同时多层成像技术在大腿肌肉磁共振应用价值研究

刘冬，王凤丹，孔令燕，侯波，张燕，薛华丹，冯逢，金征宇

作者单位：中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院放射科，北京100730

MRI 检查软组织分辨率高，能够清晰显示骨骼肌肉系统的正常解剖结构和异常信号[1-2]，有较高的空间和组织分辨率，且可以多参数、多平面成像，对肌肉萎缩、坏死、水肿等病变可清晰显示，已成为骨骼肌肉系统的一种重要检查方法[3]。2D 梯度回波序列(turbo spin echo，TSE)是目前骨骼肌肉系统MRI 检查临床应用最广泛的序列之一。脂肪抑制的梯度回波T2 加权成像已成为大腿肌肉成像检查的常规序列。常规TSE序列采用中等回波链长度、较短的重复时间及有限的扫描长度，其单个序列的扫描时间仍较长，平均扫描时间约4～5 min。大腿肌肉扫描范围大，所需的扫描时间较长，由于部分患者耐受力有限，长时间扫描导致的运动伪影将严重影响图像质量。目前临床上常用并行采集技术(parallel acquisition technique，PAT)，通过减少k 空间采样密度的方式达到加快扫描速度的效果[4]，但这种技术减少了信号的采集，从而会导致信噪比(signal to noise ratio，SNR)的降低，获得的图像质量有一定的损失。因此，如何在不影响图像质量的前提下，缩短扫描时间，对于大腿肌肉成像具有重要的意义。

同时多层(simultaneous multi-slice，SMS)加速技术是一种近年来研究较多的扫描加速技术。它可以在保证图像质量前提下缩短扫描时间。SMS 采集技术通过同时激发、采集以及重建多层图像，达到缩短重复时间、进而缩短扫描时间的效果[5-7]。为了区分同时采集的不同层面，在平行图像中采用了可控混叠并行加速成像(controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration，CAIPIRINHA)技术，通过对每条相位编码线采用不同的射频脉冲的方法，对相位编码线进行标记，在同时采集的层面中加入了一个层面内的图像移位[8]。采用CAIPIRIHA技术的SMS加速技术避免了采集时信号的损失，因而能够在加快扫描速度的同时，保持较高的信噪比[9]。目前，SMS 采集技术应用于DWI、DTI、fMRI以及关节TSE 等MRI 序列的研究均有报道[10-13]。这一技术能否用于大腿肌肉压脂T2WI TSE 序列，提高其扫描速度，仍需进一步研究。

本研究的目的是，将SMS加速技术应用于大腿肌肉压脂T2WI TSE序列成像，探究其在大腿肌肉磁共振扫描的可行性，并通过比较图像信噪比来比较采用SMS加速技术的压脂T2WI TSE序列与采用PAT采集技术的压脂T2WI TSE序列间图像质量及扫描时间的差异。

1 材料与方法

1.1 一般资料

前瞻性收集我院2016 年11 月至2017 年5 月间扫描的19 例志愿者及40 例临床怀疑皮肌炎需进行大腿肌肉MRI 扫描的患者纳入研究。本研究经北京协和医院伦理委员会批准(批准文号JS-1537)，受试者均已签署知情同意书。志愿者入选标准：(1)年龄16 岁以上；(2)无磁共振不兼容异物植入病史或严重幽闭恐惧症等磁共振扫描禁忌证；(3)临床上无大腿肌肉阳性体征及相关症状；(4)无神经肌肉相关疾病病史。患者入选标准：(1)年龄16 岁以上；(2)无磁共振不兼容异物植入病史或严重幽闭恐惧症等磁共振扫描禁忌证；(3)临床怀疑皮肌炎需进行大腿肌肉扫描。排除标准：大腿肌肉存在异常信号。扫描后，32 例大腿肌肉存在异常信号的怀疑皮肌炎患者被排除。因此本研究共纳入27例大腿肌肉无异常信号的受试者。27 例受试者中，男9 例，女18 例，年龄17～65岁，平均(35±15)岁。

1.2 磁共振扫描方法

所有受试者均采用德国西门子Magnetom skyra 3.0 T 磁共振扫描仪(Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)进行大腿肌肉扫描，扫描采用8 通道体部线圈。每位受试者均先后进行轴位的采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE 扫描及采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE 扫描，扫描范围为髋关节至膝关节。采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE 序列的扫描参数为：TR 3820 ms，TE 115 ms，翻转角180°，FOV 420 mm×420 mm，矩阵512，层厚5 mm，层间距0，层数56，相位编码方向A-P，加速因子2，采集时间1 min 20 s。采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE 序列的扫描参数为：TR 8150 ms，TE 120 ms，翻转角180°，FOV 420 mm×420 mm，矩阵512，层厚5 mm，层间距0，层数56，相位编码方向A-P，加速因子2，采集时间2 min 28 s。压脂方法均采用精准频率反转恢复脂肪抑制技术。

