人工智能辅助压缩感知技术结合三种T2WI压脂技术的应用研究

2023-10-30李刚黄锦彬汪昕荣雷漫诗熊安妮向青邓锶锶孟占鳌

新医学 2023年10期

李刚黄锦彬汪昕荣雷漫诗熊安妮向青邓锶锶孟占鳌

MRI 已经发展为评估腰椎椎体、髓内及周围软组织结构的首选成像方式，是已被证实的对椎间盘突出或膨出、椎体退变、脊髓和椎骨异常、软组织水肿、椎体血管瘤或肿瘤等软组织病变有效的检查方法［1-2］。但是MRI 的缺点也不容忽视，目前最主要的弊端是MRI 需要较长的时间来收集成像所需的数据，而且在某些特殊类型成像的扫描中，例如在心血管实时成像和脑功能成像的扫描中，需要十几分钟甚至更长时间才能获得必要的数据［3］。

人工智能（AI）正在崛起，基于传统加速技术的卷积神经网络（CNN）对加速MRI 成像具有强大潜力［4］。本研究主要探索在以往的并行成像（PI）、半傅里叶采集（HF）、压缩感知技术（CS）基础上衍生出的AI 辅助压缩感知技术（ACS）这种全新加速技术的应用效果［5］。

T2加权像（T2WI）中的高信号是由水肿信号与脂肪信号共同构成，脂肪信号不是炎症的特征，但会掩盖炎症表现，因此在T2WI 中必须使用压脂技术［6］。压脂技术有数种，例如常用的频率选择饱和法（FS）、水脂分离成像技术（WFI）及短反转时间的反转恢复技术（STIR），压脂序列在不同部位的特点也不尽相同。

本研究探讨了ACS 结合FS、WFI、STIR 在T2WI 压脂过程中缩短成像时间、保证图像质量、抑制脂肪干扰等方面的效果，并进行优势与劣势分析，为放射科医师将AI 应用于MRI 提供参考数据。

对象与方法

一、研究对象

将2022 年 6 至8 月在本院放射科因腰痛而行腰椎MRI 平扫的30 例患者作为研究对象。30 例中男18 例、女12 例，年龄（44.8±11.2）岁。本研究获本院医学伦理委员会批准（批件号［2022］02-005-01），所有患者均签署《患者MRI 增强检查知情同意书》。

二、纳入与排除标准

纳入标准：①年龄＞18 岁；②因腰痛并经临床医师检查后明确需接受腰椎MRI 检查。排除标准：①体内有金属植入物；②有幽闭恐惧症；③有情绪躁动；④体位受限影响MRI B0 场均匀度；⑤患有风湿性关节炎。

三、方法

1.分组

采用3.0T 超导型MRI（联影 UMR790）扫描仪，扫描体位为仰卧位（头先进），保证患者身体躺平，身体正中矢状面与检查床中线重合，双手双足并拢，做好耳机屏蔽并告知患者保持不动及检查的大致时间。所有研究对象均接受6 组矢状位（SAG）-T2WI 压脂序列扫描，即ACS-SAG-T2WI-FS（A 组）、ACS-SAG-T2WII-WFI（B 组）、ACS-SAG-STIR（C 组）、SAG-FS-T2WI（D 组）、SAG-WFI-T2WI（ E 组）、SAGSTIR（F 组）。ASC 组包括A、B、C 组，ASC 技术采用ASC 加速2；常规组包括D、E、F 组，常规序列采用PI 加速2。2 组的MRI 参数对比见表1。

2.客观评价指标

所有图像均传输到联影MRWS1 工作站上，将6 组图像同时显示在屏幕上，利用克隆的方法保证所有感兴趣区（ROI）一致，由一名具有10 年工作经验的放射科医师在患者腰椎SAG 第4 椎体正中层面，第4～5 椎间盘、同层脊髓、对应层面脂肪记录平均信号（SI）、噪声（SD）及成像时间，并计算信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR），SNR=SI（椎体、椎间盘、脊髓）/SD（椎体、椎间盘、脊髓），CNR=|SI（椎体、椎间盘、脊髓）-SI脂肪|/SD脂肪［7］。在测量层面的上下层重复测量，取3 次平均值。选取ROI 原则避开运动伪影，若本层伪影较大则在其上或下一层面选取ROI。对比A 与D 组、B 与E 组、C与F 组的SNR、CNR。

表1 ACS 组与常规组MRI 参数对比

3.主观评价

由脊柱疾病诊断经验丰富的2 名放射科医师采取双盲法对6 组图像进行独立评分，评分内容包括图像清晰度、噪声、脂肪抑制程度、伪影、临床诊断可信度共5 个方面［8］。评分采用5 分法：最好为5 分、较好为4 分、一般为3 分、较差为2分、最差为1 分，最终得分取5 个因素的平均值，比较各组的评分［9］。

