壓縮感知技術(shù)及其在心臟磁共振中的應(yīng)用進(jìn)展

李爽，陸敏杰，趙世華

磁共振因其軟組織分辨率高且無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)在心血管疾病中的應(yīng)用日益廣泛，但由于受到傳統(tǒng)奈奎斯特采樣率及數(shù)據(jù)編碼等因素的限制，使得它的成像速度相比于CT慢很多。為了加快成像速度，可以應(yīng)用快速成像序列，如回波平面成像(echo planar imaging，EPI)、快速小角度激發(fā)成像(fast low-angle shot，F(xiàn)LASH)、類回波成像(delay alternating with nutation for tailored excitation，DANTE)等，但前提是需要一個(gè)較強(qiáng)的梯度場(chǎng)，而場(chǎng)強(qiáng)不能無(wú)限制地增強(qiáng)。提高主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)及加快梯度場(chǎng)的切換速度也受到硬件系統(tǒng)及人體安全性的限制，不能滿足心血管系統(tǒng)成像的要求。心律不齊與心功能不全是心血管疾病常見的臨床表現(xiàn)，這類患者行心血管磁共振檢查時(shí)易產(chǎn)生嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)偽影而無(wú)法獲得具有診斷價(jià)值的圖像。另外，嚴(yán)重心衰患者常常無(wú)法耐受長(zhǎng)時(shí)間的檢查。因此，上述情況在一定程度上限制了心血管磁共振在心血管疾病中的應(yīng)用普及。

2006年Candès等[1]系統(tǒng)性地提出了壓縮感知(compressed sensing，CS)理論，這一信息采集與獲取理論利用了信號(hào)的稀疏性，運(yùn)用一定的方法在小于奈奎斯特采樣率條件下采集數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)質(zhì)重構(gòu)算法進(jìn)行圖像的重建，而不犧牲圖像的空間分辨力。2007年，Lustig等[2]最先將壓縮感知技術(shù)運(yùn)用到磁共振成像中。此后，這項(xiàng)技術(shù)引起了研究者和臨床醫(yī)生極大的研究興趣，有望促進(jìn)心臟磁共振在臨床更廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹壓縮感知技術(shù)及其在心臟磁共振領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

1 壓縮感知技術(shù)基本原理

傳統(tǒng)磁共振成像采集k空間的信號(hào)后通過(guò)傅里葉變換獲得圖像數(shù)據(jù)，這需要采集k空間的信號(hào)數(shù)等于圖像的像素?cái)?shù)，因此需要花費(fèi)大量的時(shí)間[3]。CS-MRI只利用部分k空間重建圖像，它以信號(hào)的稀疏性作為前提，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的采樣與壓縮，直接獲取稀疏信號(hào)，因此減少了MR成像時(shí)間。應(yīng)用壓縮感知技術(shù)有3個(gè)條件：信號(hào)的稀疏性或稀疏變換(sparsity or transform sparsity)；不相干欠采樣(incoherence sampling)；非線性重建(nonlinear reconstruction)。

壓縮感知技術(shù)在心臟灌注成像中的應(yīng)用包括：(1)稀疏變換：全采樣數(shù)據(jù)通過(guò)稀疏變換映射到y(tǒng)-f域中；(2)不相干采樣：通過(guò)對(duì)k空間原始數(shù)據(jù)進(jìn)行偽隨機(jī)數(shù)亞采樣；(3)非線性重建：對(duì)y-f域中的稀疏變換所得結(jié)果進(jìn)行非線性重建。原始圖像數(shù)據(jù)中包含了大量的非有效信息，忽略這部分信息并不會(huì)影響圖像的呈現(xiàn)效果。這正是CS-MRI應(yīng)用的第1個(gè)前提條件，即原始圖像是可稀疏的。由于原始圖像中偽影呈現(xiàn)不相干性，因此使用適宜的欠采樣方法可以保留原始圖像的信息。對(duì)經(jīng)過(guò)不相干采樣和稀疏變換所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性重建，最終得到成像效果與使用全部數(shù)據(jù)重建的效果一致。

