人工智能-压缩感知与压缩感知在膝关节MRI中的加速效率及图像质量评价研究

2022-07-27潘珂刘倩倩唐玲玲胡云涛黄小华

磁共振成像 2022年5期

潘珂，刘倩倩，唐玲玲，胡云涛，黄小华

膝关节是人体重要的负重关节，骨关节炎[1-2]、急慢性损伤所致的半月板[3]及韧带损伤[4-5]等因素导致的患肢疼痛、畸形及功能障碍降低患者劳动能力，严重影响本人及家庭生活质量；若能早期诊断，及时地进行个体化治疗有利于减轻疼痛、延缓病情进展、改善关节功能、提高患者生活质量[6-7]。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)具有非侵入性、多参数多对比等优点，在此类疾病早期诊断中具有重要价值，已成为不可替代的检查方法[8-9]。MRI 的一个重要特点是检查时间长，在检查过程中受检部位须完全制动。但在骨关节炎或急慢性损伤等情况下，受检者因患肢疼痛不适难以全程制动，图像出现严重运动伪影，导致检查失败。因此膝关节MRI 加速采集技术越来越受到关注。

目前广泛应用的加速采集技术包括并行采集(parallel imaging，PI)[10]与压缩感知(compressed sensing，CS)[11-12]。近来有学者提出一项新的加速采集技术，人工智能-压缩感知(artificial intelligence compressed sensing，ACS)[13-15]。在ACS中，卷积神经网络预先从大量全采样的图像中学习图像结构与内容信息，然后将此类先验信息应用到亚采样图像重建中，减少图像重建所需的采样点数目，从而缩短采集时间。目前国内外关于ACS在磁共振加速采集中的研究多为算法理论研究[16-18]，国外已有少量临床应用研究，目前局限在颅脑、肝脏、前列腺图像采集[19-22]，且为单一加速因子的ACS序列的研究，至今国内外未见关于加速因子对图像质量影响的研究报道。本研究将应用不同加速因子的CS、ACS的质子密度加权序列图像分别与经典加速采集技术PI进行比较，探讨加速因子对采集时间与图像质量的影响，在ACS临床应用中具有很高的指导意义。本研究将对CS、ACS对图像质量、噪声、伪影及与图像信噪比(signal noise ratio，SNR)等方面的影响进行深入分析。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究为前瞻性研究，通过川北医学院附属医院医学伦理委员会批准(批准文号：2021ER162-1)，全体受试者均已签署知情同意书。本研究连续纳入2021 年7 月至2021 年8 月因膝关节疼痛进行MRI 检查的受检者67 名，其中男31 名，女36 名，年龄21～67 (42.6±12.0)岁。受检者纳入标准：(1)无磁共振检查禁忌证；(2)年龄大于18 岁。排除标准：(1)近六个月内接受膝关节手术；(2)膝关节手术后存在金属植入物；(3)股骨外侧髁骨髓、股骨内侧髁软骨及髌下脂肪垫信号异常影响数据测量；(4)无法完成全部扫描序列。

1.2 研究仪器、扫描方法及技术参数

本研究采用3.0 T 超导磁共振成像仪(uMR790，上海联影医疗科技有限公司，中国)与膝关节专用12 通道相控阵线圈(上海联影医疗科技有限公司，中国)。所有受检者采用仰卧位，足先进。扫描方位及序列为矢状面质子密度加权序列，分别采用PI、CS及ACS 进行加速采集，各序列几何参数与对比参数保持一致：FOV 160 mm×160 mm，采集矩阵304×259，重建矩阵456×387，层厚3 mm，层间隔 0，层数24；TR 3000 ms，TE 32 ms。设置PI 序列加速因子为2.0。基于设备序列模型，设置加速因子分别为2.0、2.5、3.0 的CS 序列与加速因子分别为2.5、3.0、3.5、4.0 的ACS 序列，扫描结束后在设备内进行自动图像重建。

1.3 图像分析

1.3.1 图像质量主观评价

本研究采用医学影像处理软件(uWS-MR，上海联影医疗科技有限公司，中国)进行图像评价与数据测量。分别由一名具有12 年骨关节影像诊断经验的主治医师与一名具有5 年骨关节影像诊断经验的医师在对成像参数不知情的情况下独立对图像质量进行主观评价，采用四级评分法：1 分为图像质量好，无伪影及噪声，组织结构细节清晰；2 分为图像质量较好，存在少量噪声或伪影，组织结构细节清晰；3 分为图像存在噪声或伪影，组织结构细节较清晰；4 分为图像存在明显噪声或伪影，组织结构细节模糊。

