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种植修复中金属材料对头颈部磁共振成像的影响

2019-11-8 10:11  来源:医学综述
编辑:付栩楠 谢志刚 阅读量:1977

    磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是通过在磁场中施加特定频率的射频脉冲,激发人体中的氢原子核(质子)发生磁共振现象,产生磁共振信号,经过梯度线圈解读信号内的空间信息,通过频率编码和相位编码进行空间定位,从而产生三维编码数据,经过计算机重建处理就可获得MRI图像。MRI因具有无创、软组织分辨力高、无辐射等优点,已成为临床医学检查的重要手段之一。

    MRI在头颈部疾病的诊断中具有重要作用,在口腔颌面部也具有广阔的应用前景,可用于颌骨病变、颞下颌关节疾病、正畸治疗、牙髓治疗以及种植修复的诊断和制订治疗计划等。但金属的存在会导致邻近组织结构的MRI图像产生伪影,尤其是口腔内金属材料的存在会影响头颈部MRI的质量,降低诊断的准确性。

    随着种植修复的广泛使用,对MRI的影响也是不可避免的,如为了做MRI检查而取出种植体,患者需要承受较大的经济和心理代价。导致金属伪影产生的因素有金属材料成分、金属物体方向、主磁场方向、磁场强度、脉冲序列类型及MRI参数(如频率编码梯度、体素尺寸)等。现就种植修复中常用的金属材料,相关因素对头颈部MRI图像的影响,减小金属伪影的相关措施予以综述。

    1.种植义齿对MRI金属伪影的影响

    种植义齿包括种植体、基台以及各种上部修复结构,如单冠、固定桥、覆盖义齿等,常用的材料包括纯钛、钛合金、金合金、钴铬合金、二氧化硅和二氧化锆等。

    1.1金属材料种类

    任何物体在一定磁场强度的外磁场作用下都会被磁化,并显示出一定特征的磁性。该磁性通常用磁化强度来表示,磁化强度与磁场强度的比值即为磁化率。金属材料根据磁化率可分为磁化方向与磁场方向相反的抗磁性物质,如铜、金、锌、铅、碳、铋等;磁化方向与磁场方向一致的顺磁性物质,如铬、锰、铝等;即使外部磁场消失,仍能保持磁化状态的铁磁性物质,如铁、钴、镍等。金属与邻近组织磁化率的差异使局部磁场不均匀,从而改变了金属与人体组织内部氢核-质子的自旋,使其失相位,异常的自旋相位造成映射到图像中的位置错误,最终导致图像变形失真、物体周围信号较低或丢失、金属物体周围出现高信号强度边缘。

    研究表明,铁磁性物质具有较高的MRI伪影潜力,表现为金属周围无信号,或邻近组织和器官图像发生变形。有学者认为,有种植体的患者其伪影仅局限在口腔局部,不会影响脑部成像的质量。但Costa等认为,钛种植体对脑部图像有一定的影响。对于有磁性附着体的种植支撑式覆盖义齿,口内衔铁会导致脑部MRI图像发生变形。

    种植修复中常用的金属材料并不只是单一的某种金属,是含有不同比例成分的合金,如贵金属合金,包括金、铂、钯、银;贱金属合金包括钴、铬、镍。合金的磁性取决于所含的金属成分,尽管金属合金中单一金属是具有磁性的,但金属合金可能是非磁性的,反之亦然。金属合金材料中所含的磁体成分比例越多,所形成的伪影就越明显。临床及实验研究的种植体材料主要有纯钛(其中溶有不同含量的铁、氢、氧、氮和碳)、钛合金、钛锆合金以及陶瓷(主要为三氧化二铝和二氧化锆),而不同种植体的具体成分组成是各个厂家的技术秘密。有学者在相同MRI扫描条件下对不同品牌的种植体进行扫描,其产生的伪影范围有较大差别。

    Smeets等发现,全瓷、钛锆合金及钛种植体在MRI中的伪影依次增大。种植义齿本身就是由多种金属和合金组合而成的一个复合体,王成洁等发现,种植体黏结烤瓷全冠后其MRI伪影面积较黏结前有所增加。Hilgenfeld等比较了分别佩戴钴铬合金冠、金合金冠以及氧化锆全瓷冠的钛种植体对MRI的影响发现,最明显的是钴铬合金组,金合金组和氧化锆组影响相对较小。

