結(jié)合壓縮感知技術(shù)與敏感度編碼的3D mDixon序列以及3D Vane序列對肝臟成像的影響的對比研究

魏強，王家正，伊東娜，許曉昉，宋清偉，浦仁旺，陳麗華，張宇，劉愛連*

作者單位：

1. 大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，大連 116011

2. 飛利浦醫(yī)療(中國)，蘇州 215000

在肝臟磁共振成像過程中，T1WI圖像的獲取對于肝臟各分葉、肝管、血管等解剖顯示至關(guān)重要。屏氣序列和自由呼吸序列被廣泛應(yīng)用于T1WI成像掃描中，結(jié)合屏氣或呼吸門控技術(shù)，明顯減少呼吸運動偽影，能獲得比較高質(zhì)量的圖像。3D Vane技術(shù)為自由呼吸序列，不受患者呼吸運動影響，圖像質(zhì)量提高，但未根本解決快速掃描的問題，如不能進行肝臟多期增強掃描[1]。屏氣3D mDixon序列目前已廣泛應(yīng)用于臨床，但是由于其掃描全肝時間約20 s，因此對于兒童、老年人及危重患者很難滿足屏氣要求[2]。如何能在更短時間內(nèi)獲得滿足臨床診斷需求的圖像是目前MRI檢查所面臨的重要問題。本研究擬探討應(yīng)用壓縮感知技術(shù)的3D mDixon序列在肝臟檢查中的價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

前瞻性納入健康志愿者23名，其中男性13名，女性10名，年齡范圍19～35歲，平均年齡(24.4±3.91)歲。本研究經(jīng)本院倫理委員會通過，所有志愿者均簽署知情同意書。

1.2 設(shè)備與方法

使用3.0 T MR scanner (Ingenia CX，Philips Healthcare，the Netherlands)，16通道腹線圈，對23名健康志愿者進行上腹部MRI掃描。囑志愿者檢查前禁食、禁水4 h。掃描取仰臥位、頭先進。掃描序列包括3D Vane (3D Free Breathing)、3D mDixon sensitivity encoding (SENSE)與3D mDixon Compressed SENSE (CS)序列，依次分為A、B、C三組，具體掃描參數(shù)見表1。

1.3 圖像處理及分析

1.3.1 圖像主觀評分

由2名觀察者(MRI讀片經(jīng)驗分別為五年和三年)采用雙盲法在窗寬窗位一定的條件下于肝門水平分別從肝臟邊緣的銳利度、肝臟血管的清晰度、圖像偽影、脂肪抑制效果四個方面對圖像質(zhì)量進行5分制主觀評分[3]，評分標(biāo)準如下：1分，肝臟邊緣和精細結(jié)構(gòu)顯示不清，圖像偽影重，脂肪抑制效果差，不能滿足診斷要求；2分，肝臟邊緣較為清晰，細小結(jié)構(gòu)顯示不清，圖像偽影明顯，脂肪抑制效果較差，不能滿足診斷要求；3分，肝臟邊緣清晰，細小結(jié)構(gòu)較清晰，偽影較少，脂肪抑制效果較好，圖像尚可滿足診斷要求；4分，肝臟邊緣銳利，細小結(jié)構(gòu)顯示清晰，圖像偽影較少，脂肪抑制效果好；5分，肝臟邊緣銳利，細小結(jié)構(gòu)顯示清晰，圖像清晰無偽影，脂肪抑制效果好。

1.3.2 數(shù)據(jù)測量

將圖像傳至飛利浦工作站(Philips Interspace Portal；Philips Healthcare)。2名觀察者分別于肝門水平肝臟的肝右葉前、后段和肝左葉內(nèi)、外段及其相應(yīng)層面同一相位方向的右側(cè)豎脊肌放置感興趣區(qū)(region of interest，ROI)(肝臟ROI大小約為200 mm×200 mm，豎脊肌ROI大小約為100 mm×100 mm)，ROI放置于信號均勻處，應(yīng)盡量避開血管和肝管及部分容積效應(yīng)(距包膜約3 cm)[4]，測量三組圖像肝臟右葉前、后段和肝左葉內(nèi)、外段信號值(signal，SI)及豎脊肌的SI、噪聲(standard deviation，SD)值，計算圖像信噪比(signal to noise ratio，SNR)和對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)(圖1)。計算公式如下。

