压缩感知-mDIXON、精准频率反转恢复与短时反转恢复技术在腰椎MR扫描中的应用

摘要：目的 "研究压缩感知（CS）联合mDIXON技术、精准频率反转恢复（SPAIR）技术与短时反转恢复（STIR）技术在腰椎MR抑制脂肪效果的应用价值。方法 "选取2023年9月7日～2024年1月9日在阜阳市人民医院因腰椎疾病行MR检查的60例患者，分别进行CS-mDIXON、SPAIR与STIR技术的矢状位T2WI扫描。由2名医师采用5分制对3组图像质量进行主观评价；定量对比测量时在L2、L5椎体及L1/2、L5/S1椎间盘4组图像层面正中及相关空气区域放置感兴趣区，分别测量信号强度及噪声强度标准差，计算信噪比（SNR）及对比噪声比（CNR）。结果 "主观评分一致性良好（Kappa系数值gt;0.75）。CS-mDIXON技术在多种评价方面的分值均优于SPAIR技术与STIR技术（Plt;0.05）。在L2、L5椎体层面中，3组技术信号值、噪声值依次增大，差异有统计学意义（Plt;0.001），CS-mDIXON的SNR值及CNR值大于SPAIR和STIR技术，差异有统计学意义（Plt;0.001）；在L1/2、L5/S1椎间盘层面中，CS-mDIXON技术的信号强度分别小于后两组，差异有统计学意义（Plt;0.001）。3组噪声值依次增大，SNR值、CNR值依次减小，差异有统计学意义（Plt;0.001）。结论 "腰椎MR扫描中，CS-mDIXON技术抑制脂肪的效果更好，同时又可减少扫描时间，可以成为腰椎MR抑脂序列扫描中最好的选择。

关键词：腰椎；脂肪抑制；压缩感知；图像质量；磁共振成像

Application of compressed sensing-mDIXON， spectrally attenuated inversion recovery and short-time of inversion recovery techniques in lumbar MR scanning

LIU Peng1， NIU Meichen2， LIU Hong3

1Department of CT/MR， Fuyang People's Hospital， Fuyang 236000， China; 2Thirteenth Ward， the Third People's Hospital of Fuyang， Fuyang 236000， China; 3Department of Rehabilitation， the Fifth People's Hospital of Fuyang， Fuyang 236000， China

Abstract： Objective To study the application value of compressed sensing （CS） combined with mDIXON technique，spectrally attenuated inversion recovery （SPAIR） technique and short-time of inversion recovery （STIR） technique in lumbar MR by suppressing fat. Methods A total of 60 patients with lumbar diseases who underwent MR examination in Fuyang People's Hospital from September 7， 2023 to January 9， 2024 were selected for sagittal T2WI scans with techniques of CS-mDIXON， SPAIR and STIR. The image quality of the three groups were subjectively evaluated by two doctors using 5-point system. A region of interest was placed in the median position and relevant air area of the L2 and L5 vertebral bodies and L1/2 and L5/S1 intervertebral discs. The signal-to-noise ratio （SNR） and contrast-to-noise ratio （CNR） were calculated. Results The subjective scores were consistent （Kappagt;0.75）. CS-mDIXON technique has better scores than SPAIR technique and STIR technique （Plt;0.05）; At the level of L2 and L5， the signal value and noise value of the three groups increased in turn， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）. The SNR and CNR values of CS-mDIXON technique were higher than those of SPAIR and STIR technique， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）; At the level of L1/2 and L5/S1， the signal intensity values of CS-mDIXON technique were lower than those of the latter two groups， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）. The noise values of the three groups increased in turn， while the SNR and CNR values of the three groups decreased in turn， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）. Conclusion In lumbar MR Scanning， CS-mDIXON technique has a better effect on fat suppression and reduces the scanning time， and it can be the best choice for the scan of lumbar MR by fat suppressing sequence.

