磁共振-超聲圖像融合驗證腰椎關節突關節的可信度評估

高麗，米婧，張元智，胡旭鋒，魏瑞峰，解雅英

（1.內蒙古醫科大學附屬醫院麻醉科，內蒙古 呼和浩特 010050；2.內蒙古醫科大學附屬醫院骨科，內蒙古 呼和浩特 010050）

慢性腰痛是指后背腰骶部的疼痛或不適感，可伴有下肢的放射痛。60%～80%的成人有患病史，而腰椎關節突關節病變（亦稱腰椎小關節綜合征）是產生慢性下腰痛的常見原因之一[1]。關節突關節注射（facet joint injection，FJI）是腰痛常見的臨床治療方法，目的是緩解疼痛和炎癥，大部分關節突注射在X 線或CT 引導下進行。由于經常需要在X 線透視下進行定位，射線暴露量高[2]。超聲便捷、無輻射，可以動態追蹤病變的位置，顯示組織的立體結構，因而采用超聲引導下關節突關節穿刺已廣泛開展，但超聲在圖像的顯示效果、清晰度和分辨率等方面與CT 和MRI 相差很大，加之其在掃描深部組織時出現了“聲影”的疊加[3]，這使得醫師學習的周期變長，穿刺的不精確性大大增加，同時臨床效果的不穩定也暴露了此方法的缺陷。磁共振-超聲融合技術結合了實時超聲和高分辨率磁共振的優點，避免醫護人員和患者遭受輻射問題。本研究將腰椎磁共振圖像與腰椎超聲圖像融合，評價超聲圖像顯示腰椎關節突關節的可信度?，F報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究共有6名志愿者，男女各3例；年齡25～55歲，平均年齡（31.96±4.02）歲；身高160～182 cm，平均身高（170.21±7.52）cm；體質量55～78 kg，平均體質量（73.41±4.96）kg。所有數據呈正態分布。

納入標準：（1）無脊柱病史；（2）X線片無腰椎畸形。

排除標準：（1）存在脊柱腫瘤；（2）脊柱畸形，包括先天性脊柱側彎、脊柱后凸、繼發性畸形如強直性脊柱炎、脊柱結核、神經肌肉脊柱側彎、Scheumann病和骨質疏松；（3）既往有腰椎手術史；（4）無法進行磁共振檢查，如排除MRI 安全的起搏器、幽閉恐懼癥等。

本研究已獲醫院倫理委員會批準，所有患者均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 MRI掃描序列

所有志愿者佩戴電磁追蹤標定貼片（見圖1A、B），核磁圖像的采集在GE Discovery MR 750 3.0 T（美國）（TR 3.8 ms，矩陣：320×224，X/Y 分辨率：0.365/0.365 mm，層厚：0.6 mm，翻轉角15°）進行。取仰臥位，掃描全腰椎，將圖像以Dicom保存（見圖1C）。

圖1 MR掃描定位A：定位標定；B：安置定位貼片；C：MR掃描

1.3 超聲掃查

采用GE LOGIQ E20 超聲診斷儀，探頭頻率為10～13 MHz，受試者取俯臥位，將電磁接收器放置于腰部，超聲系統中的融合系統識別電磁接收器捕捉的位置（見圖1C），在融合系統進行注冊配準，確立患者腰部的電磁追蹤器與核磁圖像在空間上的位置關系。調整融合系統的參數，使畫面處于最佳位置和最佳清晰度，對患者腰椎目標節段區域進行連續的超聲追蹤掃描，建立腰椎容積超聲圖像，并與磁共振圖像融合（見圖2A、B）。

圖2 磁共振-超聲圖像融合

1.4 評價方法

超聲檢查由兩位具有豐富肌骨診斷經驗的醫師雙盲檢查，評估患者間重復測量的信度。

通過應用重疊模式來檢查磁共振-超聲融合成像的配準誤差，以確定兩種模式下的內部標志點是否準確疊加。以椎體解剖結構作為標志點來評估圖像配準的準確性，包括椎體棘突、橫突、關節突。測量L1～L4超聲與磁共振重疊圖像上標志點間的配準誤差（見圖3），驗證是否在允許誤差內（＜3.0 mm）[4]，取平均值，重復測量10 次。

圖3 磁共振-超聲圖像融合配準測量（a：上關節突間誤差距離；b：棘突間誤差距離；c：下關節突間誤差距離）

1.5 統計學方法

采用SPSS 21.0軟件進行統計學分析，計量資料采取均數±標準差（±s）表示，計算配準成功率，配準成功率=可接受的測量值數量/總測量值數量。

2 結果

本組6 例腰椎融合圖像，經10 次測量，均在誤差允許范圍內，配準成功率為100%（見表1）。

表1 圖像融合質量（±s，%）

表1 圖像融合質量（±s，%）

腰椎TRE（mm）L1 L2 L3 L4成功率（%）1 2 3 4 5 6 1.18±0.13 1.20±0.27 1.13±0.17 1.18±0.30 1.15±0.37 1.10±0.08 1.08±0.33 1.13±0.17 1.10±0.22 1.02±0.24 1.05±0.21 1.02±0.28 1.13±0.17 1.10±0.14 1.13±0.17 1.08±0.17 1.23±0.19 0.75±0.45 1.20±0.16 1.18±0.13 1.15±0.25 1.13±0.17 1.00±0.28 1.10±0.18 100 100 100 100 100 100

