運動解析壓縮感知重建的自由呼吸XD-VIBE在肝臟富血供病變動態增強MRI中的應用

趙香田, 黃夢月, 朱錦霞, 車英玉, 高雪梅， 程敬亮

肝臟動態增強MRI對于肝臟局灶性病變的檢出和鑒別至關重要。目前，常規通過三維容積內插屏氣檢查(three-dimensional volumetric interpolated breath-hold examination，BH-VIBE)進行，具有空間分辨率及信噪比高等優點[1-2]。但在臨床實際工作中，多次反復屏氣導致患者檢查舒適性降低，而縮短屏氣時間可使圖像空間分辨率和容積覆蓋受限，且部分患者可因不能耐受或配合屏氣而導致圖像質量差或無法實現動態增強掃描，如腹痛、幼兒、年老體弱、聽力喪失和昏迷等患者。因此，本研究擬采用一種新型笛卡爾采樣、額外維度VIBE(eXtra-dimensional VIBE，XD-VIBE)序列，其結合壓縮感知(compressed sensing，CS)及自門控技術，在連續采集肝臟動態數據的同時收集自導航信號，再將自導航信號進行運動狀態解析重建以降低呼吸偽影[3]，從而實現自由呼吸肝臟動態增強MRI；并與常規BH-VIBE的圖像質量及對肝臟富血供病變(hypervascular liver lesions,HLLs)的檢出能力進行對比，初步驗證其臨床應用價值。

材料與方法

1.一般資料

本研究為前瞻性研究。經醫院倫理委員會批準，所有患者均于檢查前簽署知情同意書。搜集鄭州大學第一附屬醫院2017年12月-2018年4月經CT或超聲檢查(4周內)提示肝臟HLL且未針對病變做過任何治療的成年患者。排除標準：①有>5個HLLs；②廣泛門靜脈血栓或癌栓形成；③有磁共振檢查禁忌癥和/或既往含釓對比劑過敏史；④肝腎功能異常。入組患者7 d內均進行BH-VIBE及XD-VIBE肝臟動態增強MRI(掃描次序由隨機數字表確定)。最終共納入21例受試者，男18例，女3例，年齡33～75歲，平均(54.6±9.4)歲。共含由手術病理、臨床及影像、隨訪結果明確診斷的40個HLLs，直徑6～69 mm，平均(23.4±18.2) mm。惡性患者15例，良性患者6例。惡性HLLs含肝細胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)22個和轉移瘤3個，良性HLLs含肝血管瘤11個和局灶性結節增生(focal nodular hyperplasia，FNH)4個。21例患者中，9例經手術病理證實，含HCC 10個、FNH 1個；余12例中HLLs經臨床及影像或隨訪明確診斷，具體標準為[4]：HCC結合慢性肝病史、甲胎蛋白、影像及隨訪結果診斷；轉移瘤根據原發惡性腫瘤病史、影像及病灶隨訪12個月后最大徑增長超過30%診斷；肝血管瘤根據典型影像學表現(T2WI明顯高信號、增強早期邊緣結節狀強化且持續向心性強化)并隨訪12個月以上無變化作出診斷；FNH根據無慢性肝病史、影像(包括隨訪期內普美顯增強MRI肝膽期病變攝取對比劑)觀察12個月以上無變化作出診斷。

2.儀器與方法

采用Siemens Prisma 3.0T MR儀和體部18通道相控陣表面線圈。兩次動態增強掃描均以0.2 mL/kg劑量、2.0 mL/s流率經肘前靜脈團注對比劑釓噴酸葡胺(Gd-DTPA)，0.9%氯化鈉注射液20 mL以同樣流率沖管。常規BH-VIBE采集四期，含平掃、動脈期(Care Bolus實時監測)、門靜脈期(動脈期后40 s)和平衡期(180 s)，各期屏氣時間16 s。自由呼吸XD-VIBE在注射對比劑同時啟動掃描，連續采集184 s。掃描結束后主機基于GPU自動對獲得的笛卡爾欠采樣k空間數據進行迭代重建，以9.4 s的時間分辨率等距劃分為20個時間點，每個時間點圖像重建為6個運動狀態，約需10 min。兩個序列均掃描橫軸面，主要掃描參數保持一致：TE 1.4 ms，TR 4.3 ms，FOV 380 mm×320 mm，矩陣320×240，翻轉角10°，層厚3.0 mm。

