同時多層成像技術在大腿肌肉磁共振應用價值研究

劉冬，王鳳丹，孔令燕，侯波，張燕，薛華丹，馮逢，金征宇

作者單位：中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院放射科，北京100730

MRI 檢查軟組織分辨率高，能夠清晰顯示骨骼肌肉系統的正常解剖結構和異常信號[1-2]，有較高的空間和組織分辨率，且可以多參數、多平面成像，對肌肉萎縮、壞死、水腫等病變可清晰顯示，已成為骨骼肌肉系統的一種重要檢查方法[3]。2D 梯度回波序列(turbo spin echo，TSE)是目前骨骼肌肉系統MRI 檢查臨床應用最廣泛的序列之一。脂肪抑制的梯度回波T2 加權成像已成為大腿肌肉成像檢查的常規序列。常規TSE序列采用中等回波鏈長度、較短的重復時間及有限的掃描長度，其單個序列的掃描時間仍較長，平均掃描時間約4～5 min。大腿肌肉掃描范圍大，所需的掃描時間較長，由于部分患者耐受力有限，長時間掃描導致的運動偽影將嚴重影響圖像質量。目前臨床上常用并行采集技術(parallel acquisition technique，PAT)，通過減少k 空間采樣密度的方式達到加快掃描速度的效果[4]，但這種技術減少了信號的采集，從而會導致信噪比(signal to noise ratio，SNR)的降低，獲得的圖像質量有一定的損失。因此，如何在不影響圖像質量的前提下，縮短掃描時間，對于大腿肌肉成像具有重要的意義。

同時多層(simultaneous multi-slice，SMS)加速技術是一種近年來研究較多的掃描加速技術。它可以在保證圖像質量前提下縮短掃描時間。SMS 采集技術通過同時激發、采集以及重建多層圖像，達到縮短重復時間、進而縮短掃描時間的效果[5-7]。為了區分同時采集的不同層面，在平行圖像中采用了可控混疊并行加速成像(controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration，CAIPIRINHA)技術，通過對每條相位編碼線采用不同的射頻脈沖的方法，對相位編碼線進行標記，在同時采集的層面中加入了一個層面內的圖像移位[8]。采用CAIPIRIHA技術的SMS加速技術避免了采集時信號的損失，因而能夠在加快掃描速度的同時，保持較高的信噪比[9]。目前，SMS 采集技術應用于DWI、DTI、fMRI以及關節TSE 等MRI 序列的研究均有報道[10-13]。這一技術能否用于大腿肌肉壓脂T2WI TSE 序列，提高其掃描速度，仍需進一步研究。

本研究的目的是，將SMS加速技術應用于大腿肌肉壓脂T2WI TSE序列成像，探究其在大腿肌肉磁共振掃描的可行性，并通過比較圖像信噪比來比較采用SMS加速技術的壓脂T2WI TSE序列與采用PAT采集技術的壓脂T2WI TSE序列間圖像質量及掃描時間的差異。

1 材料與方法

1.1 一般資料

前瞻性收集我院2016 年11 月至2017 年5 月間掃描的19 例志愿者及40 例臨床懷疑皮肌炎需進行大腿肌肉MRI 掃描的患者納入研究。本研究經北京協和醫院倫理委員會批準(批準文號JS-1537)，受試者均已簽署知情同意書。志愿者入選標準：(1)年齡16 歲以上；(2)無磁共振不兼容異物植入病史或嚴重幽閉恐懼癥等磁共振掃描禁忌證；(3)臨床上無大腿肌肉陽性體征及相關癥狀；(4)無神經肌肉相關疾病病史?；颊呷脒x標準：(1)年齡16 歲以上；(2)無磁共振不兼容異物植入病史或嚴重幽閉恐懼癥等磁共振掃描禁忌證；(3)臨床懷疑皮肌炎需進行大腿肌肉掃描。排除標準：大腿肌肉存在異常信號。掃描后，32 例大腿肌肉存在異常信號的懷疑皮肌炎患者被排除。因此本研究共納入27例大腿肌肉無異常信號的受試者。27 例受試者中，男9 例，女18 例，年齡17～65歲，平均(35±15)歲。

