磁共振壓縮感知技術在腫瘤影像檢查中應用

郭效賓，柯騰飛，劉一帆，保莎莎，李志林，廖承德

磁共振成像是現代醫學成像技術的重要組成部分，與其它醫學影像成像技術(X線、超聲、CT和PET等)相比具有組織對比度好、無電離輻射、多參數成像等優點，且擁有多種成像技術，可用于分析人體組織成分、了解血流及代謝情況，在腫瘤的早期診斷、定性和定量分析及療效評估中具有重要價值。但MRI檢查時間較長，部分患者難以耐受，容易因身體發生移動而產生明顯的運動偽影；在臨床檢查量日益增長的情況下，無論是醫師還是患者都需要具有創新性的加速成像技術。2006年Candes等[1]提出了壓縮感知(compressed sensing，CS)理論，構建出一種新的磁共振信號采集和圖像重建方法。CS技術通過有選擇性地采集K空間內少量重要數據，縮短信號采集時間，減少計算量；同時，采用更新的算法實現原始信號的重構，保證重建圖像的質量[2]。結合壓縮感知技術后，可極大地提高大多數MRI序列的掃描速度，且不犧牲醫學影像質量。本文將對壓縮感知的基本原理及其在腫瘤領域的應用進展予以分析和回顧。

壓縮感知技術的原理及理論

磁共振成像是利用射頻脈沖對置于靜磁場中的物質進行激發、產生氫原子共振，借助接收線圈獲取弛豫信號；并且通過梯度磁場對共振信號進行空間定位編碼，將數據填充到K空間并通過傅里葉變換重建形成磁共振圖像。以往主要借助磁場強度提升和優化K空間采集來提高成像速度。從起初的0.2T到當前臨床普遍使用的1.5T和3.0T設備，過高場強設備不僅昂貴且可能會刺激檢查者的周圍神經引起不適，而磁場強度的提升已經接近臨床使用的極限?？焖俪上裥蛄型ㄟ^提高信號采集的速度來縮短掃描時間，但因受到設備硬件的制約，進一步提升的空間十分有限。

傳統MRI過程中為了保證圖像質量信號采集需符合奈奎斯特采樣率條件，即采樣率至少是信號最大頻率的兩倍，在通過傅里葉轉換重建圖像數據的過程中，需要K空間的信號數等于圖像的像素。這樣的數字信號采集不僅耗時長、數據量大、對存儲要求高，而且會有大量冗余信號被丟棄。壓縮感知技術，可以利用信號的稀疏特性來突破奈奎斯特采樣率條件，從隨機采樣獲取信號的離散樣本，并用非線性迭代算法重建圖像，磁共振設備采集的數據又天然符合壓縮感知對數據稀疏性的要求[3]，兩者結合而產生磁共振壓縮感知技術是從圖像采集與生成途徑入手，利用磁共振信號的特性，大幅減少需要采集的數據，進而減少掃描時間。2007年Lustig等[3]首次將壓縮感知理論應用于磁共振成像，通過低于奈奎斯特定理的隨機采樣，重建恢復出原始信號，顯著縮短掃描時間并提高MR圖像的分辨率，在仿真測試中12倍加速度的條件下，仍然可以得到精確的重建圖像。

壓縮感知技術在腫瘤影像檢查中的應用

根據國際癌癥研究機構最新數據[4]，肺癌是發病率(占癌癥總病例數的11.6%)和致死率(占癌癥總死亡人數的18.4%)最高的惡性腫瘤，緊隨其后的是乳腺癌(11.6%)、前列腺癌(7.1%)、結直腸癌(6.1%)、大腸癌(9.2%)、胃癌(8.2%)和肝癌(8.2%)。在乳腺癌、肝癌和前列腺癌的影像診斷中，MRI的敏感性、疾病檢出率及診斷符合率均高于CT[5-7]。但臨床工作中磁共振檢查因掃描時間長、易受呼吸心跳等活動影響，一定程度上限制了其臨床應用。壓縮感知技術對MRI的加速效應改變了這一狀況，降低了掃描時間，促進了磁共振檢查在腫瘤影像檢查中的應用。

