基于壓縮感知技術(shù)三維MRI用于半月板損傷

馬培旗，袁玉山*，張宗夕，胡小明，彭 彬，許 健

(1.阜陽(yáng)市人民醫(yī)院影像中心；2.骨科，安徽 阜陽(yáng) 236000)

MRI已廣泛用于觀察半月板損傷，常規(guī)膝關(guān)節(jié)MR序列包括橫位、矢狀位、冠狀位質(zhì)子加權(quán)壓脂序列及矢狀位T1W，掃描時(shí)間約6～7 min，部分不能耐受疼痛患者難以堅(jiān)持不動(dòng)。壓縮感知(compressed sensing, CS)技術(shù)是在K空間欠采樣情況下利用信號(hào)處理優(yōu)化算法獲得MR圖像，可明顯縮短MR信號(hào)采集時(shí)間。本研究探討基于CS技術(shù)的三維MRI(three dimensional MRI, 3D-MRI)在膝關(guān)節(jié)成像中的可行性及其評(píng)估半月板損傷的價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2018年11月—2019年8月26例于阜陽(yáng)市人民醫(yī)院就診的疑診膝關(guān)節(jié)損傷患者(損傷組)，男18例，女8例，年齡17～61歲，平均(39.8±11.0)歲；其中19例有明顯膝關(guān)節(jié)外傷病史，7例因膝關(guān)節(jié)疼痛就診。另隨機(jī)選擇30名健康志愿者(對(duì)照組)，男15名，女15名，年齡18～31歲，平均(26.5±3.5)歲；均無(wú)膝關(guān)節(jié)外傷病史。本研究經(jīng)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 Philips Ingenia CX 3.0T MR掃描儀，配備膝關(guān)節(jié)專用8通道線圈。掃描參數(shù)：常規(guī)矢狀位、冠狀位及軸位脂肪抑制質(zhì)子加權(quán)序列成像(fat saturation proton density-weighted imaging, fsPDWI)，TR 1 900 ms，TE 30 ms，F(xiàn)OV 160 mm×160 mm×70 mm，層厚4 mm，層間距0.4 mm，掃描時(shí)間6 min；CS-3D-MRI，CS壓縮倍數(shù)6，TR 1 200 ms，TE 200 ms，F(xiàn)OV 160 mm×180 mm×140 mm，層厚0.7 mm，層間距0 mm，掃描時(shí)間3 min 32 s。損傷組患者均于關(guān)節(jié)鏡手術(shù)前接受MRI，掃描結(jié)束對(duì)CS-3D-MRI按DS水平10%(CS-DSmedium)進(jìn)行重建；對(duì)照組采集右膝關(guān)節(jié)MRI，掃描結(jié)束后按不同降噪(denosing, DS)水平，即CS-DSweak(5%)、CS-DSmedium(10%)、CS-DSstrong(20%)進(jìn)行重建。重建圖像包括矢狀位、冠狀位及軸位圖像，F(xiàn)OV、層厚及層間距與常規(guī)MRI一致。記錄損傷組關(guān)節(jié)鏡檢查結(jié)果。

1.3 圖像質(zhì)量分析

1.3.1 客觀評(píng)價(jià) 由2名具有5年MRI診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師于對(duì)照組矢狀位圖像上選取外側(cè)半月板后角(posterior angle of lateral meniscus, PLM)正中層面，手動(dòng)于PLM及同層面肌肉處勾畫0.3 cm2橢圓形ROI，分別測(cè)量其信號(hào)強(qiáng)度(signal intensity, SI)SIPLM、SImuscle，以周圍空氣平均SI(SInoise)為背景噪聲值。計(jì)算PLM的表觀信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)和對(duì)比信噪比(contrast-to-noise ratio, CNR)，公式如下：SNR=SIPLM/SInoise；CNR=(SIPLM-SImuscle)/SInoise。

1.3.2 主觀評(píng)價(jià) 由2名具有5年MRI診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師分別獨(dú)立閱片，以3級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)對(duì)照組CS-3D-MRI質(zhì)量：1分，圖像偽影較重，不能評(píng)估半月板損傷分級(jí)；2分，圖像偽影較輕，大致可評(píng)估半月板損傷分級(jí)；3分，圖像無(wú)明顯偽影，圖像質(zhì)量高，可較準(zhǔn)確評(píng)估半月板損傷分級(jí)。對(duì)損傷組CS-3D-MRI進(jìn)行分析，并評(píng)估損傷類型。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料以±s表示。采用Kappa檢驗(yàn)評(píng)價(jià)2名醫(yī)師評(píng)估對(duì)照組圖像主觀評(píng)分結(jié)果的一致性及損傷組CS-3D-MRI的評(píng)價(jià)結(jié)果與關(guān)節(jié)鏡結(jié)果的一致性，Kappa≤0.20為一致性較差，0.21

