人工智能輔助壓縮感知技術結合三種T2WI壓脂技術的應用研究

李剛 黃錦彬 汪昕榮 雷漫詩 熊安妮 向青 鄧鍶鍶 孟占鰲

MRI 已經發(fā)展為評估腰椎椎體、髓內及周圍軟組織結構的首選成像方式，是已被證實的對椎間盤突出或膨出、椎體退變、脊髓和椎骨異常、軟組織水腫、椎體血管瘤或腫瘤等軟組織病變有效的檢查方法［1-2］。但是MRI 的缺點也不容忽視，目前最主要的弊端是MRI 需要較長的時間來收集成像所需的數據，而且在某些特殊類型成像的掃描中，例如在心血管實時成像和腦功能成像的掃描中，需要十幾分鐘甚至更長時間才能獲得必要的數據［3］。

人工智能（AI）正在崛起，基于傳統(tǒng)加速技術的卷積神經網絡（CNN）對加速MRI 成像具有強大潛力［4］。本研究主要探索在以往的并行成像（PI）、半傅里葉采集（HF）、壓縮感知技術（CS）基礎上衍生出的AI 輔助壓縮感知技術（ACS）這種全新加速技術的應用效果［5］。

T2加權像（T2WI）中的高信號是由水腫信號與脂肪信號共同構成，脂肪信號不是炎癥的特征，但會掩蓋炎癥表現，因此在T2WI 中必須使用壓脂技術［6］。壓脂技術有數種， 例如常用的頻率選擇飽和法（FS）、水脂分離成像技術（WFI）及短反轉時間的反轉恢復技術（STIR），壓脂序列在不同部位的特點也不盡相同。

本 研 究 探 討 了ACS 結 合FS、WFI、STIR 在T2WI 壓脂過程中縮短成像時間、保證圖像質量、抑制脂肪干擾等方面的效果，并進行優(yōu)勢與劣勢分析，為放射科醫(yī)師將AI 應用于MRI 提供參考數據。

對象與方法

一、研究對象

將2022 年 6 至8 月在本院放射科因腰痛而行腰椎MRI 平掃的30 例患者作為研究對象。30 例中男18 例、女12 例，年齡（44.8±11.2）歲。本研究獲本院醫(yī)學倫理委員會批準（批件號［2022］02-005-01），所有患者均簽署《患者MRI 增強檢查知情同意書》。

二、納入與排除標準

納入標準：①年齡＞18 歲；②因腰痛并經臨床醫(yī)師檢查后明確需接受腰椎MRI 檢查。排除標準：①體內有金屬植入物；②有幽閉恐懼癥；③有情緒躁動；④體位受限影響MRI B0 場均勻度；⑤患有風濕性關節(jié)炎。

三、方 法

1.分 組

采用3.0T 超導型MRI（聯(lián)影 UMR790）掃描儀，掃描體位為仰臥位（頭先進），保證患者身體躺平，身體正中矢狀面與檢查床中線重合，雙手雙足并攏，做好耳機屏蔽并告知患者保持不動及檢查的大致時間。所有研究對象均接受6 組矢狀位（SAG）-T2WI 壓脂序列掃描，即ACS-SAG-T2WI-FS（A 組）、ACS-SAG-T2WII-WFI（B 組）、ACS-SAG-STIR（C 組）、SAG-FS-T2WI（D 組）、SAG-WFI-T2WI（ E 組）、SAGSTIR（F 組）。ASC 組包括A、B、C 組，ASC 技術采用ASC 加速2；常規(guī)組包括D、E、F 組，常規(guī)序列采用PI 加速2。2 組的MRI 參數對比見表1。

2.客觀評價指標

所有圖像均傳輸到聯(lián)影MRWS1 工作站上，將6 組圖像同時顯示在屏幕上，利用克隆的方法保證所有感興趣區(qū)（ROI）一致，由一名具有10 年工作經驗的放射科醫(yī)師在患者腰椎SAG 第4 椎體正中層面，第4～5 椎間盤、同層脊髓、對應層面脂肪記錄平均信號（SI）、噪聲（SD）及成像時間，并計算信噪比（SNR）和對比噪聲比（CNR），SNR=SI（椎體、椎間盤、脊髓）/SD（椎體、椎間盤、脊髓），CNR=|SI（椎體、椎間盤、脊髓）-SI脂肪|/SD脂肪［7］。在測量層面的上下層重復測量，取3 次平均值。選取ROI 原則避開運動偽影，若本層偽影較大則在其上或下一層面選取ROI。對比A 與D 組、B 與E 組、C與F 組的SNR、CNR。

表1 ACS 組與常規(guī)組MRI 參數對比

3.主觀評價

由脊柱疾病診斷經驗豐富的2 名放射科醫(yī)師采取雙盲法對6 組圖像進行獨立評分，評分內容包括圖像清晰度、噪聲、脂肪抑制程度、偽影、臨床診斷可信度共5 個方面［8］。評分采用5 分法：最好為5 分、較好為4 分、一般為3 分、較差為2分、最差為1 分，最終得分取5 個因素的平均值，比較各組的評分［9］。

