多通道并行采集技術在3.0 T術中磁共振成像的應用價值

李瓊閣，于陽，任彥軍，馬素文，單藝，趙澄，齊志剛，盧潔

1. 首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院 a. 放射科；b. 核醫(yī)學科，北京 100053；2. 磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053

引言

術中磁共振成像（Intraoperative Magnetic Resonance Imaging，iMRI）是一種能夠在神經(jīng)外科手術過程中對腦組織進行實時成像的新技術[1]。隨著iMRI在臨床應用的推廣，越來越多的研究表明，這項技術能夠顯著提升顱腦腫瘤的全切率和手術的精準性[2-3]。但iMRI的應用也將增加手術麻醉時長。已有研究表明，長時間的麻醉會對機體產(chǎn)生影響，增加術后并發(fā)癥[4-6]。Sano等[4]通過大鼠實驗發(fā)現(xiàn)麻醉時間過長會影響機體的呼吸、循環(huán)和內(nèi)分泌系統(tǒng)。劉歡等[5]探究麻醉后小鼠身體機能的研究也發(fā)現(xiàn)，長時間麻醉會對小鼠的認知功能產(chǎn)生影響。因此，在iMRI引導下的手術中控制術中成像時長十分重要。

并行采集技術是一種通過相位編碼方向的圖像欠采樣和空間信息的特殊重構來提高磁共振成像速度的方法[7]。這種成像方法已經(jīng)被廣泛應用于常規(guī)臨床MR掃描之中[8]。但目前，國內(nèi)外尚沒有關于并行采集技術在iMRI系統(tǒng)中的應用研究。為了探究并行采集技術在iMRI引導下神經(jīng)外科手術的臨床應用價值，本研究基于我院3.0 T高場強iMRI設備，對常規(guī)采集技術和并行采集技術下的圖像采集時間和圖像質(zhì)量進行對比研究。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究招募了20位正常人作為被試，年齡42～61歲，女性12例，男性8例。被試入組標準：① 體內(nèi)無金屬置入物；② 無磁共振掃描禁忌癥。排除標準：① 顱內(nèi)有明顯病變；② 頭外傷史、手術史。本研究已由本院倫理委員會審核批準，上述被試在掃描前均已簽署知情同意書。

1.2 儀器設備

我院iMRI系統(tǒng)采用Siemens Verio dot 3.0 T設備。術中掃描時，磁體需從磁體間通過天花板滑軌技術移至手術間。術間配備的線圈為8通道頭部柔線圈，分為上下兩部分，可固定于手術頭架上。

1.3 掃描方法

被試呈仰臥位，平躺于術間的手術床，頭部上下用8通道頭部軟線圈覆蓋。為減少術間復雜環(huán)境的干擾，接通頭部柔線圈后對手術間進行斷電。然后分別進行常規(guī)圖像采集和并行采集。本研究采用的并行采集技術是基于西門子MRI設備的一般性自動校準部分并行采集（Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions，GRAPPA），加速因子為2，其余參數(shù)與常規(guī)采集保持一致。掃描序列包括：T1軸位，T2軸位，T2 液體衰減反轉恢復（Fluid Attenuated Inversion Recovery，F(xiàn)LAIR）軸位和T2矢狀位。每個被試掃描前均進行手動勻場校正。具體的掃描參數(shù)和掃描時長如表1所示。

表1 掃描序列參數(shù)表

1.4 被試影像分析

由于人腦組織的復雜性，術中MR圖像的客觀評價不再按照傳統(tǒng)的SNR進行[9-10]。目前，國際上組織影像評價指標通常用圖像不均勻性指標(Non-Uniformity Index，NUI)來表征[11-12]。因此，本研究選取常規(guī)和并行采集下各序列的中間層圖像進行NUI的計算。我們在每個序列的中間層圖像中選擇8個面積均為200 mm2的感興趣區(qū)域(Region of Interest，ROI)（圖 1），提取信號強度（Signal Intensity，SI），得到 SI最大值（SImax）和最小值（SImin）進行NUI的計算[7]，見式(1)。

圖1 四個掃描序列中間層圖像的ROI分布

1.5 主觀評價分析

掃描完成后，對圖像進行匿名化，由我院兩名高年資診斷醫(yī)師采用盲法對圖像進行主觀評價，如果出現(xiàn)分歧，兩位診斷醫(yī)師協(xié)商后給出一致意見。主觀評價采用四分法：4=腦組織、顱骨等結構顯示清楚，無偽影；3=腦組織、顱骨等結構顯示較為清楚，無偽影；2=腦組織、顱骨等結構顯示一般，有偽影但不影響診斷；1=腦組織、顱骨等結構顯示不清楚，偽影較嚴重，影響診斷。

1.6 統(tǒng)計學分析

獲取四個序列掃描在并行采集技術下的掃描時間總和（∑并行）和常規(guī)采集掃描時間總和（∑常規(guī)），并計算∑并行相較于∑常規(guī)縮短的掃描時長占比，即(1-∑并行/∑常規(guī))×100%。基于SPSS 21.0統(tǒng)計學軟件，對兩種技術下得到圖像的NUI進行配對t檢驗，對主觀評價得分進行非參數(shù)檢驗，對將P＜0.05認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 掃描時長

通過計算常規(guī)采集和并行采集下的總掃描時長可以發(fā)現(xiàn)，四個掃描序列在常規(guī)采集的總掃描時長為375 s，而并行采集所用的總掃描時長為218 s。對比常規(guī)和并行采集下的總掃描時長可以發(fā)現(xiàn)，采用并行采集技術（加速因子為2）的總掃描時長相較于常規(guī)采集縮短了41.9%。

