压缩感知磁共振成像技术在中枢神经系统疾病中的应用进展

方丽燕 刘虎 乔洪梅 陈园 张静静

[摘要] 近年来，中枢神经系统疾病患者不断增多，越来越多的患者需行磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查以明确诊断。MRI技术利用自由感应衰减信号或回波信号获取多维K空间数据，受呼吸运动、空间分辨率及时间分辨率的限制，成像速度在MRI技术中至关重要。压缩感知技术通过欠采样K空间方式加快MRI采集参数的速度，利用MRI图像的稀疏性减少扫描时间，提高图像的空间分辨率和信噪比，从而提供更优质的图像。本文就压缩感知技术在中枢神经系统疾病MRI检查中的应用进展作一综述。

[关键词] 压缩感知；磁共振成像；加速因子；中枢神经系统疾病

[中图分类号] R445.2；R841      [文献标识码] A    [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2024.04.027

中枢神经系统疾病包括多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）、脑肿瘤、脑动脉瘤和烟雾病（moyamoya disease，MMD）等。从解剖学和生理学角度看，中枢神经系统与其他部位的病变有所不同，中枢神经系统病变的位置与功能障碍关系密切，同一种病变发生于不同部位时的临床表现和预后不同、不同性质的病变也可能获得相同的预后[1]。

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是诊断中枢神经系统疾病的主要影像学检查方法之一，是颅内疾病诊断的首选影像学检查方法。MRI不仅可清晰地显示解剖结构信息，还可通过非侵入性操作提供组织的代谢能力和相关病理学信息。1999年，Weissleder等[2]研究提出酰胺质子转移成像技术，该项技术无创、无辐射，且可在无示踪剂的条件下探测游离蛋白质含量，临床主要用于神经系统疾病的诊断[3]。然而，MRI的扫描时间受物理（梯度场强、转换速率等）、生理（神经刺激等）等方面的限制，检查时间通常较长。MRI也很难对运动速度和对比剂浓度的快速变化进行图像捕捉，且在数据采集期间发生的任何解剖学、生理学及对比剂浓度的变化都可能导致图像数据发生错误。因此，图像采集质量和缩短重建时间始终是MRI研究的热点之一。快速小角度激励序列、回波平面成像序列等快速成像序列的发展受硬件及人身安全等方面的限制，无法满足躁动不安和（或）年龄较小患者的检查需求，获得具有诊断价值的图像较为困难。以上情况在某种程度上限制MRI技术的临床应用。压缩感知（compressed sensing，CS）技术是一种新型磁共振加速技术，于2007年应用于临床诊断[4]。CS技术采用稀疏数据采样方法，在感知压缩信号后，通过欠采样和特殊算法对原始信号实现重构，可缩短信号采集时间。

1  CS技术的基本原理

如果MRI数据表现为噪声（非相干混叠）且图像稀疏，可使用非线性重建方法恢复完整图像。非线性重建技术需满足两个条件：变换域中图像的稀疏度和重建与采集数据具有一致性。第一个条件通过要求重建图像是稀疏的（或在变换域中是稀疏的），使得混叠伪影能够与图像中的实际信号分离；第二个条件确保重建不会为使最终图像稀疏而使用任意数据替换实际采集的数据。应用CS技术有3个条件：信号具有稀疏性或系数变换、不相干欠采样数据、非线性重建[5]。CS可通过仅应用空间变换加速静态图像，或在重建加速动态数据时联合应用并行成像（parallel imaging，PI）技术，以进一步增加数据缩减因子并提高图像质量[6-7]。

2  CS技术在中枢神经系统疾病中的应用

2.1  MS

MS病变主要累及白质，斑块呈多灶性分布，形状不规则但边界十分清晰。MRI是诊断MS的主要手段。在增强MRI检查中，病灶的数量、大小、分布情况及强化程度都随着时间和（或）病情的变化而变化。

