頭顱三維時間飛躍法磁共振血管成像常見序列的臨床圖像質(zhì)量評價研究*

楊琰昭 翟 晶 王思敏 張 歡 宋 琦* 嚴(yán)福華

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)具有軟組織分辨率高、成像參數(shù)多、提供信息量大、多方位直接成像及無電離輻射等優(yōu)點,一次檢查可獲得解剖、生理、病理、器官運動、組織灌注等多種信息,實現(xiàn)"一站式"檢查,在臨床疾病定位、定性診斷以及科學(xué)研究中承擔(dān)著越來越重要的作用[1].截止2017年,全國MRI設(shè)備市場保有量在10 000臺左右,除西門子、飛利浦、GE等主流品牌外,本土MRI設(shè)備發(fā)展迅速、生產(chǎn)廠商眾多,占有量逐步增加[2].然而,在醫(yī)用MRI設(shè)備臨床應(yīng)用評價方面尚無相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),同時缺乏橫向比較國內(nèi)外不同品牌及機(jī)型MRI設(shè)備臨床圖像質(zhì)量的量化評價數(shù)據(jù)[3-4].為此,本研究以頭顱三維時間飛躍法磁共振血管成像(three-dimensional time-of-flight magnetic resonance angiography,3D-TOF MRA)圖像為切入點,旨在對國內(nèi)外不同品牌及機(jī)型的醫(yī)用MRI成像設(shè)備在頭顱3D-TOF MRA成像中的臨床圖像質(zhì)量進(jìn)行評價與對比研究.

1 材料與方法

1.1 圖像資料

選取2017年5月至2018年8月上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院數(shù)據(jù)處理中心所收集的來自全國24家不同級別醫(yī)療機(jī)構(gòu)317例頭顱3D-TOF MRA圖像資料.

1.2 合作單位與設(shè)備

本研究由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院與涉及我國東北、華東、華南、華北、西北以及西南6個地區(qū)的14個省及直轄市25家不同級別醫(yī)療單位合作完成,項目啟動前均與各合作單位簽訂科研項目合作協(xié)議.選取的MRI設(shè)備基于"覆蓋不同區(qū)域、不同級別醫(yī)療單位、國內(nèi)外品牌代表產(chǎn)品、使用年限不同、具有一定市場占有率"四大原則,最終確定西門子、飛利浦、GE、聯(lián)影、朗潤和奧泰共6個國內(nèi)外品牌、1.5T和3.0T兩種不同場強(qiáng)的9種機(jī)型磁共振設(shè)備.

1.3 掃描方案與圖像采集和數(shù)據(jù)處理

(1)掃描方案.基于美國放射學(xué)會(American College of Radiology,ACR)2013年頒布的MRI圖像質(zhì)量認(rèn)證指南[5]并結(jié)合我國MRI臨床掃描實際情況,召集專家組對該指南進(jìn)行優(yōu)化及整理.對頭顱3D-T0F MRA檢查的必需序列、脈沖序列和圖像對比度、掃描范圍及成像平面和空間分辨率4項指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一化規(guī)范.①必需序列:最長檢查時間≤20 min,3D-TOF橫斷面圖像,重建血管造影圖像;②脈沖序列和圖像對比度:動脈與背景組織必須對比良好,靜脈必須僅輕度或無強(qiáng)化,動脈信號一致;③掃描范圍及成像平面:需包含的解剖結(jié)構(gòu)和所需影像平面,必須包括整個頸內(nèi)動脈虹吸段M1和A1段、大腦中動脈三支分叉和M2分支、小腦后下動脈(posterior inferior cerebellar artery,PICA)、PICA發(fā)出水平的椎動脈、基底動脈及大腦后動脈P1和P2段;④空間分辨率:層厚≤1.5 mm,平面像素(讀取)≤0.9 mm,平面像素(相位)≤0.9 mm,體素量≤1.2 mm3.

(2)圖像采集.所有上傳圖像需包含部分患者基本信息及掃描參數(shù),該規(guī)范對掃描時應(yīng)用的線圈類別、序列種類以及序列參數(shù)均不做硬性要求,僅提供指導(dǎo)性意見,目的是保證不同診療機(jī)構(gòu)能夠在滿足規(guī)范要求的前提下盡量發(fā)揮出所用設(shè)備的性能.

