压缩感知磁共振成像技术的临床应用进展

2024-01-21李烁王效春

磁共振成像 2023年12期

李烁，王效春

作者单位：1.山西医科大学医学影像学院，太原 030001；2.山西医科大学第一医院影像科，太原 030001

0 前言

MRI 是一种强大的非侵入性检查身体的成像手段，可以有效地提供人体的结构及功能信息[1]。然而，MRI 检查时间较长，部分患者难以耐受，容易产生运动伪影影响图像质量[2-3]。因此，缩短数据采集时间仍然是MRI 发展的核心目标之一。目前广泛应用的加速采集技术包括并行采集（parallel imaging,PI）与压缩感知（compressed sensing, CS），近来还有学者提出一项新的加速采集技术，即人工智能CS（artificial intelligence CS, ACS）[4-5]，该技术是将PI、半傅里叶成像、CS和人工智能网络相结合的一种新型加速成像技术。CS 是一种通过利用图像冗余来提高MRI 的成像速度的强大方法，其概念最初由DONOHO 等和CANDES 等在2006 年提出，并很快被LUSTIG 等应用到MRI[6]。该技术是基于MRI 图像的稀疏特性，通过有选择性地采集k空间内少量重要数据并通过稀疏重建算法进行原始信号的重构，可在不牺牲空间分辨率的同时极大地缩短MRI检查时间，保证重建图像的质量[7-8]。

过去基于CS的综述主要聚焦于对其基本原理的深入探讨，而对于其在临床应用方面的综合分析相对较为有限，然而，随着CS 的不断发展，其在临床应用领域的广泛应用日益显著，因此，本研究深入综述了近年来CS 技术在MRI 临床实践中的应用，以彰显其在医学领域中的潜在临床应用价值，为临床早期快速诊断提供帮助，及时掌握患者病情，提高患者生存质量。

1 CS技术的基本原理

CS 技术表明信号在变换域中具有良好的稀疏性或信号本身具有稀疏性等相关信息，并且如果以不相干方式获取k 空间样本，则可以从较少的k 空间样本中进行重构，获得高质量的重建图像[9]。其中，信号稀疏性和不相干性采样是消除欠采样后产生的混叠伪影和保证图像准确重建的必要条件，而且提高信号的稀疏性不仅可以获得更高的加速因子，还可以在一定程度上改善重建后的图像质量[10]。

近年来，用于加速MRI 扫描的CS 技术已广泛应用于全身各个系统，例如脑部成像[11]、心脏成像[12-13]、血管成像[14]和骨关节成像[15-16]等，在医学MRI 领域，相对于传统序列，结合CS 可以在保证图像质量的前提下，有效缩短时间。

2 CS技术在MRI中的临床应用

2.1 脑部MRI

CS在脑部MRI中的研究进展显著，已被应用于神经系统疾病，包括多发性硬化症（multiple sclerosis,MS）、颅内动脉瘤和脑肿瘤等[17-19]。脑部MRI 数据通常具有高维、大量的特点，而采样时间较长，CS通过对脑部信号的稀疏表示和重构算法能够显著减少采样点数和扫描时间，实现快速获取高质量的脑部图像[20]。

各向同性3D T1 加权涡流场回波成像（T1-weighted turbo field echo, T1W-TFE）是用于脑结构评估的MRI扫描中的重要组成部分，采用了磁化准备的快速梯度回波序列。与2D 成像相比，3D T1W-TFE 在临床应用中面临的主要挑战之一是较长的采集时间，这不仅对提高放射工作效率产生了不利影响，还导致了MRI的高成本以及潜在的运动伪影增加。为了克服这一问题，引入一些加速采集技术变得至关重要。DUAN 等[21]的研究选择了33 例健康者、10 例MS 患者和10 例阿尔茨海默病患者，以研究压缩敏感编码（compressed sensing-sensitivity encoding, CS-SENSE）技术加速的3D T1W-TFE 序列的临床应用价值，并确定合适的加速因子。研究结果表明，CS-SENSE加速因子为3是在保持图像质量的前提下加速3D T1W-TFE 的合适参数，时间减少了65%。类似地，VRANIC 等[22]、MEISTER 等[19]的研究也指出，相对于3D T2 液体衰减反转恢复序列，具有CS-SENSE的3D T1WI可以在不牺牲图像质量的情况下减少扫描时间。这些研究表明，CS-SENSE技术有效缩短了采集时间，为MRI提供了更高效的成像方式。