稀疏變換就是將原始圖像的特征用若干參數(shù)來(lái)表示，形成稀疏向量，得到的稀疏矩陣可以利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行圖像的重構(gòu)。而大部分MRI圖像具有稀疏性，即原始圖像矩陣中有效信息的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非有效信息。進(jìn)行稀疏變換一方面可以將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮，另一方面可以將原始圖像中的有效信息變得更加稀疏，便于后續(xù)的不相干采樣處理。常用的稀疏變換包括離散小波變換、離散余弦變換、快速傅里葉變換、有限差分變換等[4]。不同組織的圖像應(yīng)用不同的稀疏變換方式，以獲得最優(yōu)的重建效果。Qu等[5]認(rèn)為單一的稀疏變換不能代表所有類型的圖像特征，限制了重建質(zhì)量，并提出了新的聯(lián)合稀疏變換方法。

不相干欠采樣是通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)量矩陣對(duì)變換后的稀疏矩陣進(jìn)行相位編碼方向的欠采樣，在三維欠采樣的情況下，可以額外設(shè)計(jì)頻率編碼方向的隨機(jī)數(shù)，進(jìn)而達(dá)到更好的不相干采樣效果。笛卡爾采樣是最常見的一種線性欠采樣方法[6]，該方法所獲得的采集數(shù)據(jù)相關(guān)性高于其他非線性采集，但重建圖像質(zhì)量差，偽影多。相比之下，非線性采樣方法所得采集數(shù)據(jù)相關(guān)性更低。常見的非線性采集包括螺旋式采集和放射狀采集。

非線性重建是利用合適的算法從欠采樣數(shù)據(jù)中恢復(fù)原始稀疏信號(hào)的過(guò)程。具體的重建算法大致可以分為3類：貪婪算法、凸優(yōu)化算法和組合算法[7]。

2 壓縮感知技術(shù)在心臟MRI中的應(yīng)用進(jìn)展

對(duì)于心臟MRI，Lustig等[8]提出k-t sparse方法將壓縮感知理論融入其中。其后，Usman等[9]又提出了k-t group sparse法，該技術(shù)比前者有更高的重建質(zhì)量及時(shí)間分辨率，更適用于心臟成像。

2.1 心臟電影

心功能評(píng)估在心血管疾病的診斷及預(yù)后判斷中有重要的作用。心臟MR電影是評(píng)估心臟功能與左室容積的金標(biāo)準(zhǔn)。它采集單個(gè)層面心動(dòng)周期不同時(shí)相的一系列圖像，單個(gè)時(shí)相獲得的數(shù)據(jù)填充各自的k空間并重建各自的圖像。利用所有時(shí)相的圖像組成電影可準(zhǔn)確地對(duì)心臟整體及室壁節(jié)段進(jìn)行功能評(píng)價(jià)。原始數(shù)據(jù)的采集耗時(shí)較多，通常每個(gè)R-R間期(兩個(gè)QRS波中R波之間的時(shí)間)采集20～30個(gè)時(shí)相，增加時(shí)相數(shù)可以更好地顯示心臟的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但增加了掃描時(shí)間。CS-MRI可以在縮短掃描時(shí)間基礎(chǔ)上獲得理想的空間分辨率。