Keywords： lumbar; fat suppression; compressed sensing; image quality; magnetic resonance imaging

腰椎病变在临床上较常见，其发病率呈显著上升趋势。X线和CT检查局限性很大，而MRI因其优异的软组织对比度、良好空间分辨率、多参数、多序列、无电离辐射等成像优势，能够清楚地展现腰椎骨质及脊髓、软组织等形态表现及信号差异，是首选影像学检查［1-3］，但大部分炎症、肿瘤、外伤及水肿等在磁共振多个序列尤其T2WI上可显示为高信号，而腰部脂肪组织的高信号与其显示相近，对病变研究形成干扰，且脂肪组织可引起图像的化学位移伪影［4］。为了排除脂肪信号以及减少化学位移伪影的干扰，将对水信号的影响降到最低，增强靶区部位和周围组织图像的对比度、清晰度，明显提高病变检测率、准确率及减少误诊、漏诊等因素，在MR扫描中使用脂肪抑制技术至关重要［5］，比如水脂分离成像（Dixon）技术、精准频率反转恢复（SPAIR）技术、频率选择饱和法抑脂（SPIR）技术、短时反转恢复（STIR）技术等［6］。传统的Dixon技术采用梯度回波序列，达到把脂肪和水分离的目的［7］。STIR技术利用水和脂肪的T1弛豫时间差别可有效抑制皮下脂肪、正常骨髓的高信号，在抑脂方面具有一定优势［8］。SPIR技术利用水和脂肪的进动频率差异针对脂肪施加选择性的脉冲［9］。SPAIR技术相当于同时结合了STIR和SPIR技术［10］。压缩感知（CS）技术则是通过数字化随机稀疏性进行K空间数据欠采样的方式，使得采样频率远小于奈奎斯特采样技术，可以缩短扫描时间［11］。mDIXON技术是改良后的DIXON技术，无需在同反相位采集数据，在其他角度同样可以采集，具有高空间分辨率，但其扫描时间较长；CS技术和mDIXON联合可以较大程度地提高图像的空间分辨率和时间分辨率，是近些年研究的热点［12］。腰椎病变患者数量巨大，理论上应用CS-mDIXON技术可以提高MR图像质量，并且缩短扫描时间［13］，但暂没有得到具体验证，尚无研究同时将CS-mDIXON与常用的SPAIR、STIR技术在腰椎上进行量化比较，CS-mDIXON技术能否在临床上真正实现比常用技术更有效、更快的压脂效果，能否得出数量化的统计学差异亟需探究。本研究旨在通过对CS-mDIXON技术进行腰椎MR扫描，并与SPAIR技术及STIR技术以相同层厚、层间距进行对比，验证其在腰椎MR扫描中的临床应用价值。

1 "资料与方法

1.1 " 一般资料

回顾性选取2023年9月7日～2024年1月9日因腰椎有关疾病在阜阳市人民医院检查的60例患者，其中男30例，女30例，年龄20～80岁，均行具有CS-mDIXON、SPAIR和STIR技术的MR平扫检查。患者本人或监护人均签署知情同意书。纳入标准：出现腰椎相关症状来我院就诊，需进行MR腰椎平扫排查病变；确诊为腰椎及相关病变的患者；确诊为脊髓性病变患者；腰椎无急性骨折、创伤患者。排除标准：体内有金属植入物、起搏器或其他异物；患有幽闭恐惧症或精神疾病等无法配合MR检查者；脊柱后突严重，无法仰卧者；其他MR扫描禁忌证者。

1.2 "仪器设备

MRl扫描仪为Philips Ingenia CX 3.0 T（飞利浦），使用ds Total Spine线圈。

1.3 "检查方法

患者体位为仰卧位头先进，腰椎位于线圈左右的中心，头部正对前方，定位中心位于脐上两指，使用楔形垫支撑患者双腿。进行CS-mDIXON、SPAIR和STIR技术的T2WI矢状位序列扫描，其扫描参数（表1）。