在儿科领域，KIM等[23]的研究选择116例儿童进行比较，评估了使用传统可变翻转角快速自旋回波序列（sampling perfection with application-optimized contrasts using different flip angle evolution, SPACE）与使用CS 加速的3D T2 SPACE序列（CS-SPACE）的图像质量。研究结果显示，CS-SPACE 的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和对比度噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR）更高，整体图像质量和灰白质分化相当，同时适度缩短了采集时间并减少了与脑脊液相关的伪影。这体现了将CS技术与3D序列结合能够提供更清晰、更准确的图像质量，为儿科临床提供了更先进的成像方案。

综上所述，CS 技术在保障图像质量的前提下能够缩短颅脑3D 结构像的扫描时间，而这些三维结构像作为临床最常见的扫描序列，能提供丰富的结构与功能影像信息，CS 技术在这一领域展现了广泛的应用前景，其扫描时间的缩短和图像质量的提升对临床工作有积极的意义。

2.2 心脏磁共振成像

心脏磁共振（cardiac magnetic resonance,CMR）成像被认为是评估心脏结构和功能的标准方法，可准确评估心室功能并动态显示心室壁运动，然而，由于心脏运动的快速和复杂性，需要在短时间内获得具有高时间和空间分辨率、不同对比度和/或全心覆盖的图像。在心脏MRI领域，CS技术的研究主要集中在快速成像、心脏结构和功能评估方面[24-25]。通过减少采样点数和数据量，CS技术实现了对心脏结构和功能的快速、准确成像，克服了传统CMR成像中长时间采集和心脏病患者可能导致的问题[26-27]。ZOU等[28]的研究表明，单次CS加速了儿童患者的CMR成像，即使在自由呼吸和心律失常的条件下，也实现了相当或更好的成像质量。与传统的屏气平衡稳态自由进动（balanced steady-state free-precession, bSSFP）电影成像相比，单次CS 电影技术在双心室功能评估方面展现了良好的一致性。NARESH 等[29]对患者进行的比较研究显示，CS 技术相较于传统技术可以减少50%的屏气次数和43%的总扫描时间，同时在血液心肌对比度、边缘清晰度和伪影方面达到了相似甚至更好的效果。VERMERSCH 等[13]的研究结果表明，实时单次屏气CS 电影成像不仅将CMR 扫描时间缩短了近20 倍，还提供了左心室和右心室的可靠测量。CURIONE 等[30]的研究进一步验证了CS 心脏电影成像的优势，显示CS 技术以更短的采集时间提供了相当的心脏体积和功能测量，并可能适用于儿童人群。上述研究表明基于CS 的电影成像技术对比传统的bSSFP 序列有显著的优势，包括更高的效率、更好的图像质量和更好的患者体验，这些优势使得CS 技术成为不同临床场景下MRI的有力选择。

综上，CS 在CMR 成像应用研究中拥有巨大潜力，运用CS技术可以避免由于心脏和呼吸运动而产生伪影的风险，这可能会给危重或不合作的患者带来益处，同时短时间扫描还可以减少儿科患者的麻醉时间，并且能降低镇静风险。

2.3 血管成像

MRI 在颅内外血管病变的检测和监测中发挥着重要作用，尤其在评估管壁和管腔信息方面有助于区分不同类型的血管病变。颅内血管壁MRI 作为数字减影血管造影的有力辅助手段，可用于区分颅内动脉疾病并辨识有症状的非狭窄疾病[31-32]。然而，高分辨率血管壁成像的长时间采集是日常临床实践中的一项挑战，尤其是对于中风或短暂性脑缺血发作后的有症状患者，较长的扫描时间可能导致运动相关伪影的增加，进而影响图像质量[33]。

在相关研究中，ZHU 等[34]在颅内血管疾病评估中采用CS-SPACE 技术，成功实现了全脑颅内血管壁高分辨率、各向同性的成像。与传统的T1 加权SPACE相比，CS-SPACE 显著缩短了扫描时间，同时保持了良好的图像质量。在另一项研究中，PATHROSE 等[35]评估了不同加速因子下的高速CS 4D 血流MRI 对主动脉病变患者主动脉血流动力学和管壁切应力的定量评价。研究结果表明，在加速因子为5.7、7.7 和10.2 时，加速的主动脉CS 4D 血流与常规4D 血流基本一致。尽管存在对各种血流动力学参数的系统性低估，但缩短的扫描时间也有望为CS 4D血流在临床转换中的应用提供可能性。

