壓縮感知不同加速因子對(duì)肝臟3D-mDixon序列成像質(zhì)量的影響

王詩(shī)瑜，劉愛(ài)連，王家正，宋清偉，肖曉嘯，王楠，高冰冰

磁共振成像是臨床常用的影像學(xué)檢查方法，具有多參數(shù)、多序列、多方位成像和軟組織分辨率高等特點(diǎn)，在肝臟疾病的診斷中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。肝臟3D mDixon序列掃描效率高，一次掃描可獲得4種對(duì)比度圖像(同相位、反相位、水相、脂相)，且脂肪抑制效果穩(wěn)定，但亦有一定的缺點(diǎn)，包括掃描時(shí)間長(zhǎng)及對(duì)運(yùn)動(dòng)較敏感，肝臟位于膈肌下方易受呼吸偽影影響，并且鄰近腸道，腸蠕動(dòng)偽影也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響，因此如何提高肝臟3D mDixon序列掃描成功率至關(guān)重要。

壓縮感知(compressed sensing, CS)技術(shù)是基于應(yīng)用數(shù)學(xué)的一種創(chuàng)新性的信號(hào)采集和處理的前沿技術(shù)，可以顯著提升磁共振掃描速度和空間分辨率。在k空間欠采樣情況下，利用信號(hào)處理的優(yōu)化算法，得到MR圖像[1]，與常規(guī)方法比較可縮短信號(hào)采集時(shí)間，此技術(shù)近年來(lái)已成為MR技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。國(guó)外已有CS在MR成像中的應(yīng)用報(bào)道，如對(duì)比增強(qiáng)MRA、心臟電影成像等[3-4]，國(guó)內(nèi)有學(xué)者將其應(yīng)用于肝臟多動(dòng)脈期(16倍加速連續(xù)獲得8期相圖像，其中1～4期為動(dòng)脈早、中期，5～8期為動(dòng)脈晚期)增強(qiáng)掃描[5]。目前研究者在各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了CS相關(guān)實(shí)驗(yàn)和臨床研究，結(jié)果不盡相同，共同的觀點(diǎn)是在開(kāi)展CS的臨床應(yīng)用之前，必須在不同的臨床場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其可行性及診斷效能。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于CS臨床研究的報(bào)道尚少，本研究擬探討壓縮感知技術(shù)的不同加速因子對(duì)肝臟3D mDixon序列圖像質(zhì)量的影響。

材料與方法

1.一般材料

于我院招募10例健康志愿者進(jìn)行肝臟磁共振掃描。其中，男4例，女6例；年齡22～34歲，平均(25±4)歲；體質(zhì)指數(shù)(20.7±2.5)kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：a)肝臟局灶性或彌漫性病變者；b)檢查過(guò)程中呼吸配合不佳，影響數(shù)據(jù)測(cè)量者。

2.MRI檢查方法

使用Philips Ingenia CX 3.0T磁共振掃描儀和16通道腹部專(zhuān)用表面線圈。各受檢者明確無(wú)MRI檢查禁忌證，檢查前4 h禁食，以減少胃內(nèi)容物對(duì)肝左葉信號(hào)的影響。受檢者取仰臥位、頭先進(jìn)、雙手自然下垂置于身體兩側(cè)，人體正中矢狀面與檢查床中線重合，定位于劍突所在平面。對(duì)受檢者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練，于深呼氣末屏氣，同時(shí)加戴呼吸門(mén)控監(jiān)測(cè)受檢者呼吸情況。采用3D mDixon序列對(duì)每例被試行肝臟MRI掃描，設(shè)計(jì)6組掃描方案(A～F)，分別使用SENSE2(S2)和加速因子2～6的CS技術(shù)(記為CS2～CS6)，掃描時(shí)間分別為20.5、18.7、12.9、10.0、8.5和7.1 s。各組間除加速因子外其它掃描參數(shù)的設(shè)置保持一致，掃描參數(shù)：TR 3.40 ms，TE 1.05 ms，翻轉(zhuǎn)角15°，視野400 mm×320 mm×160 mm，矩陣184×136，層數(shù)80，層厚4.0 mm，層間距-2.0 mm，信號(hào)平均次數(shù)1，體素大小1.64 mm×1.56 mm×4.00 mm。

