壓縮感知不同加速因子對肝臟3D-mDixon序列成像質量的影響

王詩瑜，劉愛連，王家正，宋清偉，肖曉嘯，王楠，高冰冰

磁共振成像是臨床常用的影像學檢查方法，具有多參數、多序列、多方位成像和軟組織分辨率高等特點，在肝臟疾病的診斷中具有不可替代的優勢。肝臟3D mDixon序列掃描效率高，一次掃描可獲得4種對比度圖像(同相位、反相位、水相、脂相)，且脂肪抑制效果穩定，但亦有一定的缺點，包括掃描時間長及對運動較敏感，肝臟位于膈肌下方易受呼吸偽影影響，并且鄰近腸道，腸蠕動偽影也會對其產生一定影響，因此如何提高肝臟3D mDixon序列掃描成功率至關重要。

壓縮感知(compressed sensing, CS)技術是基于應用數學的一種創新性的信號采集和處理的前沿技術，可以顯著提升磁共振掃描速度和空間分辨率。在k空間欠采樣情況下，利用信號處理的優化算法，得到MR圖像[1]，與常規方法比較可縮短信號采集時間，此技術近年來已成為MR技術領域的研究熱點[2]。國外已有CS在MR成像中的應用報道，如對比增強MRA、心臟電影成像等[3-4]，國內有學者將其應用于肝臟多動脈期(16倍加速連續獲得8期相圖像，其中1～4期為動脈早、中期，5～8期為動脈晚期)增強掃描[5]。目前研究者在各個領域開展了CS相關實驗和臨床研究，結果不盡相同，共同的觀點是在開展CS的臨床應用之前，必須在不同的臨床場景下進行測試，以驗證其可行性及診斷效能。目前國內關于CS臨床研究的報道尚少，本研究擬探討壓縮感知技術的不同加速因子對肝臟3D mDixon序列圖像質量的影響。

材料與方法

1.一般材料

于我院招募10例健康志愿者進行肝臟磁共振掃描。其中，男4例，女6例；年齡22～34歲，平均(25±4)歲；體質指數(20.7±2.5)kg/m2。排除標準：a)肝臟局灶性或彌漫性病變者；b)檢查過程中呼吸配合不佳，影響數據測量者。

2.MRI檢查方法

使用Philips Ingenia CX 3.0T磁共振掃描儀和16通道腹部專用表面線圈。各受檢者明確無MRI檢查禁忌證，檢查前4 h禁食，以減少胃內容物對肝左葉信號的影響。受檢者取仰臥位、頭先進、雙手自然下垂置于身體兩側，人體正中矢狀面與檢查床中線重合，定位于劍突所在平面。對受檢者進行呼吸訓練，于深呼氣末屏氣，同時加戴呼吸門控監測受檢者呼吸情況。采用3D mDixon序列對每例被試行肝臟MRI掃描，設計6組掃描方案(A～F)，分別使用SENSE2(S2)和加速因子2～6的CS技術(記為CS2～CS6)，掃描時間分別為20.5、18.7、12.9、10.0、8.5和7.1 s。各組間除加速因子外其它掃描參數的設置保持一致，掃描參數：TR 3.40 ms，TE 1.05 ms，翻轉角15°，視野400 mm×320 mm×160 mm，矩陣184×136，層數80，層厚4.0 mm，層間距-2.0 mm，信號平均次數1，體素大小1.64 mm×1.56 mm×4.00 mm。

3.圖像分析和數據測量

將圖像傳至飛利浦后處理工作站(IntelliSpace Portal，ISP)，由兩位醫師(均具有5年以上腹部MRI診斷經驗)獨立進行ROI的選取和參數值的測量。在各序列圖像中均選取第一肝門水平(保證測量ROI在同一層面)，分別在肝臟的左外葉、左內葉、右前葉和右后葉內勾畫長橢圓形ROI，其長軸方向與肝內膽管走向一致，大小約200 mm2，距離肝包膜約1 cm, 注意避開血管和膽管；在相同層面同一相位方向于右側豎脊肌內勾畫ROI，大小約90 mm2，注意避開脂肪間隙。分別測量肝臟和豎脊肌的信號強度(signal intensity,SI)和標準差(standard deviation,SD)，所測數據分別取均值。按照公式(1)和(2)計算肝臟各葉的信噪比(signal to noise ratio,SNR)和對比噪聲比(contrast to noise ratio,CNR)：

(1)

(2)

由兩位觀察者分別從影像整體質量、脂肪抑制效果、偽影、肝臟邊緣的銳利度和血管清晰度等方面對6組圖像進行評分(表1)，采用5級評分，≥3分為滿足診斷需求。

表1 圖像質量主觀評價標準

4.統計分析

使用SPSS 22.0統計軟件進行數據分析。對兩位觀察者所測數據及主觀評分的一致性采用組內相關系數(intraclass correlation coefficient,ICC)進行檢驗，ICC<0.40為一致性差，0.40～0.75為一致性一般，>0.75為一致性良好。若一致性良好，選擇高年資醫師的測量數據進行后續統計學分析。計量資料采用均數±標準差的形式表示。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗對兩位觀察者測量數據及圖像質量主觀評分進行正態性檢驗。符合正態分布的數據采用單因素方差分析，并以LSD法進行組間兩兩比較；非正態分布的數據采用Kruskal-WallisH檢驗，進行6組間總體差異的分析及組間兩兩比較。以P<0.05為差異具有統計學意義。

