壓縮感知技術對3D mDIXON Quant定量分析肝臟脂肪的影響

王學東，劉愛連*，張欽和，王家正，陳麗華，王 楠，宋清偉，王易世

[1.大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 大連 116011；2.飛利浦(中國)投資有限公司，北京 100016]

脂肪肝是多種原因引起肝細胞內脂肪成分堆積過多而產(chǎn)生的肝臟病理改變過程。近年來，脂肪肝檢出率增高，且呈低齡化趨勢。脂肪肝進一步進展可能會發(fā)展為脂肪性肝炎、肝纖維化、肝硬化甚至肝癌等。對肝臟脂肪定量的金標準是肝臟穿刺活檢，但為有創(chuàng)檢查，不適用于長期觀察病情[1]。傳統(tǒng)MR脂肪定量測量技術(mDIXON Quant)基于三維(three-dimensional, 3D)序列采集全肝臟圖像，分析7個脂肪峰，能在實現(xiàn)均勻抑制脂肪組織的同時提供良好的圖像信噪比，相比其他方法診斷肝臟脂肪變性更為準確，其敏感度和特異度分別為95%和100%[2]，但掃描時間較長，部分患者難以耐受。壓縮感知(compressed sensing, CS)技術突破傳統(tǒng)稀疏性隨機采樣定理的限制，以遠低于奈奎斯特-香農(nóng)標準的方式進行采樣，能精確恢復原始信號，縮短掃描時間。本研究探討基于CS技術不同加速因子對3D mDIXON Quant肝臟脂肪定量分析結果的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 招募20名肝功能無明顯異常的成人志愿者，男15名，女5名，年齡23～29歲，平均(25.2±1.7)歲，其中16名質量指數(shù)(body mass index, BMI)>24。排除標準：①肝損害和肝占位；②圖像質量差。本研究經(jīng)院倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Philips Ingenia CX 3.0T MR儀采集腹部MRI，掃描序列包括腹部常規(guī)序列、傳統(tǒng)SENSE-3D mDIXON Quant序列(SENSE組)和CS-3D mDIXON Quant序列，CS技術的加速因子分別取2、4、5、6(CS2、CS4、CS5、CS6組)。掃描參數(shù)：SENSE-3D mDIXON Quant序列，TR 6 ms，TE 1.04 ms，翻轉角3°，F(xiàn)OV 375 mm×300 mm×168 mm，矩陣164×129×67，掃描時間13.01 s；CS-3D mDIXON Quant序列，參數(shù)與SENSE-3D mDIXON Quant相同，CS2、CS4、CS5、CS6組掃描時間分別為15.02 s、7.69 s、6.18 s、5.10 s。

1.3 圖像分析 將圖像傳至Philips ISP工作站進行分析，獲得脂肪分數(shù)圖。由2名分別具有3年和4年腹部影像學診斷經(jīng)驗的住院醫(yī)師分析圖像，于傳統(tǒng)SENSE-3D mDIXON Quant和CS-3D mDIXON Quant序列肝門水平肝最大層面圖像上的左外葉、左內葉、右葉前段和右葉后段各放置1個面積300 mm2的橢圓形ROI，避開肝內血管和膽管，盡量使相同區(qū)域ROI位置一致，分別記錄各ROI的脂肪分數(shù)，取4個區(qū)域脂肪分數(shù)的均值為最后結果。

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 22.0和MedCalc 19.0.7統(tǒng)計分析軟件。以Kolmogorov-Smirov檢驗對數(shù)據(jù)進行正態(tài)檢驗，符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，否則以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示。采用組內相關系數(shù)(intraclass correlation coefficients, ICC)檢驗評估2名醫(yī)師測量各組脂肪分數(shù)結果的一致性，ICC<0.40為一致性差，0.40≤ICC<0.75為一致性中等，ICC≥0.75為一致性好，取2名醫(yī)師測量結果的平均值進行分析。對于符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，以獨立樣本t檢驗分別比較各CS組與SENSE組脂肪分數(shù)的差異，對不符合者采用Mann-WhitneyU檢驗。以Bland-Altman方法分析不同CS組間脂肪分數(shù)的一致性，并計算95%一致性界限。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 各CS組與SENSE組間脂肪分數(shù)比較 2名醫(yī)師對各組脂肪分數(shù)測量結果的一致性好(P均<0.01)，見表1。CS2、CS4、CS5及CS6組與SENSE組間脂肪分數(shù)差異均無統(tǒng)計學意義(Z=-0.07、-0.74、-0.34、-0.14，P均>0.05)，見圖1。

表1 2名醫(yī)師測量各組脂肪分數(shù)值(%)的一致性分析[中位數(shù)(上下四分位數(shù))]