與其他快速成像技術(shù)相比，壓縮感知技術(shù)可以在每2次心跳獲得1層圖像，時(shí)間并行采集(temporal parallel acquisition techniques，TPAT)約每2.5次心跳獲得一層圖像[10]，如此快速的成像時(shí)間對(duì)于心律不齊及屏氣功能受損的患者不僅可以減少圖像的偽影，更有利于準(zhǔn)確的心功能分析，而且可以極大地減少患者的不適感。Vincenti等[11]比較了CS單次屏氣多層磁共振電影技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)多次屏氣技術(shù)評(píng)估左室容積和功能的效果，結(jié)果表明幾乎所有患者(94%)都獲得了理想的圖像質(zhì)量，只有2名參與者(6%)圖像稍差(偽影超過(guò)3層)，但所有參與者都達(dá)到了進(jìn)行分析的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于裝有心臟起搏器的患者也獲得了理想的圖像質(zhì)量。左室射血分?jǐn)?shù)及左室容積也有較高的一致性。Kido等[12]比較了自由呼吸CS心臟電影與標(biāo)準(zhǔn)屏氣心臟電影對(duì)于左心功能與質(zhì)量評(píng)估，結(jié)果顯示CS心臟電影略微低估了左室舒張末期質(zhì)量(63例患者中標(biāo)準(zhǔn)屏氣心臟電影左室質(zhì)量中值約83.8 ml，而自由呼吸的CS心臟電影左室質(zhì)量中值約79.0 ml)，而舒張末期容積沒(méi)有明顯差異，推測(cè)其原因可能是由于心外膜的描繪不準(zhǔn)確造成的。因?yàn)镃S技術(shù)會(huì)降低心肌與周圍組織的對(duì)比度，欠采樣的方式使邊界不夠敏感。CS技術(shù)在評(píng)價(jià)心功能時(shí)，雖然略微低估了左室舒張末期質(zhì)量，但是仍然在可接受的范圍內(nèi)，其他心功能指標(biāo)都與標(biāo)準(zhǔn)心臟電影具有較高的一致性，因此具有很大的臨床應(yīng)用價(jià)值。

2.2 冠狀動(dòng)脈成像

由于呼吸運(yùn)動(dòng)和心臟跳動(dòng)的影響及較高空間分辨率的要求，傳統(tǒng)的冠脈MRI掃描時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)偽影多。目前控制呼吸運(yùn)動(dòng)偽影的方式有屏氣或者呼吸導(dǎo)航。有些心血管疾病患者無(wú)法屏氣配合，而非屏氣呼吸導(dǎo)航單支冠狀動(dòng)脈成像需要6～13 min[13]。單序列長(zhǎng)時(shí)間掃描的圖像質(zhì)量受患者的不自主運(yùn)動(dòng)的影響較大。Akcakaya等[14]在1.5 T MR對(duì)比壓縮感知技術(shù)和并行采集技術(shù)在亞毫米級(jí)(0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm)全心冠脈MRI，發(fā)現(xiàn)壓縮感知技術(shù)速度是并行采集成像的6倍，且減少了呼吸與運(yùn)動(dòng)偽影。為了更好地發(fā)現(xiàn)冠脈的狹窄，需要較高的空間分辨率。在一組健康受試者的研究中，相同的加速率因子下，CS技術(shù)在整體圖像質(zhì)量及信噪比方面優(yōu)于并行采集成像，好發(fā)病變的血管近段及中段兩者有著相似的圖像質(zhì)量評(píng)分，而血管遠(yuǎn)段兩者評(píng)分都較低。

2.3 心肌延遲增強(qiáng)

心肌延遲增強(qiáng)(late gadolinium enhancement，LGE)可以判斷心肌的活性，了解心肌缺血的程度及范圍，對(duì)于缺血疾病的臨床診治及預(yù)后判斷有重要的指導(dǎo)價(jià)值。傳統(tǒng)延遲增強(qiáng)常采用T1WI Turble FLASH序列，通過(guò)選擇最佳反轉(zhuǎn)時(shí)間使正常心肌呈低信號(hào)，異常心肌呈現(xiàn)高信號(hào)。完成所需2D圖像的掃描一般要屏氣6～12次，需10～15 min[15]。壓縮感知技術(shù)可以應(yīng)用于心肌延遲增強(qiáng)掃描。Akcakaya等[16]利用LGE聯(lián)合LOST (lowdimensional-structure self-learning and thresholding)壓縮感知技術(shù)評(píng)估心肌纖維化，發(fā)現(xiàn)左心室和左心房纖維化的評(píng)估中所有圖像均獲得了很好的診斷質(zhì)量評(píng)分。分辨率的提高使醫(yī)生在視覺(jué)上對(duì)梗死周邊區(qū)更敏感，而這是冠心病患者死亡與室性心律失常的預(yù)測(cè)因子。

