压缩感知技术在肝脏动态对比增强MRI 中的应用研究

于瑞磊，刘希胜

（南京医科大学第一附属医院放射科，南京210029）

0 引言

MRI 技术于1971 年由美国科学家劳托伯（Paul C.Lauterbur）提出[1]，随着该技术的不断创新，压缩感知（compressed sensing，CS）技术近年也开始应用于临床研究，早在2007 年Lustig 等[2]将CS 技术运用到了MRI 中。CS-MRI 是一项在应用数学基础上发展起来的快速MRI 新技术[3]，它实现了动态对比增强磁共振成像（dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI），是目前较成熟的MR 功能成像技术，可反映肿瘤微循环灌注、微血管通透性等信息[4]。目前国内对于CS 技术在MRI 中的临床应用研究虽尚少，但随着其重建技术的不断优化，越来越多的研究者和临床医生对此进行研究。因CS 技术具有扫描成像时间短的优势，本研究对其在肝脏MRI 对比增强中的应用进行初步探索。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018 年6—12 月来我院接受上腹部MRI增强检查的67 例患者作为研究对象，其中男35 例、女32 例，年龄41~62 岁，平均年龄53 岁。检查前为患者训练呼吸，要求屏气不低于10 s。排除标准：MRI禁忌证。本实验经我院医学伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

采用西门子skyra 3.0T MR 扫描仪，腹部18 通道表面相控阵线圈。患者于检查前禁食不少于4 h，取仰卧位，头先进，两臂置于身体两侧，深呼气后绑紧腹带，并对患者进行呼吸训练，包括屏气训练和平静状态下的浅、均匀呼吸训练，前者采用常规三维容积内插屏气检查（volumetric interpolated breath-hold examination，VIBE），后者采用肝脏DCE-MRI 序列进行检查。常规VIBE 序列：呼气后屏气扫描，K 空间填充轨迹为笛卡尔式，重复时间（repetition time，TR）3.44 ms，回波时间（echo time，TE）1.36 ms，翻转角9.0°，视野（field of view，FOV）352 mm×286 mm，层厚3.5 mm，矩阵352×264。相位编码方向部分傅里叶采集选择关闭状态，层面间部分傅里叶采集选择7/8，层数60，1 次屏气采集1 期图像，扫描时间13 s。DCEMRI 序列：浅、慢自由均匀呼吸状态下进行扫描，K空间填充轨迹为笛卡尔式，TR 3.33 ms，TE 1.3 ms，翻转角11.5°，FOV 360 mm×286 mm，层厚3.5 mm，矩阵352×264。相位编码方向部分傅里叶采集选择6/8，层面间部分傅里叶采集选择6/8，层数56，扫描采集32期图像，扫描时间147 s。一次注射对比剂完成2 个序列扫描，先进行DCE-MRI 序列扫描，扫描完成后立刻进行常规VIBE 序列扫描。DCE-MRI 序列扫描进行到第3 期时开始注射对比剂，对比剂采用马根维显（钆喷酸葡胺注射液），剂量0.1 mmol/kg，流速3.0 mL/s，随后以相同速率注射10 mL 生理盐水。

1.3 主观评分

由2 名有上腹部MRI 诊断经验的高年资放射科医师采用双盲法评价图像。以5 分法对图像质量进行评分[5]，1 分最低，5 分最高，≥3 分表示满足诊断要求。评分标准：1 分，伪影重，肝脏血管、肝实质及周边结构显示不清，无法诊断；2 分，伪影较大，影响肝脏血管、肝实质及周边结构观察，不能诊断；3 分，伪影小，可观察的肝脏血管较丰富，肝实质及周边结构显示良好，可诊断但呼吸伪影较重；4 分，伪影较小，可观察的肝脏血管丰富并能延伸至肝脏边缘，肝实质及周边结构显示较好，呼吸伪影较少，可明确诊断；5 分，几乎没有伪影，无呼吸伪影，肝脏血管、肝实质及周边结构清晰可见，能明确诊断。取2 名医师评分的均值作为主观评价结果。