    1.2金属材料的体积、数量及形状

    金属体积增大,导致磁场不均匀区域增大,同时内部失相位的质子数量也会增加,故伪影可随着种植修复体体积的增大而增加。国内学者比较了直径相同、长度不同的2枚种植体发现,长度较长的种植体伪影较大,伪影面积与种植体的体积相关。伪影大小与金属的数量亦成正比。对于多牙或全口种植修复义齿对头颈部MRI的影响程度目前尚无报道。此外,金属的几何形状也会影响伪影的大小,球形物体的图像失真率最高,圆柱形物体的最低。对于金属材料的体积、数量及形状以及金属材料本身,哪种因素对伪影的影响更大仍需进一步研究。

    1.3种植修复部位和种植体方向

    后牙牙冠体积较前牙牙冠大,故伪影也较前牙大。以检测部位为中心,半径10 cm范围内有金属存在会导致信号丢失。该研究提示,不同修复牙位的种植义齿会对邻近组织如腮腺、上颌窦、舌体等的MRI图像产生干扰。伪影的形状、范围与金属物体方向有关。Lee等发现,金属螺丝长轴与主磁场平行时,金属伪影呈圆形或椭圆形,范围相对较小;当螺丝长轴与主磁场的夹角增大时,伪影范围也增大;垂直时,伪影范围最大,呈“cloverleaf”形。Murakami等的研究结果与此一致。尽管如此,伪影最大的影响因素还是金属材料的成分。

    2.MRI参数对金属伪影的影响

    金属伪影除了与金属材料有关外,也与所使用的MRI参数有关。磁场强度、扫描序列等扫描参数,编码强度、体素等成像参数同样会影响金属伪影的程度及大小。

    2.1磁场强度

    MRI根据磁场强度分为低场MRI(磁场强度为0.23~0.3T)、高场MRI(磁场强度为1.5~3.0T)和超高磁场MRI(磁场强度为7.0~10T)。低场MRI通常为开放式MRI扫描仪,图像质量相对较差,扫描时间长;高场MRI通常为闭合式MRI扫描仪,1.5T的MRI扫描仪图像质量较高,扫描时间相对较短,能够很好地评估某些结构的功能,3.0T扫描仪可用于某些器官的精细结构如大脑或心脏血管的检查;超高磁场MRI多用于实验研究。

    磁敏感性与磁场强度的平方成正比,磁场强度越高,所产生的磁敏感性伪影越大。高磁场的成像虽然更清晰,但是伪影更大,更易产生图像变形。研究表明,在保证图像清晰度的情况下,相对低的磁场强度(1.5T)可以减小金属伪影。但是在实际临床应用中,尤其是口腔颌面部的MRI,1.5T MRI对除颞下颌关节外的其他口腔及颌面部结构,如牙周组织、牙齿等的成像并不可行。相比之下,3.0T MRI对(如唾液腺、口底软组织囊性病变、鼻窦炎等)头面部结构的成像更好。

    2.2扫描序列

    MRI常采用自旋回波序列,采用90°和180°脉冲组合,其中180°重聚脉冲可以恢复因静磁场不均匀以及物体磁化率差异所致的横向信号丢失,梯度回波序列不包括180°重聚脉冲,会导致局部信号丢失,因此对于口腔内存在不可取出的金属修复体的患者应尽量避免使用梯度回波序列进行投照。回波时间短的快速自旋回波(fast spin echo,FSE或turbo spin echo,TSE)序列较回波时间长的FSE序列或传统的自旋回波序列的伪影小,短回波时间序列可减少自旋失相时间,从而减小伪影产生。

    2.3弛豫时间

    MRI中T1、T2分别指的是质子纵向和横向弛豫时间,由相关参数构成的图像通常被描述为T1加权像和T2加权像。T1和T2加权像是通过改变射频脉冲时间,从而改变射频脉冲序列重复时间、回波时间、图像对比获得。T1加权像重复时间和回波时间短,通常用于显示正常的剖解结构,而T2加权像重复时间和回波时间长,可用于检测感染、出血和肿瘤。T2加权序列更易受磁化率的影响,因此信号更易衰减。

    2.4成像参数

    沿频率编码方向的伪影程度与频率编码梯度强度或读出梯度强度成反比。这种失真可以通过读出时使用高频编码梯度部分抵消,相当于增加接收器带宽,但这项技术会导致信噪比降低。体素大小由图像矩阵、视野大小以及图像层厚度决定。运用增大图像矩阵、减小视野以及层厚可降低体素大小,从而使伪影最小化。但较小的体素尺寸也存在信噪比降低(每个体素中获得信号的质子更少)的问题。一种补偿损失信噪比的方法是增加激发次数,但这将导致成像时间增加。

    3.减小伪影的方法

    3.1种植修复材料选择

    部分患者存在钛过敏,且金属基台在前牙修复时会导致软组织变色而影响美观。因此,氧化锆种植体及基台被认为是钛种植体及金属基台的潜在替代品。虽然初衷并不是为了解决MRI中的金属伪影,但研究已证明其MRI伪影明显小于钛种植体及金属基台。目前因氧化锆种植体和氧化锆基台的机械强度以及表面处理技术等仍有待优化,因而临床应用较少。