1.3 图像分析

将图像传输到西门子MMWP 工作站(Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)，进行分析与测量。

客观评价：分别测量每位受试者采用SMS采集技术的压脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE序列的大腿肌肉信号强度(signal intensity，SI)及噪声标准差(standard deviation，SD)。将ROI放置于右侧股内侧肌中部测量SI及SD，ROI大小1 cm2(图1)，于邻近的3 个层面测量3 次，取平均值。分别计算每位受试者采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE序列及采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE 序列的大腿肌肉信噪比SC，SNR=SI/SD。

图1 大腿肌肉信号强度及噪声测量。A：在采用SMS 技术的压脂T2WI TSE 序列上测量大腿肌肉信号强度及噪音；B：在采用PAT 技术的压脂T2WI TSE序列上测量大腿肌肉信号强度及噪音Fig.1 Signal intensity (SI) and noise standard deviation (SD) of thigh muscle were measured. A: SI and SD of thigh muscle on image sequence with SMS technique; B. SI and SD of thigh muscle on image sequence with PAT technique.

主观评价：由2 名具有5 年以上工作经验的放射科医师在不知晓受试者信息及图像采集方法的情况下分别独立对图像进行评分。图像噪声和总体图像质量评分采用5 分制法：1 分(极差)，图像解剖结构完全模糊，噪声极明显，无法诊断；2分(差)，图像部分解剖结构模糊，噪声明显，诊断困难；3分(中等)，图像大部分解剖结构显示可满足诊断，噪声可接受；4 分(良好)，图像解剖结构尚清晰，噪声稍大；5 分(优异)，图像解剖结构清晰，边缘锐利，无明显噪声[14]。3 分及以上符合临床诊断需求。

1.4 统计学方法

采用SPSS 22.0 统计学软件(IBM Corp，Armonk，NY，USA)进行统计分析。采用配对t 检验，比较采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE序列的大腿肌肉SD及SNR的差异，P＜0.05 时，认为存在统计学差异。采用Wilcoxon 符号秩检验对图像主观质量评分进行比较，分别比较每位观察者对采用SMS采集技术的压脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE序列图像质量评分的差异，P＜0.05 时，认为存在统计学差异。计算组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)，分别对采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE序列主观质量评分的观察者间一致性进行评价，ICC＞0.6说明一致性好。

2 结果

2.1 客观评价

采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE 序列的大腿肌肉SD 低于采用PAT 加速技术的压脂T2WI TSE 序列，且存在统计学差异，P=0.032。采用SMS采集技术的压脂T2WI TSE 序列与采用PAT 加速技术的压脂T2WI TSE序列的大腿肌肉SNR无明显统计学差异，P=0.085 (表1)。

表1 采用PAT采集技术的压脂T2WI TSE序列与采用SMS采集技术的压脂T2WI TSE序列的大腿肌肉噪音及信噪比比较Tab.1 Comparison of SD and SNR of thigh muscle on image sequences with SMS and PAT technique

表2 采用SMS采集技术的压脂T2WI TSE序列与采用PAT采集技术的压脂T2WI TSE序列的主观图像质量评分比较Tab.2 Comparison of subjective image quality score of thigh muscle on image sequences with SMS and PAT technique

2.2 主观评价

对于观察者1，采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE 序列和采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE 序列的主观图像质量评分无明显统计学差异，P=0.317。对于观察者2，采用SMS 采集技术的压脂T2WI TSE 序列和采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE 序列的主观图像质量评分无明显统计学差异，P=0.527 (表2)。

2名观察者对采用SMS采集技术的压脂T2WI TSE序列图像质量评分的ICC 系数=0.782，2 名观察者对采用PAT 加速技术的压脂T2WI TSE 序列图像质量评分的ICC系数=0.75，均有较好的观察者间一致性。

3 讨论

3.1 快速磁共振成像技术：PAT与SMS比较

快速磁共振成像是未来磁共振的发展趋势。大腿肌肉扫描范围大，所需的扫描时间较长，快速磁共振成像技术的发展可减少患者运动伪影对图像的影响。目前临床上应用最多的是快速采集技术是并行采集技术，它通过减少k空间采样密度的方式达到加快扫描速度的效果[4]，主要包括敏感度编码(sensitivity encoding，SENSE)技术及GRAPPA 技术等。但这种技术减少了信号的采集，从而会导致信噪比的降低，获得的图像质量有一定的损失。PAT采集技术加速因子最多为3，当其大于3时，图像质量将明显下降，并可能出现卷褶伪影。

