压缩感知技术对3D mDIXON Quant定量分析肝脏脂肪的影响

王学东，刘爱连*，张钦和，王家正，陈丽华，王 楠，宋清伟，王易世

[1.大连医科大学附属第一医院放射科，辽宁 大连 116011；2.飞利浦(中国)投资有限公司，北京 100016]

脂肪肝是多种原因引起肝细胞内脂肪成分堆积过多而产生的肝脏病理改变过程。近年来，脂肪肝检出率增高，且呈低龄化趋势。脂肪肝进一步进展可能会发展为脂肪性肝炎、肝纤维化、肝硬化甚至肝癌等。对肝脏脂肪定量的金标准是肝脏穿刺活检，但为有创检查，不适用于长期观察病情[1]。传统MR脂肪定量测量技术(mDIXON Quant)基于三维(three-dimensional, 3D)序列采集全肝脏图像，分析7个脂肪峰，能在实现均匀抑制脂肪组织的同时提供良好的图像信噪比，相比其他方法诊断肝脏脂肪变性更为准确，其敏感度和特异度分别为95%和100%[2]，但扫描时间较长，部分患者难以耐受。压缩感知(compressed sensing, CS)技术突破传统稀疏性随机采样定理的限制，以远低于奈奎斯特-香农标准的方式进行采样，能精确恢复原始信号，缩短扫描时间。本研究探讨基于CS技术不同加速因子对3D mDIXON Quant肝脏脂肪定量分析结果的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 招募20名肝功能无明显异常的成人志愿者，男15名，女5名，年龄23～29岁，平均(25.2±1.7)岁，其中16名质量指数(body mass index, BMI)>24。排除标准：①肝损害和肝占位；②图像质量差。本研究经院伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Philips Ingenia CX 3.0T MR仪采集腹部MRI，扫描序列包括腹部常规序列、传统SENSE-3D mDIXON Quant序列(SENSE组)和CS-3D mDIXON Quant序列，CS技术的加速因子分别取2、4、5、6(CS2、CS4、CS5、CS6组)。扫描参数：SENSE-3D mDIXON Quant序列，TR 6 ms，TE 1.04 ms，翻转角3°，FOV 375 mm×300 mm×168 mm，矩阵164×129×67，扫描时间13.01 s；CS-3D mDIXON Quant序列，参数与SENSE-3D mDIXON Quant相同，CS2、CS4、CS5、CS6组扫描时间分别为15.02 s、7.69 s、6.18 s、5.10 s。

1.3 图像分析 将图像传至Philips ISP工作站进行分析，获得脂肪分数图。由2名分别具有3年和4年腹部影像学诊断经验的住院医师分析图像，于传统SENSE-3D mDIXON Quant和CS-3D mDIXON Quant序列肝门水平肝最大层面图像上的左外叶、左内叶、右叶前段和右叶后段各放置1个面积300 mm2的椭圆形ROI，避开肝内血管和胆管，尽量使相同区域ROI位置一致，分别记录各ROI的脂肪分数，取4个区域脂肪分数的均值为最后结果。

1.4 统计学分析 采用SPSS 22.0和MedCalc 19.0.7统计分析软件。以Kolmogorov-Smirov检验对数据进行正态检验，符合正态分布的计量资料以±s表示，否则以中位数(上下四分位数)表示。采用组内相关系数(intraclass correlation coefficients, ICC)检验评估2名医师测量各组脂肪分数结果的一致性，ICC<0.40为一致性差，0.40≤ICC<0.75为一致性中等，ICC≥0.75为一致性好，取2名医师测量结果的平均值进行分析。对于符合正态分布的数据，以独立样本t检验分别比较各CS组与SENSE组脂肪分数的差异，对不符合者采用Mann-WhitneyU检验。以Bland-Altman方法分析不同CS组间脂肪分数的一致性，并计算95%一致性界限。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 各CS组与SENSE组间脂肪分数比较 2名医师对各组脂肪分数测量结果的一致性好(P均<0.01)，见表1。CS2、CS4、CS5及CS6组与SENSE组间脂肪分数差异均无统计学意义(Z=-0.07、-0.74、-0.34、-0.14，P均>0.05)，见图1。

表1 2名医师测量各组脂肪分数值(%)的一致性分析[中位数(上下四分位数)]

图1 患者男，23岁，脂肪肝，不同序列肝脏MRI A.SENSE，脂肪分数3.51%； B.CS2，脂肪分数2.79%； C.CS4，脂肪分数2.87%； D.CS5，脂肪分数3.63%； E.CS6，脂肪分数2.98%