综上所述，CS技术在血管MRI检查中通过降低采样率，有效地缩短了扫描时间，在减轻患者不适感和运动伪影的同时保持了良好的图像质量。这为心脑血管疾病的早期诊断和治疗提供了重要工具，为临床实践带来了显著的益处。

2.4 骨关节成像

2.4.1 脊柱成像

MRI因其高安全性、无电离辐射、优异的软组织分辨率而广泛用于脊椎的例行检查和相关疾病的诊断，包括椎体退变、椎间盘突出或膨出、骨折、骨髓水肿、腰部软组织水肿、脊椎血管瘤或肿瘤等[36]。然而，较长的检查时间会导致患者不适产生运动伪影，进而影响图像质量。近年来，越来越多的研究证实了CS对脊柱成像的诊断价值。QIU等[37]对71例患者进行了常规脊柱MRI和CS-MRI检查，包括2D矢状位T1WI、冠状位T2WI和轴位T2WI，比较了总扫描时间、图像质量和病变诊断的一致性。研究结果表明，CS-MRI显著缩短了扫描时间，同时保持了与常规MRI相当的成像质量。

在另一项研究中，GAO 等[6]比较了压缩传感快速自旋回波（CS-turbo spin echo, CS-TSE）与传统敏感编码成像（sensitivity encoding-turbo spin echo, SENSE-TSE）在腰椎成像中的效果。他们对300 名患者的图像质量的SNR 和CNR 进行了客观评估，并对椎间孔狭窄和神经根受压程度进行了主观评估。结果表明，两个序列在敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值方面没有明显差异，而CS-TSE扫描时间减少了3 min 2 s，显示CS技术在诊断腰椎和椎间盘疾病方面与传统序列一样具有潜力，并且能够显著缩短扫描时间。SUI等[36]对比了ACS序列和常规2D 序列对腰椎疾病的图像质量和诊断准确性。相较于常规2D序列，ACS序列能够在相似的图像质量下更快地完成腰椎成像，并提供可靠的诊断准确性。BRATKE 等[38]评估了CS 的不同加速因子对腰椎3D T2 序列图像质量的影响，得出最佳的加速因子为4.5，通过优化加速因子，为腰椎MRI提供了更为高效的成像方案，扫描时间减少了167 s （-39%）。

从目前的研究结果来看，CS在脊柱MRI检查中通过缩短扫描时间、提高患者舒适度、降低运动伪影以及保持图像质量等方面带来了明显的优势，有助于提升检查效率和对脊柱病变的准确诊断能力。

2.4.2 关节成像

骨关节炎患者关节不适难以全程配合，容易出现运动伪影导致图像质量下降、细节显示不清，因此实现MRI 快速采集以提高对病变的检测和评估能力十分必要。

肩部的肩袖撕裂是最常见的损伤，对其进行MRI检查是必要的，肩关节MRI 能有效检测肩袖撕裂、盂唇异常以及其他导致肩痛的因素[39]。OBAMA等[40]的研究比较了采用CS和PI两种技术的肩关节MRI图像质量、伪影和诊断置信度，结果显示CS具有更短的扫描时间且图像质量相当。另外，与SHIRAISHI 等[41]的研究结果类似，在CS 的基础上结合深度学习可以进一步提高肩部MRI 的图像质量，为快速、高效的临床诊断提供支持。

膝关节MRI作为评估半月板、韧带、关节软骨、骨髓和滑膜的成像的金标准，对于月板撕裂、关键韧带撕裂以及软骨和骨骼等损伤的准确检测至关重要[42]。WANG 等[15]对130 名患者行ACS 序列与PI 检查并比较其图像质量和诊断性能，结果显示ACS序列在提供更好图像质量的同时减少了75%的扫描时间，表现出显著的临床优势。另外，具有CS 的3D 各向同性质子密度加权脂肪饱和序列对于膝关节进行快速、高质量的3D 成像具有明显优势，且可替代传统的2D 序列，提供更快的图像采集和微细结构成像[43]。