2 結(jié)果

2.1 客觀評(píng)價(jià)結(jié)果 對(duì)照組膝關(guān)節(jié)MRI均未見明顯異常，不同方法重建CS圖像和fsPDWI表觀SNR及CNR差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)；兩兩比較結(jié)果示各序列圖像間表觀SNR差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，fsPDWI與CS-DSmedium圖像間CNR值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，其余各序列圖像間CNR值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)；見表1、圖1。

圖1 志愿者男，31歲，右膝關(guān)節(jié)矢狀位MRI A.常規(guī)fsPDWI；B.CS-DSweak重建圖像；C.CS-DSmedium重建圖像；D.CS-DSstrong重建圖像

表1 對(duì)照組組內(nèi)不同方法重建CS圖像和fsPDWI的表觀SNR及CNR比較(±s)

表1 對(duì)照組組內(nèi)不同方法重建CS圖像和fsPDWI的表觀SNR及CNR比較(±s)

序列SNRCNRfsPDWI2.61±1.1829.46±10.57CS-DSweak4.74±2.0825.38±7.56CS-DSmedium5.92±2.1631.44±11.83CS-DSstrong7.74±2.2239.40±11.12F值36.019.62P值<0.01<0.01

2.2 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果 2名醫(yī)師對(duì)對(duì)照組MR圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性強(qiáng)(Kappa=0.91，P<0.01)。分析2名醫(yī)師評(píng)分結(jié)果的均值，不同方法重建CS圖像和fsPDWI圖像質(zhì)量評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=0.35，P=0.32)。2名醫(yī)師均認(rèn)為CS圖像中的CS-DSmedium圖像為評(píng)估膝關(guān)節(jié)的最佳圖像。

2.3 損傷組CS-3D-MRI診斷結(jié)果與關(guān)節(jié)鏡結(jié)果的一致性分析 損傷組CS-3D-MRI診斷結(jié)果與關(guān)節(jié)鏡結(jié)果診斷結(jié)果的一致性強(qiáng)(Kappa=0.94，P<0.05)，見表2、圖2。

圖2 患者男，21歲，右側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)半月板后根部撕裂傷 A～C.重建矢狀位(A)、冠狀位(B)、軸位(C)膝關(guān)節(jié)CS-3D-MRI；D.關(guān)節(jié)鏡檢查結(jié)果與CS-3D-MRI一致 (箭示病灶)

表2 損傷組CS-3D圖像診斷結(jié)果與關(guān)節(jié)鏡結(jié)果(例)

3 討論

作為一種無(wú)創(chuàng)傷性檢查方法，MRI是診斷半月板損傷的首選檢查方法。針對(duì)不同類型半月板損傷，治療方式有所不同，如水平、放射狀、桶柄狀及復(fù)合型撕裂等常不可修復(fù)，需行半月板部分切除或全切除手術(shù)，縱行或斜行撕裂傷可恢復(fù)，宜采取縫合治療。術(shù)前明確半月板撕裂類型有助于明確手術(shù)指征及完善手術(shù)方案。常規(guī)矢狀位及冠狀位二維MRI診斷半月板撕裂的敏感度和特異度均較高，但對(duì)其能否準(zhǔn)確區(qū)分半月板撕裂類型尚存在爭(zhēng)議。常規(guī)膝關(guān)節(jié)軸位掃描層面很難完全平行于半月板，且掃描層厚相對(duì)于半月板而言較厚，顯示半月板效果較差。SHAKOOR等[1]以手術(shù)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，比較分析3D-MRI與2D-MRI在評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)半月板損傷中的診斷價(jià)值，發(fā)現(xiàn)2者診斷半月板損傷效能相當(dāng)，而3D序列圖像可通過(guò)多平面重組而提高診斷特異度。AI等[2]認(rèn)為3D-MRI可通過(guò)不同方位重建圖像、尤其薄層軸位圖像清楚顯示半月板損傷的形態(tài)。有學(xué)者[3]應(yīng)用3D-SPACE序列，發(fā)現(xiàn)3D序列較傳統(tǒng)2D序列圖像對(duì)評(píng)估半月板撕裂類型具有更高的敏感性和特異性，尤其對(duì)于復(fù)合型撕裂。相比2D-MRI，3D-MRI通過(guò)重建各方位圖像、尤其軸位圖像，更有助于臨床術(shù)前評(píng)估半月板損傷。