3.圖像分析和數(shù)據(jù)測(cè)量

將圖像傳至飛利浦后處理工作站(IntelliSpace Portal，ISP)，由兩位醫(yī)師(均具有5年以上腹部MRI診斷經(jīng)驗(yàn))獨(dú)立進(jìn)行ROI的選取和參數(shù)值的測(cè)量。在各序列圖像中均選取第一肝門(mén)水平(保證測(cè)量ROI在同一層面)，分別在肝臟的左外葉、左內(nèi)葉、右前葉和右后葉內(nèi)勾畫(huà)長(zhǎng)橢圓形ROI，其長(zhǎng)軸方向與肝內(nèi)膽管走向一致，大小約200 mm2，距離肝包膜約1 cm, 注意避開(kāi)血管和膽管；在相同層面同一相位方向于右側(cè)豎脊肌內(nèi)勾畫(huà)ROI，大小約90 mm2，注意避開(kāi)脂肪間隙。分別測(cè)量肝臟和豎脊肌的信號(hào)強(qiáng)度(signal intensity,SI)和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)，所測(cè)數(shù)據(jù)分別取均值。按照公式(1)和(2)計(jì)算肝臟各葉的信噪比(signal to noise ratio,SNR)和對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio,CNR)：

(1)

(2)

由兩位觀察者分別從影像整體質(zhì)量、脂肪抑制效果、偽影、肝臟邊緣的銳利度和血管清晰度等方面對(duì)6組圖像進(jìn)行評(píng)分(表1)，采用5級(jí)評(píng)分，≥3分為滿(mǎn)足診斷需求。

表1 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4.統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)兩位觀察者所測(cè)數(shù)據(jù)及主觀評(píng)分的一致性采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient,ICC)進(jìn)行檢驗(yàn)，ICC<0.40為一致性差，0.40～0.75為一致性一般，>0.75為一致性良好。若一致性良好，選擇高年資醫(yī)師的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)對(duì)兩位觀察者測(cè)量數(shù)據(jù)及圖像質(zhì)量主觀評(píng)分進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析，并以LSD法進(jìn)行組間兩兩比較；非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用Kruskal-WallisH檢驗(yàn)，進(jìn)行6組間總體差異的分析及組間兩兩比較。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.一致性分析

兩位觀察者對(duì)肝臟SI的測(cè)量值及一致性分析見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，兩位醫(yī)師對(duì)肝臟SI及SD的測(cè)量結(jié)果的ICC均為良好(ICC分別為0.993～0.996和 0.958～0.992)。兩位觀察者對(duì)圖像質(zhì)量主觀評(píng)分的一致性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。本組結(jié)果顯示，兩位觀察者對(duì)圖像質(zhì)量主觀評(píng)分的一致性較好，ICC為0.789～0.899。

表2 兩位醫(yī)師對(duì)肝臟SI測(cè)量結(jié)果的一致性分析

表3 主觀評(píng)分及一致性檢驗(yàn)(n=10)

2.各組間圖像質(zhì)量的比較

6個(gè)序列圖像上圖像質(zhì)量主觀評(píng)分和定量指標(biāo)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4和圖1。6組間肝臟SD、SNR和主觀評(píng)分的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而CNR的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表4 六組的肝臟SD、SNR和CNR及其比較

進(jìn)一步對(duì)各組的SD、SNR和主觀評(píng)分進(jìn)行組間兩兩比較，P值見(jiàn)表5。結(jié)果顯示CS2～CS5序列的肝臟SD值均小于SENSE 2和CS 6序列(P<0.05)；SENSE2及CS2～CS4序列各組間SNR的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)； CS5和CS6序列的SNR較CS2～CS5序列顯著下降(P<0.05)。用兩名觀察者主觀評(píng)分的均值進(jìn)行各組間的比較，結(jié)果顯示SENSE2及CS2～CS4序列的主觀評(píng)分高于CS5和CS6序列(P<0.05)。

表5 LSD法進(jìn)行6組間兩兩比較的P值

3.各組間掃描時(shí)間的比較

上腹部3D mDixon序列掃描CS2～CS6序列的掃描時(shí)間分別為20.5、18.7、12.9、10.0、8.5和7.1s，即隨著加速因子的增加掃描時(shí)間逐漸減少。相較于SENSE2序列20.5s的掃描時(shí)間，CS4序列的掃描時(shí)間僅為10.0s，降低了51.22%。