新兴的多层采集技术，采用多频率带宽的负荷脉冲，可同时激发多个层面，可大幅度缩短重复时间，缩短采集时间。同时在平行图像中采用了可控混叠并行加速成像技术，可以在同时激发的多个层面产生相位编码上的空间位移，从而保证较高的信噪比。SMS 技术有以下优点：(1)由于K 空间是完全采样，SMS 在加速的同时没有损失SNR；(2)加速因子可以显著缩短扫描时间；(3)可以将SMS 与传统PAT 结合(包括SNESE 和GRAPPA)。本研究结果显示，SMS 这一新技术在大腿肌肉扫描中的应用，和采用PAT采集技术的扫描方法比较，在保持图像质量没有变化的同时，可以明显缩短扫描时间。

3.2 SMS技术的应用价值

采用本研究的SMS 加速技术，与PAT 加速相比，大腿肌肉的压脂T2WI TSE 序列采集时间缩短了45.9%。客观图像质量评价显示，采用时间较短的SMS 采集技术扫描，与采用PAT 采集技术的压脂T2WI TSE 序列比较，图像的SNR 无显著差异。SMS 采集采用了CAIPIRINHA 技术，这一技术利用了多通道线圈的空间敏感性。扫描时，采集时间的缩短包括TR 的缩短，但TR 的缩短会降低图像的SNR；这可能是本研究结果中SMS 采集技术采集的图像与PAT 采集技术采集的图像SNR 相比没有提高的原因。本研究中，SMS 扫描方法得到的图像，噪声明显低于采用PAT 采集技术的扫描方法，说明SMS采集能够在较短的采集时间内，获得与采用PAT采集技术的扫描类似的SNR，主要是由于图像噪声的降低。这与Fritz 等[10]的研究结果类似。

SMS 采集技术可以明显减少采集时间，因此在临床上可应用于灌注、实时成像等超高速扫描序列。这一技术应用于运动的组织器官，如心脏，可以进行心脏多平面电影序列[15]、多平面心肌灌注序列[16]等快速扫描，获得良好的图像质量。也可用于腹部的快速扫描，如弹性成像的加速[17]，儿童的快速腹部扫描[18]等。SMS用于DWI扫描的研究相对较多，SMS-DWI序列可加快DWI序列扫描时间，同时获得可接受的图像质量[19-20]。

对于肌肉骨骼系统，SMS 采集技术可以应用于关节运动的实时成像，如颞下颌关节的运动实时成像，可用于颞下颌关节紊乱的诊断[21]。此外，还有将SMS技术应用于DTI扫描序列，用于探测肌肉组织的自发机械活动的研究，推动了磁共振功能扫描在肌肉组织中的应用[22]。

3.3 SMS采集技术的局限性

SMS采集技术的主要局限性包括：(1)由于射频脉冲选择性地对多个层面进行激发，脉冲序列的SAR值会增加，从而限制了同时激发的层面的数量；因此，SMS 采集技术的加速效果是有限制的。(2)多个层面同时采集可能形成残影，导致“层面遗漏”或“信号流出”[7，23-24]。本研究中并未观察到“层面遗漏”或“信号流出”的问题，可能与本研究采用的加速因子是2，并没有采用很高的加速因子有关。这是我们下一步的研究方向。

3.4 本研究的局限性

本研究的局限性在于：(1)研究对象的数量较少，可能会影响统计分析的质量。但观察者间较好的一致性说明研究对象的数量对于这一初步研究来讲是足够的。(2)本研究的研究对象以健康志愿者为主，健康志愿者比患者出现运动伪影的可能性要小。(3)本研究采用的SMS 加速因子为2，没有采用更高的加速因子进行观察。加速因子提高后对图像质量的影响暂不清楚，仍需进一步研究。(4)本研究仅评价了SMS采集技术的SI及SNR以及主观图像质量评分，未对不同组织显示能力进行评价，仍需进一步研究。

更大的样本量以及采用更高的加速因子，或与其他加速技术如PAT采集技术等叠加应用，获得更快的扫描速度和更佳的图像质量，是我们下一步的研究方向。

综上所述，采用SMS采集技术对腿部肌肉进行压脂TSE 扫描，与采用PAT 采集技术的压脂TSE 序列比较，在缩短扫描时间的同时，不降低SNR，可获得类似的图像质量。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。