常規(guī)3D-MRI掃描時(shí)間較長(zhǎng)，目前1個(gè)序列約需6～7 min，如何在保證圖像質(zhì)量的前提下縮短掃描時(shí)間是MR技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。CANDES等[4]于2006年首次系統(tǒng)提出CS理論，在遠(yuǎn)小于奈奎斯特采樣率的條件下隨機(jī)采樣，獲取信號(hào)離散樣本，之后通過(guò)非線性重建算法獲得原始信號(hào)。LUSTIG等[5]于2007年提出CS-MRI概念，只用部分k空間數(shù)據(jù)即可重建原始圖像。相比采集k空間信號(hào)的傳統(tǒng)MRI，CS-MRI先對(duì)信號(hào)進(jìn)行空間變換，使其成為稀疏或可壓縮信號(hào)，再利用一個(gè)與變換基不相干的測(cè)量矩陣將變換所得高維信號(hào)投影至一個(gè)低維空間，并對(duì)所獲取的少量測(cè)量值進(jìn)行求解凸優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精確重構(gòu)[6]。實(shí)現(xiàn)CS-MRI必須具備3個(gè)條件：①M(fèi)RI是可稀疏的；②k空間亞采樣引起的混疊偽影是非相干的；③非線性重建方法可重新集中稀疏域中被欠采樣分散的值[7-8]。膝關(guān)節(jié)3D-MRI的相位編碼和層面編碼均可實(shí)現(xiàn)亞采樣，即CS采樣矩陣是二維的，較2D成像采樣矩陣高一個(gè)維度。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究將壓縮倍數(shù)調(diào)為6倍，比較常規(guī)膝關(guān)節(jié)MRI與CS-3D-MRI圖像質(zhì)量，探討CS-3D-MRI用于膝關(guān)節(jié)成像的可行性。

由于k空間數(shù)據(jù)填充過(guò)程部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)丟失，重建時(shí)會(huì)出現(xiàn)偽影，如直接對(duì)亞采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉重建，圖像會(huì)出現(xiàn)混響偽影[9]；根據(jù)壓縮感知原理及重建算法可有效恢復(fù)目標(biāo)圖像。CS圖像重建過(guò)程中可選擇不同權(quán)重的降噪比率去除偽影，由此產(chǎn)生多組圖像。本研究結(jié)果顯示CS-DSstrong圖像的SNR及CNR均高于其他組。但圖像噪聲僅是影響圖像質(zhì)量的一個(gè)因素，且CS圖像是非線性重建圖像，采用傳統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)方法并不能真實(shí)評(píng)價(jià)CS-3D-MRI質(zhì)量，主觀評(píng)價(jià)對(duì)評(píng)估CS圖像的診療價(jià)值可能具有更重要的指導(dǎo)意義[10-11]。本研究中2名醫(yī)師均認(rèn)為CS-DSmedium圖像為評(píng)估膝關(guān)節(jié)的最佳圖像。張曉東等[12]將CS技術(shù)用于顱腦MRA，提出CS-DSstrong圖像為最佳診斷圖像。針對(duì)膝關(guān)節(jié)MRI，半月板呈低信號(hào)，應(yīng)用CS稀疏采集信號(hào)，之后選擇權(quán)重較大的DS重建圖像，可能影響圖像的對(duì)比度。本研究損傷組CS-3D-MRI診斷結(jié)果與關(guān)節(jié)鏡結(jié)果的一致性強(qiáng)；對(duì)照組CS-3D-MRI圖像質(zhì)量滿足診斷要求，而掃描時(shí)間明顯縮短，提示其或可取代常規(guī)MRI。既往研究[13]發(fā)現(xiàn)，常規(guī)MRI上內(nèi)側(cè)半月板后根部撕裂呈高信號(hào)，難以與后交叉韌帶周圍腱鞘積液及后根部?jī)?nèi)正常線狀高信號(hào)相鑒別；通過(guò)對(duì)CS-3D圖像進(jìn)行軸位重建，可以更好地鑒別。本組1例半月板后根部撕裂，通過(guò)觀察平行于半月板的軸位重建圖像明確診斷。

綜上所述，基于CS技術(shù)3D-MRI可用于膝關(guān)節(jié)成像，對(duì)評(píng)估膝關(guān)節(jié)半月板損傷有較好的價(jià)值，保證圖像質(zhì)量的前提下，縮短了掃描時(shí)間。本研究?jī)H針對(duì)半月板成像質(zhì)量進(jìn)行分析，而膝關(guān)節(jié)半月板損傷常伴韌帶損傷或骨骼損傷，其應(yīng)用價(jià)值有待進(jìn)一步加大樣本量深入探討。