联合压缩感知与并行成像技术在乳腺MRI扫描中的比较研究

吴晓燕，詹松华，龚志刚，黄炎文，王 辉，陆孟莹

（上海中医药大学附属曙光医院放射科，上海 200021）

MRI动态增强扫描广泛应用于乳腺病变的筛查及诊断中，敏感度90%～100%［1-2］，TIC对乳腺良恶性鉴别诊断有重要意义［3］，但常规增强扫描单期成像时间长，且对比剂首过期相较快，无法反映病变在短时间内的血供变化。压缩感知技术是一种新型信号采集与获取理论，利用图像在特定域上的稀疏性或可压缩性，通过减少测量重建所需原始数据，在缩短扫描时间同时，保证图像空间分辨力，其在MRI领域的研究已逐渐展开［4］。而联合压缩感知（united compressed sensing，uCS）技术则在半傅里叶及并行成像技术的基础上，融合了压缩感知技术［5］，在实现加速扫描的同时能够保证图像质量，但目前其在乳腺MRI中的研究甚少。因此，笔者对uCS技术在乳腺MRI中的初步应用与传统并行成像技术进行比较，讨论其可行性及效能。

1 资料与方法

1.1 一般资料 搜集2018年12月至2019年1月在我院行乳腺MRI动态增强扫描的女性患者40例，年龄18～72岁，平均（45.32±9.65）岁。所有患者均无已确诊乳腺疾病史，其中12例触诊提示乳腺结节，6例乳腺疼痛伴肿块，4例乳头溢液，15例乳房胀痛（其中10例超声提示结节），3例常规体检。均签署知情同意书，本研究经我院医学伦理委员会批准。

1.2 仪器与方法 采用联影uMR 780 3.0 T MRI仪，4通道乳腺专业线圈。患者取俯卧位，双侧乳腺自然下垂于线圈中央，分别以并行成像、uCS技术扫描，扫描范围均包括双侧乳腺及腋窝。通过高压注射器按0.1 mmol/kg体质量注入对比剂Gd-DTPA，流率2.5 mL/s，2组单期扫描时间均为70 s（参照欧洲乳腺扫描指南［6］），以并行技术行动态增强5期扫描后，以uCS技术行第6期增强扫描。

1.2.1 平扫 于相同扫描参数下分别行并行成像及uCS抑脂T1WI横断位平扫。TR 4.7 ms，TE 2.1 ms，翻转角10°，视野340 mm×340 mm，读出分辨率400，相位分辨率80%，层厚1.5 mm，层方向插值1.5 mm，带宽450 Hz，回波数1，相位编码R→L。

1.2.2 动态增强扫描 设定乳腺单期动态增强扫描时间70 s［6］，扫描范围相同且固定。并行成像法：TR 4.7 ms，TE 2.1 ms，翻转角10°，视野340 mm×340 mm，读出分辨率400，相位分辨率80%，层厚1.5 mm，层方向插值1.5 mm，层数96，带宽450 Hz，相位编码R→L。uCS法：TR 4.7 ms，TE 2.0 ms，翻转角10°，视野340 mm×340 mm，读出分辨率336，相位分辨率100%，层厚1.0 mm，层方向插值1.5 mm，层数142，带宽450 Hz，相位编码R→L。

1.3 图像质量评价 分别选取经乳头层面腺体实质区、空气背景区绘制ROI，直径5 mm，选取双乳中央区腺体实质丰富区域，避开脂肪组织及血管，取该区及空气背景区信号强度值，计算比值，取双侧均值作为该ROI的SNR。

1.4 统计学分析 采用SPSS 20.0软件行统计分析。采用配对t检验分别比较同一患者平扫时并行成像与uCS时的扫描时间、SNR，以及动态增强扫描第5期（并行成像组）及第6期（uCS组）SNR，数据以表示。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2种技术扫描时间、图像数量比较 ①平扫：扫描时间uCS法（42.17±1.03）s，并行成像法（68.45±1.27）s，2组比较差异有统计学意义（t=5.672，P＜0.05）。②增强扫描：并行成像法获得图像数量为96幅，明显少于uCS法（142幅）。

2.2 2种技术SNR比较 ①平扫：并行成像法及uCS法SNR分别为165.19±21.74、178.85±27.62，差异无统计学意义（t=0.017，P=0.975）（图1a，1b）。②动态增强扫描：第6期uCS法SNR为302.17±28.21，第5期并行成像法为278.24±15.34，差异有统计学意义（t=4.473，P=0.032）（图1c，1d）。

图1 女，28岁，左乳肿块2周图1a 常规并行成像技术T1WI图像，扫描时间65 s，SNR 164.52图1b 同层面联合压缩感知（uCS）技术T1WI图像，扫描时间为42 s，SNR 162.78。左乳中央区深部结节，2种技术对病变边缘显示清晰度相似图1c，1d 分别为同一层面动态增强扫描第5期（并行成像技术）、第6期（uCS技术）抑脂T1WI图像，图1d所示病变边缘较图1c清晰（图1c与图1d SNR分别为305.82及322.45）