3D T1加权成像（T1 weighted imaging，T1WI）可较好地评估脑部结构，定量测量脑容积，为MS等疾病的诊断提供更多有价值的信息。与2D加权成像相比，3D加权成像的扫描时间更长[8]。研究显示，3D T1WI可在保证图像质量的同时缩短扫描时间[9-11]。Duan等[9]通过主观评价和基于体素的形态测量方法确定结合CS技术的3D T1WI快速场回波（turbo field echo，TFE）序列的最佳加速因子（accelerated factor，AF）。应用3.0T磁共振扫描仪对10例MS患者行常规和结合CS的3D T1WI TFE序列扫描，CS的AF分别取3、4.5和6，并由2名放射科医生对图像的整体质量、信噪比、伪影及病变边缘或黑白质边缘的锐利度进行评估，再通过基于体素的分析评估图像质量、调查MS患者的萎缩模式。结果显示无加速度的参考序列与CS AF为3或4.5的图像质量无显著差异。当AF为3时，相比其他AF具有更高的组内相关系数。通过基于体素的形态测量定量评估发现，大多数MS患者大脑区域的组内相关系数较高，与正常人相比，MS患者的颞叶和内侧扣带皮层表现出萎缩征象，表明应用CS加速序列测量大脑体积具有可行性，且在当前的参数下，AF为3是加速3D T1WI TFE的最佳AF，可减少约65%的扫描时间，图像可用于影像学诊断。

液体衰减反转恢复（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR）序列在MS检测中较为关键，其可显示脑室下、视神经及脑室旁的白质损伤情况。3D FLAIR序列可提高MS患者脑部病变的检测质量，但其采集时间较长。Toledano-Massiah等[12]将CS技术应用于3D FLAIR，与常规序列进行比较。应用3.0T磁共振扫描仪行常规和结合CS的3D FLAIR序列扫描，采集矢状位，PI加速度自动校准重建笛卡尔成像因子为2，分别评估图像的信噪比、对比度噪声比及在腦室周围、脑旁、幕下及视神经区域可见的MS病灶数量，测量每个序列的白质损伤体积。结果显示二者的图像质量和检测到的MS病灶数量相似，病灶总数和脑室周围及幕下病变几乎完全一致，周围及视神经病变基本一致；3D FLAIR序列联合CS技术取AF为1.3时，可在减少扫描时间的同时确保MS斑块检测的诊断性能。

2.2  脑肿瘤

脑肿瘤是除脑血管病以外中枢神经系统最常见的疾病。MRI可对脑肿瘤的形态、功能及血流动力学状态进行评估。Vranic等[13]将CS技术应用于脑肿瘤患者，比较结合CS技术和常规序列的图像质量。应用联合CS的3D T1WI扰相梯度回波（spoiled gradient echo，SPGR）序列（AF为1.7）或3D T2加权成像（T2 weighted imaging，T2WI）FLAIR（AF为1.3）序列扫描，结果显示其扫描时间分别缩短35%和25%，且图像质量相当。

儿童脑肿瘤的病变类型、部位和分子特征与成人有较大不同[14]。MRI技术在儿童脑肿瘤的诊断中具有明显优势。因儿童的颅脑解剖结构较小，需使用高空间分辨率扫描，但儿童的耐受时间较短。因此，将CS技术用于儿童MRI检查十分必要[15]。Meister等[16]将CS技术应用于脑肿瘤患儿的MRI检查以比较常规扫描和结合CS技术扫描的图像质量、检查时间和能量沉积情况；结果显示结合CS技术的检查时间和能量沉积均显著低于常规序列，其可改善图像质量、提高图像的分辨率和清晰度。