(3)圖像數(shù)據(jù)處理.各合作單位在臨床中根據(jù)以上要求進(jìn)行頭顱3D-TOF MRA掃描:必需序列包括3D-TOF源圖像和血管重建圖像,并通過銳達(dá)網(wǎng)絡(luò)平臺?、百度云盤?或光盤等形式上傳醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)格式圖像至上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行統(tǒng)一分析.

1.4 圖像整理及數(shù)據(jù)排除與質(zhì)量評價

(1)圖像整理.將各合作單位上傳圖像匯總至銳達(dá)醫(yī)療?"醫(yī)用磁共振圖像質(zhì)量評價"平臺進(jìn)行統(tǒng)一圖像評價.所有圖像均生成隨機(jī)序列號并隱藏醫(yī)療單位名稱、掃描設(shè)備信息、患者個人信息,僅保留掃描序列名稱及部分掃描參數(shù),包括重復(fù)時間(repetition time,TR)、回波時間(echo time,TE)、成像野(field of view,FOV)、像素、層厚以及層間距.

(2)圖像質(zhì)量評價.由2名具有5年以上影像診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師根據(jù)ACR指南采用雙人盲態(tài)評價方式分別對研究期間抽取的每例掃描圖像進(jìn)行打分.評價內(nèi)容包括4項指標(biāo),對4項指標(biāo)中"脈沖序列和圖像對比"指標(biāo)依據(jù)李克特量表(Likert Scale)5分法對圖像質(zhì)量進(jìn)行分級[5]:①5分,圖像質(zhì)量優(yōu)秀,可用于診斷,非常滿意;②4分,圖像質(zhì)量良好,可用于診斷,滿意;③3分,圖像質(zhì)量有瑕疵,不影響診斷,一般;④2分,圖像質(zhì)量欠佳,影響診斷,欠滿意;⑤1分,圖像質(zhì)量差,不能診斷,不滿意.將2名醫(yī)師的分別評分結(jié)果均值作為最終結(jié)果進(jìn)行后續(xù)分析.對4項指標(biāo)中"必需序列、掃描范圍及成像平面、空間分辨率"3個指標(biāo)進(jìn)行是否符合要求的評價.

(3)圖像數(shù)據(jù)排除標(biāo)準(zhǔn).數(shù)據(jù)排除包括:①掃描部位不符合要求;②必需序列缺失;③必需序列的總采集時間超過本規(guī)范所載最大采集時間;④掃描范圍及成像平面不符合要求;⑤空間分辨率不符合要求;⑥掃描設(shè)備型號與入組設(shè)備型號不符;⑦所需患者基本信息或掃描參數(shù)缺失;⑧圖像質(zhì)量極差,無法進(jìn)行評估、分析;⑨上傳圖像為非DICOM格式圖像.

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析.用K-S檢驗(Kolmogorov-Smirnov test)對計量資料進(jìn)行正態(tài)分布檢驗;非正態(tài)分布的計量資料用中位數(shù)(四分位數(shù))及均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s))表示,計數(shù)資料用個數(shù)百分比(%)表示.多組資料數(shù)據(jù)間比較采用單因素非參數(shù)Kruskal-Wallis H檢驗,Nemenyi檢驗用于兩兩組間比較,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義.

2 結(jié)果

2.1 有效病例資料

根據(jù)排除標(biāo)準(zhǔn)對317例頭顱3D-TOF MRA圖像資料進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選后,排除數(shù)據(jù)包括32例"掃描范圍"未包括"小腦后下動脈(PICA)和PICA水平椎動脈"及25例系圖像傳輸及其他原因所致"3D-TOF橫斷面圖像或重建血管造影圖像缺失"的圖像資料,最終納入260例有效頭顱3D-TOF MRA圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.有效數(shù)據(jù)分布于6種品牌、9種型號MRI設(shè)備,其中包括國產(chǎn)設(shè)備樣本64例,進(jìn)口設(shè)備樣本196例;1.5T設(shè)備樣本114例,3.0T設(shè)備樣本146例;其分布見圖1.

圖1 不同品牌及機(jī)型MRI設(shè)備頭顱3D-TOF MRA病例資料分布

2.2 兩種場強(qiáng)MRI設(shè)備圖像質(zhì)量比較

(1)根據(jù)MRI設(shè)備1.5T及3.0T場強(qiáng),將所有樣本對不同場強(qiáng)MRI設(shè)備3D-TOF MRA圖像"脈沖序列和圖像對比"5項評分指標(biāo),兩種場強(qiáng)分別進(jìn)行統(tǒng)計描述及對比.其中所有樣本3D-TOF橫斷面圖像及血管重建圖像中"靜脈僅輕度或無強(qiáng)化"指標(biāo)李克特評分均為5分,差異無統(tǒng)計學(xué)意義.

