优选膝关节压缩感知三维体素各向同性快速自旋回波采集序列成像加速系数

赵红亮，唐小力，王亚魁，王立学，郑卓肇

(清华大学临床医学院 清华大学附属北京清华长庚医院放射科，北京 102218)

随着MR技术的进步，三维快速自旋回波(three dimension fast spin echo, 3D FSE)序列成像已具备用于临床膝关节检查的潜力[1]，相比常规多方位2D FSE序列具有信噪比高、部分容积效应小、可任意平面重建且容积定量更准确等优势。临床研究[2-5]结果显示，3D FSE序列成像诊断膝关节疾病的能力不低于常规2D FSE序列图像，但扫描时间过长。缩短3D FSE序列扫描时间的常用方法包括非等体素成像、增大体素、增加回波链长及并行采集等，但均可能降低图像质量。压缩感知(compressed sensing， CS)是一种全新的信号采集和重建方法，可在明显缩短扫描时间的同时保持较好图像质量[6-9]，3D FSE序列联合CS是发展方向。本研究探讨3D体素各向同性快速自旋回波采集(volume isotropic turbo spin-echo acquisition, VISTA)中等权重膝关节MRI时CS加速系数的最优选择。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2020年5月—6月于北京清华长庚医院纳入9名健康志愿者，男6名，女3名，年龄21～33岁，平均(26.3±3.9)岁；既往无膝关节创伤病史及手术史，无膝关节症状，无下肢畸形和先天异常；检查前均签署知情同意书。本研究方案经院伦理委员会批准，批准文号：20273-0-01。

1.2 仪器与方法 采用Philips Ingenia CX 3.0T MR仪，8通道相控阵膝关节线圈，行左膝关节CS 3D VISTA序列标准矢状位扫描，TR/TE 1 100 ms/40 ms，FOV 160 mm×160 mm，层厚0.7 mm，层间距-0.3 mm，采集体素0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm，重建体素0.4 mm×0.4 mm×0.4 mm，回波链长度16，脂肪抑制采用频率选择反转恢复(spectral attenuated inversion recovery, SPAIR)技术，CS加速系数分别取4、6、8、10、12，对应扫描时间分别为9 min 9 s、6 min 7 s、4 min 36 s、3 min 42 s、3 min 5 s，选择系统默认CS降噪强度。于其后1周内再行左膝MR扫描，3D VISTA序列及参数同上，CS加速系数仅选择8。

1.3 图像分析 将图像传入后处理工作站Philips IntelliSpace Portal(版本v9.0.4.31010)，测量各部位信噪比(signal to noise ratio， SNR)和对比噪声比(contrast to noise ratio， CNR)。

由2名放射科住院医师独立进行测量及评分，取二者平均值作为结果。测量SNR部位包括关节液、软骨、肌肉、半月板、骨髓及后交叉韧带；测量CNR部位包括关节液-软骨、关节液-半月板、关节液-韧带和软骨-软骨下骨。采用工作站椭圆工具于信号均匀区域勾画ROI，尽量保证ROI位置、面积一致，避开有损伤区域或信号不均匀区域。以ROI内平均信号强度为组织信号强度(S组织)，图像背景四角空白区域信号强度标准差的平均值(SD平均)为图像噪声，SNR=S组织/SD平均，CNR=(S组织1-S组织2)/SD平均。根据图像显示各解剖结构的锐利度对髌股关节、股胫关节、股骨远端骨髓及膝后部肌肉解剖结构进行评分。评分标准：1分，大部分(超过所观察结构1/2以上区域)解剖结构不可分辨；2分，部分(不足所观察结构1/2区域)解剖结构不可分辨；3分，解剖结构边缘模糊但可分辨；4分，解剖结构边缘清晰但不锐利；5分，解剖结构边缘光滑锐利。

1.4 统计学分析 采用SPSS 24.0统计分析软件。计量资料均符合正态分布，以±s表示。采用ANOVA方差分析比较不同CS加速系数图像的SNR、CNR和图像评分；以Wilcoxon检验比较前后2次扫描(CS加速系数8)图像的SNR、CNR。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同CS加速系数下各指标 不同CS加速系数图像中，软骨、关节液、肌肉和骨髓的SNR差异均有统计学意义(P均<0.05)，半月板和后交叉韧带的SNR差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表1；关节液-软骨、关节液-半月板、关节液-韧带和软骨-软骨下骨的CNR差异均有统计学意义(P均<0.05)，见表2。 CS加速系数为10时，膝关节各部位SNR值最高，其间的CNR值亦最高。不同CS加速系数图像的股胫关节、股骨远端骨髓和膝后部肌肉解剖结构评分差异均有统计学意义(P均<0.001)，髌股关节解剖结构评分差异无统计学意义(P>0.05)。CS加速系数为4、6时，各部位图像解剖结构评分较高；加速系数为8及以上时，图像中的各部位解剖结构评分逐渐降低。见图1及表3。

表3 不同CS加速系数图像中膝关节各解剖结构评分比较(±s)

表3 不同CS加速系数图像中膝关节各解剖结构评分比较(±s)

CS加速系数髌股关节股胫关节股骨远端骨髓膝后部肌肉45.00±0.005.00±0.005.00±0.005.00±0.0065.00±0.005.00±0.004.89±0.335.00±0.0085.00±0.004.78±0.444.22±0.444.78±0.44105.00±0.004.11±0.333.78±0.444.44±0.53124.89±0.333.33±0.502.78±0.673.44±0.73F值1.00050.90954.44934.571P值0.422<0.001<0.001<0.001