2.3  脑动脉瘤

脑动脉瘤的MRI表现为边界清晰的低信号；若瘤内有血栓则表现出不同的磁共振信号，可通过信号特点判断瘤腔大小、血栓范围及是否有出血等。脑部3D时间飞跃法（time of flight magnetic，TOF）磁共振血管成像（magnetic resonance angiography，MRA）已应用于临床诊断。研究显示，血管在3.0T磁共振扫描仪上的显示较1.5T磁共振扫描仪更佳[17]。Fushimi等[18]将CS联合TOF MRA应用于脑动脉瘤的评估中，应用3.0T磁共振扫描仪对动脉瘤患者行3D TOF MRA扫描，并应用NESTA算法优化重建参数，通过计算动脉瘤边缘的锐利度评估CS重建的效果，测量数据包括动脉瘤的大小、瘤颈、高度及纵横比。结果表明，在CS联合3D TOF MRA中对NESTA进行优化，口径测量时取CS AF为5，迭代25或30次最佳，采用10次迭代AF为5或8时可识别大部分的脑部动脉瘤。Lin等[19]将CS技术应用于疑似颅内动脉瘤患者的3D TOF MRA检查中。应用3.0T磁共振扫描仪采集图像，采用多平面重建和最大强度投影对所采集的数据进行重建，比较运用CS技术和传统3D TOF MRA的图像质量。结果显示，与传统3D TOF MRA相比，应用CS技术可获得更高的图像质量，其具有更好的颅内动脉疾病和变异诊断性能，缩短扫描时间。CS MRA可清晰显示颅内动脉结构，准确诊断颅内动脉病变和变异。CS技术还可减少SENSE算法伪影，突出显示血管内的血流信号，抑制背景信号。

2.4  MMD

MMD的病理改变包括血管内膜增厚和烟雾状小血管形成。因TOF MRA的特异性和敏感度高，且安全、无创，常被作为代替计算机体层血管成像或数字减影血管造影的检查方案[20-21]。Yamamoto等[22]将CS应用于TOF MRA检查以评估MMD的可靠性。CS TOF的AF取3和5，根据狭窄、闭塞评分对MMD进行分级，并对烟雾血管的可见性进行评估，根据MMD分级和基底节区上烟雾血管的可见性判断CS TOF的诊断质量，结果发现CS TOF在等效扫描时间内可更好地显示烟雾血管。烟雾血管的存在和数量对MMD的评估十分重要[23]。研究显示，CS MRA的表观信噪比较PI MRA高，加速度超过3倍，这也是应用CS技术可见更多烟雾血管的原因[24]。

3  CS技术面临的挑战

研究发现，应用CS和敏感度编码重建技术组合采集的图像中存在伪影，包括拉层状伪影、条纹线性伪影和星空状伪影[25]。虽然CS技术在许多磁共振的临床应用中显示出较好的前景，但针对特定部位的加速序列选择和参数优化具有一定的挑战性。CS与PI的适当组合可进一步提高性能，二者的结合可在保持图像分辨率的同时进行快速扫描[26]。Feng等[27]应用屏气的多回波快速自旋回波序列，结合CS和PI技术，实现心脏的高分辨率（1.7mm×1.7mm）T2WI。CS如何与其他技术相结合提高成像速度是目前亟待解决的问题。

另外，尽管CS已成为美国食品药品监督管理局批准许可的一项较为成熟的技术，临床工作人员也一直在评估CS重建软件的临床实用性及安全性，但目前仍存在一些技术问题，如算法的计算复杂度相对较高，且在高加速下会影响图像质量等。CS技术如何在不增加重建算法计算复杂性的情况下解决图像质量下降的问题，从而使临床工作流程更加顺畅，这将成为CS技术当前面临的新挑战。

4  小结与展望

CS技术是一项基于数学的信号获取和处理的快速MRI技术，可能会产生高度依赖对象的不可预测伪影，从而干扰图像质量。应用CS技术加速MRI采集是目前对成像质量影响最小的方式[28]。通过缩短MRI数据采集时间，可更好地对配合度较差的患者进行检查，从而扩大MRI的临床应用。CS技术正越来越多地被用于加速MRI图像的采集，并广泛应用于心臟、腹部、乳腺、甲状腺及口腔等疾病的诊断中[29-33]。目前临床通常应用较为保守的AF，如何选择最佳的AF参数，在不影响诊断效能的基础上最大限度地缩短扫描时间极其重要。AF过低无法缩短扫描时间，过高则会导致图像伪影和模糊。临床实践中应权衡扫描时间与图像质量之间的平衡。

综上，MRI检查越来越广泛地应用于中枢神经系统疾病的诊断，应用CS技术可显著缩短扫描时间，选择合适的AF可获得清晰的诊断图像，从而为科研人员和临床医生提供更多有价值的影像学信息，在医学磁共振应用领域具有良好的发展前景。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。

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