1.CS技術結合動態增強MRI的應用

動態對比增強磁共振成像(dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI)通過動態測量注射順磁性對比劑后的信號強度變化，提供有關腫瘤灌注及滲透性的關鍵信息，需要高時間和空間分辨率才能獲得精確和可重復的腫瘤灌注數據。然而，傳統數據采集方法限制了DCE-MRI同時獲得較高的時間和空間分辨率。使用壓縮感知技術后能大幅減少掃描時間，可在不犧牲空間分辨率的前提下獲得較高時間分辨率，使DCE-MRI對腫瘤檢測更敏感、診斷更明確。目前在乳腺癌、前列腺癌、肝癌及垂體腫瘤中均有基于壓縮感知技術的DCE-MRI研究報道[8-11]。

DCE-MRI是乳腺癌重要的檢查技術，對小病灶和非鈣化病灶的檢出率優于乳腺鉬靶和超聲[12]。MRI對乳腺良惡性腫瘤的鑒別主要依據對病灶形態學和動態曲線的評估，但是傳統的DCE-MRI因時間分辨率不足，一般無法區分乳腺較小的動脈和靜脈。在Onishi等[8]對25例女性乳腺疾病患者的研究中，惡性病灶的動脈和靜脈顯影時間間隔明顯短于良性者，使用基于壓縮感知技術的快速DCE-MRI能夠單獨識別乳腺動/靜脈，可以更好的鑒別乳腺良惡性腫瘤。在Benkert等[13]的研究中，對24例患者進行了雙側乳腺傳統的容積式插入法屏氣檢查(volumetric interpolated breath-hold examination,VIBE)序列和結合壓縮感知的壓脂快速采集弛豫增強(Dixon rapid acquisition relaxation enhanced,Dixon-RARE)序列掃描，后者比前者的時間分辨率更高、脂肪抑制改善、總體掃描時間縮短。Vreemann等的研究中[14]，30例女性在3.0T磁共振成像系統上使用CS-VIBE序列和普通VIBE-Dixon序列進行掃描和對比，結果顯示基于壓縮感知的VIBE序列可提高圖像的空間分辨率，并有利于生成多平面重建圖像。在對病變進行形態學評估時，使用壓縮感知序列可得到與普通VIBE-Dixon序列相似的圖像質量，但掃描時間縮短了18倍。

前列腺癌是全球男性發病率排名第二的惡性腫瘤，傳統診斷途徑包括血清前列腺特異性抗原和超聲引導下前列腺穿刺活檢，但即使穿刺活檢也可能會漏診約20%的患者，MRI提供了比其他方法更好的成像效果，提供了前列腺癌病灶分期、分級與精準定位等準確信息，其漏診率甚至低于超聲引導的前列腺癌活檢[15]。在Rosenkrantz等[9]的研究中，對比了20例前列腺癌患者的標準方法和基于壓縮感知的兩種DCE-MRI，后者在圖像質量、解剖細節的清晰度和病灶的顯著性等方面都比前者得到明顯的改善。Winkel等[16]的研究也證明壓縮感知技術提高了MR多參數成像的診斷效能。在壓縮感知技術的支持下，磁共振前列腺檢查的時間更短、診斷符合率更高、圖像質量更好且解剖細節更清晰。