3 讨论

MRI在乳腺疾病筛查、诊断中应用广泛，TIC在良恶性病变鉴别诊断中的价值得到公认［2］，但其成像效率低，且患者体位持续过久，易产生运动伪影。对比剂首过期相的快速性使传统扫描技术无法全面反映病变在动脉期内的血流动力学特征，使TIC获得定位点数量有限且反映的血流动力学信息不充分，因此在保证图像质量前提下缩短检查时间，具有重要意义。

目前，加速MRI图像获取主要有2种方法：①提高主磁场、梯度磁场强度及梯度磁场切换速度；②采用快速扫描序列或数据欠采样，如并行成像技术利用相控阵线圈敏感度信息，通过去卷褶算法可实现快速成像［7-8］。

常规乳腺MRI增强扫描采用并行成像技术，将相控阵线圈敏感度、梯度相位编码相结合，增加K空间中采样距离，减少相位编码线数目，实现快速扫描［9］。但并行成像技术中反映K空间采样数目减少缩减因子R（SENSE因子或增速因子），与所使用线圈的子单元数及信号采集通道数目有关（即R值不超过线圈子单元数目），故常用值局限于2～3，且SNR随着R增加而降低。而局部几何因子g，代表线圈从卷积影像中分离出单个像素信息的能力，取决于成像层面、扫描视野、缩减因子及相位编码方向等因素，且与SNR成反比。故两者均限制了并行成像技术加速成像的潜能，且当信号采集频率小于带宽2倍及K空间采样线之间距离小于成像物体时，易发生卷积伪影，对体积较大的乳腺成像效果欠佳。因此，以并行成像技术行乳腺MRI增强扫描时，需在缩短扫描时间、保证高空间分辨力之间寻求一定平衡。

uCS仅需Nyquist采样定理要求数据量的30%甚至更少K空间数据，即可有效重建图像［10］，在提高信号采集速度同时，降低数据存储要求，但需满足3个基本条件［11］：①信号的稀疏性；②不相干欠采样；③非线性重建。信号稀疏度越高，越能准确重建MRI图像，而常规MRI图像信号不具备足够的稀疏度，故需以合适稀疏基对原始信号进行稀疏变换，在乳腺动态增强压缩感知扫描中，TV模型在信号稀疏性处理上的表现优于Wavelet变换、傅里叶变换等，故较常用［12］。在信号稀疏性得到保证情况下，观测矩阵的约束等矩阵性、稀疏变换矩阵的非相干性亦需满足，且易于硬件实现，故压缩感知通常采用伪随机采样矩阵，如随机变密度下采样矩阵、放射采样矩阵和二维随机采样矩阵，利用以上K空间采样模式，能够在相同测量数据条件下，得到高分辨率的重建图像，并缩短采样时间、减少运动伪影［13］。经典MRI压缩感知重建算法包括图像梯度TV正则化、共轭梯度下降、分裂布雷格曼等，而最新的双树复小波变换联合有效差分和小波树稀疏算法，利用小波树的稀疏性使重建所需信号进一步减少，加快了扫描速度，且双树复小波的应用可弥补传统小波变换导致的平移敏感性、方向选择性及相位信息缺失等缺点，保证图像的高分辨率。

本研究采用的uCS扫描技术是一种基于压缩感知理论、融合半傅里叶及并行成像技术的新型技术，在乳腺MRI成像上的应用较少。从扫描效率方面比较，以相同平扫参数行横断位抑脂T1WI扫描，uCS法的扫描时间为（42.17±1.03）s，明显少于并行成像法（68.45±1.27）s，时间分辨率显著提高，而单次扫描获得的图像数量相同，uCS扫描效率提高。而在单期动态增强扫描中，当扫描时间均设定为70 s、扫描范围固定时，并行成像法每例扫描图像为96幅，而uCS法可达142幅。说明uCS具备更高的扫描效率。图像SNR比较，横断位抑脂T1WI平扫时，并行成像法及uCS法在相同扫描参数下，成像质量相似，而uCS法时间分辨力更高。在乳腺背景强化程度较稳定的增强扫描晚期，两者SNR比较，视野、矩阵不变时，uCS法层厚变薄，致其体素小于并行成像法，即空间分辨力较并行成像法增加，其理论SNR应下降，但本研究uCS法SNR却略增高，这可能与uCS扫描在并行成像序列之后，扫描时间差异所致局部血流灌注及渗透性差异对信号产生的影响有关。可见，uCS技术通过缩短扫描时间，在加速扫描同时保证图像的细节显示及SNR，可提供更多影像信息，满足诊断需求，且在增强扫描晚期该优势更显著。

本研究存在的不足：①收集乳腺MRI资料时，未根据有无病变分组，未研究乳腺病变对2种扫描技术SNR值是否会产生影响。②因uCS序列安排在增强扫描后期，未获得由uCS技术所产生的TIC，故拟于后期完善uCS参数，进一步加快扫描速度，绘制具备更多时间、信号坐标点的TIC，将其诊断效能与常规并行成像技术所得TIC进行比较，探讨uCS技术的诊断效能。③若单期扫描速度加速至符合药物代谢动力学灌注分析要求，如何寻求扫描速度与空间分辨率的平衡点，也有待后续进一步研究。

综上所述，uCS技术可通过信号稀疏化、空间欠采样结合新算法加速MRI图像获取，在保证图像质量的同时提高乳腺MRI扫描效率，且在增强扫描后期较显著，应用前景广阔，值得进一步探索。