3 討論

由于成本低、無電離輻射且易于實施，超聲成像成為許多介入方案的首選方法。超聲波在臨床的廣泛應用解決了操作所面臨的輻射問題。Karmakar 等[5]在超聲引導下對15 例下肢手術患者行腰叢神經阻滯和坐骨神經阻滯麻醉取得了良好的效果。Ye 等[6]在一項前瞻性隨機研究中，對10例患者進行超聲引導下腰椎小關節穿刺注射并能準確完成注射治療。然而，雖然其較高的空間和時間分辨率適用于實時應用和單個操作的引導，但有限的圖像質量和解剖結構的可見性經常限制其在臨床常規中的應用。在單純超聲引導下，由于腰部軟組織聲影的疊加，很難看清關節突關節的確切位置。在傳統的小關節疾病診治中，關節突關節注射是在X線透視引導或CT引導下進行的，傳統的X線透視雖然能看到穿刺針和關節突關節，但X 線透視無法辨別確定空間位置，依賴于操作者的經驗去判斷，且穿刺過程中需要進行反復的正側位透視。CT 掃描雖然能精準的提供穿刺針和關節突關節的空間位置，但掃描過程相對復雜，無法實時監測穿側針的位置，且輻射暴露水平更高[7]。MRI 引導的關節突關節注射療法也是一種有效的替代療法，能夠避免對患者和人員的輻射暴露，但高昂的成本、增加的手術時機以及對磁共振兼容針頭的需求限制了這種療法的臨床應用[8]。無論是X 線、CT 或MRI 引導的關節突關節掃描，穿刺過程和影像數據的獲取無法同時進行，都無法獲得實時的影像數據。

融合成像是一種允許同步和疊加不同模式的圖像，通過每種技術的圖像同時評估感興趣區域的技術。具體地說，它提供與采集的實時超聲圖像相對應的CT 或MRI 橫斷面多平面圖像，所有圖像可以根據超聲探頭的角度實現實時顯示。CT 和磁共振圖像都可以建立起3D 影像，可以呈現不同層面的影像，能滿足超聲掃描過程中，多位置、多角度的操作需求。近年來，磁共振-超聲融合技術越來越得到醫生的重視，它已逐步應用于多學科，對腫瘤病灶的穿刺、消融、切除均取得了良好的效果[9～11]。將患者術前的磁共振圖像導入磁共振-超聲融合系統，使用外部標記進行空間位置的配準，與患者的超聲圖像進行疊加對齊和矯正，融合系統將顯示實時超聲圖像和相對應的磁共振融合圖像，或者是實時疊加對齊的磁共振-超聲融合圖像和其相對應的磁共振切面圖像。Sartoris 等[12]采用磁共振-超聲實時對照的方法，對38 例患者采取了小關節的注射。結果顯示，在112 次穿刺注射中，96 個小關節注射具有最佳的關節內針尖定位（準確度：85.7%）。手術后患者VAS 評分顯著降低，CT 引導下穿刺針定位和采用超聲核磁實時對照穿刺針定位的患者的針尖偏離距離沒有顯著差異，證實磁共振超聲實時對照的方法用來引導小關節的穿刺是安全有效的。Xie等[13]采用新的超聲磁共振融合導航技術，對10 例診斷為腰間盤突出癥的患者進行了椎間孔鏡髓核摘除手術。結果顯示，與透視組相比，在準確性較高的前提下，這種方法輻射次數少、輻射劑量低，導航組總輻射劑量為（8.46±2.6），透視組的總輻射劑量為（28.3±5.1）。筆者認為，這種技術將有很廣大的應用前景。

圖像融合技術可以將超聲圖像與MR 或CT 圖像進行融合，用于多種應用，包括前列腺活檢、小關節和梨狀肌注射以及肝臟經皮手術[14～16]。這項技術通過將MRI 或CT 的立體圖像和高解剖細節與超聲引導的實時性相結合，從而不會使患者進一步暴露在電離輻射中。在傳統的超聲圖像中會遇到一些患者的回聲較差的情況，且通過超聲對深部骨質結構進行精確定位會比較困難，通過圖像融合技術可以有效地彌補超聲圖像的缺陷。圖像融合技術所使用的MRI或CT圖像可以從先前的診斷檢查中獲得，并根據超聲掃描計劃實時重新格式化。CT-超聲圖像融合可以在穿刺過程中僅通過超聲進行引導，通過實時獲取的超聲圖像與診斷性檢查時的CT圖像相結合，可降低患者的輻射暴露水平，而磁共振超聲圖像融合可進一步避免患者的輻射暴露[7]。雖然磁共振成像在腰椎關節體質方面通常并不等同于CT[17]，但在臨床實踐中，它是下腰痛最常用的評估方法。MRI 圖像能更加清晰地顯示軟組織的結構，對于缺乏超聲檢查技術的新手醫師，可以通過MRI 圖像來協助檢查。