SNR=SI肝臟/SD豎脊肌；CNR=∣SI肝臟-SI豎脊肌∣/SD豎脊肌

表1 三組掃描參數(shù)及掃描時間Tab. 1 Scanning parameters and scanning time in three groups

表2 A組測量數(shù)據(jù)一致性結(jié)果Tab. 2 Measurement data consistency results in group A

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。采用Shapiro-Wilk分析檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)性。數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準差表示。應(yīng)用組內(nèi)相關(guān)一致性(ICC)對2名觀測者測量數(shù)據(jù)進行一致性分析，ICC≤0.4表示一致性較差，0.4＜ICC≤0.75表示一致性良好，0.75＜ICC≤1表示一致性高；應(yīng)用Kappa檢驗分析2名觀察者的主觀評分結(jié)果的一致性。采用Wilcoxon檢驗分析三組間肝臟右葉前、后段和肝左葉內(nèi)、外段SNR、CNR的差異性。采用卡方檢驗分析三組間圖像質(zhì)量評分結(jié)果的差異性。P＜0.05表示有統(tǒng)計學(xué)意義。

表3 B組測量數(shù)據(jù)一致性結(jié)果Tab. 3 Measurement data consistency results in group B

表4 C組測量數(shù)據(jù)一致性結(jié)果Tab. 4 Measurement data consistency results in group C

2 結(jié)果

2.1 2名觀察者圖像主觀評分與客觀測量數(shù)據(jù)的一致性檢驗

2名觀測者對三組圖像的主觀評分、肝臟右葉前、后段和肝左葉內(nèi)、外段SI值及豎脊肌SI值和SD值一致性分析結(jié)果見表2～4。數(shù)據(jù)一致性良好，取高年資者(觀察者1)測量數(shù)據(jù)進行后續(xù)分析。

2.2 三組間圖像質(zhì)量主觀評分比較

B、C組與A組圖像質(zhì)量評分差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，而B、C組組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。

2.3 三組間定量數(shù)據(jù)差異性比較

三組組間肝左、右葉CNR及SNR結(jié)果見表5。B、C組與A組圖像肝右葉SNR、CNR差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.001)；C組與A組圖像肝左葉SNR、CNR差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.001)；B組與A組圖像肝左葉SNR、CNR差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)；B、C組間圖像肝右葉和肝左葉SNR、CNR差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。

2.4三組掃描時間

相對于自由呼吸3D Vane序列，3D mDixon SENSE 序列掃描時間縮短約86%，3D mDixon CS序列掃描時間縮短約88%。相對于3D mDixon SENSE序列，3D mDixon CS序列掃描時間縮短約15.3% (15.1 s與13.1 s)。

3 討論

3.1 3D Vane序列特點

3D Vane (3D Free Breathing)技術(shù)是Philips醫(yī)療公司開發(fā)的一種基于Radial的Stack-of-Stars (SoS) K空間采集技術(shù)[3]。該技術(shù)可以進行自由呼吸的肝臟T1WI成像，為不能配合屏氣指令的患者提供舒適的掃描條件。自由呼吸序列掃描時間較長不能進行肝臟多期增強掃描，這大大限制其臨床應(yīng)用，因此尋求一個合適的屏氣掃描序列是至關(guān)重要的。

3.2 肝臟T1WI屏氣序列

目前常用于肝臟T1WI圖像的屏氣序列包括：快速梯度回波水-脂同反相位T1WI序列、平衡式自由穩(wěn)態(tài)進動序列、快速梯度回波容積屏氣T1WI序列等。快速梯度回波水-脂同反相位T1WI序列在脂肪肝的診斷以及含脂和乏脂腫瘤的鑒別診斷具有重要意義[4]，但缺點是對呼吸運動敏感度較高，容易產(chǎn)生運動偽影進而影響診斷。平衡式自由穩(wěn)態(tài)進動序列的圖像質(zhì)量較高，掃描時間較短，液體與軟組織對比明顯，但磁敏感性偽影較多[5]；快速梯度回波容積屏氣T1WI序列數(shù)據(jù)采集時間短，減少了呼吸偽影和血管搏動偽影，且為薄層掃描，減少了容積效應(yīng)，但臨床患者常常因肥胖及病情嚴重?zé)o法配合屏氣，進而影響圖像質(zhì)量[6]。