結 果

1.一致性分析

兩位觀察者對肝臟SI的測量值及一致性分析見表2。結果顯示，兩位醫師對肝臟SI及SD的測量結果的ICC均為良好(ICC分別為0.993～0.996和 0.958～0.992)。兩位觀察者對圖像質量主觀評分的一致性檢驗結果見表3。本組結果顯示，兩位觀察者對圖像質量主觀評分的一致性較好，ICC為0.789～0.899。

表2 兩位醫師對肝臟SI測量結果的一致性分析

表3 主觀評分及一致性檢驗(n=10)

2.各組間圖像質量的比較

6個序列圖像上圖像質量主觀評分和定量指標測量結果見表4和圖1。6組間肝臟SD、SNR和主觀評分的差異均有統計學意義(P<0.05)，而CNR的差異無統計學意義(P>0.05)。

表4 六組的肝臟SD、SNR和CNR及其比較

進一步對各組的SD、SNR和主觀評分進行組間兩兩比較，P值見表5。結果顯示CS2～CS5序列的肝臟SD值均小于SENSE 2和CS 6序列(P<0.05)；SENSE2及CS2～CS4序列各組間SNR的差異均無統計學意義(P>0.05)； CS5和CS6序列的SNR較CS2～CS5序列顯著下降(P<0.05)。用兩名觀察者主觀評分的均值進行各組間的比較，結果顯示SENSE2及CS2～CS4序列的主觀評分高于CS5和CS6序列(P<0.05)。

表5 LSD法進行6組間兩兩比較的P值

3.各組間掃描時間的比較

上腹部3D mDixon序列掃描CS2～CS6序列的掃描時間分別為20.5、18.7、12.9、10.0、8.5和7.1s，即隨著加速因子的增加掃描時間逐漸減少。相較于SENSE2序列20.5s的掃描時間，CS4序列的掃描時間僅為10.0s，降低了51.22%。

討 論

MRI作為一種無輻射風險、組織分辨力高的成像方法，在腹部的應用越來越廣泛，除了反映形態學和血供改變以外，各種功能MR成像技術是量化反映疾病特征的新方法，為腹部疾病診斷和鑒別提供重要的補充信息。但是腹部MRI檢查對患者要求較高，在T1WI和動態增強過程中需要患者屏氣，有些心肺疾病或者年紀大的患者不能配合進行較長時間的屏氣，圖像質量易受呼吸頻率及幅度的影響。mDixon技術是改進的水脂分離技術，可以在一次掃描中獲得同相、反相、水相和脂肪相圖像，其中水相的脂肪抑制效果更均勻，壓脂成功率更高。另外，此技術聯合不同的加速因子可不同程度提高采集速度，應用于肝臟等器官的屏氣掃描。因此如何選擇加速因子，減少掃描時間，提高掃描功率及圖像質量尤為重要。

在壓縮感知技術出現之前，臨床上多使用并行采集技術，能在一定程度上加快掃描速度、抑制運動偽影，但此技術是以犧牲圖像信噪比或空間分辨力為代價的，因此稱不上完美解決方案[6]，而且此技術的一大劣勢在于加速因子越大，圖像信噪比越低，且容易產生卷褶偽影，不能在一次屏氣過程中得到理想質量的圖像。

壓縮感知理論由菲爾茨獎獲得者陶哲軒和兩位美國科學院院士Emmanuel Candes及David Donoho聯合提出，被譽為 21 世紀數學領域最重大的突破之一。壓縮感知理論近年來在MRI領域的應用逐漸成為研究熱點。通過數字化稀疏采樣后進行小波變換，在希爾伯特空間(H空間)上離散降噪后進行小波逆變換[7]。運用此項技術成像不僅具有出色的時間分辨率優勢，同時具有滿意的空間分辨率。近年來已經有了一些對CS序列的圖像質量和診斷效果的進行分析的相關研究[8-12]。CS序列可實現單次屏氣全心周期實時電影成像，在心臟及大血管的磁共振成像方面也有所應用[13-15]。CS快速MRI技術能顯著縮短掃描時間，受檢者更易配合檢查，減少了運動偽影。CS技術的應用意味著當今的臨床工作流程也將發生轉變，從傳統的耗時、特定的采集向連續容積采集轉變，且此項技術有靈活的重建能力，可根據臨床和科研需求進行回顧性重建[6]。但是需要指出的是，雖然使用CS技術可以顯著提高掃描速度，但是隨著加速因子的增加，圖像的信噪比也會有所降低，因此如何在保證圖像質量的前提下，選擇合適的加速因子是臨床中首要關注的問題。

本研究中采用的肝臟3D mDixon序列正是使用的CS技術，根據加速原理，加速因子越高則SNR越低，但是在測量數據過程中發現，CS2～CS4的圖像上肝臟的信號強度依次降低，但在CS5和CS6序列上又逐漸增加，隨著加速因子增加至4，圖像SNR及CNR逐漸增高。分析原因為隨著加速因子的增加，可逐漸縮短掃描時間，志愿者檢查過程中更容易耐受檢查，故圖像質量逐步提高；但當加速因子超過5時，圖像噪聲增加，SNR及CNR明顯下降，分析原因為加速因子過高導致采樣不足，因此圖像質量下降。

本研究存在不足之處：本研究僅納入健康志愿者，在后續研究中需要納入肝臟病變(如腫瘤)患者，以驗證壓縮感知技術是否對病變的檢出產生影響。

綜上所述，壓縮感知技術作為新一代快速磁共振成像方法，有利于減少呼吸偽影。在臨床實踐中推薦使用加速因子4的CS 3D mDixon序列行肝臟掃描，在保證圖像質量滿足臨床診斷需要的前提下，能夠提高掃描速度，顯著提高MR檢查的成功率。