基于壓縮感知3D-FLAIR序列與常規(guī)2D-FLAIR序列在腦白質(zhì)病變成像中的對比研究

張月青，丁金立*，龔濤，陳緒珠，鄭鳳蓮，張彥博，范亦龍，林良杰

作者單位：1.首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院放射科，北京 100070；2.江西省宜春市人民醫(yī)院放射科，宜春 336099；3.飛利浦(中國)投資有限公司，北京 100102

液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fluid-attenuated inversion-recovery，F(xiàn)LAIR)序列是基于T2加權(quán)的水抑制序列，能夠增加顱內(nèi)病變與腦脊液之間的圖像對比，有利于腦白質(zhì)病變的檢出[1]。根據(jù)采集方式可將FLAIR序列分為2D-FLAIR和3D-FLAIR，2D-FLAIR以二維方式采集層面內(nèi)信息，普遍應用于常規(guī)顱腦檢查；3D-FLAIR以三維體素方式進行采集，可提供改進的解剖信息(包括減少腦脊液流動偽影等)[2-3]，但是采用各向同性1 mm3體素時掃描時間比2D-FLAIR長，易導致運動偽影和掃描失敗。

壓縮感知(compressed sensing，CS)技術(shù)可實現(xiàn)3D-FLAIR序列的有效加速[4-5]，設置合適的加速倍數(shù)可使得3D-FLAIR序列的掃描時長接近2D-FLAIR序列。然而，基于CS技術(shù)的3D-FLAIR序列對腦白質(zhì)病變的成像效果，及其與2D-FLAIR序列的對比研究尚未有相關(guān)報道。本研究擬通過腦白質(zhì)病變患者的臨床和影像資料，對比分析CS 3D-FLAIR序列與2D-FLAIR序列在圖像質(zhì)量和腦白質(zhì)病變顯示方面的差異，以期優(yōu)化頭部FLAIR序列并提高腦白質(zhì)病變的診斷率。

1 材料與方法

1.1 一般資料

前瞻性納入2019 年12 月至2021 年3 月在首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院行磁共振掃描的腦白質(zhì)病變患者。納入標準：(1)患者年齡大于18 歲并簽署知情同意書；(2)確診為腦白質(zhì)病患者，腦白質(zhì)信號表現(xiàn)為斑點樣、斑塊樣或斑片樣；(3)有完整的顱內(nèi)2D-FLAIR 和CS 3D-FALIR 圖像。排除標準：圖像出現(xiàn)嚴重偽影。最終納入40 例，男21 例，女19 例，年齡范圍為22～91 (50.6±23.8)歲。本研究經(jīng)首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院倫理委員會批準(批準文號：KY 2019-067-02)，全體受試者均簽署了知情同意書。

1.2 影像檢查方法

本研究所用設備為Philips Ingenia CX 3.0 T 磁共振掃描儀，32 通道頭部線圈(ds Head 32-ch 3.0 T)，所有受試者均同時采集軸位2D-FLAIR序列、矢狀位CS 3D-FLAIR序列，以及常規(guī)的軸位T2 序列、軸位T1 序列、矢狀位T1 序列和DWI序列。兩個FLAIR 序列的參數(shù)設置如表1 所示。其中，2D-FLAIR 序列為臨床常規(guī)應用序列，掃描時長2 min 15 s；CS 3D-FLAIR 序列通過CS 技術(shù)加速后掃描時長與2D-FLAIR 序列相近，掃描結(jié)束后通過多平面重建后處理得到軸位2D圖像。

表1 兩個FLAIR序列的主要掃描參數(shù)

1.3 圖像分析

分別對圖像進行客觀和主觀評價。

客觀評價：由一名經(jīng)驗豐富的診斷醫(yī)師在后處理工作站(星云工作站IntelliSpace Portal V7)上對圖像進行定量測量。通過勾畫感興趣區(qū)(region of interest，ROI)方式分別在2D-FLAIR軸位圖像和CS 3D-FLAIR重建出的軸位圖像上測量腦白質(zhì)的信噪比(signal to noise ratio，SNR)，以及腦白質(zhì)相對于腦脊液的對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)，計算方式如下：