图1 健康志愿者，男，28岁，左膝关节MRI A～E.分别为CS加速系数为4、6、8、10及12的3D VISTA MRI，随加速系数增加，股骨远端骨髓(粗箭)、膝后部肌肉(细箭)及股胫关节内的后交叉韧带(短箭)渐趋模糊

表1 不同CS加速系数下膝关节各部位SNR比较(±s)

表1 不同CS加速系数下膝关节各部位SNR比较(±s)

CS加速系数软骨关节液肌肉半月板骨髓后交叉韧带4227.55±49.28837.70±139.56172.52±43.2147.37±11.3097.32±18.6335.36±12.116213.67±54.17799.37±171.11161.44±39.2148.60±16.7488.10±15.8134.67±15.478214.54±90.59789.74±286.39161.73±65.3048.23±20.8990.89±29.4838.20±15.5110264.23±103.92969.49±315.75198.60±65.0362.50±26.96110.38±33.8944.67±14.7912185.11±69.98683.58±219.93139.12±45.0146.38±20.3778.34±21.2934.12±14.39F值4.0315.3354.8282.6284.5831.819P值0.0090.0020.0040.0530.0050.149

表2 不同CS加速系数下膝关节各部位间CNR比较(±s)

表2 不同CS加速系数下膝关节各部位间CNR比较(±s)

CS加速系数关节液-软骨关节液-半月板关节液-韧带软骨-软骨下骨4610.15±114.78790.33±136.42802.33±139.27130.23±40.086585.70±128.18750.77±160.30764.69±170.46125.57±43.678575.20±202.69741.51±270.34751.54±280.47123.65±65.1010705.26±229.29906.99±293.40924.82±309.36153.85±76.2512498.47±159.98637.20±202.73649.46±218.93106.77±54.98F值5.4685.5665.4293.070P值0.0020.0020.0020.030

2.2 膝关节3D VISTA扫描的可重复性 前后2次CS加速系数为8的左膝关节矢状位CS 3D VISTA扫描图像中，左膝各部位SNR值及其间CNR值差异均无统计学意义(P均>0.05)。见表4。

表4 2次CS加速系数为8的CS 3D VISTA序列图像左膝各部位SNR、CNR比较(±s)

表4 2次CS加速系数为8的CS 3D VISTA序列图像左膝各部位SNR、CNR比较(±s)

扫描次序SNR软骨关节液肌肉半月板骨髓后交叉韧带前次214.54±90.59789.74±286.39161.73±65.3048.23±20.9890.89±29.4838.20±15.51后次199.62±99.41803.09±414.20157.15±91.1151.90±29.1982.61±41.4740.60±29.56Z值0.4150.0590.6520.7701.1250.533P值0.6780.9530.5150.4410.2600.594扫描次序CNR关节液-软骨关节液-半月板关节液-韧带软骨-骨髓前次575.20±202.69741.51±270.34751.54±280.47123.65±65.10后次603.47±321.71751.20±410.19762.49±388.33117.01±59.61Z值0.2960.0590.0590.533P值0.7670.9530.9530.594

3 讨论

CS是一种全新的MRI信号采样和图像重建方式，可在仅采集少量数据、明显缩短采集时间的同时保持良好的图像质量[10]。联合应用CS与3D VISTA序列可兼顾成像时间与图像质量[11]，具有广阔应用前景。

本研究发现，利用3D VISTA中等权重序列对健康志愿者行膝关节成像时，CS加速系数影响图像信号、对比和解剖结构细节。仅以SNR和CNR角度观察，CS加速系数为10时最优，其次为4、6、8；而对于显示解剖结构细节，CS加速系数为4、6、8时均较优，8以上则显示股胫关节、股骨远端骨髓和膝后部肌肉较模糊。鉴于临床期望3D VISTA序列能在较短时间(5 min内)提供所检结构的解剖和病变细节，设置CS加速系数为8是膝关节3D VISTA中等权重序列的较好选择；且一致性分析显示CS加速系数为8时，左膝3D VISTA序列扫描图像具有良好的可重复性。

IUGA等[12]比较加速系数为6、8、10及15时的3D VISTA与常规2D FSE序列图像质量，发现加速系数为8时3D VISTA图像质量各项评价指标均不低于常规2D FSE图像， 超过8时图像质量开始下降。与常规2D FSE序列比较，3D序列图像支持多平面重组，减少以相同序列行不同平面扫描的重复检查时间[13]，且可行任意斜面重建，利于显示不同解剖结构[14]。

CS的潜在缺点是图像模糊效应，尤其是高空间分辨率和低对比度时[15-16]，原因可能为K空间中心数据采集较多而外围数据采集较少，同时非线性迭代算法噪声减小进一步导致图像锐利度下降[17-18]。对于膝关节MRI，高空间分辨率成像是基本要求；而半月板撕裂和软骨早期退变等常见疾病病变对比度较低，对于选择CS加速系数构成一定限制，本研究中CS加速系数为10或12时，股胫关节、股骨远端骨髓和膝后部肌肉均出现明显细节模糊效应。此外，相比传统2D FSE序列，3D VISTA使用长回波链(本研究中回波链长度为16)，本身即可能导致图像模糊[19]；联合应用CS可能进一步加重图像模糊。

本研究的主要局限性：①仅针对9名年轻健康成人，所获结论是否适用于各种膝关节病变尚需观察；②CS加速系数对SNR、CNR和图像细节的影响在不同设备、序列和参数等之间有无差异有待验证；③本研究发现随CS加速系数增大，图像SNR整体呈下降趋势，但某个特定加速系数值的SNR会反常升高，原因不明，尚需进一步观察。

综上，行CS 3D VISTA中等权重序列膝关节MRI时，设置CS加速系数为8，可在成像时间、SNR、CNR及显示细节等方面达到较好平衡，且可重复性良好。