1.3.2 多处组织SNR测量

另一名医师在对成像参数不知情的情况下对图像进行定量分析，在相同层面的股骨内侧髁、腓肠肌内侧头、髁间窝积液、髌下脂肪垫与股骨外侧髁软骨前部[23]放置面积分别约40、50、1.5～4、20、1.5 mm2的椭圆形感兴趣区，测量组织信号强度及噪声，计算SNR。

1.4 统计学分析

使用SPSS 23.0 软件进行统计学分析。采用Cohen κ 检验对2 名医师的图像质量主观评价结果进行一致性检验。κ≤0.20 认为一致性较差，0.21＜κ≤0.40 认为一致性一般，0.41＜κ≤0.60 认为一致性中等，0.61＜κ≤0.80认为一致性较强，0.81＜κ≤1.00 认为一致性强。若一致性超过中等，选择高年资医师(具有12 年骨关节影像诊断经验)主观评分结果进一步分析。采用Kruskal-Wallis 检验进行8 组序列的图像质量评分与各部位SNR 整体差异分析。若差异具有统计学意义，进一步采用Wilcoxon 符号秩和检验将CS、ACS 各序列与PI 2.0 进行两两比较。各数据均采用±s表示，P＜0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 序列采集时间比较

PI 2.0 采集时间152 s；CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0 采集时间分别为128、104、86 s，较PI 2.0 分别缩短16%、32%、43%；ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 采集时间分别为76、65、57、51 s，较PI 2.0 分别缩短50%、57%、63%、66%。

2.2 两位医师图像质量主观评分一致性分析

在图像质量主观评分中，两位医师对PI 2.0、CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0、ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 8组序列的图像质量主观评分一致性较强至一致性强(κ分别为0.735、0.765、0.805、0.830、0.785、0.798、0.835、0.869，P均＜0.05)。

2.3 各组序列图像质量比较

8 组序列间医师主观评分及股骨内侧髁SNR、腓肠肌内侧头SNR、髁间窝积液SNR、髌下脂肪垫SNR、股骨外侧髁软骨SNR 差异均具有统计学意义(P均＜0.05) (表1)。

表1 8组序列医师主观评分及组织SNR分析结果Tab.1 The scores of subjective image quality evaluation and tissue SNR in eight sequences

进一步对CS 与ACS 各序列的主观评分进行分析，并将5 处组织SNR 与PI 2.0 进行两两比较，结果见表2。CS 2.0、ACS 2.5、ACS 3.0 图像质量医师主观评分与PI 2.0 之间差异无统计学意义，CS 2.5、CS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 评分显著低于PI 2.0 (P＜0.05)。两位医师对图像质量进行评分时发现随加速因子增大，CS 序列图像噪声增加；ACS 则表现为图像模糊(图1)。

图1 男，39岁，外侧半月板前角撕裂。PI 2.0与不同加速因子的CS、ACS膝关节矢状面脂肪抑制质子密度加权序列对比。1A～1H分别为PI 2.0、CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0、ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0。在CS 序列中，随加速因子增大，图像噪声增多（1C、1D）；在ACS 序列中，加速因子增大，图像模糊增加，组织细节显示不清（1G、1H）。PI：并行采集；CS：压缩感知；ACS：人工智能-压缩感知。Fig. 1 Male, 39 years old, with a tear of the anterior horn of the lateral meniscus. Comparison of the reference parallel imaging (PI) 2.0 with the compressed sensing(CS)and Artificial intelligence compressed sensing(ACS)with different acceleration factors in the sagittal fat-saturated proton density weighted imaging of the knee.1A-1H were PI 2.0,CS 2.0,CS 2.5,CS 3.0,ACS 2.5,ACS 3.0,ACS 3.5 and ACS 4.0 respectively.A noise enhancement can be observed in the sequences with increased acceleration factor in CS(1C,1D).In ACS,with acceleration factor increasing,the images became blurrier(1G,1H).

7 组序列组织SNR 与PI 2.0 进行两两比较，结果显示：ACS 2.5 股骨内侧髁SNR 高于PI 2.0，CS 3.0 股骨内侧髁SNR 低于PI 2.0，差异均具有统计学意义(P均＜0.05)，其他序列与PI 2.0 差异无统计学意义；CS 3.0、ACS 4.0 腓肠肌内侧头SNR 显著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列与PI 2.0 差异无统计学意义；CS 2.5、CS 3.0、ACS 3.5 髁间窝积液SNR 显著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列与PI 2.0 差异无统计学意义；CS 3.0 髌下脂肪垫SNR 显著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列与PI 2.0 差异无统计学意义；CS 3.0 与ACS 3.5、ACS .0 股骨外侧髁软骨SNR显著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列与PI 2.0 差异无统计学意义(表2)。

