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一、研究背景人工椎间盘置换手术是最近几年出现的治疗腰椎退变性疾病的新方法,与传统的腰椎融合手术相比,其保留了病变节段的活动,更加符合生理状况,因而能够减轻融合手术后常见的邻近节段退变的并发症发生,具有很好的应用前景。但人工椎间盘置换手术也存在一些问题:有报道称术后小关节退变加速,并且也还存在邻近节段的退变问题;此外也存在与其他一些手术类似的并发症:如减压不彻底、神经功能损害等。而且,人工椎间盘置换手术患者相对比较年轻,术后需要长时间的随访,在这一较长的随访时间段,也可能出现其他脊柱相关的疾病。磁共振成像由于其优良的软组织对比性能,是脊柱外科诊断随访的有用工具,但是对带有金属植入物的患者进行磁共振检查时要考虑两个问题:一是成像安全性的问题,包括铁磁性材料在磁共振仪器强磁场的作用下发生作用而移位,及在射频作用下的产热问题。二是金属植入物在磁共振图像上的伪影问题,这会降低图像的诊断性能。但由于人工椎间关节置换手术越来越广泛,MRI对其术后随访的意义非常重大。关于金属植入物磁共振成像的安全性和相容性的问题,国际上正在建立相关检测标准,美国材料测试学会(American Society for Testing and Materials ,ASTM)研究制定了检测医疗器械在MR环境中安全性和有效性的适用方法和指导原则,到目前为止,已经形成了关于植入材料在MR环境中安全性和相容性的五个相关标准。关于MRI金属伪影,虽然难以完全避免,但也可通过一些方法减少其影响,如选择合适材料、改变患者体位或编码方向,采用短回波时间,低磁场强度,宽读出频带和小体素可减轻伪影,避免伪影较大的序列如快速梯度回波序列(gradient recalled echo,GRE),采用快速自旋回波(fast spin echo,FSE同TSE)和自旋回波(spin echo,SE)等序列以及新成像技术如视角倾斜可减少MRI金属伪影。反转回复序列(inversion recovery,IR)比频率选择脂肪饱和序列(frequency selective fat saturation)伪影小。然而大多数能减少金属伪影的措施也同样降低了磁共振图像的质量,特别是信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)。目前经FDA批准的临床使用较多的腰人工椎间盘有:DePuy Spine公司的SB CHARITé和Synthes Spine公司的PRODISC?-L假体。两种假体均由成分为钴铬钼合金的两块盖板及聚合材料的中间体组成。有关两种假体的磁共振成像安全性、伪影表现及其对邻近结构的影响目前仍未见详细报道。本文将设计对照实验阐明其安全性有关的数据和伪影表现及其对邻近结构的影响,并提出优化的磁共振扫描方案,从而为腰椎间盘置换术后磁共振检查提供理论依据。二、研究目的1.通过对两种人工腰椎间盘在1.5TMRI磁场中受力以及在人体标本中MRI扫描后产热数据的测定,评价两种人工椎间盘在1.5T磁共振检查中的安全性。2.通过自行设计的伪影评价水模实现对两种人工椎间盘金属伪影的定量测量,并比较不同序列及参数条件对伪影大小的影响。3.通过标本模型,验证优化参数对人工椎间盘植入术后磁共振成像质量的影响。三、研究内容第一部分CHARITé与PRODISC?-L腰人工椎间盘磁共振成像安全性的研究根据ASTM F2052-06el推荐的磁共振主磁场受力测试方法,分别将两种人工椎间盘金属盖板用细线悬吊,用角度测量仪测出器械在磁共振入口处的最大偏移角度;采用新鲜人尸体标本,按照器械公司推荐的植入方法在L5/S1节段植入人工椎间盘,采用热敏温度计分别测量磁共振检查前和检查后植入物邻近组织的温度(快速自旋回波序列,极端射频波,作用30分钟)。