磁共振压缩感知心脏电影成像相较于常规心脏电影成像在急性心肌梗死术后心功能评价的对比研究

2021-05-06杨新颖钟佳利彭如臣郭晓斌余斌

磁共振成像 2021年3期

杨新颖，钟佳利，彭如臣，郭晓斌，余斌

作者单位：首都医科大学附属北京潞河医院放射科，北京101149

心功能分析是心脏病学中最为重要的测量指标之一，其在所有心脏影像学检查中都是不可或缺的一部分，因为它被认为是最有力的治疗决策制定和预后评估的预测因子之一[1-2]，其中心血管磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)被公认为测量左心室射血分数和左心室容积最准确的影像学检查方法之一[3]。CMR 自20 世纪80 年代开始逐步应用于临床，以其优秀的软组织对比度、无电离辐射危害、多参数成像、以及可以评估心功能等优势，在心血管疾病的早期诊断、鉴别诊断以及评估病情严重程度与预后等方面均具有很大的应用价值。其中心脏电影成像是心功能评价的“金标准”，在临床具有广泛的应用[4]。常规心脏电影扫描需要患者多次屏气以获得全心短轴位心脏电影图像进行心功能分析，但部分患者诸如急性期心肌梗死介入治疗术后的患者通常屏气能力欠佳，因此导致检查失败的患者不在少数，所以CMR在临床中的应用具有一定限制。随着科学技术的发展，压缩感知(compressed sensing，CS)等快速成像技术的应用给磁共振成像带来了新的可能性[5-7]。应用压缩感知技术可以在牺牲一定图像质量的前提下，实现单次屏气全心短轴位心脏电影扫描，极大地缩短了心脏电影成像的时间，且可以获得与常规心脏电影成像基本相同的心功能分析结果，以达到诊断的目的[8-13]。关于压缩感知心脏电影与传统心脏电影的对比，当前国内的研究较少，国外已经有了部分研究，但多数研究的实验对象为健康人志愿者，针对实际屏气条件不好的患者的研究较少。本研究纳入的研究对象均为ST段抬高型心肌梗死(ST-segment myocardial infarction，STEMI)的经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention，PCI)术后患者，可以反映压缩感知心脏电影序列的实际应用价值，具有很高临床指导意义，下面笔者将就压缩感知心脏电影序列(uCS-Cine)与常规心脏电影序列(standard-Cine)在图像信噪比(signal to noise ratio，SNR)、伪影情况、能否满足诊断需要以及心功能分析结果等方面进行深入探讨。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究为回顾性研究，经过本院医学伦理委员会批准(批准文号：2020-LHKY-023-04)，经伦理委员会批准可免除受试者知情同意。选取30 名STEMI 的PCI 术后患者，其中男性25 例，女性5 例，年龄范围30～74 岁，平均年龄(54.23±10.73)岁，平均心率(67.33±8.39)次/min，在身体状况稳定后行CMR扫描评估心肌存活情况与计算心功能数值。排除标准：(1)身体况状不佳，无法屏气超过15 s；(2)频发性早搏或心率不齐(在20 s 内发生超过2 次心率不齐或早搏)；(3)幽闭恐惧症患者。

1.2 研究仪器

中国联影公司uMR 780 3.0 T超导型磁共振仪。12通道相控阵体线圈，24通道相控阵脊柱线圈。

1.3 检查方法及扫描参数

患者仰卧于检查床，头先入，在患者前胸涂抹清洁膏以清洁皮肤，于左侧胸前区粘贴4枚磁共振专用电极片，连接心电导线与心电模块，将体线圈覆盖于前胸部。按流程进行呼吸训练以尽可能减少呼吸运动伪影对图像质量的影响。先使用Scout 序列扫描心脏基本定位像，然后扫描uCS-Cine 序列由心电门控触发一次屏气完成8层全心短轴位电影扫描，结束后让患者休息2 min 以便恢复体力消除扫描顺序对研究结果的影响，最后扫描standard-Cine序列在心电门控的配合下分8 次屏气完成8 层全心短轴位电影扫描，具体参数见表1。

