下偽影大小，并探討不同參數(shù)對偽影大小的影響。 第三

10、部分優(yōu)化參數(shù)在人工椎間盤植入術(shù)后磁共振成像中的應(yīng)用 在人新鮮尸體標本L5/S1椎間植入人工椎間盤，在標本上分別采用經(jīng)水模實驗優(yōu)化的TSE序列參數(shù)和非優(yōu)化參數(shù)成像，分別取矢狀位和橫切位兩次檢查相同層面典型圖像存為JPEG格式文件，編號，寄給6位脊柱外科或影像科專家。采用Jarvik評分法分別對幾個重要解剖結(jié)構(gòu)清晰度打分，評分越高標志著掃描區(qū)域可讀性好。評分者6周后再次重復隨機評分，總的圖片質(zhì)量是所有位點評分之和。 采用組內(nèi)

11、相關(guān)系數(shù)(ICC)確定1輪和2輪間觀察者內(nèi)和觀者間的信度，采用多個觀察者加權(quán)的kappa系數(shù)來分別評價觀察者內(nèi)和觀察者間的信度，采用Wilcoxon符號秩檢驗分析不同參數(shù)間的差異。 四、研究結(jié)果 1.CHARIT(E)與。PRODISC(R)-L，兩種假體金屬蓋板在1.5T磁共振主磁場中的最大偏移角度分別為6.0±0.24°和7.5±0.27°(P＜0.01)，兩者均遠小于45°，表明兩種假體蓋板在1.5T磁共振主磁場中

12、收到的磁力小于自身重力；在磁共振檢查前后尸體標本上植入物附近溫度升高分別為：CHARIT(E)組為0.8℃(對照處升高0.4℃，P＜0.01)，PRODISC(R)-L0.9℃(對照處升高0.3℃，P＜0.01)；結(jié)果表明植入物處在磁共振檢查射頻波作用下能夠產(chǎn)熱，但在尸體標本上產(chǎn)熱使鄰近組織溫度升高均小于1.0℃。 2.設(shè)計的水模系統(tǒng)能夠用來評價偽影大小，各序列下最大截面的偽影形態(tài)如圖2-5所示，最大直徑如表2-2所示，兩種植入

13、物在各掃描序列矢狀位及橫切位圖像中的偽影均影響鄰近結(jié)構(gòu)辨識，TSE、STIR和Turbo Dark Fluid序列相對TSE脂肪飽和、Flash和SE序列偽影較小。磁共振成像帶寬、視野、相位編碼方向、回波鏈長度等參數(shù)均明顯影響偽影大小。 3.每個觀察者第1輪和2輪的觀察者內(nèi)信度為優(yōu)，平均0.85(范圍從0.63-0.97)?？偟梅值挠^察者間平均ICC第一輪為0.84，第二輪為0.76，評分系統(tǒng)總的信度為優(yōu)。對每個位點，觀察者內(nèi)的

14、信度由加權(quán)的kappa值決定。數(shù)據(jù)表明在大多數(shù)位點的評分中觀察者內(nèi)的一致性均較好。優(yōu)化參數(shù)前后的MRJ圖像質(zhì)量進行比較，矢狀位圖像優(yōu)化前得分為：8.45±1.41，優(yōu)化后得分提高至15.75±2.34(P＜0.01)，橫切位圖像優(yōu)化前得分為：8.63±1.94，優(yōu)化后得分提高至13.33±1.30(P＜0.01)，總體上優(yōu)化參數(shù)明顯提高了圖像植入物區(qū)結(jié)構(gòu)的清晰度。 四、研究結(jié)論 1．CHARIT(E)與PRODISC(R

15、)-L腰人工椎間盤在在1.5T磁共振檢查環(huán)境中受力和產(chǎn)熱兩項指標在安全性范圍內(nèi)，腰人工椎間盤置換術(shù)后患者可以安全進行磁共振檢查。 2．建立的水模能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬偽影的定量評價。常規(guī)SE，TSE，F(xiàn)lash，STIR，TSE脂肪飽和等序列掃描發(fā)現(xiàn)兩種植入物在矢狀位及橫切位均影響鄰近結(jié)構(gòu)辨識，TSE，STIR和Turbo Dark Fluid序列相對TSE脂肪飽和，F(xiàn)lash與SE序列金屬偽影較小。帶寬、視野、相位編碼方向、回波鏈長度