3.圖像分析

由1名主任醫師在XD-VIBE連續圖像中選出與BH-VIBE 四期圖像最為匹配的4個時間點，并確定每期最佳運動狀態；將XD-VIBE第一個時間點圖像作為“平掃”與常規BH-VIBE平掃進行比較。隨后兩組VIBE圖像隨機分配給另外3名高年資醫師進行雙盲法閱片，每位醫師每次完成一組，至少2周后完成另一組；每位醫師以5分制對圖像質量(包括總體圖像質量、肝臟邊緣銳度、呼吸偽影及腫塊顯著性)進行主觀評分[5]，評分1～5分，總體圖像質量≥3分視為滿足診斷要求；同時詳細記錄動脈期觀察到的>5 mm的HLLs數目、肝段定位及橫軸面最大直徑。

4.統計學方法

圖1 女，57歲，血管瘤(箭)，a～d為常規BH-VIBE序列，e～h為自由呼吸XD-VIBE序列。a、e)平掃；b、f)動脈期；c、g)門靜脈期；d、h)平衡期。同時存在肝外膽管癌而導致的肝內膽管擴張(箭頭)。

表1 BH-VIBE和XD-VIBE組間四期圖像質量評分及比較

注：數據為平均值±標準差(范圍)，使用Wilcoxon符號秩檢驗，*P<0.05。

結 果

XD-VIBE自導航信號呈周期性正弦曲線，運動狀態1對應于呼氣末位置，自運動狀態1～6呼吸偽影增加、圖像質量下降，因此運動狀態1被用于后續圖像質量分析。3名醫師所有圖像質量評分均為一致性中等或良好(0.68～0.97)。

XD-VIBE和BH-VIBE間四期圖像質量比較見表1。平掃BH-VIBE圖像質量評分優于XD-VIBE(P均<0.05)；動脈期、門靜脈期及平衡期的兩組序列圖像質量評分相當(P均>0.05，圖1)。

XD-VIBE中，20例(20/21，95.2%)均獲得晚動脈期圖像且增強后三期圖像質量均符合診斷要求，其中動脈期成像時間點確定為注射對比劑后33.3 s 19例、23.6 s 1例；1例(1/21，4.8%)呈動脈期掃描過早。BH-VIBE中，16例(16/21，76.2%)各期圖像質量均符合診斷要求；5例(5/21，23.8%)因患者屏氣能力不穩定導致部分期相圖像呼吸偽影明顯而未達到診斷要求，但其相應的XD-VIBE圖像質量均達到了診斷要求(圖2)。

圖2 男，54歲，早期HCC(箭)，a～d為常規BH-VIBE序列，e～h為自由呼吸XD-VIBE序列。a、e)平掃；b、f)動脈期；c、g)門靜脈期；d、h)平衡期，XD-VIBE平衡期HCC的“廓清”和“包膜征”(箭頭)顯示較BH-VIBE更清晰。因患者屏氣能力不穩定，自由呼吸XD-VIBE增強三期較相應BH-VIBE圖像質量評分高。

表2 XD-VIBE和BH-VIBE組內四期圖像質量評分比較

注：*指差異具有統計學意義，其中兩兩比較的P值進行Bonferroni校正、以0.05/6作為閾值。A為平掃；B為動脈期；C為門靜脈期；D為平衡期。

XD-VIBE和BH-VIBE各自四期圖像質量比較見表2。在XD-VIBE，總體圖像質量及肝邊緣銳度以平掃最差(P均<0.05)，動脈期較門靜脈期差(P均<0.05)、與平衡期相當(P均>0.05)，門靜脈期較平衡期相當(P均>0.05)；呼吸偽影以平掃時最明顯(P均<0.05)，門靜脈期最小(P均<0.05)；腫塊顯著性以平掃時最差(P均<0.05)，增強后三期相當(P均>0.05)。在BH-VIBE，總體圖像質量、呼吸偽影各期相當(P均>0.05)；肝邊緣銳度平掃優于動脈期(P<0.05)、余各期相當(P均>0.05)；腫塊顯著性以動脈期最佳(P均<0.05)。