肝癌是全球致死率極高的惡性腫瘤。肝癌的早期發現、及時治療可顯著提高患者的生存率，隨著磁共振功能成像技術的發展及臨床經驗的積累，提高了臨床對早期肝癌的診斷能力。與CT和超聲相比，MRI對肝癌的定性診斷具有很好的敏感性和特異性[17]。但由于腹部動態增強掃描時間長、患者不能配合長時間閉氣等問題，圖像中普遍存在難于克服的運動偽影。Yoon等[10]將壓縮感知技術應用于肝臟磁共振掃描，收集了51例呼吸衰竭高?；颊叩膱D像，由4位放射科醫師對掃描時間、運動偽影和圖像質量進行了評估，與傳統的閉氣法T1WI序列相比，采用CS技術的自由呼吸序列的平掃、增強后動脈期和門靜脈期圖像上運動偽影較少，圖像質量更高。Yoon等[18]對127例肝臟動態增強掃描的回顧性分析認為，采用CS技術可達到單次屏氣獲得最佳時間的雙動脈期成像，并可減少呼吸運動偽影。Chandarana等[19]的研究也證明，在自由呼吸期間，可以利用壓縮感知與其他技術結合來進行增強多期肝臟磁共振檢查，可以克服腹部和肝臟常規DCE-MRI的許多缺點，降低檢查失敗率。Shaikh等[20]認為，在常見情況下，呼吸運動影響了動脈多期圖像的獲取，通過壓縮感知技術可挽救圖像質量、減少運動偽影，從而降低了檢查失敗的可能性，節省了醫療成本，國內學者劉鍇等[21]的相關研究也得出了相似結論。因此，結合了CS技術的DCE-MRI序列，可被更廣泛的應用于難以制動的中老年或體弱患者中。

垂體位于血腦屏障之外，且解剖結構精細，動態增強序列可用于發現垂體微小病灶，被認為是檢查垂體病變的金標準，而以往的掃描需150～240s。但借助CS技術的DCE-MRI掃描序列，可獲得時間和空間分辨率均較高的垂體圖像，并減低對運動和血流的敏感性，改善了脂肪抑制效果[11]。

腫瘤血管生成在實體腫瘤的發生、發展、侵襲和轉移中起著關鍵作用，并顯著影響腫瘤的生物學行為和預后，腫瘤血管不僅提供腫瘤生長和轉運所需的營養物質，而且是腫瘤細胞轉移的通道。因此了解腫瘤內部的血供情況對其診斷及治療都提供極有價值的信息。已有許多研究者發現結合壓縮感知的動態增強序列可額外獲取灌注參數。如Chandarana等[22]采用基于壓縮感知的高時間分辨率的動態增強序列進行肝臟掃描，和傳統序列相比，無需注射額外的對比劑或增加掃描時間，即可在獲取高時間、空間分辨率形態學圖像的同時獲取灌注參數。這些指標對臨床各期肝硬化的改變尤為敏感，并滿足了在自由呼吸下采集數據，為肝臟MR成像提供了一種很有前途的新掃描模式。Chen等[23]對家兔進行的實驗也證實CS技術可以提高DCE-MRI的時間分辨率，在獲得高質量圖像的同時能獲取有效的腎臟灌注數據。Parikh等[24]在22例膀胱病變患者中利用CS技術進行磁共振泌尿系水成像和自由呼吸下的多期增強盆腔掃描，通過利用新型的“自由呼吸連續徑向采集”和“靈活的壓縮傳感重建”方法，實現了膀胱癌的高時間分辨率成像并同時獲取了灌注參數。上述結果表明，結合壓縮感知技術不需要額外注射對比劑或增加掃描時間，即可同時完成膀胱腫瘤的形態學及灌注成像檢查。

展望未來會有更多MRI技術(MRI獨有的肺灌注、動脈自旋標記、肺灌注定量、擴散加權成像技術等)與壓縮感知技術結合，使其應用更廣泛，將會為肺部腫瘤的定性、定量評價帶來新局面。

2.CS技術結合MRS的應用

磁共振波譜成像(MRS)以無創的方式測定活體組織的代謝物濃度，可用于鑒別良惡性腫瘤，為制訂治療方案提供有價值的信息。在Park等[25]對荷瘤大鼠MRS檢查，證實采用CS技術比以往的三維EPI MRS具有更高的空間分辨率，有助于無創性預測腫瘤的組織類型。