其中μWM和μCSF分別表示腦白質(zhì)和腦脊液的平均信號強度，σWM和σCSF分別表示腦白質(zhì)和腦脊液的信號標準差。本研究中腦白質(zhì)信號取自信號相對均勻的胼胝體壓部(優(yōu)選胼胝體壓部顯示面積較大的層面)，腦脊液信號取自側(cè)腦室內(nèi)信號均勻的腦脊液部分(優(yōu)選側(cè)腦室三角區(qū))，同一患者選取同一層面進行ROI的勾畫，每個部位采用同樣方式測量3次，取平均值。

主觀評估：由兩名經(jīng)驗豐富的診斷醫(yī)師共同對CS 3D-FLAIR 圖像和2D-FLAIR 圖像上顯示的腦白質(zhì)病變個數(shù)進行統(tǒng)計，鼓勵醫(yī)師可對CS 3D-FLAIR 圖像進行多平面重建，結(jié)果由兩名醫(yī)師(主任醫(yī)師，從事神經(jīng)影像診斷超過20 年；主治醫(yī)師，從事神經(jīng)影像診斷超過10年)商議得到。圖像整體質(zhì)量評分在Kakeda S的評分標準基礎上進行改良[6]，采用4級評分法(3 分：灰白質(zhì)對比優(yōu)，組織邊緣清晰，無偽影，診斷價值高；2 分：灰白質(zhì)對比良，組織邊緣較清晰，無偽影或偽影較小，診斷價值適中；1 分：灰白質(zhì)對比一般，組織邊緣略模糊，偽影明顯，具有一定診斷價值；0分：圖像顯示差，難以診斷)。

1.4 統(tǒng)計分析

使用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計學分析。計數(shù)資料用頻數(shù)表示，計量資料用中位數(shù)(上四分位數(shù)，下四分位數(shù))表示。圖像客觀評價指標和主觀評價指標均采用Wilcoxon 秩和檢驗(經(jīng)Kolmogorov-Smirnov 檢驗和Levene 檢驗，所有數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，方差不齊)。以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

兩個FLAIR 序列圖像上腦白質(zhì)的SNR、CNR、病灶個數(shù)、圖像質(zhì)量評分如表2 中所示。其中CS 3D-FLAIR 圖像上腦白質(zhì)的SNR和CNR的平均值均高于2D-FLAIR，但是差異不具有統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，見表1。

表2 CS 3D?FLAIR與2D?FLAIR序列的客觀評價指標和主觀評價指標對比

從表1 中可以看出，CS 3D-FLAIR 圖像上檢測出的腦白質(zhì)病變個數(shù)顯著多于2D-FLAIR 圖像，差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。CS 3D-FLAIR 圖像的質(zhì)量評分高于2D-FLAIR 圖像，差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。此外，在CS 3D-FLAIR 圖像上可檢測到的部分體積較小的腦白質(zhì)病灶，在2D-FLAIR 圖像上未能明確顯示，如圖1 所示。2D-FLAIR 序列易受到血管或腦脊液導致的搏動偽影的影響，常見于第四腦室層面，但是搏動偽影在CS 3D-FLAIR圖像上被有效抑制，如圖2所示。

3 討論

早期研究表明，3D-FLAIR 在多發(fā)硬化病灶檢測方面比2D-FLAIR 更具優(yōu)勢[7-8]，但是較早的3D-FLAIR主要利用multi-slab 模式進行采集，缺點顯著，主要體現(xiàn)在百葉窗效應和采集時間太長[1,6]。隨著single-slab 序列的發(fā)展這些缺點得到一定程度上的彌補，研究證實single-slab 3D-FLAIR 對病灶的檢測具有更高的敏感性[9-10]。然而，基于CS 技術(shù)的CS 3D-FLAIR 序列與常規(guī)2D-FLAIR 序列在腦白質(zhì)病變成像中的對比研究鮮有報道。

本研究中的CS 3D-FLAIR序列比常規(guī)2D-FLAIR多檢測出了13.25%的腦白質(zhì)病灶，其主要原因是CS 3D-FLAIR 序列采集體素較小(1 mm3各向同性)，相比于2D-FLAIR序列的5 mm層厚，更利于小病灶的檢出。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，CS 3D-FLAIR圖像上檢出的若干個相鄰的小病灶有時會在2D-FLAIR 圖像上被誤認為單個混合病灶，這與Patzig等[11]的研究結(jié)果一致。另外值得注意的是，2D-FLAIR 易受到流入血液或腦脊液的干擾，形成搏動偽影，尤其是在第四腦室；而CS 3D-FLAIR 序列利用single-slab 采集方式，其三維脈沖序列使用的是非空間選擇性的射頻脈沖，有效抑制了來自非反轉(zhuǎn)腦脊液流入第四腦室的搏動偽影，更利于第四腦室病灶的有效檢出[11-13]。

