结合压缩感知技术与敏感度编码的3D mDixon序列以及3D Vane序列对肝脏成像的影响的对比研究

2020-12-23魏强王家正伊东娜许晓昉宋清伟浦仁旺陈丽华张宇刘爱连

磁共振成像 2020年9期

魏强，王家正，伊东娜，许晓昉，宋清伟，浦仁旺，陈丽华，张宇，刘爱连*

作者单位：

1. 大连医科大学附属第一医院放射科，大连 116011

2. 飞利浦医疗(中国)，苏州 215000

在肝脏磁共振成像过程中，T1WI图像的获取对于肝脏各分叶、肝管、血管等解剖显示至关重要。屏气序列和自由呼吸序列被广泛应用于T1WI成像扫描中，结合屏气或呼吸门控技术，明显减少呼吸运动伪影，能获得比较高质量的图像。3D Vane技术为自由呼吸序列，不受患者呼吸运动影响，图像质量提高，但未根本解决快速扫描的问题，如不能进行肝脏多期增强扫描[1]。屏气3D mDixon序列目前已广泛应用于临床，但是由于其扫描全肝时间约20 s，因此对于儿童、老年人及危重患者很难满足屏气要求[2]。如何能在更短时间内获得满足临床诊断需求的图像是目前MRI检查所面临的重要问题。本研究拟探讨应用压缩感知技术的3D mDixon序列在肝脏检查中的价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

前瞻性纳入健康志愿者23名，其中男性13名，女性10名，年龄范围19～35岁，平均年龄(24.4±3.91)岁。本研究经本院伦理委员会通过，所有志愿者均签署知情同意书。

1.2 设备与方法

使用3.0 T MR scanner (Ingenia CX，Philips Healthcare，the Netherlands)，16通道腹线圈，对23名健康志愿者进行上腹部MRI扫描。嘱志愿者检查前禁食、禁水4 h。扫描取仰卧位、头先进。扫描序列包括3D Vane (3D Free Breathing)、3D mDixon sensitivity encoding (SENSE)与3D mDixon Compressed SENSE (CS)序列，依次分为A、B、C三组，具体扫描参数见表1。

1.3 图像处理及分析

1.3.1 图像主观评分

由2名观察者(MRI读片经验分别为五年和三年)采用双盲法在窗宽窗位一定的条件下于肝门水平分别从肝脏边缘的锐利度、肝脏血管的清晰度、图像伪影、脂肪抑制效果四个方面对图像质量进行5分制主观评分[3]，评分标准如下：1分，肝脏边缘和精细结构显示不清，图像伪影重，脂肪抑制效果差，不能满足诊断要求；2分，肝脏边缘较为清晰，细小结构显示不清，图像伪影明显，脂肪抑制效果较差，不能满足诊断要求；3分，肝脏边缘清晰，细小结构较清晰，伪影较少，脂肪抑制效果较好，图像尚可满足诊断要求；4分，肝脏边缘锐利，细小结构显示清晰，图像伪影较少，脂肪抑制效果好；5分，肝脏边缘锐利，细小结构显示清晰，图像清晰无伪影，脂肪抑制效果好。

1.3.2 数据测量

将图像传至飞利浦工作站(Philips Interspace Portal；Philips Healthcare)。2名观察者分别于肝门水平肝脏的肝右叶前、后段和肝左叶内、外段及其相应层面同一相位方向的右侧竖脊肌放置感兴趣区(region of interest，ROI)(肝脏ROI大小约为200 mm×200 mm，竖脊肌ROI大小约为100 mm×100 mm)，ROI放置于信号均匀处，应尽量避开血管和肝管及部分容积效应(距包膜约3 cm)[4]，测量三组图像肝脏右叶前、后段和肝左叶内、外段信号值(signal，SI)及竖脊肌的SI、噪声(standard deviation，SD)值，计算图像信噪比(signal to noise ratio，SNR)和对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)(图1)。计算公式如下。

SNR=SI肝脏/SD竖脊肌；CNR=∣SI肝脏-SI竖脊肌∣/SD竖脊肌

表1 三组扫描参数及扫描时间Tab. 1 Scanning parameters and scanning time in three groups

表2 A组测量数据一致性结果Tab. 2 Measurement data consistency results in group A

1.4 统计学分析

采用SPSS 22.0 统计学软件进行统计学分析。采用Shapiro-Wilk分析检验数据的正态性。数据采用均数±标准差表示。应用组内相关一致性(ICC)对2名观测者测量数据进行一致性分析，ICC≤0.4表示一致性较差，0.4＜ICC≤0.75表示一致性良好，0.75＜ICC≤1表示一致性高；应用Kappa检验分析2名观察者的主观评分结果的一致性。采用Wilcoxon检验分析三组间肝脏右叶前、后段和肝左叶内、外段SNR、CNR的差异性。采用卡方检验分析三组间图像质量评分结果的差异性。P＜0.05表示有统计学意义。

表3 B组测量数据一致性结果Tab. 3 Measurement data consistency results in group B

表4 C组测量数据一致性结果Tab. 4 Measurement data consistency results in group C

2 结果

2.1 2名观察者图像主观评分与客观测量数据的一致性检验

2名观测者对三组图像的主观评分、肝脏右叶前、后段和肝左叶内、外段SI值及竖脊肌SI值和SD值一致性分析结果见表2～4。数据一致性良好，取高年资者(观察者1)测量数据进行后续分析。