1.4 客观定量评估

2 名医师在双盲下分别对图像进行测量，测量3次，取均值。将所有图像上传到影像归档和通信系统（picture archiving and communication systems，PACS），采用系统所带测量工具进行测量，同一患者不同序列的测量选取层面及感兴趣区（region of interest，ROI）应尽量一致（如图1 所示）。在肝实质勾画ROI1，避开胆管、血管，设置3 个ROI，分别记录信号强度平均值，取均值；在右侧的竖脊肌内勾画ROI2，避开血管，记录信号强度平均值；在棘突正后方背景区域勾画ROI3，记录信号标准偏差。ROI 范围为40~50 mm2。DCE-MRI 因其期数较多，从最后5 期中挑选最佳的一期作为代表进行数据测量，测量3 次取平均值。计算信噪比（signal to noise ratio，SNR）和对比噪声比（contrast to noise ratio，CNR）。具体如下：SNR肝脏=SIROI1/SDROI3（SIROI1为肝实质信号强度平均值，SDROI3为FOV 内棘突正后方背景区域信号标准偏差），SNR竖脊肌=SIROI2/SDROI3（SIROI2为竖脊肌信号强度平均值，SDROI3为棘突正后方空气区域信号标准偏差）；

图1 感兴趣区位置示意图

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0 统计分析软件对数据进行处理。计量资料统计前先检验数据是否服从正态分布，若服从正态分布则用±s 表示，采用t 检验；若不服从正态分布，则以中位数表示，采用Mann-Whitney U 检验比较两序列间的图像质量差异、SNR肝脏和CNR肝脏/竖脊肌。采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）评价观察者间主观评分和客观定量评估的一致性。ICC＞0.75 为一致性好，0.40≤ICC≤0.75 为一致性较好，ICC＜0.40 为一致性差。P＜0.001 为差异有显著统计学意义。

2 结果

2.1 主观评分

主观评分所得数据不呈正态分布，采用Mann-Whitney U 检验，统计结果显示，DCE-MRI 序列图像质量主观评分为4 分，能够满足诊断要求，但低于VIBE 序列图像质量评分（5 分），两者间差异有统计学意义（Z=-8.457，P<0.001），如图2 所示。

图2 肝脏多发血管瘤MRI 图像

2.2 客观定量评估

客观定量评估所得数据不呈正态分布，采用Mann-Whitney U 检验，DCE-MRI 序列和常规VIBE序列的SNR肝脏和CNR肝脏/竖脊肌比较差异有显著统计学意义（P＜0.001），详见表1、图3。

2.3 一致性分析

无论主观评分还是客观定量评估，ICC 值均大于0.75，一致性好。DCE-MRI 序列主观评分ICC 值为0.89，客观定量评估ICC 值为0.85；常规VIBE 序列主观评分ICC 值为0.83，客观定量评估ICC 值为0.82。

表1 两序列间图像质量定量评估结果

图3 胰头癌伴肝脏多发转移MRI 图像

3 讨论

MRI 是临床诊断中不可缺少的一种检查方法，但因其检查时间长降低了效价比，给患者和医生带来诸多不便。MRI 平扫对肝脏良恶性肿瘤的鉴别诊断价值有限[6]，随着MRI 技术的不断更新和发展，常规VIBE 序列已广泛应用于肝脏的增强扫描，所得图像会因呼吸运动使相位编码方向上采样线之间的相位发生偏移，从而导致严重的呼吸运动伪影[7]，故需采用屏气的方法来克服呼吸运动伪影，以提高图像质量，达到诊断要求。另外，有研究表明，对于不能配合屏气的患者，采用放射状中心重叠填充方式的StarVIBE（star volumatric interpolated breath-hold examination）序列所得图像质量比常规VIBE 序列所得图像更佳，但它所需扫描时间较长[8]。常规VIBE 序列每扫描一次结束后仅产生1 期图像，且容易受患者呼吸影响，目前还无法完全满足临床的需求。