3.3 3D mDixon序列特點

本研究所使用的3D mDixon序列，主要權(quán)重為T1，一次掃描可以得出四種對比度圖像：脂像、水像、同相位和反相位雙回波，掃描速度快，圖像信噪比高[7]；但是3D mDixon掃描時間仍較長(約20 s)[8]。陣列空間敏感性編碼技術(shù)(sensitivity encoding，SENSE)是一種基于圖像域重建算法，通過對預(yù)先掃描的校準圖像進行并行線圈的敏感度分析從而得到敏感度分布圖；對欠采樣的K空間數(shù)據(jù)進行逆傅里葉變換，從而得到混疊圖像，并將其在敏感度分布圖進行展開，得到完整的重建圖像[9]。運用SENSE技術(shù)，掃描速度比單獨的磁共振梯度編碼掃描更快，并且加速因子值越大，掃描時間越短[10]。本研究結(jié)果顯示肝臟掃描時，患者在屏氣狀態(tài)下15 s左右即可完成圖像采集，且圖像質(zhì)量與3D Vane技術(shù)無明顯差異(P＞0.05)，可以滿足臨床患者的診斷需求。

3.4 CS技術(shù)優(yōu)勢

臨床中約7%的患者無法耐受15 s屏氣，特別是兒童、老年人及危重患者[2]，因此在保證圖像質(zhì)量可以滿足臨床診斷要求的情況下進一步縮短掃描時間是人們關(guān)注的熱點。本研究所采用CS技術(shù)采用數(shù)字化隨機稀疏采樣，保證圖像的保真度[11]。該理論由Candès等系統(tǒng)性地提出[12]；2007年，Lustig等[13]最先將壓縮感知技術(shù)運用到磁共振成像中。壓縮感知技術(shù)理論認為，如果能將信號變換到一個變換域中，使其具備稀疏的特性，用一個與其變換基不相干的觀測矩陣對這個信號進行觀測，可以將變換之前的高維信號投影到一個低維空間上，然后通過求解一個優(yōu)化問題，就可以從這些少量的投影中以高概率重構(gòu)出原信號[13-15]。運用該技術(shù)成像不僅具有出色的時間分辨率[16]，同時具有滿意的空間分辨率[17]。本研究結(jié)果顯示3D mDixon CS2 掃描時間相對于3D mDixon SENSE2降低約15.3% (13.1 s)，可以滿足臨床難以屏氣超過15 s的患者的掃描要求，并且二者圖像質(zhì)量無論是主觀評分還是定量數(shù)據(jù)差異均無統(tǒng)計學(xué)差異。目前尚未有文獻報道將壓縮感知技術(shù)用于肝臟成像序列的研究。

本研究中肝左葉受心臟搏動和胃腸道蠕動影響較大，致B組與A組圖像肝左葉SNR、CNR差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但SNR、CNR也呈上升趨勢，具有臨床研究意義。

3.5 不足之處

(1) SNR、CNR受TR、體素、FOV等不同因素影響，由于本研究涉及兩個不同序列之間的比較，存在不同序列參數(shù)不一致的問題，可能會造成一定誤差，但本研究的測量都是在原始圖像上進行，盡量避免誤差造成的影響，但不同序列間有分辨率的差異，可能會影響SNR的測量。(2)本研究只針對健康人群，對老人兒童及病患人群未觸及，采樣本不足，有偏差，需積累擴大樣本量。(3)掃描加速因子根據(jù)經(jīng)驗選擇，其有待進一步實踐比較，未觸及更多參數(shù)變量。屏氣序列和自由呼吸序列之間比較會有差異性。

3.6 總結(jié)

相對于自由呼吸3D Vane序列，3D mDixon SENSE2與3D mDixon CS2序列能有效提高圖像的信噪比、對比噪聲比，提高圖像質(zhì)量，并且顯著縮短掃描時間。而CS技術(shù)可以進一步縮短掃描時間(減少約15.3%)，對于屏氣配合困難患者的肝臟掃描時有較好的臨床應(yīng)用前景。

利益沖突：無。