1.2 磁共振掃描方法

所有受試者均采用德國西門子Magnetom skyra 3.0 T 磁共振掃描儀(Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)進行大腿肌肉掃描，掃描采用8 通道體部線圈。每位受試者均先后進行軸位的采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE 掃描及采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE 掃描，掃描范圍為髖關節至膝關節。采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列的掃描參數為：TR 3820 ms，TE 115 ms，翻轉角180°，FOV 420 mm×420 mm，矩陣512，層厚5 mm，層間距0，層數56，相位編碼方向A-P，加速因子2，采集時間1 min 20 s。采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列的掃描參數為：TR 8150 ms，TE 120 ms，翻轉角180°，FOV 420 mm×420 mm，矩陣512，層厚5 mm，層間距0，層數56，相位編碼方向A-P，加速因子2，采集時間2 min 28 s。壓脂方法均采用精準頻率反轉恢復脂肪抑制技術。

1.3 圖像分析

將圖像傳輸到西門子MMWP 工作站(Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)，進行分析與測量。

客觀評價：分別測量每位受試者采用SMS采集技術的壓脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE序列的大腿肌肉信號強度(signal intensity，SI)及噪聲標準差(standard deviation，SD)。將ROI放置于右側股內側肌中部測量SI及SD，ROI大小1 cm2(圖1)，于鄰近的3 個層面測量3 次，取平均值。分別計算每位受試者采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE序列及采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列的大腿肌肉信噪比SC，SNR=SI/SD。

圖1 大腿肌肉信號強度及噪聲測量。A：在采用SMS 技術的壓脂T2WI TSE 序列上測量大腿肌肉信號強度及噪音；B：在采用PAT 技術的壓脂T2WI TSE序列上測量大腿肌肉信號強度及噪音Fig.1 Signal intensity (SI) and noise standard deviation (SD) of thigh muscle were measured. A: SI and SD of thigh muscle on image sequence with SMS technique; B. SI and SD of thigh muscle on image sequence with PAT technique.

主觀評價：由2 名具有5 年以上工作經驗的放射科醫師在不知曉受試者信息及圖像采集方法的情況下分別獨立對圖像進行評分。圖像噪聲和總體圖像質量評分采用5 分制法：1 分(極差)，圖像解剖結構完全模糊，噪聲極明顯，無法診斷；2分(差)，圖像部分解剖結構模糊，噪聲明顯，診斷困難；3分(中等)，圖像大部分解剖結構顯示可滿足診斷，噪聲可接受；4 分(良好)，圖像解剖結構尚清晰，噪聲稍大；5 分(優異)，圖像解剖結構清晰，邊緣銳利，無明顯噪聲[14]。3 分及以上符合臨床診斷需求。

1.4 統計學方法

采用SPSS 22.0 統計學軟件(IBM Corp，Armonk，NY，USA)進行統計分析。采用配對t 檢驗，比較采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE序列的大腿肌肉SD及SNR的差異，P＜0.05 時，認為存在統計學差異。采用Wilcoxon 符號秩檢驗對圖像主觀質量評分進行比較，分別比較每位觀察者對采用SMS采集技術的壓脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE序列圖像質量評分的差異，P＜0.05 時，認為存在統計學差異。計算組內相關系數(intraclass correlation coefficient，ICC)，分別對采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列及采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE序列主觀質量評分的觀察者間一致性進行評價，ICC＞0.6說明一致性好。

2 結果

2.1 客觀評價

采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列的大腿肌肉SD 低于采用PAT 加速技術的壓脂T2WI TSE 序列，且存在統計學差異，P=0.032。采用SMS采集技術的壓脂T2WI TSE 序列與采用PAT 加速技術的壓脂T2WI TSE序列的大腿肌肉SNR無明顯統計學差異，P=0.085 (表1)。

表1 采用PAT采集技術的壓脂T2WI TSE序列與采用SMS采集技術的壓脂T2WI TSE序列的大腿肌肉噪音及信噪比比較Tab.1 Comparison of SD and SNR of thigh muscle on image sequences with SMS and PAT technique