2.4 心肌首過(guò)灌注

心血管磁共振的心肌首過(guò)灌注成像可以了解心肌缺血的情況，對(duì)于其檢測(cè)和預(yù)后有很大的幫助。常用的序列主要包括EPI及快速小角度激發(fā)成像序列(turbo FLASH)等。想要獲得高質(zhì)量的診斷圖像需要滿足以下條件：成像速度快的脈沖序列；心率要求控制在70次/分以下；呼吸控制以減少運(yùn)動(dòng)偽影。對(duì)于一部分心血管疾病的患者很難達(dá)到上述要求。Otazo等[17]通過(guò)結(jié)合壓縮感知技術(shù)及并行成像技術(shù)來(lái)提高首過(guò)灌注加速率，結(jié)果表明其對(duì)于呼吸運(yùn)動(dòng)偽影不敏感并且相比較于2倍加速的GRAPPA有著相似的時(shí)間保真度及圖像質(zhì)量。

3 壓縮感知技術(shù)與并行采集技術(shù)

在CS技術(shù)出現(xiàn)之前，臨床上多使用并行采集技術(shù)。并行采集技術(shù)在一定程度上加快掃描速度、抑制運(yùn)動(dòng)偽影，但它是以犧牲圖像信噪比或空間分辨力為代價(jià)，因此稱不上完美解決方案[18]。對(duì)于頻發(fā)早搏或者心律不齊的患者，該技術(shù)可以減少心電觸發(fā)的次數(shù)，甚至不采用心電門控技術(shù)的高速成像技術(shù)(采集的速度也可以達(dá)到20～30幀/秒以上)也可初步達(dá)到診斷需求[12，19]。除上述優(yōu)勢(shì)外，該技術(shù)可以與多種脈沖序列結(jié)合，已經(jīng)在心血管系統(tǒng)疾病中得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)一大劣勢(shì)在于加速因子越大，圖像信噪比越低，且容易產(chǎn)生卷褶偽影[20]，難以通過(guò)提高加速在一次屏氣的過(guò)程中完成圖像質(zhì)量理想的全心電影掃描。此外，由于該技術(shù)需要多個(gè)信號(hào)采集通道，在硬件系統(tǒng)不支持的情況下很難實(shí)現(xiàn)。

壓縮感知技術(shù)與其相比，壓縮感知技術(shù)在各種心臟磁共振成像中成像速度均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于心律不齊患者可以在有限的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行掃描，也可以減少呼吸及運(yùn)動(dòng)偽影，給無(wú)法憋氣及無(wú)法耐受長(zhǎng)時(shí)間檢查的患者帶來(lái)了福音。在加快成像速度的同時(shí)，圖像的質(zhì)量均達(dá)到了診斷要求。

針對(duì)各自優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)壓縮感知技術(shù)和并行采集技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)高空間分辨率圖像的快速掃描[21]。Feng等[22]提出用屏氣多回波快速自旋回波序列，通過(guò)FOCUSS (k-tFOCal underdermined system solver)算法，結(jié)合壓縮感知和并行采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率(1.7 mm×1.7 mm)心臟T2成像。因此，將兩者結(jié)合應(yīng)用于心臟磁共振或許是未來(lái)快速M(fèi)R發(fā)展趨勢(shì)。

4 小結(jié)

CS-MRI雖然發(fā)展迅速，各項(xiàng)研究均表明其應(yīng)用的可行性，但是到目前仍然沒(méi)有在臨床進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。主要原因有以下幾點(diǎn)：CS技術(shù)理論系統(tǒng)仍欠完善，合適的稀疏變換方法、恰當(dāng)?shù)牟蓸臃绞郊爸亟ㄋ惴ㄈ孕柽M(jìn)一步研究；壓縮感知磁共振相關(guān)序列的設(shè)計(jì)與編程及如何在掃描儀上實(shí)現(xiàn)該技術(shù)仍是難題；如何與其他成像技術(shù)結(jié)合也是亟待解決的問(wèn)題。無(wú)論如何，CS-MRI快速成像都能極大地縮短掃描時(shí)間，提高了MR檢查的舒適性，減少了運(yùn)動(dòng)偽影，如同并行采集技術(shù)一樣，必將成為心血管磁共振檢查革命性的新技術(shù)。

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