以往研究表明，3D-FLAIR 序列相比于2D-FLAIR 序列，無論在圖像的SNR、灰白質(zhì)對比、空間分辨率、多角度觀察病灶等各方面均占顯著優(yōu)勢[8,10]，這些結(jié)論在本研究中得以證實。阻礙3D-FLAIR 序列應用于臨床常規(guī)掃描的一個重要因素是掃描時間，盡管以往研究利用并行采集技術(shù)可以實現(xiàn)3D-FLAIR序列的大幅加速[12-13]，但是體素大小為1 mm3的各向同性3D-FLAIR 序列往往還需要3～5 min 的掃描時間[14-15]，相比2D-FLAIR依舊長很多，這不僅增加了對患者耐受度的考驗，更增加了圖像出現(xiàn)運動偽影的幾率。本研究中，利用CS 技術(shù)的稀疏采樣方式，可以將3D-FLAIR 序列的掃描時間縮短到與2D-FLAIR相當；所采集獲得的圖像在SNR、CNR以及圖像整體質(zhì)量等方面不弱于甚至優(yōu)于2D-FLAIR序列；此外，CS 3D-FLAIR序列在相同掃描時間內(nèi)檢查FOV更大，亦有利于檢出病變。這些優(yōu)勢提高了3D-FLAIR序列應用于臨床常規(guī)掃描的可能性。

對于磁化傳遞率較高的病灶，偶然的磁化傳遞效應會使得2D-FLAIR 序列(一般采用的是multi-slice 采集方式)壓制信號，而這種偶然的磁化傳遞效應在3D-FLAIR序列中不存在，原因在于3D-FLAIR 一般采用single-slab 的采集方式[16-17]。這也是本研究中1 mm3體素的CS 3D-FLAIR 序列圖像的SNR 比5 mm 層厚的2D-FLAIR 高的主要原因之一。近期Li 等[2]研究了3D_spiral_FLAIR 在神經(jīng)系統(tǒng)掃描中的應用，證實其比常規(guī)的3D-FLAIR 具有更高的SNR，腦脊液和血流相關(guān)偽影顯著減少，同時患者所接收的SAR 值也得以降低，但是該研究并未涉及spiral技術(shù)與CS技術(shù)的對比分析，這將是課題組進一步探索的方向。

本研究存在一些不足之處：(1)僅選擇了CS 加速因子為6的CS 3D-FLAIR序列進行研究，未深入探索不同CS加速因子對3D-FLAIR 掃描的影響；(2) 2D-FLAIR 序列的層厚設置為5 mm；經(jīng)查閱，部分醫(yī)院也會設置成3 mm 等，有待進一步對比研究；(3) FLAIR 序列在許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病(例如顱內(nèi)腫瘤、急性腦卒中、顱內(nèi)出血等)的診斷中有著重要的臨床意義[18-23]，但是本研究的患者人群僅設定為腦白質(zhì)病變患者，未涉及更多病種的研究；(4)腦白質(zhì)病變區(qū)結(jié)構(gòu)改變與執(zhí)行功能密切相關(guān)[24]，與認知障礙也存在密切聯(lián)系[25-27]，本研究重點分析了腦白質(zhì)病灶的顯示個數(shù)，未系統(tǒng)性分析被檢出病灶的大小以及病灶的主要分布區(qū)域等；(5) 3D-FLAIR對海馬硬化、煙霧病(常春藤征)等患者的病灶對比度顯示方面存在不足，本研究暫未探索[6]；(6)本研究在3.0 T MR 設備上開展FALIR 序列的探索，隨著7.0 T MR 設備的出現(xiàn)，3D-FALIR 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷方面將迎來更多的應用前景[28-29]，也是課題組今后的探索方向之一。

綜上所述，CS 技術(shù)可以有效縮短3D-FLAIR 的掃描時間；對比傳統(tǒng)2D-FLAIR 序列，CS 3D-FLAIR 在相近的掃描時間內(nèi)可以獲得更高的圖像空間分辨率、SNR 和CNR，對于搏動偽影有更好抑制效果，從而更有利于腦白質(zhì)病變的檢出。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。