(2)1.5T場強(qiáng)樣本的3D-TOF橫斷面圖像動脈與背景組織對比良好、動脈信號一致和血管重建圖像動脈信號一致3項指標(biāo)分別為(4.82±0.38)分、(4.96±0.21)分和(4.35±0.73)分;3.0T場強(qiáng)樣本分別為(4.99±0.08)分、(4.99±0.07)分和(4.55±0.59)分;3.0T樣本優(yōu)于1.5T樣本,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(Z=-4.356,Z=-1.968,Z=-2.391;P<0.05),見表1.

表1 兩種場強(qiáng)MRI設(shè)備3D-TOF MRA脈沖序列與圖像對比指標(biāo)比較(分,±s)

表1 兩種場強(qiáng)MRI設(shè)備3D-TOF MRA脈沖序列與圖像對比指標(biāo)比較(分,±s)

場強(qiáng) 病例數(shù) 3D-TOF橫斷面圖像 血管重建圖像動脈與背景組織對比良好 靜脈僅輕度或無強(qiáng)化 動脈信號一致 動脈信號一致 靜脈僅輕度或無強(qiáng)化1.5T 114 4.82±0.38 5.00±0.00 4.96±0.21 4.35±0.73 5.00±0.00 3.0T 146 4.99±0.08 5.00±0.00 4.99±0.07 4.55±0.59 5.00±0.00 Z值 -4.356 - -1.968 -2.391 -P值 <0.001 - 0.049 0.017 -

2.3 兩種場強(qiáng)不同品牌MRI設(shè)備脈沖序列和圖像對比

(1)1.5T場強(qiáng).在1.5T場強(qiáng)樣本中,3D-TOF橫斷面圖像的動脈與背景組織對比良好指標(biāo)和血管重建圖像的動脈信號一致指標(biāo)(見表2),4種機(jī)型比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(x2=75.082,x2=27.755;P<0.05),3D-TOF源圖像"動脈信號一致"指標(biāo)4種機(jī)型組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(x2=4.354,P>0.05).

表2 1.5T場強(qiáng)不同品牌MRI設(shè)備3D-TOF MRA脈沖序列和圖像對比(分,±s)

表2 1.5T場強(qiáng)不同品牌MRI設(shè)備3D-TOF MRA脈沖序列和圖像對比(分,±s)

注:①表中"-"為數(shù)據(jù)未做統(tǒng)計學(xué)分析;②兩兩比較,3D-TOF橫斷面圖像"動脈與背景組織對比良好":聯(lián)影uMR 560、奧泰Centauri/Echo Star與GE HDx組間對比有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05),與西門子MAGNETOM Avanto組間對比無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05);③血管重建圖像"動脈信號一致":聯(lián)影uMR 560與GE HDx、西門子MAGNETOM Avanto組間對比無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05),奧泰Centauri/ Echo Star與西門子MAGNETOM Avanto組間對比有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05),與GE HDx組間對比無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)

品牌 病例數(shù) 3D-TOF橫斷面圖像 血管重建圖像動脈與背景組織對比良好 靜脈僅輕度或無強(qiáng)化 動脈信號一致 動脈信號一致靜脈僅輕度或無強(qiáng)化西門子MAGNETOM Avanto 38 4.97±0.16 5.00±0.00 4.92±0.27 4.05±0.57 5.00±0.00聯(lián)影uMR 560 22 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 4.55±1.10 5.00±0.00奧泰Centauri/ Echo Star 24 5.00±0.00 5.00±0.00 4.92±0.28 4.58±0.58 5.00±0.00 GE HDx 25 4.24±0.44 5.00±0.00 5.00±0.00 4.28±0.54 5.00±0.00 x2值 75.082 - 4.354 27.755 -P值 <0.001 - 0.36 <0.001 -

(2)3.0T場強(qiáng).在3.0T場強(qiáng)樣本中,3D-TOF橫斷面圖像"動脈與背景組織對比良好"指標(biāo)和血管重建圖像"動脈信號一致"指標(biāo),4種機(jī)型比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(x2=23.083,x2=12.909;P<0.05),3D-TOF橫斷面圖像"動脈信號一致"指標(biāo)4種機(jī)型組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(x2=0.505,P>0.05),見表3.

