壓縮感知技術(shù)對3D mDIXON Quant定量分析肝臟脂肪的影響

王學(xué)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(xué)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(xì)胞內(nèi)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(jìn)一步進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)(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(zhǔn)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(shù)突破傳統(tǒng)稀疏性隨機(jī)采樣定理的限制，以遠(yuǎn)低于奈奎斯特-香農(nóng)標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行采樣，能精確恢復(fù)原始信號，縮短掃描時間。本研究探討基于CS技術(shù)不同加速因子對3D mDIXON Quant肝臟脂肪定量分析結(jié)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(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)>24。排除標(biāo)準(zhǔn)：①肝損害和肝占位；②圖像質(zhì)量差。本研究經(jīng)院倫理委員會批準(zhǔn)，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(shù)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(zhuǎn)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(jìn)行分析，獲得脂肪分?jǐn)?shù)圖。由2名分別具有3年和4年腹部影像學(xué)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(nèi)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(nèi)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?jǐn)?shù)，取4個區(qū)域脂肪分?jǐn)?shù)的均值為最后結(jié)果。

1.4 統(tǒng)計學(xué)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(jìn)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(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficients, ICC)檢驗評估2名醫(yī)師測量各組脂肪分?jǐn)?shù)結(jié)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(jié)果的平均值進(jìn)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?jǐn)?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?jǐn)?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(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 各CS組與SENSE組間脂肪分?jǐn)?shù)比較 2名醫(yī)師對各組脂肪分?jǐn)?shù)測量結(jié)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?jǐn)?shù)差異均無統(tǒng)計學(xué)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)3.51%； B.CS2，脂肪分?jǐn)?shù)2.79%； C.CS4，脂肪分?jǐn)?shù)2.87%； D.CS5，脂肪分?jǐn)?shù)3.63%； E.CS6，脂肪分?jǐn)?shù)2.98%

2.2 不同CS組間脂肪分?jǐn)?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?jǐn)?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(nèi)，見圖2。

圖2 不同CS組間肝脂肪分?jǐn)?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(yù)，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(biāo)準(zhǔn)，但有創(chuàng)，患者接受度低，且取材范圍較局限，影響評估準(zhǔn)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(jié)果的準(zhǔn)確性。MR信號強(qiáng)度與組織中氫質(zhì)子的含量成正比。mDIXON Quant技術(shù)利用脂肪組織中氫質(zhì)子與水分子中氫質(zhì)子的進(jìn)動頻率差異進(jìn)行脂肪定量，采用適當(dāng)水-脂分離技術(shù)區(qū)分兩者，分別采集水及脂肪信號，其信號強(qiáng)度可代表肝內(nèi)水和脂肪含量，由此計算肝內(nèi)脂肪含量[5]。

MR波譜掃描過程復(fù)雜，且較為耗時；MR迭代最小二乘法水脂分離定量技術(shù)采用“三點法”水脂分離技術(shù)采集信號，掃描時間較長，且圖像模糊效應(yīng)較重。MR mDIXON Quant采用“兩點法”水脂分離技術(shù)，應(yīng)用梯度回波序列進(jìn)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(shù)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(zhì)量。為進(jìn)一步縮短檢查時間，有學(xué)者[6-7]提出CS理論，即如果信號稀疏，可通過對遠(yuǎn)低于既往采樣定律要求的采樣點進(jìn)行重建而加以恢復(fù)。應(yīng)用CS技術(shù)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(yuǎn)小于奎斯特定律限定采樣率的條件下進(jìn)行隨機(jī)采樣，獲取信號的離散樣本；③應(yīng)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(zhì)量良好的圖像，可明顯縮短采集時間。目前CS技術(shù)初步用于心臟、中樞神經(jīng)、骨關(guān)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(yīng)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(jìn)行腹部MR胰導(dǎo)管成像[13]及動態(tài)對比增強(qiáng)MRI[14]等的報道。

利用CS技術(shù)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(yīng)用CS技術(shù)后，肝膽期圖像對肝臟實質(zhì)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(shù)與傳統(tǒng)SENSE掃描技術(shù)結(jié)合mDIXON Quant定量分析肝脂肪含量，結(jié)果顯示各組測量結(jié)果的一致性均較好，可重復(fù)性較高，表明CS技術(shù)的穩(wěn)定性較高；不同加速因子CS技術(shù)與傳統(tǒng)SENSE技術(shù)測量肝脂肪含量結(jié)果差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，提示應(yīng)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(jié)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(shù)結(jié)合mDIXON Quant序列，可在不影響肝臟脂肪定量結(jié)果的同時顯著縮短掃描時間。本研究存在的局限性：①樣本量較小；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(jìn)行研究，有待擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步觀察。