2.2 不同CS组间脂肪分数的Bland-Altman一致性分析Bland-Altman图示CS2与CS4、CS2与CS5、CS2与CS6、CS4与CS5、CS4与CS6、CS5与CS6组间脂肪分数的一致性均较好，分别有95%(19/20)、100%(20/20)、95%(19/20)点落在95%一致性界限内，见图2。

图2 不同CS组间肝脂肪分数一致性Bland-Altman图 A.CS2与CS4； B.CS2与CS5； C.CS2与CS6； D.CS4与CS5； E.CS4与CS6； F.CS5与CS6

3 讨论

脂肪肝是可逆的病理过程，但若不干预，将有10%～15%发展为肝硬化，最终出现肝功能衰竭者占5.4%[3-4]。定量肝脏脂肪对早期诊断脂肪肝和监测病情有重要意义。肝穿刺活检虽是诊断脂肪肝的金标准，但有创，患者接受度低，且取材范围较局限，影响评估准确性。超声对操作者依赖性高，且对肥胖者穿透力不足。常规CT及双能量CT虽能定量肝组织脂肪含量，但铁沉积会影响结果的准确性。MR信号强度与组织中氢质子的含量成正比。mDIXON Quant技术利用脂肪组织中氢质子与水分子中氢质子的进动频率差异进行脂肪定量，采用适当水-脂分离技术区分两者，分别采集水及脂肪信号，其信号强度可代表肝内水和脂肪含量，由此计算肝内脂肪含量[5]。

MR波谱扫描过程复杂，且较为耗时；MR迭代最小二乘法水脂分离定量技术采用“三点法”水脂分离技术采集信号，扫描时间较长，且图像模糊效应较重。MR mDIXON Quant采用“两点法”水脂分离技术，应用梯度回波序列进行3D采集，共采集6个回波，可保证图像的信噪比、稳定性和成像速度，通过磁场不均性T2*校正和脂肪7峰值重建模型，保证定量分析的精确性，已成为近年来研究的热点；但“两点法”水脂分离技术虽可缩短扫描时间，检查过程中受检者仍需配合屏气14 s左右，在屏气不良者及老年、幼儿等易出现呼吸运动伪影而影响图像质量。为进一步缩短检查时间，有学者[6-7]提出CS理论，即如果信号稀疏，可通过对远低于既往采样定律要求的采样点进行重建而加以恢复。应用CS技术需满足3个条件：①图像具有可压缩性和稀疏性；②利用原始信号的稀疏性，在远小于奎斯特定律限定采样率的条件下进行随机采样，获取信号的离散样本；③应用非线性重建算法重建信号[8]。其优点在于仅需采集少量数据即可获得质量良好的图像，可明显缩短采集时间。目前CS技术初步用于心脏、中枢神经、骨关节及乳腺疾病[9-12]中，在3D成像、水成像、血管成像、心脏电影成像和灌注成像中的应用已较为成熟。腹部受呼吸运动影响较大，缩短成像时间临床意义更大，已有采用CS进行腹部MR胰导管成像[13]及动态对比增强MRI[14]等的报道。

利用CS技术可初步解决传统mDIXON Quant扫描时间过长的问题。NAM等[15]发现，相比传统mDixon-GRE序列，应用CS技术后，肝胆期图像对肝脏实质局灶性病变的检出率提高，且图像噪声更高、运动伪影较小，且扫描时间缩短40%。本研究比较分析采用不同加速因子CS技术与传统SENSE扫描技术结合mDIXON Quant定量分析肝脂肪含量，结果显示各组测量结果的一致性均较好，可重复性较高，表明CS技术的稳定性较高；不同加速因子CS技术与传统SENSE技术测量肝脂肪含量结果差异均无统计学意义，提示应用不同CS加速因子对肝脏脂肪定量分析不产生显著影响；随着加速因子增加，测量结果无明显差异，加速因子为6时，可缩短60.8%扫描时间，对于屏气不良、昏迷、老年及儿童患者有重要意义。

综上所述，CS技术结合mDIXON Quant序列，可在不影响肝脏脂肪定量结果的同时显著缩短扫描时间。本研究存在的局限性：①样本量较小；②放置ROI时，不能完全避开血管和胆管组织；③未对更大的CS加速因子进行研究，有待扩大样本量进一步观察。