圖1 患者男，23歲，脂肪肝，不同序列肝臟MRI A.SENSE，脂肪分數(shù)3.51%； B.CS2，脂肪分數(shù)2.79%； C.CS4，脂肪分數(shù)2.87%； D.CS5，脂肪分數(shù)3.63%； E.CS6，脂肪分數(shù)2.98%

2.2 不同CS組間脂肪分數(shù)的Bland-Altman一致性分析Bland-Altman圖示CS2與CS4、CS2與CS5、CS2與CS6、CS4與CS5、CS4與CS6、CS5與CS6組間脂肪分數(shù)的一致性均較好，分別有95%(19/20)、100%(20/20)、95%(19/20)點落在95%一致性界限內，見圖2。

圖2 不同CS組間肝脂肪分數(shù)一致性Bland-Altman圖 A.CS2與CS4； B.CS2與CS5； C.CS2與CS6； D.CS4與CS5； E.CS4與CS6； F.CS5與CS6

3 討論

脂肪肝是可逆的病理過程，但若不干預，將有10%～15%發(fā)展為肝硬化，最終出現(xiàn)肝功能衰竭者占5.4%[3-4]。定量肝臟脂肪對早期診斷脂肪肝和監(jiān)測病情有重要意義。肝穿刺活檢雖是診斷脂肪肝的金標準，但有創(chuàng)，患者接受度低，且取材范圍較局限，影響評估準確性。超聲對操作者依賴性高，且對肥胖者穿透力不足。常規(guī)CT及雙能量CT雖能定量肝組織脂肪含量，但鐵沉積會影響結果的準確性。MR信號強度與組織中氫質子的含量成正比。mDIXON Quant技術利用脂肪組織中氫質子與水分子中氫質子的進動頻率差異進行脂肪定量，采用適當水-脂分離技術區(qū)分兩者，分別采集水及脂肪信號，其信號強度可代表肝內水和脂肪含量，由此計算肝內脂肪含量[5]。

MR波譜掃描過程復雜，且較為耗時；MR迭代最小二乘法水脂分離定量技術采用“三點法”水脂分離技術采集信號，掃描時間較長，且圖像模糊效應較重。MR mDIXON Quant采用“兩點法”水脂分離技術，應用梯度回波序列進行3D采集，共采集6個回波，可保證圖像的信噪比、穩(wěn)定性和成像速度，通過磁場不均性T2*校正和脂肪7峰值重建模型，保證定量分析的精確性，已成為近年來研究的熱點；但“兩點法”水脂分離技術雖可縮短掃描時間，檢查過程中受檢者仍需配合屏氣14 s左右，在屏氣不良者及老年、幼兒等易出現(xiàn)呼吸運動偽影而影響圖像質量。為進一步縮短檢查時間，有學者[6-7]提出CS理論，即如果信號稀疏，可通過對遠低于既往采樣定律要求的采樣點進行重建而加以恢復。應用CS技術需滿足3個條件：①圖像具有可壓縮性和稀疏性；②利用原始信號的稀疏性，在遠小于奎斯特定律限定采樣率的條件下進行隨機采樣，獲取信號的離散樣本；③應用非線性重建算法重建信號[8]。其優(yōu)點在于僅需采集少量數(shù)據(jù)即可獲得質量良好的圖像，可明顯縮短采集時間。目前CS技術初步用于心臟、中樞神經(jīng)、骨關節(jié)及乳腺疾病[9-12]中，在3D成像、水成像、血管成像、心臟電影成像和灌注成像中的應用已較為成熟。腹部受呼吸運動影響較大，縮短成像時間臨床意義更大，已有采用CS進行腹部MR胰導管成像[13]及動態(tài)對比增強MRI[14]等的報道。

利用CS技術可初步解決傳統(tǒng)mDIXON Quant掃描時間過長的問題。NAM等[15]發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)mDixon-GRE序列，應用CS技術后，肝膽期圖像對肝臟實質局灶性病變的檢出率提高，且圖像噪聲更高、運動偽影較小，且掃描時間縮短40%。本研究比較分析采用不同加速因子CS技術與傳統(tǒng)SENSE掃描技術結合mDIXON Quant定量分析肝脂肪含量，結果顯示各組測量結果的一致性均較好，可重復性較高，表明CS技術的穩(wěn)定性較高；不同加速因子CS技術與傳統(tǒng)SENSE技術測量肝脂肪含量結果差異均無統(tǒng)計學意義，提示應用不同CS加速因子對肝臟脂肪定量分析不產(chǎn)生顯著影響；隨著加速因子增加，測量結果無明顯差異，加速因子為6時，可縮短60.8%掃描時間，對于屏氣不良、昏迷、老年及兒童患者有重要意義。

綜上所述，CS技術結合mDIXON Quant序列，可在不影響肝臟脂肪定量結果的同時顯著縮短掃描時間。本研究存在的局限性：①樣本量較??；②放置ROI時，不能完全避開血管和膽管組織；③未對更大的CS加速因子進行研究，有待擴大樣本量進一步觀察。