1.4 "观察与评价指标

1.4.1 "图像主观评价 " 分别由2位具有10年MR诊断经验的医师对图像进行独立打分。将图像脊髓与脑脊液对比度、脊髓均匀度及脂肪抑制效果、正常解剖进行五分制评分。5分：腰椎脊髓与脑脊液对比度清晰、脊髓均匀、脂肪抑制显著、解剖关系明确；4分：腰椎脊髓与脑脊液对比度较清晰、脊髓较均匀、脂肪抑制良好、解剖关系尚明确：3分：腰椎脊髓与脑脊液对比度尚能分辨、脊髓局部欠均匀、脂肪抑制欠佳、大部分解剖关系满足诊断；2分：腰椎脊髓与脑脊液对比度较差、脊髓较不均匀、脂肪抑制较差、解剖关系局部尚难分辨；1分：腰椎脊髓与脑脊液对比度差、脊髓不均匀、脂肪抑制差、解剖关系不能分辨。

1.4.2 "定量数据测量与分析 " 将扫描图像传至ISP（IntelliSpace Portal）工作站，隐藏所有图像上的序列参数信息，由1名主治医师选取感兴趣区（ROI）测量信号强度（SI）、噪声强度标准差（SD），SI测量层面选择腰椎正中矢状位L2、L5椎体水平及L1/2、L5/S1椎间盘层面正中位置（图1），SD及SI肌肉测量选取分别与上述同一层面FOV内的空气区域及肌肉区域，ROI面积分别约150 mm2和50 mm2，避开视野内血管、伪影等信号不均匀的部分，每个区域测量两次，所测数据求平均值，按照以下公式计算病灶的信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）。SNR=SI/N；CNR=（SI-SI肌肉）/ N。其中N为噪音值，N=SD/0.66，0.66为校正因子。

1.5 "统计学分析

采用SPSS23.0软件对数据进行统计分析。对2位诊断医生之间主观评分采用Kappa系数进行一致性检验，Kappa系数值gt;0.75为一致性较强。计量数据采用K-S法检验是否符合正态分布，符合正态分布的数据以均数±标准差表示，组间比较采用t检验；不符合正态分布的数据使用中位数（四分位数）表示，使用非参数检验的独立样本秩和检验即Kruskal-Walllis单因素ANOVA检验（k个样本）进行比较，以Plt;0.05为差异有统计学意义。客观评价指标采用单因素ANOVA检验（k个样本）进行方差分析，组间两两比较采用 Bonferroni校正调整α水平，检验水准α=0.05/3=0.0167，故以 Plt;0.0167为差异有统计学意义。计数资料以n（%）表示。

2 "结果

2.1 "图像质量主观评价

2位诊断医生对图像质量的主观评价一致性较高（表2），后续选择医师1的主观评分进行分析。CS-mDIXON技术在脊髓与脑脊液信号对比是否良好、脊髓信号是否均匀、正常解剖效果方面与SPAIR和STIR技术相比，差异均无统计学意义（P=0.038、0.676、0.620）。CS-mDIXON技术在脂肪抑制方面与SPAIR技术的差异有统计学意义（Plt;0.05），与STIR技术的差异无统计学意义（Pgt;0.999），SPAIR与STIR技术的差异无统计学意义（P=0.122，表3）。

2.2 "各组间客观数据比较

L2及L5椎体层面：CS-mDIXON、SPAIR、STIR 3组的SI值、N值依次增大，差异均有统计学意义（Plt;0.001）；对于SNR值，CS-mDIXON大于SPAIR和STIR（Plt;0.001），SPAIR和STIR的差异无统计学意义（P=0.572、0.035gt;0.0167）；对于CNR值，CS-mDIXON大于SPAIR和STIR（Plt;0.001），SPAIR和STIR的差异无统计学意义（P=0.499、0.038gt;0.0167）。

L1/2椎间盘及L5/S1椎间盘层面：对于SI值，SPAIR和STIR的差异无统计学意义（P=0.258、0.129gt;0.0167），CS-mDIXON技术小于SPAIR和STIR技术，差异均有统计学意义（Plt;0.001）。对于N值，CS-mDIXON、SPAIR和STIR技术依次增大，差异均有统计学意义（Plt;0.001）。对于SNR值和CNR值，CS-mDIXON、SPAIR、STIR 3组依次减小，差异均有统计学意义（Plt;0.001，表4）。