表3 3.0T場強(qiáng)不同品牌MRI設(shè)備3D-TOF MRA脈沖序列和圖像對比指標(biāo)組間對比(分,±s))

表3 3.0T場強(qiáng)不同品牌MRI設(shè)備3D-TOF MRA脈沖序列和圖像對比指標(biāo)組間對比(分,±s))

注:①表中"-"為數(shù)據(jù)未做統(tǒng)計學(xué)分析;②組內(nèi)兩兩比較,3D-TOF 橫斷面圖像"動脈與背景組織對比良好"聯(lián)影uMR770與GE HDxt組間對比有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05),與西門子MAGNETOM Verio、飛利浦Ingenia組間對比無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05).血管重建圖像"動脈信號一致":聯(lián)影uMR 770與GE HDxt、西門子MAGNETOM Verio、飛利浦Ingenia組間對比均有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)

品牌 病例數(shù) 3D-TOF橫斷面圖像 血管重建圖像動脈與背景組織對比良好 靜脈僅輕度或無強(qiáng)化 動脈信號一致 動脈信號一致靜脈僅輕度或無強(qiáng)化西門子MAGNETOM Verio 97 5.00±0.00 5.00±0.00 4.99±0.10 4.55±0.58 5.00±0.00聯(lián)影uMR 770 13 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00飛利浦Ingenia 19 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 4.26±0.65 5.00±0.00 GE HDxt 17 4.82±0.39 5.00±0.00 5.00±0.00 4.53±0.62 5.00±0.00 x2值 23.083 - 0.505 12.909 -P值 <0.001 - 0.92 <0.005 -

2.4 3.0T場強(qiáng)4種機(jī)型影像學(xué)表現(xiàn)

(1)橫斷面圖像.3.0T飛利浦Ingenia、西門子MAGNETOM Verio、GE HDxt和聯(lián)影uMR770的4種機(jī)型患者頭顱3D-TOF MRA橫斷面圖像見圖2.

圖2 頭顱3D-TOF MRA橫斷面圖像

(2)血管重建圖像.3.0T飛利浦Ingenia、西門子MAGNETOM Verio、GE HDxt和聯(lián)影uMR 770的4種機(jī)型患者頭顱3D-TOF MRA血管重建圖像見圖3.

圖3 頭顱3D-TOF MRA血管重建圖像

3 討論

MRI技術(shù)與成像系統(tǒng)的臨床質(zhì)量控制是通過各種技術(shù)檢測以保證每臺設(shè)備儀器最優(yōu)性能運行,發(fā)揮設(shè)備的最大效能,確保臨床獲得高質(zhì)量的診斷圖像,使圖像質(zhì)量符合診斷標(biāo)準(zhǔn),保障每一個受檢者的生命安全[6].其中,圖像質(zhì)量控制(quality control,QC)是臨床影像診斷的先決條件.國際上對MRI設(shè)備評價主要包括產(chǎn)品注冊、出廠階段的指標(biāo)檢測和臨床圖像質(zhì)量控制兩個方面[7].然而,我國目前對MRI設(shè)備評價主要集中在產(chǎn)品注冊和出廠階段,對實踐過程中的臨床圖像質(zhì)量評價尚缺乏科學(xué)、統(tǒng)一及可實踐的評價標(biāo)準(zhǔn).

本研究牽頭與全國24個省的70余家不同級別的醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作開展的"醫(yī)用磁共振臨床功能評價項目"子內(nèi)容,旨在以頭顱3D-TOF MRA成像為切入點,對不同品牌及型號的醫(yī)用MRI設(shè)備所采集的頭顱MRA 3D-TOF橫斷面圖像及血管重建圖像進(jìn)行臨床圖像質(zhì)量綜合評價及結(jié)果對比.

3.1 圖像掃描規(guī)范

本研究初期共收集到317例頭顱3D-TOF MRA圖像資料,按照2013年ACR MRI圖像質(zhì)量認(rèn)證指南頭顱MRA掃描范圍及成像平面統(tǒng)一化規(guī)范,其中因掃描范圍未包括"小腦后下動脈(posterior inferior cerebellar artery,PICA)和PICA水平椎動脈",排除數(shù)據(jù)32例,約占總數(shù)據(jù)的10.1%(32/317).該數(shù)據(jù)顯示臨床圖像質(zhì)量控制除了關(guān)注成像技術(shù)及成像系統(tǒng)的質(zhì)量控制之外,放射科工作者的掃描規(guī)范也同樣在臨床質(zhì)量控制中起重要作用.