1.4 心功能分析与图像质量评估

1.4.1 心功能分析

使用联影后处理工作站(uWS-780)心功能分析软件自动识别左心室心内膜与心外膜，由2 名有10 年以上心血管影像诊断经验的医师独立对轮廓进行手动校正，计算获得uCS-Cine 与standard-Cine 的左室舒张末期容积(left ventricular end diastolic volume，LVEDV)，左室收缩末期容积(left ventricular end systolic volume，LVESV)，左室射血分数(left ventricular ejection fraction，LVEF)。

1.4.2 心肌SNR的测量

将uCS-Cine 与standard-Cine 序列各自拆分成8 层(心尖层面为第1 层，心底层面为第8 层)，选取其中每层的收缩末期图像作为测量图像，心肌SNR=SI心肌/SD噪声，SI心肌测量于收缩末期室间隔区域的心肌信号值，ROI 设定为圆形，大小10 mm2，SD噪声测量于图像两侧相位编码方向上的空白区域，ROI 设定为圆形，大小10 mm2。心肌SNR 数据由上述2 名医师采用盲法独立测量得出。

表1 uCS-Cine和standard-Cine序列扫描参数Tab.1 Imaging parameters of uCS-Cine and standard-Cine in the study

1.4.3 图像质量主观评价

对上述2 序列的各8 层图像，设计5 分制评分表(表2)。由上述2 名医师独立对图像各片段的伪影情况、心肌轮廓是否清晰，以及能否满足诊断需求进行主观评分，评分标准见表2。

1.5 统计学分析

将所有得到的实验数据采用SPSS 21.0进行统计学分析，以组内相关系数(interclass correlation coefficient，ICC)检验2 名医师的心功能分析和心肌SNR 结果的一致性，ICC＜0.40 认为一致性较差，0.40≤ICC＜0.75 认为一致性一般，ICC≥0.75 认为一致性良好，以Kappa 系数检验2 名医师的图像质量主观评价结果的一致性，以Kappa≤0.20认为一致性较差，0.21＜Kappa≤0.40 认为一致性一般，0.61＜Kappa≤0.80 认为一致性较强，0.81＜Kappa≤1.00 认为一致性强，应用Wilcoxon 配对秩和检验对2种心脏电影序列的心功能分析、心肌SNR，以及图像质量主观评价结果进行比较，各数据均采用±s，以P＜0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 心功能分析结果

上述2 名医师对uCS-Cine 测量所得心功能结果一致性良好(LVEF、LVESV、LVEDV 的ICC 值分别为0.96、0.97、0.96，P＜0.05)。2 名医师对standard-Cine测量所得心功能结果一致性良好(LVEF、LVESV、LVEDV的ICC 值分别为0.98、0.98、0.97，P＜0.05)。30 例心肌梗死患者uCS-Cine 与standard-Cine 的LVEF、LVESV、LVEDV 结果见表3。两者的LVEF 与LVESV 结果没有统计学意义(P＞0.05)，LVEDV结果standard-Cine稍大于uCS-Cine，结果具有统计学意义(P＜0.05)。

2.2 心肌SNR结果比较

上述2 名医师对uCS-Cine 与standard-Cine 测量所得心肌SNR 结果一致性良好(uCS-Cine 与standard-Cine 的ICC 值分别为0.78，0.81，P＜0.05)在uCS-Cine 与standard-Cine 序列各层面的收缩末期心肌SNR 结果显示，在slice1-slice8 层面，standard-Cine 的心肌SNR 均优于uCS-Cine，结果具有统计学意义(P＜0.05；表4)。

2.3 图像质量主观评价结果

上述2 名医师对uCS-Cine 与standard-Cine的图像质量主观评价结果一致性强(uCS-Cine 与standard-Cine的Kappa值分别为0.97，0.95，P＜0.05)。2 序列图像质量主观评价结果显示，在slice1-slic 6 层面，图像质量评分没有统计学意义(P＞0.05)，在slice7-slice8 层面，standard-Cine 的图像质量主观评分优于uCS-Cine，结果具有统计学意义(P＜0.05；表5)(图1)。

表2 图像质量5分制主观评价表Tab.2 Five-point scale for subjective evaluation of image quality

表3 uCS-Cine与standard-Cine序列心功能分析结果(±s)Tab.3 Cardiac function analysis results of uCS-Cine and standard-Cine sequences(±s)

参数LVEF LVESV LVEDV uCS-Cine 51.44±12.00 63.47±34.39 126.86±40.46 standard-Cine 52.06±11.49 64.17±34.85 129.89±42.52 z值-1.90-0.64-2.07 P值0.06 0.52 0.04