第二部分人工椎间盘磁共振伪影分析水模的设计及两种人工椎间盘在不同扫描序列及参数下的伪影分析根据ASTM推荐的伪影测试方法,采用自行设计的水模来测试伪影,水模为有机玻璃材料组成的长方体,内盛1%CuSO4溶液,用细线将椎间盘假体组合悬吊固定于水模中央。在植入与不植入人工椎间盘的情况下,分别采用SE、TSE、GRE、短T1反转回复(Short T1 Inversion Recovery,STIR)等序列及调整参数(视野、相位编码方向、回波时间、饱和带、带宽、回波链长度等)进行检查,得到植入物伪影图像,对伪影形态进行描述,并根据ASTM推荐的伪影测试方法,在OSIRIS影像处理软件上测量伪影的最大直径,比较不同序列下伪影大小,并探讨不同参数对伪影大小的影响。第三部分优化参数在人工椎间盘植入术后磁共振成像中的应用在人新鲜尸体标本L5/S1椎间植入人工椎间盘,在标本上分别采用经水模实验优化的TSE序列参数和非优化参数成像,分别取矢状位和横切位两次检查相同层面典型图像存为JPEG格式文件,编号,寄给6位脊柱外科或影像科专家。采用Jarvik评分法分别对几个重要解剖结构清晰度打分,评分越高标志着扫描区域可读性好。评分者6周后再次重复随机评分,总的图片质量是所有位点评分之和。采用组内相关系数(ICC)确定1轮和2轮间观察者内和观者间的信度,采用多个观察者加权的kappa系数来分别评价观察者内和观察者间的信度,采用Wilcoxon符号秩检验分析不同参数间的差异。四、研究结果第一部分CHARITé与PRODISC?-L两种假体金属盖板在1.5T磁共振主磁场中的最大偏移角度分别为6.0±0.24°和7.5±0.27°(P<0.01),两者均远小于45°,表明两种假体盖板在1.5T磁共振主磁场中收到的磁力小于自身重力;在磁共振检查前后尸体标本上植入物附近温度升高分别为:CHARITé组为0.8℃(对照处升高0.4℃,P<0.01) , PRODISC?-L0.9℃(对照处升高0.3℃,P<0.01);结果表明植入物处在磁共振检查射频波作用下能够产热,但在尸体标本上产热使邻近组织温度升高均小于1.0℃。第二部分设计的水模系统能够用来评价伪影大小,各序列下最大截面的伪影形态如图2-5所示,最大直径如表2-2所示,两种植入物在各扫描序列矢状位及横切位图像中的伪影均影响邻近结构辨识, TSE、STIR和Turbo Dark Fluid序列相对TSE脂肪饱和、Flash和SE序列伪影较小。磁共振成像带宽、视野、相位编码方向、回波链长度等参数均明显影响伪影大小。第三部分每个观察者第1轮和2轮的观察者内信度为优,平均0.85(范围从0.63-0.97)。总得分的观察者间平均ICC第一轮为0.84,第二轮为0.76,评分系统总的信度为优。对每个位点,观察者内的信度由加权的kappa值决定。数据表明在大多数位点的评分中观察者内的一致性均较好。优化参数前后的MRI图像质量进行比较,矢状位图像优化前得分为:8.45±1.41,优化后得分提高至15.75±2.34(P<0.01),横切位图像优化前得分为:8.63±1.94,优化后得分提高至13.33±1.30(P<0.01),总体上优化参数明显提高了图像植入物区结构的清晰度。四、研究结论1. CHARITé与PRODISC?-L腰人工椎间盘在在1.5T磁共振检查环境中受力和产热两项指标在安全性范围内,腰人工椎间盘置换术后患者可以安全进行磁共振检查。2.建立的水模能够实现对金属伪影的定量评价。常规SE,TSE, Flash, STIR, TSE脂肪饱和等序列扫描发现两种植入物在矢状位及横切位均影响邻近结构辨识, TSE,STIR和Turbo Dark Fluid序列相对TSE脂肪饱和, Flash与SE序列金属伪影较小。带宽、视野、相位编码方向、回波链长度等均影响伪影大小。3.对TSE序列进行参数优化(增加带宽、减少视野、增加回波链长度)能够大大减少金属伪影,增加腰人工椎间盘植入术后磁共振图像的诊断性能。