3.2 臨床圖像質(zhì)量綜合評價

本研究對比了1.5T與3.0T醫(yī)用MRI設(shè)備在頭顱3D-TOF MRA成像中的臨床圖像質(zhì)量,數(shù)據(jù)顯示在3D-TOF橫斷面圖像"動脈與背景組織對比良好"、"動脈信號一致"與血管重建圖像"動脈信號一致"的3項圖像質(zhì)量評價指標(biāo)中,3.0T樣本明顯優(yōu)于1.5T樣本.

本研究結(jié)果與此前國內(nèi)外諸多研究報道相一致,3.0T的MRI擁有更高的圖像信噪比、在TOF血管成像中圖像質(zhì)量明顯高于1.5T[9-12].而在1.5T與3.0T樣本中,國內(nèi)外不同品牌設(shè)備對比研究中顯示:1.5T樣本的4種機(jī)型3D-TOF橫斷面圖像"動脈與背景組織對比良好",聯(lián)影uMR560、奧泰Centauri/Echo Star優(yōu)于GE HDx有統(tǒng)計學(xué)差異,與西門子MAGNETOM Avanto對比無統(tǒng)計學(xué)差異.血管重建圖像"動脈信號一致":聯(lián)影uMR560與GE HDx、西門子MAGNETOM Avanto組間對比無統(tǒng)計學(xué)差異.在3.0T樣本的3D-TOF橫斷面"動脈與背景組織對比良好":聯(lián)影uMR 770優(yōu)于GE HDxt有統(tǒng)計學(xué)差異,但與西門子MAGNETOM Verio、飛利浦Ingenia對比無統(tǒng)計學(xué)差異.血管重建圖像"動脈信號一致":聯(lián)影uMR 770優(yōu)于GE HDxt、西門子MAGNETOM Verio及飛利浦Ingenia有統(tǒng)計學(xué)差異.數(shù)據(jù)顯示,國產(chǎn)MRI設(shè)備在頭顱3D-TOF MRA成像中圖像質(zhì)量不低于進(jìn)口MRI設(shè)備,且部分圖像評價指標(biāo)有所優(yōu)化.其可能的原因還在于,部分國產(chǎn)MRI設(shè)備較新,且不斷有技術(shù)上的突破,而部分進(jìn)口MRI設(shè)備的使用年限較長,且在設(shè)置序列方面裝機(jī)使用的國產(chǎn)MRI設(shè)備相較過去引進(jìn)的進(jìn)口MRI設(shè)備具有一定的優(yōu)勢.但國產(chǎn)MRI設(shè)備由于人力成本、運輸成本相對低廉,價格上具有明顯競爭力,在能保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上,顯示了我國國產(chǎn)MRI設(shè)備極大的發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬癧13].

3.3 本研究的局限性

目前國內(nèi)外醫(yī)用磁共振臨床圖像質(zhì)量系統(tǒng)評價方面尚存空白,本研究首次基于全國不同地區(qū)、不同級別醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床應(yīng)用的不同品牌及機(jī)型MRI設(shè)備的臨床圖像質(zhì)量橫向評價研究.基于國內(nèi)外認(rèn)可的ACR指南,并根據(jù)我國實際情況對評價體系進(jìn)行了完善、修改,更貼近我國實際情況進(jìn)行臨床圖像質(zhì)量評價.基于頭顱3D-TOF MRA成像為切入點,大幅度避免了呼吸、運動、血管搏動等MRI成像偽影給圖像質(zhì)量評價帶來的影響.

本研究尚有不足之處:①研究涉及MRI設(shè)備國內(nèi)外機(jī)型尚不夠全面,部分機(jī)器型號因采集樣本量較少未納入分析統(tǒng)計;②各機(jī)型數(shù)據(jù)分布不均,數(shù)據(jù)分析可能存在一定偏倚;③本研究主要使用李克特5級主觀評分法,尚未納入客觀評價指標(biāo).

4 結(jié)語

在頭顱3D-TOF MRA成像中,3.0T的MRI設(shè)備臨床圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于1.5T設(shè)備,而相同場強(qiáng)下聯(lián)影、奧泰等國產(chǎn)醫(yī)用MRI設(shè)備臨床圖像質(zhì)量不低于國外進(jìn)口品牌,部分指標(biāo)優(yōu)于國外進(jìn)口品牌.