表4 uCS-Cine与standard-Cine序列心肌SNR的结果比较(±s)Tab.4 Quantitative and statistical analysis results for ardiac muscle SNR comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

部位Slice1 Slice2 Slice3 Slice4 Slice5 Slice6 Slice7 Slice8 P值0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 uCS-Cine 67.24±27.52 67.88±23.29 71.97±24.86 70.27±16.58 74.35±20.32 72.05±19.81 69.71±16.93 71.63±14.45 standard-Cine 155.06±42.13 165.58±36.11 173.61±31.50 174.03±32.89 173.43±33.50 172.23±36.36 177.15±33.73 180.48±30.05 z值-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78

表5 uCS-Cine与standard-Cine序列图像质量主观评分结果(±s)Tab.5 Quantitative and statistical analysis results for the subjective evaluation of image quality comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

部位Slice1 Slice2 Slice3 Slice4 Slice5 Slice6 Slice7 Slice8 uCS-Cine 4.53±0.57 4.76±0.43 4.77±0.43 4.87±0.34 4.83±0.38 4.73±0.45 4.47±0.68 4.37±0.62 standard-Cine 4.53±0.50 4.73±0.45 4.80±0.41 4.93±0.25 4.87±0.43 4.87±0.35 4.80±0.41 4.73±0.45 z值0.00-0.26-0.58-1.00-0.45-1.41-2.67-2.67 P值1.00 0.80 0.76 0.32 0.66 0.16 0.01 0.01

图1 图A～D 为同一患者，男，57 岁，STEMI 的PCI术后患者。图A、B 分别为standard-Cine 序列的舒张末期和收缩末期图像，图C、D 为uCS-Cine 序列的舒张末期和收缩末期图像，覆盖范围自心尖至心底层面。可见standard-Cine序列在靠近心脏基底部的图像质量优于uCS-Cine序列Fig.1 A—D show the same patient, male, 57 years old, STEMI patients after PCI. End diastolic and end systolic images of standard-Cine sequence is shown in Fig.A,B.And the end diastolic and end systolic images of uCS-Cine sequence is shown in Fig.C,D,covering from apex to bottom of heart.It can be seen that the image quality of standard-Cine sequence is better than that of uCS-Cine sequence near the heart base.

3 讨论

这项回顾式研究表明，uCS-Cine与standard-Cine两序列的心功能分析结果具有较好的一致性。LVEF与LVESV的结果在standard-Cine与uCS-Cine两序列之间没有统计学意义，但是在LVEDV中，uCS-Cine的大小为(126.86±40.46) mL，standard-Cine 为(129.89±42.52) mL，两者之间具有一定的统计学差异，P=0.04，根据以往研究，原因可能是采用压缩感知技术的心脏电影序列因为加速倍数较高，导致SNR 降低[14-15]，同时为了在一次屏气中完成全心短轴位扫描需要降低一定的空间分辨率，因此，心室血池中的肌小梁间隙可能无法很好地可视化，可能导致“较小”的心内膜轮廓[16]，在Vincenti 等[17]的研究中，对21 名健康志愿者和12 名心脏病患者所组成的33 名研究样本行标准心脏电影序列与压缩感知的心脏电影，结果显示LVEF、LVESV 在两序列之间没有统计学差异，P=0.11，P=0.24，在LVEDV中具有明显统计学差异P＜0.001，与本实验结果一致。在Ma等［18］的研究中，对33名健康人志愿者分别进行常规的回顾式心脏电影序列与压缩感知的心脏电影序列，其LVEF、LVEDV、LVESV 结果均没有统计学差异，P＞0.05，与本研究的结果部分相似，考虑到本研究针对的是STEMI 的PCI术后患者，其屏气能力与健康人志愿者可能存在一定的差距，从而会对图像质量产生一定的影响，最终导致LVEDV结果的不同。