四、统计学处理

采用SPSS 26.0 进行数据分析。所有图像的SD、SNR、CNR 数据以表示，采用配对t 检验对A 组与D 组、B 组与E 组、C 组与F 组进行差异性比较。主观图像质量评分采用M（P25，P75）表示，组间比较采用Wilcoxon 符号秩和检验，采用Kappa 检验分析2 名放射科医师主观图像质量评分的一致性，Kappa ≤0.2 为一致性不佳，0.2 ＜Kappa ≤0.4 为一致性轻微，0.4 ＜ Kappa ≤0.6 为一致性尚可，0.6 ＜ Kappa ≤0.8 为一致性显著，Kappa＞ 0.8 为一致性完美。以上统计方法均以P ＜ 0.05为差异有统计学意义。

结果

一、MRI 成像时间

A 组MRI 成像时间较D 组缩短13.2%，B 组较E 组缩短8.9%，C 组较F 组缩短12.4%（P 均＜0.001）。见表1。

二、客观测量指标

A 组第4 椎体、第4～5 椎间盘、同层脊髓的SNR、CNR 大于D 组；B 组第4 椎体、第4～5 椎间盘、同层脊髓的SNR、CNR 大于E 组；C 组第4椎体、第4～5 椎间盘、同层脊髓的SNR、CNR 大于F 组（P 均＜ 0.01）。见表2。

三、主观评分

2 名放射科医师对A、B、C 组的主观评价均高于D、E、F 组（P 均＜ 0.01），见表3、4 及图1～3。2名医师评分具有一致性，Kappa=0.972、P ＜0.01。

讨论

“加速”一直是MRI 设备的核心硬件要求，PI、HF、CS技术均是近年来不断进步的加速技术，尽管扫描速度获得一定的提升，但图像质量和临床诊断价值却未能发挥最大效果［5，10］。

研究表明，ACS 技术结合了AI 和光梭成像（UCS），UCS 包含了PI、HF、CS 等加速技术，是国产联影对加速技术进一步的优化升级，两者相结合就是ACS 技术，该技术拥有更强的加速能力，为MRI 加速提供了有效的解决方案［2，12-13］。本研究显示，A、B、C 组MRI 检查时间较D、E、F 组短，且能保持图像质量，甚至获得更好的图像质量。其中A 组成像时间最短，这与其他研究的结论一致［11-13］。

压脂是难以解决的技术难题，最常见影响有B0 磁场的不均匀导致频率选择不稳定。人体存在呼吸运动、心脏搏动、肠道蠕动、脑脊液流动、生理曲度范围空气的不均匀分布和胸腹交界的空气不均匀分布，均会影响压脂效果。FS 优点为选择性高、可采用多种序列，图像显示解剖结构与其周边环境较清晰，噪声影响较小，运动伪影不显著［14］。ACS 结合FS 不仅能缩短成像时间，而且椎体、椎间盘、脊髓的SNR、CNR 均增大，综合图像质量更高，因此可作为压脂的首选。WFI 的优点是对磁场（B0、B1）的均匀性要求有所降低，可以一次获得4 幅图像（同、反相位图以及水、脂像图），而ACS 结合WFI 在缩短成像时间的同时，椎体、椎间盘、脊髓的SNR、CNR 均增大，尽管在清晰度、脊髓锐利度方面的效果会弱于ACS 结合FS 和单纯FS，但其拥有同时显示多期图像的优点，可作为压脂的次选［14］。STIR 的优点是对场强依赖性、磁场的均匀度要求较低，大视野扫描也能取得较好的脂肪抑制效果，有金属植入物的情况下也可以使用［14］。ACS 结合STIR 能缩短成像时间，增大椎体、椎间盘、脊髓的SNR、CNR，但在清晰度、噪声、信噪比、脊髓清晰度方面的效果较其他方法差，但由于其压脂效果最佳，因此可作为压脂的最后选择。

AI 已经被用于图像登记、重建、分类、模式识别、分割、降噪和超分辨率等，甚至逐渐成为现代医学的新标杆和新基准［8，15-17］。ACS 结合T2WI压脂技术既能缩短成像时间、降低噪声，又能提高空间分辨率和可检测性。本研究显示ACS 结合3 种常规T2WI 压脂技术在时间上和质量上的表现均优于常规压脂技术。其中ACS 结合FS 的成像时间最短，图像质量最好。本研究尚存在一些不足：第一，样本数量较少；第二，只应用在T2WI 序列上，其他序列在未来也是一个可持续研究的方向；第三，未对病变检测和鉴别诊断的能力进行评价。