Combined Fluid-attenuated Inversion Recovery and Fat Suppression MR Imaging for Cartilage Evaluation: An Ex Vivo Study Using Porcine Patella

Abstract

Objectives To describe the imaging characteristics of combined fluid-attenuated inversion recovery with fat suppression (FLAIR-FS) in cartilage imaging and compare its basic features with those of conventional MR sequences.

Methods MR images of 14 porcine patellae were obtained with a 3-T MR imaging unit. A normal-saline-filled plastic container, containing two porcine patellae fixed with rubber bands, was positioned in the coil. The MR imaging sequences included T1-weighted imaging (T1WI), T2-weighted imaging (T2WI), and FLAIR-FS with an inversion time of 1500 ms. In the last two of the 14 patellae, the double-echo steady-state (DESS) (TR/TE = 14.5/5.0, flip angle 30°, slice thickness 1.0 mm) and ultrasonography (US) were additionally performed. For 28 annotated points on 14 patellae, visual grading of cartilage layer conspicuity was performed with 5-point scores on T1-, T2WI, and FLAIR-FS by two MSK radiologists. As a hypointense layer at the cartilage-water interface was unexpectedly seen with FLAIR-FS, we examined whether the interfacial hypointense layer was a part of the cartilage by comparing between FLAIR-FS and DESS. In the last two patellae with additional DESS and US scans, composite images from FLAIR-FS and DESS were made to inspect the location of the interfacial hypointense layer with FLAIR-FS relative to DESS. We also compared cartilage thickness measurements between FLAIR-FS and DESS. For FLAIR-FS, two different methods of cartilage thickness measurement were applied, including or excluding the interfacial hypointense layer. To verify the accuracy of cartilage thickness measurements on DESS, the measurements on MRI and US were compared. The degree of absolute agreement between measurements was obtained using the intraclass correlation coefficient (ICC) with a 95% confidence interval.

Results FLAIR-FS (TI 1500 ms) resulted in moderate water signal suppression and showed a higher signal intensity for the articular cartilage than free water. T1WI, T2WI, and FLAIR-FS showed a trilaminar appearance of the articular cartilage. This layered appearance was most pronounced with FLAIR-FS, followed by T2WI and T1WI (p < 0.001). A thin hypointense layer (0.7 ± 0.1 mm in thickness) appeared at the cartilage-water interface with FLAIR-FS. By excluding the interfacial hypointense layer, the cartilage surfaces matched well each other on composite image of FLAIR-FS and DESS. The cartilage thickness of the DESS reference standard was 2.2 ± 0.4 mm. When we compared cartilage thickness measurements on DESS and FLAIR-FS, exclusion of the interfacial hypointense layer (2.3 ± 0.3 mm, absolute ICC agreement 0.904) produced greater agreement than inclusion (3.0 ± 0.2 mm, absolute ICC agreement 0.322). The ICC of absolute agreement was 0.919 in comparison between DESS and US cartilage thickness measurements.

Conclusions FLAIR-FS showed superior contrast between cartilage layers and revealed a potential restricted water layer at the cartilage-water interface.

연구 목적 이 연구는 연골의 지방–물 이중억제 자기공명영상(combined fluid-attenuated inversion recovery with fat suppression, FLAIR-FS)에서 영상 특성을 설명하고, FLAIR-FS의 기본적인 특성과 기존의 자기 공명 영상 기법의 기본적인 특성을 비교해보고자 시행되었다.

연구 방법 14개의 돼지 슬개골을 3 Tesla 자기 공명 영상으로 촬영하였다. 생리식염수가 담긴 용기에 2개의 슬개골을 넣고 고무 밴드로 고정하여 coil에 위치시켰다. MRI 기법으로는 T1 강조영상, T2 강조영상과 반전시간 1500msec을 적용한 FLAIR-FS을 촬영하였다. 14개 연골 중 마지막 2개의 슬개골에 대하여는, 이중에코 항정상태 (double echo steady state, DESS) (TR/TE = 14.5/5.0, flip angle 30°, slice thickness 1.0 mm)와 초음파를 추가로 시행하였다. 14개의 슬개골에 28개의 지점을 표시한 후에, 2명의 근골격계 전문 영상의학과 의사가 5단계의 점수를 활용하여서, T1 강조영상, T2 강조영상과 FLAIR-FS에 대하여 연골 층의 구분 정도를 시각적으로 평가하였다. FLAIR-FS에서 연골-물 계면에서 저신호강도 영역이 예상외로 보였기 때문에, 우리는 이 계면사이의 저신호강도 영역이 연골의 일부인지 아닌지를, FLAIR-FS과 DESS 에서 연골을 비교하여서 평가하였다. DESS와 초음파를 추가로 시행한 2개의 슬개골에서, FLAIR-FS에서 보인 계면 사이의 저신호강도 영역의 위치를 DESS와 상대적으로 평가하기 위하여, FLAIR-FS과 DESS의 혼합 이미지를 만들었다. 또한, FLAIR-FS와 DESS의 연골 두께를 측정하여 비교하였다. FLAIR-FS에 대하여는, 연골 두께를 측정할 때, 두가지의 다른 방법이 사용되었는데, 계면 사이의 저 신호 층을 포함하거나 제외하는 방법으로 측정하였다. DESS에서의 연골 두께 측정의 정확도를 확인하기 위하여, MRI와 초음파에서의 측정이 비교되었다. 측정한 연골두께의 절대 합치도는, 급내상관계수를 이용하여 비교하였고, 95% 신뢰구간을 사용하였다.

연구 결과 FLAIR-FS (반전 시간 1500msec)은 중등도의 물 신호강도 억제를 보였고, 관절연골의 신호강도는 자유로운 물보다 높게 나타났다. 관절 연골은 T1 강조영상, T2 강조영상과 FLAIR-FS 영상 기법에서 세 층 구조를 보였다. 이러한 층 구조는 FLAIR-FS에서 가장 뚜렷하게 구분되어 보였고, 그 다음으로 T2 강조영상, 마지막으로 T1 강조영상 순으로 구분되었다 (p < 0.001). FLAIR-FS에서 연골–물 계면에 얇은 저신호강도 영역(두께: 0.7 ± 0.1 mm)이 보였다. 계면 사이의 저신호강도 영역을 제외하였을 때, FLAIR-FS과 DESS의 합성영상에서 연골의 표면이 서로 잘 일치하였다. 연골의 표준 영상인 DESS 기법에서 연골두께는 2.2 ± 0.4mm 였다. DESS와 FLAIR-FS 간 연골두께 측정 결과를 비교하면, 계면 사이의 저신호강도 영역을 제외한 경우(2.3 ± 0.3 mm, 절대합치도 0.904)가, 저신호강도 영역을 포함한 경우 (3.0 ± 0.2 mm, 절대합치도 0.322)보다 더 높은 합치도를 보였다. DESS 기법과 초음파검사의 연골두께 측정의 급내상관계수 절대합치도는 0.919이었다.

결론 지방–물 이중억제 자기공명영상은 연골 층 간의 높은 대조도를 보였고, 연골-물 계면에 움직임이 제한된 물 층의 존재 가능성을 보여주었다.