2.2 NUI結果

四個掃描序列的NUI值如表2所示，統(tǒng)計結果顯示常規(guī)和并行采集技術下的NUI均無顯著差異（P＞0.05），見圖2。

images/BZ_102_897_2739_917_2772.png±s值 值

圖2 四個掃描序列在常規(guī)采集和并行采集下的NUI比較

2.3 主觀評價分析結果

主觀評價得分的統(tǒng)計檢驗結果可以得出，并行采集下四個掃描序列的主觀評價得分與常規(guī)掃描無顯著的統(tǒng)計學差異（P＞0.05），見表 3。

表3 四個序列常規(guī)和并行采集下的主觀評價得分

3 討論

有研究表明，手術時長的過度延長會影響身體機能，增加術后并發(fā)癥的發(fā)生率[4-6]。作為一項先進的影像輔助手術的技術，iMRI雖然能夠幫助臨床醫(yī)生在手術過程中實時掌握腫瘤的位移和范圍，但也會增加一定的手術麻醉時長。為了更好地發(fā)揮iMRI的優(yōu)勢，降低成像時長是控制應用iMRI進行顱腦手術時長的必要手段。并行采集技術是目前能夠有效降低成像時長的一種技術手段，所以本研究基于西門子的GRAPPA技術，探究了其對術中顱腦成像的成像時長、NUI和主觀評價得分的影響。

并行采集技術是近年來用于臨床的MR快速采集新技術，它是基于并行采集算法、多通道接收線圈和高性能計算機技術發(fā)展的結合體，可以幫助縮短成像時間。西門子的GRAPPA并行采集技術基于K空間信號整合，在復雜頻域內(nèi)對信號數(shù)據(jù)進行處理，在傅里葉變換之前結合已接收的線圈信息進行頻域重建[13]。GRAPPA技術不需要精準、復雜的線圈校準，只要提前采集部分的K空間填充線就能實現(xiàn)自動校正，獲得MR圖像。已有的研究證實了并行采集技術在常規(guī)臨床MRI中能夠有效降低成像時長[10,14]。但尚沒有研究將這一技術用于iMRI系統(tǒng)之中，探究其臨床價值。本研究基于加速因子為2的GRAPPA并行采集技術，通過對比其與常規(guī)采集下總掃描時長，同樣發(fā)現(xiàn)了并行采集技術能夠有效降低掃描時長，即加速因子為2的GRAPPA并行采集技術為術中成像的四個掃描序列節(jié)省了41.9%的成像時長，可以有效地控制iMRI引導下手術的術中成像時長，以期幫助降低手術麻醉時長。

基于K空間過疏采集的并行采集技術雖然能夠幫助降低成像時長，但也會因為加速因子的增加造成圖像信噪比的丟失[15]。因此，我們進一步評估了并行采集技術下iMRI的圖像質(zhì)量。由于術中成像環(huán)境和掃描部位的復雜性，會導致邊界信號采集不足，結合先前的相關研究結果，本研究采用NUI來評估圖像質(zhì)量更加合理[11-12]。NUI是指射頻激勵場、接收線圈靈敏度的不均勻性，以及磁場梯度渦流等因素引起的磁流變學中常見的平滑強度的變化。磁體本身的磁場均勻度、梯度脈沖、射頻、渦流等因素都會影響到NUI[16-17]。目前，在MR掃描過程中，NUI不能被實時監(jiān)測到，很難通過肉眼辨別，但卻能夠影響到圖像的后處理和診斷[18-19]。本文采用的NUI計算方法是基于峰值差的非均勻性度量，被美國電氣協(xié)會認為是最適合對磁場不均勻性進行評估的標準[12]。研究結果顯示，并行采集技術下iMRI四個掃描序列的NUI與常規(guī)采集無顯著的統(tǒng)計學差異。先前有關并行采集的研究中，Aja-Fernández等[20]提出，在各場強的頭顱MRI中，如果加速因子小于2.5，將不會對圖像質(zhì)量造成影響，該結論與本研究的結果一致。因此可以表明，雖然iMRI的成像環(huán)境復雜，但加速因子為2的并行采集技術在iMRI的應用仍然不會對圖像的均勻度產(chǎn)生影響。

為了更進一步評估并行采集技術下的iMRI是否會對影像診斷產(chǎn)生影響，本研究由兩名高年資診斷醫(yī)師采用盲法對圖像進行了主觀評價。盲法的應用能夠有效減少主觀因素的影響[21]。通過統(tǒng)計學比較，結果發(fā)現(xiàn)并行采集和常規(guī)采集技術下，四個掃描序列的主觀評價得分無顯著的統(tǒng)計學差異，表明并行采集技術下的iMRI不會影響影像診斷。將主觀評價結果結合圖像掃描時長和NUI的統(tǒng)計學結果，可以進一步表明并行采集技術在iMRI系統(tǒng)中的應用可以有效降低成像時長，且不會對圖像質(zhì)量和醫(yī)師診斷產(chǎn)生影響，具有較大的臨床應用價值。

本研究還有一定的局限性。首先，納入的樣本數(shù)量不夠多，后續(xù)的研究需要進一步增大樣本數(shù)量來驗證本文結果的可靠性。其次，由于倫理限制，本文的研究對象基于正常被試，缺乏手術過程中患者術中圖像的對比。最后，本研究針對臨床常用的四個掃描序列進行了對比研究，未來的研究還可以納入更多的掃描序列。

4 結論

本研究首次將并行采集技術應用于iMRI系統(tǒng)進行對比探究，結果表明并行采集技術不僅可以大幅降低術中成像時間，而且不會對圖像質(zhì)量和影像診斷產(chǎn)生影響，有助于提高手術效率、保證患者的安全，對iMRI在神經(jīng)外科手術的應用具有一定的指導意義。