踝关节扭伤是最常见的运动损伤之一，占所有运动损伤的10%～15%，为了获得踝关节的序列，需要许多薄片切片，并且需要过度覆盖踝关节以最小化环绕伪影，这些会导致扫描时间长[44]。FOREMAN 等[45]的研究显示，使用ACS 可在不影响图像质量的情况下，将踝关节扫描的采集时间缩短了47%。此外，YI等[44]的研究发现，加入CS-PI的3D-FSE序列在缩短扫描时间的同时，仍提供了可接受的诊断性能，为踝关节病变的评估提供了更好的图像质量。

综上所述，CS 技术在不同关节的MRI 中，通过快速成像减少了患者的运动伪影，进一步提升了图像质量，为全身各个关节结构和软组织损伤的快速准确成像提供了重要支持。

2.5 其他

CS 技术在多个肿瘤部位，如肝癌、前列腺癌、直肠癌、鼻咽癌、乳腺癌等的应用已经受到一些关注。考虑到这些肿瘤的潜伏期长、危害较大，早期发现和诊断显得尤为重要。

肝脏MRI是评估肝脏恶性肿瘤的主要检查方式，然而，由于组织数据采样和屏气计时的复杂性，仍然存在获取足够图像质量的难题[46]，为解决这一问题，加速采集技术成为一种关键的手段。SUN 等[47]的研究对比了CS 技术和PI 技术在肝癌患者中应用的各向同性T1 加权梯度回波序列的图像质量。结果显示，相较于标准PI 序列，CS 在平扫和增强后测量的肝-病变、肝-门静脉和肝-肝静脉的相对对比度显著提高，而整体图像质量并未受到影响。CS 技术在显示肝细胞癌和肝血管方面提供了更好的对比度，为肝脏肿瘤的准确诊断提供了可靠支持。

前列腺的3D T2WI 采集可以补充传统的2D T2WI，可以观察详细的解剖结构，但空间分辨率的提高受到扫描时间延长的限制，CHOI等[48]对179例术前MRI 检查后行前列腺活检的患者行采用CS 的3D T2WI SPACE 序列与常规T2WI TSE 序列的前列腺癌PI-RADS 分级和病变的前列腺外扩展诊断能力进行比较，结果发现，使用CS 的高分辨率3D T2WI SPACE在检测前列腺癌和评估前列腺外扩展方面显示出与T2 TSE相当的诊断性能，且大大减少了扫描时间。

CS 在直肠癌、鼻咽癌、乳腺癌等其他恶性肿瘤中也有相关报道。GONG等[49]的研究对42名直肠癌患者应用CS-SENSE加速3D T2W TSE序列，与传统3D和2D序列扫描进行比较，结果显示CS-SENSE 3D成像不仅可以加速直肠癌的MRI 检查，且提供了与传统3D 和2D 图像相当的诊断性能。在鼻咽癌方面，LIU 等[50]对66 例鼻咽癌患者行ACS 技术与PI 技术检查，比较分析两组图像的SNR、CNR 和扫描持续时间，结果显示ACS 技术用于鼻咽癌MRI 检查不仅缩短了扫描时间，而且提高了图像质量。而在乳腺癌方面，YANG 等[51]的研究发现，采用CS 3D T2WI 和ACS 3D T2WI 序列进行乳腺MRI 检查，定性和定量分析明显优于常规T2WI 序列，与传统T2WI 序列相比，ACS 3D T2WI 序列对病灶的对比度显著提高。

总而言之，CS 技术在肿瘤患者影像检查中的应用不仅可以缩短扫描时间，还能减少由于疼痛、呼吸困难、意识障碍等原因产生的运动伪影，在保证图像质量的前提下提高对病变的诊断能力，为早期发现和诊断肿瘤提供了有力支持。

3 局限性与展望

虽然国内外已有CS 在MRI 加速采集中的应用研究，但CS 受解剖学上给定的压缩、SNR 和对CNR 以及采集和重建策略的组合的影响，仍有一些重要的技术挑战需要解决。一是很难预测要使用的适当的加速系数，因为它取决于原始序列及其SNR；二是图像采集速度的加快将不可避免地影响图像的质量，没有一个规则可以确定在不影响图像质量的情况下，采集速度可以加快到什么程度，这一点需要使用经过验证的技术进行临床实施。未来CS这一加速技术的使用有望转化为常规的临床实践，将会扩展到更多的MRI检查临床应用中，并且多种加速技术的组合可以实现更快成像，同时进一步优化图像质量。