討 論

MRI作為一種無(wú)輻射風(fēng)險(xiǎn)、組織分辨力高的成像方法，在腹部的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，除了反映形態(tài)學(xué)和血供改變以外，各種功能MR成像技術(shù)是量化反映疾病特征的新方法，為腹部疾病診斷和鑒別提供重要的補(bǔ)充信息。但是腹部MRI檢查對(duì)患者要求較高，在T1WI和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)過(guò)程中需要患者屏氣，有些心肺疾病或者年紀(jì)大的患者不能配合進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的屏氣，圖像質(zhì)量易受呼吸頻率及幅度的影響。mDixon技術(shù)是改進(jìn)的水脂分離技術(shù)，可以在一次掃描中獲得同相、反相、水相和脂肪相圖像，其中水相的脂肪抑制效果更均勻，壓脂成功率更高。另外，此技術(shù)聯(lián)合不同的加速因子可不同程度提高采集速度，應(yīng)用于肝臟等器官的屏氣掃描。因此如何選擇加速因子，減少掃描時(shí)間，提高掃描功率及圖像質(zhì)量尤為重要。

在壓縮感知技術(shù)出現(xiàn)之前，臨床上多使用并行采集技術(shù)，能在一定程度上加快掃描速度、抑制運(yùn)動(dòng)偽影，但此技術(shù)是以犧牲圖像信噪比或空間分辨力為代價(jià)的，因此稱(chēng)不上完美解決方案[6]，而且此技術(shù)的一大劣勢(shì)在于加速因子越大，圖像信噪比越低，且容易產(chǎn)生卷褶偽影，不能在一次屏氣過(guò)程中得到理想質(zhì)量的圖像。

壓縮感知理論由菲爾茨獎(jiǎng)獲得者陶哲軒和兩位美國(guó)科學(xué)院院士Emmanuel Candes及David Donoho聯(lián)合提出，被譽(yù)為 21 世紀(jì)數(shù)學(xué)領(lǐng)域最重大的突破之一。壓縮感知理論近年來(lái)在MRI領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)數(shù)字化稀疏采樣后進(jìn)行小波變換，在希爾伯特空間(H空間)上離散降噪后進(jìn)行小波逆變換[7]。運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)成像不僅具有出色的時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有滿(mǎn)意的空間分辨率。近年來(lái)已經(jīng)有了一些對(duì)CS序列的圖像質(zhì)量和診斷效果的進(jìn)行分析的相關(guān)研究[8-12]。CS序列可實(shí)現(xiàn)單次屏氣全心周期實(shí)時(shí)電影成像，在心臟及大血管的磁共振成像方面也有所應(yīng)用[13-15]。CS快速M(fèi)RI技術(shù)能顯著縮短掃描時(shí)間，受檢者更易配合檢查，減少了運(yùn)動(dòng)偽影。CS技術(shù)的應(yīng)用意味著當(dāng)今的臨床工作流程也將發(fā)生轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的耗時(shí)、特定的采集向連續(xù)容積采集轉(zhuǎn)變，且此項(xiàng)技術(shù)有靈活的重建能力，可根據(jù)臨床和科研需求進(jìn)行回顧性重建[6]。但是需要指出的是，雖然使用CS技術(shù)可以顯著提高掃描速度，但是隨著加速因子的增加，圖像的信噪比也會(huì)有所降低，因此如何在保證圖像質(zhì)量的前提下，選擇合適的加速因子是臨床中首要關(guān)注的問(wèn)題。

本研究中采用的肝臟3D mDixon序列正是使用的CS技術(shù)，根據(jù)加速原理，加速因子越高則SNR越低，但是在測(cè)量數(shù)據(jù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，CS2～CS4的圖像上肝臟的信號(hào)強(qiáng)度依次降低，但在CS5和CS6序列上又逐漸增加，隨著加速因子增加至4，圖像SNR及CNR逐漸增高。分析原因?yàn)殡S著加速因子的增加，可逐漸縮短掃描時(shí)間，志愿者檢查過(guò)程中更容易耐受檢查，故圖像質(zhì)量逐步提高；但當(dāng)加速因子超過(guò)5時(shí)，圖像噪聲增加，SNR及CNR明顯下降，分析原因?yàn)榧铀僖蜃舆^(guò)高導(dǎo)致采樣不足，因此圖像質(zhì)量下降。

本研究存在不足之處：本研究?jī)H納入健康志愿者，在后續(xù)研究中需要納入肝臟病變(如腫瘤)患者，以驗(yàn)證壓縮感知技術(shù)是否對(duì)病變的檢出產(chǎn)生影響。

綜上所述，壓縮感知技術(shù)作為新一代快速磁共振成像方法，有利于減少呼吸偽影。在臨床實(shí)踐中推薦使用加速因子4的CS 3D mDixon序列行肝臟掃描，在保證圖像質(zhì)量滿(mǎn)足臨床診斷需要的前提下，能夠提高掃描速度，顯著提高M(jìn)R檢查的成功率。