常规standard-Cine利用多个心动周期完成一层图像的k空间填充，通常一次屏气只能扫描1～2层图像，而压缩感知心脏电影序列为了加快图像采集速度，在数据采集过程中稀疏的填充k空间，然后利用压缩感知方法通过计算重建出图像，从而达到节省采集时间的目的，在本研究中uCS-Cine 采用不相干亚采样，稀疏填充k空间，应用非线性迭代重建实现较高的加速倍数，只需2个心动周期就可以完成一层的心脏图像采集。但因为k空间稀疏填充，图像信息较少，所以SNR 有一定程度的下降，会在一定程度上降低图像质量。在本研究中，slice1-slice8 层面standard-Cine的心肌信噪比均高于uCS-Cine，P＜0.05，也与以往研究相符[19-20]，但本研究显示SNR 的下降对诊断产生的干扰较小，在本研究的图像质量主观评分中，2 名诊断医生就2 序列的图像质量评分显示，uCS-Cine 与standard-Cine 在心尖到心脏中部的slice1-slice 6 层面的图像质量主观评分没有统计学意义，P＞0.05，但是在靠近心脏基底部的slice7-slice8层面具有统计学意义，uCS-Cine 的图像质量评分低于standard-Cine，P＜0.05。猜测原因为uCS-Cine 由于k 空间稀疏填充，除了会导致SNR 的降低，由于图像信息较少，所以对于运动更加敏感，在心脏电影的扫描中，靠近心尖部的心肌运动相对简单，基本只有层面内心肌组织的收缩和舒张运动，但靠近心脏基底部的心肌由于心脏大血管的影响运动相对复杂，同时包含有层面内和层面间的运动，造成了uCS-Cine 在心脏基底部的图像质量差于常规standard-Cine，但考虑到2 序列所有层面的图像质量评分均大于4分，根据主观评分表显示两序列都可以达到诊断的要求，这一点与以往研究相符。在Tomoyuki 等[21]等的研究中，对63 例患者分别进行常规心脏电影成像与压缩感知心脏电影成像，其图像以5 分制量表评分，5 分为图像质量最好，大于3 分则认为不会对诊断产生干扰，压缩感知心脏电影与常规心脏电影序列的评分分别为3.7±0.5 和4.7±0.5，P＜0.05，压缩感知心脏电影序列图像质量评分低于常规心脏电影序列，但仍然可以满足诊断需求。在Vermersch 等[22]的研究中，在2 名放射科医生的图像质量主观评分中，压缩感知心脏电影序列的评分低于常规心脏电影序列，两者具有统计学意义，P＜0.05；但如果应用欧洲CMR 客观评分标准[23]。则没有统计学意义，P=0.21。这说明压缩感知技术虽然会降低一定的图像质量，但对于诊断的影响较小。

uCS-Cine 的采集时间仅为12.7 s，显著低于standard-Cine 的150 s，扫描时间的缩短可以极大的提高检查的成功率，尤其是面对STEMI 的PCI 术后屏气能力欠佳的患者。本研究中所挑选的患者均经过前期呼吸训练，可以连续屏气8 次完成常规standard-Cine 扫描，但可以想象对于屏气能力不佳的患者，仅进行一次的屏气即可完成全心电影成像的uCS-Cine 无疑是更好的选择。另外由于uCS-Cine 屏气时间的缩短，对于心率异常，如频发早搏的患者，可以挑选心率稳定的时刻单次屏气完成心脏电影扫描，极大地节省扫描时间，提高检查的成功率。

本研究仍然具有的一定的局限性，首先，uCS-Cine 在心脏基底部的图像质量不高，对靠近该区域的病变显示欠佳，且由于本研究的对象为STEMI的PCI 术后患者，屏气能力不如健康人志愿者，所以对uCS-Cine的图像分辨率做了适当的降低以保证患者可以顺利在一次屏气下完成全心短轴位电影扫描，这可能会对uCS-Cine 的图像质量评分产生一定的影响；其次，压缩感知技术需要大量的计算，对设备硬件要求较高，本研究所采用的uMR 780 3.0 T磁共振设备具有专门的光梭计算平台，但仍然需要近2 分钟的时间重建图像，后续需要优化扫描流程以节省时间；最后，本研究中纳入的30例STEMI的PCI术后患者均经过前期呼吸训练且状态良好，对于相当数量的屏气能力差，状态不佳的患者，应用uCS-Cine技术能否进一步缩短屏气时间，甚至在自由呼吸状态下完成心脏电影成像，笔者将在后续的研究中继续探讨。

综上所述，基于压缩感知技术的uCS-Cine 与常规standard-Cine 在心功能分析以及图像质量主观评分方面无明显差异，且可以极大地缩短检查时间，提高检查成功率，具有较高的临床应用优势与价值。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。