2.3 "典型病例

患者男，43岁，腰痛伴左下肢疼痛9年，加重3 d，行走困难，休息无缓解（图2A～C）；患者女，80岁，腰痛伴左下肢疼痛2月，否认外伤史（图2D～F）。

3 "讨论

随着老龄化进程和生活方式的改变，腰椎病变如退行性变、脊髓外伤、占位等的发生率逐年增高，是长期困扰人类的脊柱疾病之一［14］。CT能够较好显示腰椎骨质及附件的形态特征，大范围用于临床术前评估和术后随访。但患者无可避免要接受电离辐射，而且CT对椎间盘等软组织分辨率欠佳［15-16］。MRI由于无电离辐射且对软组织分辨率较高的特点可做为首选，但常规腰椎MR检查扫描时间较长，对于部分患者难以保持仰卧状态，常产生伪影。确保图像质量，提高扫描效率，这不仅是我们的目的，还适用于更多患者，提高成功率。本研究以具体数据验证了在腰椎MR上应用CS-mDIXON技术优于临床上常用的SPAIR及STIR技术。

DIXON技术以水和脂肪化学位移为基准，由于两者进动频率有差异，随着时间的不同，水-脂相位差不同，用梯度回波序列便可分别在同、反相位采集水和脂肪两种图像［17］。但是TE、TR时间比较固定，缺乏灵活性，而且受主磁场均匀性影响大。mDIXON技术是经过多次改良后的DIXON技术，是基于化学位移的具有较高分辨率的水脂分离技术，对于水相的抑脂效果更均匀［18-19］，但其扫描时间较长，不适用于一些年龄较大或无法长时间配合的患者。CS技术通过数字化稀疏采样方式，对重建算法迭代重建，达到K空间成像，CS技术与mDIXON技术结合，可以同时保证空间和时间分辨率，且不产生诸如SENSE技术的并行采集相关伪影［18］。临床上已经广泛应用，如肝脏、心脏、胰胆管等部位的扫描［20-22］，但在腰椎上应用较少，且无充分数据论证其优势。STIR技术的反转脉冲具有非选择性，将水和脂肪全部反转，再根据它们不同的T1弛豫时间，过零时脂肪未产生信号，而水产生信号，从而抑制脂肪。STIR技术敏感度高，大部分组织都可在选择范围内，但其特异度差，只要T1值和抑制相同的组织都可以被抑制掉［23］。SPIR技术类似于西门子常规的Fat sat序列，只针对脂肪的进动频率发射小角度（lt;180°）的预饱和脉冲，最终脂肪被饱和不产生信号，水不受影响，从而获得脂肪抑制的效果，但其对B0、B1磁场均匀度要求较高，不适合用于磁敏感变化较大、偏中心、大视野的部位［24］。SPAIR技术是基于T1弛豫时间的短时反转与化学位移抑脂结合，利用水分子和脂肪内氢质子进动频率差异的脂肪抑制技术，采用180°反转绝热脉冲，使得仅有脂肪频率得到反转，具有与多种扫描方式结合的特点，除了极难压脂或偏中心的部位有可能压脂不均外，其应用比较广泛，但因脉冲为180°，脂肪过零点的时间延长，扫描时间也会延长［22］，故后3种技术均存在局限性。

腰椎形态比较均匀，几何形状较规整，磁场均匀度相对颈椎、胸椎都比较好，大多情况能得到高质量的抑脂图像。由于腰椎椎体及椎间盘数目较多且差别不大，本研究选择L2、L5椎体及L1/2、L5/S1椎间盘层面作为代表，探究3种技术的应用价值。在上述4个层面中，SI值为CS-mDIXON技术lt;SPAIR技术lt;STIR技术（Plt;0.001），但噪声大小顺序也是如此（Plt;0.001），测得CS-mDIXON技术SI值、N值均最低。SPAIR技术在腰背部后下缘或者胸部后下缘（图2B、E），可以出现压脂不均匀的情况，可能是因为其虽然对B1场不敏感，但对B0场的均匀性非常敏感，对磁场有高场高均匀性的要求，加上水、脂进动频率差别较小，且在边缘等偏中心的部位局部磁场也会不均匀［25］，故而均可出现上述情况。甚至可出现部分水信号被抑制，如在腰椎上缘及胸椎抑脂时经常会出现，大范围压脂不如另两种效果均匀。本研究典型病例显示STIR压脂效果比SPAIR干净，因为反转脉冲具有非选择性，但也限制了其不能用于增强检查的特点，且在分辨是否为脂肪信号时并不可靠［23］。