但由于MRS檢查時間長，尚未在腫瘤患者中普遍應用。Geethanath等[26]回顧性研究了6例健康志愿者、2例腦腫瘤(惡性膠質瘤)和2例前列腺癌患者的MRS數據，通過使用壓縮感知技術，可將采集時間減少到80%或更多，并且MRS信息的損失可忽略不計。Hu等[27]通過物理及動物實驗，利用超極化光譜中的稀疏性、結合壓縮感知技術，使MRS在保持代謝物峰比準確性的同時，提高了信噪比。

3.CS技術結合DTI的應用

DTI是高危神經外科手術前的核心檢查，是治療前手術計劃必備的磁共振檢查序列，但當遇到交叉纖維和復雜的纖維通道時，這種技術是有限的。擴散譜成像(diffusion spectrum imaging,DSI)是一種能夠分辨交叉光纖的高階擴散技術，這一高階技術已被證明在腦腫瘤存在的情況下，可改善白質纖維束成像的質量[28]。但由于DSI序列中需要的梯度方向數多，數據采集時間過長，容易導致患者無法耐受和檢查失敗。隨著CS技術的進步，有望通過它來減少掃描時間，彌補傳統DSI技術的缺陷。在Young等[29]對25例顱內腫瘤患者的CS-DSI和DTI對比研究中，對患者運動和語言束的顯示CS-DSI優于DTI，支持使用CS-DSI而不是DTI來評價受顱內占位影響的白質纖維。以上這些結果提示，CS-DSI能在縮短成像時間的同時獲得優于DTI的顯示效果，幫助神外科醫師更好地制定和完成手術計劃。

4.CS技術結合磁共振肺部快速成像的應用

肺癌是全球最常見的惡性腫瘤，目前肺癌篩查多采用X線或CT，但是X線和CT均有電離輻射。根據Sommer等[30]使用非增強磁共振檢查與低劑量CT進行的肺癌癥篩查和干預試驗，MRI由于對軟組織分辨率較高，對檢出肺部惡性結節比良性結節更敏感，可能成為肺癌早期篩查的一種選擇。然而，目前的磁共振肺部掃描多采用長時間屏氣的方法減少運動偽影，但多數病人難以完美屏氣，使磁共振肺癌篩查遠未普及。根據Wang等[31]的研究，利用壓縮感知技術與現有的并行采集技術結合，形成新的肺部快速成像序列，可以比預期整體成像加速20倍或更高，最終實現MRI肺癌篩查中的自由呼吸和無心電門控獲取。這將使無輻射肺癌篩查成為可能，降低大眾因X線輻射而造成的焦慮。

總結

腫瘤患者進行影像檢查時，往往因疼痛、屏氣困難、意識障礙等原因不易保持較長時間的靜止狀態，從而產生偽影，降低圖像質量。壓縮感知技術不但能解決這一問題，還可提高圖像質量和診斷準確性。對比以往需要較長掃描時間的MRS和DSI等序列，CS技術所帶來的優勢增加了這些技術的適用性，使腫瘤定性定量分析、術前計劃制定及術后評價更加精準，同時也降低了選擇電離輻射檢查給患者帶來的風險。然而壓縮感知技術并非萬能，其應用基于圖像信號中的稀疏性、不相干性與非線性迭代重建性，在較低稀疏性的普通2D形態像序列中并不能得到很高的加速倍數，與較為成熟的并行采集等技術相比優勢并不大，這將會引發序列的革新設計。另外，重建算法對壓縮感知技術尤為重要，臨床需要與底層算法的開發能否更好的結合，這些都尚未得到答案。目前的算法與序列設計仍需大量的臨床試驗去改進，針對不同組織器官選取不同的參數，并從中找到采集時間與圖像質量間的平衡點。時間將告訴我們壓縮感知技術會否從根本上改變MRI在腫瘤影像檢查中的應用。