在本研究中選擇了左、右下關節突和上關節突、左右橫突及棘突最高處作為骨性標志點。這些標志物在超聲掃描中很容易識別。腰椎關節突關節由上、下關節突關節連接而成，呈光滑的高回聲。高回聲提示有骨軟骨交界處，關節軟骨覆蓋關節表面，關節間隙清晰低回聲。因此，可通過超聲信號的變化而準確地辨識出關節突。準確地選取骨性標志點可以使磁共振-超聲圖像在互相配準時能提高效率和精度。磁共振圖像和超聲圖像要實現空間上的配準，所選取的骨性標志須是結構突出的部分，減小因標志點選取偏倚所產生的誤差。椎骨的棘突和關節突在超聲圖像上可清晰呈現輪廓，與軟組織信號明顯區別，能精準地選取出標志點。由于超聲圖像在采集的過程中，探頭均貼于背部皮膚，且超聲信號無法穿透骨組織，故超聲圖像無法顯示椎體的結構，故選擇橫突和棘突來對磁共振圖像和超聲圖像進行矢狀位和冠狀位上的配準。

本次實驗采用的是新型的超聲磁共振影像系統，可通過超聲顯像準確地顯示腰椎的結構，可用于引導腰椎的穿刺治療。目前用于獲取建立超聲容積圖像的方法有四種：機械掃描器、有位置感知的徒手方式、無位置感知的徒手方式和二維陣列[18]。有位置感知的徒手方式通常由跟蹤裝置和傳統的二維超聲掃描探頭組成。利用該跟蹤裝置，可以在每個采集的超聲影像數據上攜帶相對應的位置信息。本研究通過采集的腰椎超聲數據形成腰椎超聲容積影像，并與磁共振影像進行配準，通過磁共振驗證超聲對腰椎椎體結構顯示的準確性。在進行磁共振圖像采集時，會在患者腰部安置定位貼片，該貼片安置簡易，為非侵入性的定位裝置，且不影響磁共振數據的采集。在進行超聲掃描的過程中，電磁信號追蹤器會實時獲取超聲探頭和定位貼片的位置，所獲取的超聲圖像會傳入至超聲磁共振影像系統，系統根據將不同位置所獲得的超聲圖像進行疊加處理，形成操作區域的超聲容積影像。選取內部的骨性標志點來評估超聲圖像和磁共振圖像的配準率。本研究采取的內部標志點腰椎椎體、棘突、橫突、關節突在超聲和磁共振圖像上存在一定的配準誤差，這可能和超聲圖像的成像清晰度有關，且定位裝置采用的是皮外固定的方式，會受到呼吸運動或軟組織變形的影響。本研究由兩位經驗豐富的醫師采用雙盲的方式來進行超聲檢查，醫師獨立多次測量內部標志點間的配準誤差，消除了個人選擇偏倚的影響。結果顯示配準誤差均在臨床允許的范圍內，配準率能達到100%。這說明所使用的超聲影像系統能準確地顯示椎骨結構。在關節突關節疾病的治療中，關節突關節穿刺是最為常用的治療方法，穿刺時穿刺針無須進入骨質，在椎骨后方可觀察到關節突關節的具體位置，無須使用CT 獲取椎骨的內部結構。相對于椎骨的結構位置，更為清晰的軟組織結構可以避免穿刺過程中對神經根和血管的損傷。普通的超聲圖像在成像質量方面不夠清晰，而磁共振圖像在獲取更為清晰的軟組織結構的同時還能獲得軟組織的立體空間結構。實施配準后的磁共振-超聲融合圖像能結合兩者的優勢，在當前探頭所獲取的超聲圖像上可疊加與其切面位置相對應的磁共振圖像，可以提高成像的質量，更易分辨軟組織結構和關節突關節，實時的超聲圖像可以監控穿刺針的位置。磁共振超聲影像融合系統應用于關節突關節的穿刺注射，一方面可提高穿刺的精準度，減少徒手穿刺的失敗率，降低反復穿刺給患者帶來的恐懼和痛苦；另一方面，由于患者在門診檢查下腰痛時，幾乎常規做腰部核磁共振檢查，在檢查時只需將外部定位器固定于患者腰部，當患者需要做治療與穿刺時，將已經做過的核磁共振圖像導入到影像融合系統即可，并不需額外增加患者的費用，且穿刺時無須使用與磁共振兼容的穿刺針，降低了對穿刺設備的要求；另外，采用磁共振-超聲融合圖像的方法對患者實施關節突關節注射，減少了患者住院期間總的X 線輻射劑量和輻射次數，更有利于患者的健康。

本研究結果表明，該超聲影像系統可準確顯示腰椎結構，與磁共振圖像能實現極高的配準，能更好地用于腰椎關節突關節的引導穿刺，但由于本組例數較少，更準確的結果有待于進一步研究。