2.2 三组间图像质量主观评分比较

B、C组与A组图像质量评分差异具有统计学意义(P＜0.05)，而B、C组组间差异无统计学意义(P＞0.05)。

2.3 三组间定量数据差异性比较

三组组间肝左、右叶CNR及SNR结果见表5。B、C组与A组图像肝右叶SNR、CNR差异具有统计学意义(P＜0.001)；C组与A组图像肝左叶SNR、CNR差异具有统计学意义(P＜0.001)；B组与A组图像肝左叶SNR、CNR差异无统计学意义(P＞0.05)；B、C组间图像肝右叶和肝左叶SNR、CNR差异均无统计学意义(P＞0.05)。

2.4三组扫描时间

相对于自由呼吸3D Vane序列，3D mDixon SENSE 序列扫描时间缩短约86%，3D mDixon CS序列扫描时间缩短约88%。相对于3D mDixon SENSE序列，3D mDixon CS序列扫描时间缩短约15.3% (15.1 s与13.1 s)。

3 讨论

3.1 3D Vane序列特点

3D Vane (3D Free Breathing)技术是Philips医疗公司开发的一种基于Radial的Stack-of-Stars (SoS) K空间采集技术[3]。该技术可以进行自由呼吸的肝脏T1WI成像，为不能配合屏气指令的患者提供舒适的扫描条件。自由呼吸序列扫描时间较长不能进行肝脏多期增强扫描，这大大限制其临床应用，因此寻求一个合适的屏气扫描序列是至关重要的。

3.2 肝脏T1WI屏气序列

目前常用于肝脏T1WI图像的屏气序列包括：快速梯度回波水-脂同反相位T1WI序列、平衡式自由稳态进动序列、快速梯度回波容积屏气T1WI序列等。快速梯度回波水-脂同反相位T1WI序列在脂肪肝的诊断以及含脂和乏脂肿瘤的鉴别诊断具有重要意义[4]，但缺点是对呼吸运动敏感度较高，容易产生运动伪影进而影响诊断。平衡式自由稳态进动序列的图像质量较高，扫描时间较短，液体与软组织对比明显，但磁敏感性伪影较多[5]；快速梯度回波容积屏气T1WI序列数据采集时间短，减少了呼吸伪影和血管搏动伪影，且为薄层扫描，减少了容积效应，但临床患者常常因肥胖及病情严重无法配合屏气，进而影响图像质量[6]。

3.3 3D mDixon序列特点

本研究所使用的3D mDixon序列，主要权重为T1，一次扫描可以得出四种对比度图像：脂像、水像、同相位和反相位双回波，扫描速度快，图像信噪比高[7]；但是3D mDixon扫描时间仍较长(约20 s)[8]。阵列空间敏感性编码技术(sensitivity encoding，SENSE)是一种基于图像域重建算法，通过对预先扫描的校准图像进行并行线圈的敏感度分析从而得到敏感度分布图；对欠采样的K空间数据进行逆傅里叶变换，从而得到混叠图像，并将其在敏感度分布图进行展开，得到完整的重建图像[9]。运用SENSE技术，扫描速度比单独的磁共振梯度编码扫描更快，并且加速因子值越大，扫描时间越短[10]。本研究结果显示肝脏扫描时，患者在屏气状态下15 s左右即可完成图像采集，且图像质量与3D Vane技术无明显差异(P＞0.05)，可以满足临床患者的诊断需求。

3.4 CS技术优势

临床中约7%的患者无法耐受15 s屏气，特别是儿童、老年人及危重患者[2]，因此在保证图像质量可以满足临床诊断要求的情况下进一步缩短扫描时间是人们关注的热点。本研究所采用CS技术采用数字化随机稀疏采样，保证图像的保真度[11]。该理论由Candès等系统性地提出[12]；2007年，Lustig等[13]最先将压缩感知技术运用到磁共振成像中。压缩感知技术理论认为，如果能将信号变换到一个变换域中，使其具备稀疏的特性，用一个与其变换基不相干的观测矩阵对这个信号进行观测，可以将变换之前的高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解一个优化问题，就可以从这些少量的投影中以高概率重构出原信号[13-15]。运用该技术成像不仅具有出色的时间分辨率[16]，同时具有满意的空间分辨率[17]。本研究结果显示3D mDixon CS2 扫描时间相对于3D mDixon SENSE2降低约15.3% (13.1 s)，可以满足临床难以屏气超过15 s的患者的扫描要求，并且二者图像质量无论是主观评分还是定量数据差异均无统计学差异。目前尚未有文献报道将压缩感知技术用于肝脏成像序列的研究。

本研究中肝左叶受心脏搏动和胃肠道蠕动影响较大，致B组与A组图像肝左叶SNR、CNR差异无统计学意义，但SNR、CNR也呈上升趋势，具有临床研究意义。

3.5 不足之处

(1) SNR、CNR受TR、体素、FOV等不同因素影响，由于本研究涉及两个不同序列之间的比较，存在不同序列参数不一致的问题，可能会造成一定误差，但本研究的测量都是在原始图像上进行，尽量避免误差造成的影响，但不同序列间有分辨率的差异，可能会影响SNR的测量。(2)本研究只针对健康人群，对老人儿童及病患人群未触及，采样本不足，有偏差，需积累扩大样本量。(3)扫描加速因子根据经验选择，其有待进一步实践比较，未触及更多参数变量。屏气序列和自由呼吸序列之间比较会有差异性。