本研究显示，在SNR及CNR值方面，CS-mDIXON技术gt;SPAIR技术gt;STIR技术（Plt;0.001）。DIXON技术抑脂更均匀，具有更高的效率，不仅在腰椎，而且在腹部、肌肉、头颈、乳房等部位均可获得优秀的图像质量［26-27］，这也与既往在颈部研究［28-29］结果相近，更加说明腰椎与颈椎在解剖、位置及MR压脂方面等具有相似性，也进一步支持了本研究的结论。CS-mDIXON技术不仅信噪比及对比噪声比高，而且大大缩短了mDIXON扫描时间，从而减少了对运动敏感的限制，还可以一次扫描出压脂与不压脂的图像，既往研究显示，推荐加速因子为3时，CS-mDIXON技术扫描效果最佳［30］，结合本结论，得出3是与后两种技术差别最大时的加速因子，可以做为其进一步补充。SPAIR技术由于可能出现大范围抑脂失败，甚至水信号被抑制，特别是在胸腰椎结合层面，致使部分SNR偏低。STIR技术由于180°反转脉冲不具有选择性，当脂肪过零时，非脂肪的纵向磁化矢量没有过零，也未恢复至100%信号强度，部分水的信号也被饱和掉，在尚未发射90°射频脉冲时，自由水质子就已较少，会损失掉SNR值。但SPAIR毕竟是相当于结合了STIR特征的技术，SPAIR相对于STIR来说，因为多数组织内的氢质子没有翻转，从而保留了大部分纵向磁矩，信噪比要稍高。这一点在既往研究［25， 31］均有提及，也恰巧说明了SPAIR信噪比高于STIR不仅在乳腺及胸部脂肪中成立，而且还适用于腰椎组织，这亦是对既往CS-mDIXON技术研究的补充。

在L1/2、L5/S1椎间盘层面，其结果规律与椎体相近（Plt;0.001）。椎间盘尤其髓核含水量较高，压脂技术上呈高信号，整体SI值比椎体要高，并且年龄、腰椎病变等使得椎间盘突出等问题不一，甚至部分老年病人椎间盘水分丧失，造成标准差较大。且椎间盘位置越往下，椎间盘脱水、变性及突出等问题越多，标准差越大。

SPAIR技术的预饱和脉冲采用180°翻转角，扫描时间稍长，SNR值、CNR值与CS-mDIXON相比较低，且要加匀场框，对边缘部位有压脂失败或抑水的风险；STIR的SNR值及CNR值最低，且因为与脂肪弛豫时间相近者均可以被抑制，另外在分辨是否脂肪方面并不准确，如果要提高SNR，一般是增加激励次数，但扫描时间会更长。上述两种技术对于腰椎压脂扫描适用度均有局限性，特别是对于不能长时间耐受的患者。CS-mDIXON的SNR值及CNR值均较高，压脂也很均匀，扫描时间（即便加上前期匀场约39 s）已经大大缩短，且可一次扫描出来两种压脂及不压脂图像，此技术不仅可行，而且在充分数据支持下与另外两种相比效果最好，在临床上确实能适用于更广泛的腰椎患者，辅助临床医生更早、更好地做出诊断及预后。

本研究存在的局限性：样本量有限，后续可进一步扩充样本量；只分析了矢状位T2WI的图像质量对比，未对横轴位T2WI、矢状位T1WI图像质量进行研究；统计学方法有限，在今后的研究中完善上述不足。

综上，在腰椎MR扫描中，CS-mDIXON技术不仅能提升扫描效率，而且能够获得更好的脂肪抑制效果，可以代替SPAIR和STIR技术成为其最优选择。

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（编辑：孙昌朋）