传统MRI 采集K 空间的信号后需通过傅里叶变换获得图像数据，并且信号数要等于像素数，故需要较长的检查时间[9]。CS-MRI 是利用K 空间亚采样的数据生成MRI 图像，比常规方法缩短了扫描时间[10]，实现了肝脏的DCE-MRI 扫描。CS-MRI 是将CS 理论与MRI 原理结合，根据稀疏矩阵及凸优化理论，从随机欠采样所得的K 空间数据中重建出原始的MRI 图像，另外，K 空间中的每个数据都包含原始图像的所有信息，只采用部分采集数据不会造成原始图像重建质量的下降[11]。CS 成像理论突破了奈奎斯特（Nyquist）采样定理的限制，以及信号在稀疏变换域具有稀疏性和可压缩性原理，将部分K 空间重建技术与半傅里叶技术结合，既能以较少的K 空间采样数据来重构出原始图像，显著减少了采样数量，又使得成像速度得到了大幅提升。因此，将CS 理论应用于MRI 既能缩短成像时间又能保证成像质量。CS 技术在MRI 中的应用需满足3 个条件：（1）稀疏变换。MRI 图像是可稀疏的，理论上只用部分K域数据即可重建出原始图像。（2）不相干欠采样，采样随机分布[1]。（3）非线性重建。笛卡尔采样是一种运用极其常见的线性欠采样方法[12]，所得的采集数据相关性较高，而常见的非线性采集有螺旋式采集和放射状采集。目前最新的CS-MRI 重建算法是小波树稀疏CS-MRI[13]，它是根据结构稀疏理论提出的基于树稀疏、全变分（total variation，TV）模型、小波稀疏组合的新的CS-MRI 算法，能更快速地重建出图像。

在客观定量评估方面，DCE-MRI 序列所得图像的SNR肝脏和CNR肝脏/竖脊肌都显著高于常规屏气VIBE序列，另外，由于本研究所收集的患者屏气时间不低于10 s，而常规屏气VIBE 序列扫描时间为13 s，若肝脏较大者，会增加层数从而增加扫描时间，若患者屏气时间不够长，因呼吸伪影所得图像质量主观评分可能会降低甚至低于DCE-MRI 序列。本研究中所收集病例中此类患者数量很少，因此没有对此类患者分组进行研究，若不能屏气患者能够做到浅、慢均匀呼吸，DCE-MRI 会是一个不错的选择。

目前，CS 技术在胃部MRI 的应用中已有相关研究，证明自由呼吸DCE-MRI 具有较高的时间和空间分辨力[14]；另外，谢宗源等[15]将DCE-MRI 用于直肠研究，证明了DCE-MRI 可提高直肠癌术前TN 分期的准确率，且定量参数Ktrans、Ve、Kep值有助于判断直肠癌T 分期及淋巴结性质。本研究的独到之处在于从SNR 和CNR 2 个方面证明了CS 技术在肝脏DCEMRI 中的应用可行性。本研究中DCE-MRI 序列要求患者能够自由均匀地浅、慢呼吸，但并不是每个患者都能保证扫描时间内能够均匀地浅、慢呼吸，故所得的图像中不是每一期都符合诊断标准，会出现不同程度的伪影，尤以呼吸运动伪影为重，故其总体的图像质量主观评分低于常规屏气VIBE 序列，但DCE-MRI 序列所得图像期数较多（本研究为32 期），动脉期、静脉期、延迟期中总有多于1 期的图像质量符合诊断要求，并较常规屏气VIBE 序列更能动态体现肝脏内病灶的血流灌注情况（如图2 所示）。

综上，CS 技术可用于肝脏MRI 对比增强检查，缩短了扫描时间，实现了肝脏DCE-MRI 扫描，能更好地体现肝脏内病灶的血流灌注情况，同时也为屏气欠佳或无法屏气患者提供了较好的解决方案。