對40個HLLs，無論腫瘤大小或良惡性，XD-VIBE和BH-VIBE檢出能力相當(P均>0.05，表3)。

表3 XD-VIBE和BH-VIBE動脈期對40個HLLs檢出率

注：數據為百分比(計算百分比的病變數)。

討 論

CS是近年來興起的一種新的信號獲取與處理理論[6-7]，其利用信號在特定變換域上的稀疏性及可壓縮性在遠小于Nyquist采樣率條件下采集數據，再從少量稀疏測量數據中通過優質重構算法精確恢復出原始信號，既縮短信號采集時間、減少計算量，也保持了原始信號的重建質量要求，從而顯著降低采集時間而不降低圖像質量。動態對比增強MRI是應用CS的理想領域，因同一肝臟在不同時刻的系列多幅圖像存在廣泛時空相關性和平滑的信號改變；同理，呼吸運動也是高度相關的，也具備CS應用的前提——可壓縮性。本研究采取的自由呼吸XD-VIBE，連續采集肝臟動態對比增強數據同時收集自導航信號，然后利用對比增強維度和呼吸狀態維度的稀疏性，采用CS算法重建運動狀態的欠采樣數據集，最終在每個對比增強時間點生成多維動態圖像集；且由于自導航信號重建是直接從原始k空間數據中提取運動信息，此過程無需使用特定的運動模型，故不受插值誤差的影響，可明顯減少呼吸偽影。這也解釋了XD-VIBE可實現增強后各期圖像質量與BH-VIBE相當的原因。鑒于導航信號的均勻性直接決定呼吸偽影程度而影響圖像質量，故患者在XD-VIBE采集前均被告知盡量平穩呼吸。盡管如此，部分年老體弱的患者仍呈不規律的呼吸導航信號曲線。但本研究21例XD-VIBE增強后圖像質量均達到了診斷要求。甚至在屏氣能力不穩定導致BH-VIBE部分期相呼吸偽影大而無法用于診斷的患者，相應XD-VIBE呼吸偽影更小而達到診斷要求，結果進一步驗證了這一新型運動補償方法的優勢，與既往研究結果一致[3,8]。此外，XD-VIBE還被證明較硬門控重建可顯著改善CS-VIBE動脈期、門靜脈期圖像質量[5]，也比視圖重建等更節省時間，具有較大的臨床應用前景。

以往有研究[5]顯示XD-VIBE動脈期圖像質量較常規BH-VIBE差，與本研究結果不同，推測可能與本研究時間分辨率更高(9.4s vs. 11.57s)及研究對象自身差異有關。此外，本研究中XD-VIBE平掃圖像質量顯著低于增強、且較BH-VIBE平掃差，推測是因用于分析的XD-VIBE“平掃”圖像其實是連續采集的第1個時相，此時突然的對比劑注射可引起患者呼吸急劇變化而導致圖像呼吸偽影增大，但這可通過后期優化掃描方案、采用導航回波[9]或自由呼吸放射狀采集VIBE序列[10]等來改善。同理，門靜脈期患者呼吸趨于穩定，因此其呼吸偽影最小、圖像質量優于動脈期；而平衡期患者依從性開始下降，圖像質量也趨于下降；到了增強后期，圖像質量隨時間延長緩慢降低，等距重建時間點的信息可能愈發冗余，此時可通過非等距時間點重建導航信號來避免。

近年來，一種可實現自由呼吸肝臟動態對比增強MRI的黃金角徑向稀疏并行采樣(golden-angle radial sparse parallel，GRASP)技術成為研究的熱點[8,11-12]。此方法可連續采集k空間數據，而無需預定義時間分辨率，可實現與屏氣掃描相當的增強后圖像質量；但GRASP重建中固有的運動平均效應有時仍然會導致相對較差的圖像質量和運動模糊[13]。此外，雖然非笛卡爾采樣已顯示出獨特優勢，但與笛卡爾采樣相比也帶來了一些挑戰，比如對失諧效應、梯度延遲和非理想梯度放大器響應不敏感，也可能導致圖像失真或模糊[14]。非笛卡爾采樣重建過程復雜且耗時，而笛卡爾采樣允許對高維數據集進行快速的在線重建。本研究中，包括所有6個運動狀態的XD-VIBE重建時間不足10min，更有望整合在日常臨床工作中發揮作用。

有研究證實XD-VIBE對于檢出肝轉移瘤與BH-VIBE能力相當[5]，但尚無有關XD-VIBE檢出HLLs能力的報道，鑒于之前對其動脈期圖像質量的擔憂，其臨床價值尚不明確。本研究證實無論大小及良惡性，9.4 s時間分辨率的XD-VIBE可實現與BH-VIBE相當的HLLs檢出效能；在無法很好配合屏氣的患者，XD-VIBE腫塊顯著性更佳。因此，對于無法配合屏氣的患者，XD-VIBE也許較常規BH-VIBE更有前景，未來值得大樣本量的研究進一步證實。

本研究存在一定的局限性。首先，樣本量相對較小，無法在目前初步的可行性研究中實現屏氣能力較差患者的分層分析，因這類患者也許是XD-VIBE的最大受益人群，這也是本課題組的后續研究方向。其次，僅對呼氣末的重建圖像進行評估，丟棄了大量潛在有用的數據，而彈性配準等算法也許可組合多個運動狀態的數據而實現更好的圖像質量。

總之，本研究所提出的笛卡爾采樣XD-VIBE結合了CS及自導航信號的運動狀態解析重建，可提供與常規BH-VIBE相當的增強后圖像質量和動脈期HLLs檢出效能；尤其對于屏氣能力較差的患者，可能是一種很有前途的替代方案。