    种植上部修复,尤其是固定修复时,应尽量选择伪影小的氧化锆冠或贵金属冠。采用螺丝固位的修复体可在行头颈部MRI前暂时卸下种植体上部修复体,对于覆盖义齿,尤其是有磁性附着体的覆盖义齿,应在MRI前将口内衔铁卸下,以减少口腔中金属的存在。MRI扫描时,尽可能使种植体方向与外磁场方向平行,以使磁敏感性伪影最小化。但在大部分情况下,因种植体数量、几何形态及部位的限制,很难做到与外磁场方向平行。

    3.2MRI参数调节

    MRI常用的降低伪影的技术有:①低磁场强度,运用1.5T代替3.0T;②用FSE代替梯度回波序列;③减少回波时间;④增加接收器带宽;⑤适当增加频率编码梯度场强度,或切换频率和相位编码方向;⑥增加图像矩阵大小;⑦减少层厚;⑧脂肪抑制时采用反转恢复序列或水脂分离序列;⑨先进的图像采集和重建技术,如并行采集成像技术、部分傅立叶技术/欠采样、压缩感知等。

    上述方法可以用于大部分没有特殊App或硬件修改的MRI系统,因金属成分、尺寸以及形状造成的伪影仍然会存在。一些金属伪影抑制技术或伪影抑制序列正在被开发使用,如螺旋桨技术、视角倾斜、层间编码金属伪影矫正(slice-encoding for metal artefact correction,SEMAC)、超短回波时间序列、多采集与可变谐图像结合序列及基于SPACE的多层采集视角倾斜(multi-slab acquisition with VAT,based on the SPACE,MSVAT-SPACE)序列,目前这些序列多用于整形外科或神经外科。

    视角倾斜和SEMAC技术可明显减轻口腔金属造成的伪影。使用视角倾斜,在读出过程中,沿切片选择长轴的附加梯度,这一附加梯度与脉冲发射的层面选择梯度完全一致,MRI信号在两梯度作用下,形成一倾斜角,减少层面内的变形,从而造成图像切片内的剪切效果,减少金属伪影。此项技术最主要的缺点是图像模糊。SEMAC在切片选择方向上应用附加相位编码以校正层面间的变形,但其图像采集时间较长。两者联合使用可很大程度地减轻金属伪影。

    不同技术抑制伪影的效果也不同。Hilgenfeld等比较了TSE-短时间反转恢复(short time inversion recovery,STIR)序列、SEMAC-STIR序列、SPACE-STIR序列、MSVAT-SPACE-STIR序列在种植体单冠3D伪影中的画面质量,并进行定量评估(标准化信噪比)和定性评估。研究发现,MSVATSPACE-STIR序列因具有更高的分辨率和归一化信噪比而优于SPACE-STIR序列;对于磁化率高的材料,SEMAC-STIR序列能明显减小伪影体积,而对于磁化率低的材料,SEMAC-STIR序列和MSVATSPACE-STIR序列无明显差异;在有限的采集时间内,SEMAC-STIR无法充分发挥其优势以抑制金属伪影。

    此外,该学者还比较了标准TSE序列、SEMAC序列、MSVAT-SPACE序列、PETRA(pointwise encoding time reduction with radial acquisition)序列种植义齿伪影,其中PETRA序列是一种能提供更高信噪比的特殊超短回波时间序列,而SEMAC序列的伪影抑制并不优于TSE序列;MSVAT-SPACE序列能在抑制伪影的同时保证图像质量;PETRA序列抑制伪影的能力取决于材料成分,在钴铬烤瓷冠-钛种植体中,伪影体积较大,在氧化锆冠-钛种植体中,伪影体积与其他序列无差异,且PETRA序列的图像质量较差。

    4.小结

    口腔内金属材料对MRI有影响已成为共识,传统固定修复义齿结构相对简单,而种植义齿包括的种植体、基台、牙冠或上部修复结构所用的材料和形状多种多样,不同于传统修复义齿,其是由多种金属和非金属材料组成的三维物体,因此以往对某一种金属材料的研究并不能完全代表种植义齿对MRI的影响,需要更多关于种植义齿对MRI伪影影响的研究。对于有金属固定修复体,尤其是有种植修复的患者进行MRI检查时,如何在保存修复体及种植体的前提下,根据金属的大小、材料、植入位置、方向等因素综合考虑,通过调节参数或采用更有效的方法以避免伪影的干扰,是影像医师和口腔医师共同需要攻克的难题。

编辑: 陆美凤

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