表2 CS、ACS组序列医师主观评分级组织SNR与PI 2.0比较Tab.2 The statistical analysis results for the scores of subjective image quality evaluation and tissue SNR of CSs and ACSs compared with PI 2.0

3 讨论

本研究采用不同加速因子的CS (CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0)、ACS (ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0)对膝关节矢状位二维质子密度加权序列进行加速采集，就图像质量定量分析指标SNR及医师主观评分将其与目前已实现广泛临床应用的PI 进行比较。研究结果显示在保证组织SNR与图像质量的前提下，CS 2.0 可将扫描时间缩短16%；ACS 能够进一步缩短扫描时间，最大可应用加速因子ACS 3.0可将扫描时间缩短57%。本研究是目前国内外首次联合多个加速因子的CS 及ACS 加速序列图像与经典加速采集技术PI 进行比较，分析CS 及ACS 中加速因子对采集时间与图像质量的影响，对ACS的临床应用有很高的指导意义，为临床常规检查应用中ACS加速因子的选择提供重要参考。

3.1 与既往CS技术相关研究比较

本研究结果显示，在保证图像质量的前提下，CS在二维成像中可应用的最大加速因子为CS 2.0 (扫描时间缩短16%)。若增大加速因子，则随着加速因子的增大，CS 2.5 (扫描时间缩短32%)与CS 3.0 (扫描时间缩短43%)图像质量及多处组织SNR 显著低于PI 2.0。Iuga 等[24]研究结果显示在膝关节二维成像中CS 可应用最大加速因子为CS 2.0，与本文研究结果相符。在Bratke 等[25]关于腰椎成像的研究中，三维矢状位CS相较于二维横断面与矢状面的组合可将成像时间缩短45%；王诗瑜等[26]研究结果显示在肝脏容积成像中，三维CS可将采集时间缩短51%。分析发现，本研究采用二维成像，图像仅在一个维度上具有可压缩性，CS 加速效率有限；在三维或动态成像中，图像在多个维度具有稀疏性，CS 可具有更高的加速效率，因此在三维成像中，CS 可更大幅度提高采集速度。

3.2 与现有ACS技术相关研究比较

在本研究中，ACS 在二维成像中可应用的最大加速因子为ACS 3.0 (扫描时间缩短57%)，ACS 3.5 与ACS 4.0虽能更多缩短扫描时间(分别缩短63%、66%)，但图像中多处组织SNR及图像质量主观评分下降，难以满足诊断要求。在Ueda 等[27]将ACS 应用于在女性盆腔T2 加权成像及Gassenmaier 等[28]将ACS 应用于前列腺T2 加权成像的研究中，均采用单一加速因子进行加速采集，分别将扫描时间缩短44%与65%，与本研究结果相似。Kim等[29]将单一加速因子的ACS应用于前列腺T2 加权成像加速采集的研究中，达到与标准序列相似的图像质量时可将扫描时间缩短75%；此研究中，应用ACS进行加速采集时降低了图像空间分辨率，因此可以更大幅度缩短采集时间。Herrmann等[30]在上腹部T2加权成像研究中发现，在图像质量及病灶检出方面，ACS 序列与常规序列相当，且扫描时间缩短高达93%，分析原因为常规序列为呼吸触发扫描的序列，而ACS 加速序列为屏气采集序列，故而可极大程度降低数据采集需要的时间。在Recht 等[31]有关膝关节多对比成像的研究中，相比标准PI 2.0，ACS 可实现1.88 倍加速采集，低于本研究中ACS 3.0(152 s/62 s)的2.3 倍加速；分析发现，本研究利用设备配备的序列模板设置多个的加速因子进行采集，Recht 则是采用研究者独立训练的序列模型进行数据采集，前期进行网络训练的全采样数据样本量较小，且在采用单一加速的因子的ACS 进行后期实验，可能未完全利用ACS技术加速数据采集的性能。

3.3 CS与ACS图像质量主观评分下降的不同表现

本研究还注意到CS 与ACS 随加速因子增大，扫描时间缩短的同时医师图像质量主观评分逐渐降低，但CS 与ACS 评分降低的原因不尽相同。CS 序列随加速因子增大，图像噪声增多，在最大加速因子CS 3.0中，噪声甚至导致部分组织显示不清。而ACS序列随加速因子增大，图像模糊程度增加，组织结构与细节显示不清。由于目前有关ACS 图像质量评价的研究较少，本研究进行了加速因子对质子密度加权序列图像质量影响的研究，后续需要多种对比度、多中心研究的图像数据对这一现象及其原因进行探讨。