四、統(tǒng)計學處理

采用SPSS 26.0 進行數據分析。所有圖像的SD、SNR、CNR 數據以表示，采用配對t 檢驗對A 組與D 組、B 組與E 組、C 組與F 組進行差異性比較。主觀圖像質量評分采用M（P25，P75）表示，組間比較采用Wilcoxon 符號秩和檢驗，采用Kappa 檢驗分析2 名放射科醫(yī)師主觀圖像質量評分的一致性，Kappa ≤0.2 為一致性不佳，0.2 ＜Kappa ≤0.4 為一致性輕微，0.4 ＜ Kappa ≤0.6 為一致性尚可，0.6 ＜ Kappa ≤0.8 為一致性顯著，Kappa＞ 0.8 為一致性完美。以上統(tǒng)計方法均以P ＜ 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

一、MRI 成像時間

A 組MRI 成像時間較D 組縮短13.2%，B 組較E 組縮短8.9%，C 組較F 組縮短12.4%（P 均 ＜0.001）。見表1。

二、客觀測量指標

A 組第4 椎體、第4～5 椎間盤、同層脊髓的SNR、CNR 大于D 組；B 組第4 椎體、第4～5 椎間盤、同層脊髓的SNR、CNR 大于E 組；C 組第4椎體、第4～5 椎間盤、同層脊髓的SNR、CNR 大于F 組（P 均 ＜ 0.01）。見表2。

三、主觀評分

2 名放射科醫(yī)師對A、B、C 組的主觀評價均高于D、E、F 組（P 均 ＜ 0.01），見表3、4 及圖1～3。2名醫(yī)師評分具有一致性，Kappa=0.972、P ＜0.01。

討 論

“加速”一直是MRI 設備的核心硬件要求，PI、HF、CS技術均是近年來不斷進步的加速技術，盡管掃描速度獲得一定的提升，但圖像質量和臨床診斷價值卻未能發(fā)揮最大效果［5，10］。

研究表明，ACS 技術結合了AI 和光梭成像（UCS），UCS 包含了PI、HF、CS 等加速技術，是國產聯(lián)影對加速技術進一步的優(yōu)化升級，兩者相結合就是ACS 技術，該技術擁有更強的加速能力，為MRI 加速提供了有效的解決方案［2，12-13］。本研究顯示，A、B、C 組MRI 檢查時間較D、E、F 組短，且能保持圖像質量，甚至獲得更好的圖像質量。其中A 組成像時間最短，這與其他研究的結論一致［11-13］。

壓脂是難以解決的技術難題，最常見影響有B0 磁場的不均勻導致頻率選擇不穩(wěn)定。人體存在呼吸運動、心臟搏動、腸道蠕動、腦脊液流動、生理曲度范圍空氣的不均勻分布和胸腹交界的空氣不均勻分布，均會影響壓脂效果。FS 優(yōu)點為選擇性高、可采用多種序列，圖像顯示解剖結構與其周邊環(huán)境較清晰，噪聲影響較小，運動偽影不顯著［14］。ACS 結合FS 不僅能縮短成像時間，而且椎體、椎間盤、脊髓的SNR、CNR 均增大，綜合圖像質量更高，因此可作為壓脂的首選。WFI 的優(yōu)點是對磁場（B0、B1）的均勻性要求有所降低，可以一次獲得4 幅圖像（同、反相位圖以及水、脂像圖），而ACS 結合WFI 在縮短成像時間的同時，椎體、椎間盤、脊髓的SNR、CNR 均增大，盡管在清晰度、脊髓銳利度方面的效果會弱于ACS 結合FS 和單純FS，但其擁有同時顯示多期圖像的優(yōu)點，可作為壓脂的次選［14］。STIR 的優(yōu)點是對場強依賴性、磁場的均勻度要求較低，大視野掃描也能取得較好的脂肪抑制效果，有金屬植入物的情況下也可以使用［14］。ACS 結合STIR 能縮短成像時間，增大椎體、椎間盤、脊髓的SNR、CNR，但在清晰度、噪聲、信噪比、脊髓清晰度方面的效果較其他方法差，但由于其壓脂效果最佳，因此可作為壓脂的最后選擇。

AI 已經被用于圖像登記、重建、分類、模式識別、分割、降噪和超分辨率等，甚至逐漸成為現代醫(yī)學的新標桿和新基準［8，15-17］。ACS 結合T2WI壓脂技術既能縮短成像時間、降低噪聲，又能提高空間分辨率和可檢測性。本研究顯示ACS 結合3 種常規(guī)T2WI 壓脂技術在時間上和質量上的表現均優(yōu)于常規(guī)壓脂技術。其中ACS 結合FS 的成像時間最短，圖像質量最好。本研究尚存在一些不足：第一，樣本數量較少；第二，只應用在T2WI 序列上，其他序列在未來也是一個可持續(xù)研究的方向；第三，未對病變檢測和鑒別診斷的能力進行評價。

表3 2 名放射科醫(yī)師的主觀評分 單位：分

表4 主觀評價組間對比表 單位：分

圖1 ACS 組與常規(guī)組MRI 圖像對比