表2 采用SMS采集技術的壓脂T2WI TSE序列與采用PAT采集技術的壓脂T2WI TSE序列的主觀圖像質量評分比較Tab.2 Comparison of subjective image quality score of thigh muscle on image sequences with SMS and PAT technique

2.2 主觀評價

對于觀察者1，采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列和采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列的主觀圖像質量評分無明顯統計學差異，P=0.317。對于觀察者2，采用SMS 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列和采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列的主觀圖像質量評分無明顯統計學差異，P=0.527 (表2)。

2名觀察者對采用SMS采集技術的壓脂T2WI TSE序列圖像質量評分的ICC 系數=0.782，2 名觀察者對采用PAT 加速技術的壓脂T2WI TSE 序列圖像質量評分的ICC系數=0.75，均有較好的觀察者間一致性。

3 討論

3.1 快速磁共振成像技術：PAT與SMS比較

快速磁共振成像是未來磁共振的發展趨勢。大腿肌肉掃描范圍大，所需的掃描時間較長，快速磁共振成像技術的發展可減少患者運動偽影對圖像的影響。目前臨床上應用最多的是快速采集技術是并行采集技術，它通過減少k空間采樣密度的方式達到加快掃描速度的效果[4]，主要包括敏感度編碼(sensitivity encoding，SENSE)技術及GRAPPA 技術等。但這種技術減少了信號的采集，從而會導致信噪比的降低，獲得的圖像質量有一定的損失。PAT采集技術加速因子最多為3，當其大于3時，圖像質量將明顯下降，并可能出現卷褶偽影。

新興的多層采集技術，采用多頻率帶寬的負荷脈沖，可同時激發多個層面，可大幅度縮短重復時間，縮短采集時間。同時在平行圖像中采用了可控混疊并行加速成像技術，可以在同時激發的多個層面產生相位編碼上的空間位移，從而保證較高的信噪比。SMS 技術有以下優點：(1)由于K 空間是完全采樣，SMS 在加速的同時沒有損失SNR；(2)加速因子可以顯著縮短掃描時間；(3)可以將SMS 與傳統PAT 結合(包括SNESE 和GRAPPA)。本研究結果顯示，SMS 這一新技術在大腿肌肉掃描中的應用，和采用PAT采集技術的掃描方法比較，在保持圖像質量沒有變化的同時，可以明顯縮短掃描時間。

3.2 SMS技術的應用價值

采用本研究的SMS 加速技術，與PAT 加速相比，大腿肌肉的壓脂T2WI TSE 序列采集時間縮短了45.9%。客觀圖像質量評價顯示，采用時間較短的SMS 采集技術掃描，與采用PAT 采集技術的壓脂T2WI TSE 序列比較，圖像的SNR 無顯著差異。SMS 采集采用了CAIPIRINHA 技術，這一技術利用了多通道線圈的空間敏感性。掃描時，采集時間的縮短包括TR 的縮短，但TR 的縮短會降低圖像的SNR；這可能是本研究結果中SMS 采集技術采集的圖像與PAT 采集技術采集的圖像SNR 相比沒有提高的原因。本研究中，SMS 掃描方法得到的圖像，噪聲明顯低于采用PAT 采集技術的掃描方法，說明SMS采集能夠在較短的采集時間內，獲得與采用PAT采集技術的掃描類似的SNR，主要是由于圖像噪聲的降低。這與Fritz 等[10]的研究結果類似。

SMS 采集技術可以明顯減少采集時間，因此在臨床上可應用于灌注、實時成像等超高速掃描序列。這一技術應用于運動的組織器官，如心臟，可以進行心臟多平面電影序列[15]、多平面心肌灌注序列[16]等快速掃描，獲得良好的圖像質量。也可用于腹部的快速掃描，如彈性成像的加速[17]，兒童的快速腹部掃描[18]等。SMS用于DWI掃描的研究相對較多，SMS-DWI序列可加快DWI序列掃描時間，同時獲得可接受的圖像質量[19-20]。

對于肌肉骨骼系統，SMS 采集技術可以應用于關節運動的實時成像，如顳下頜關節的運動實時成像，可用于顳下頜關節紊亂的診斷[21]。此外，還有將SMS技術應用于DTI掃描序列，用于探測肌肉組織的自發機械活動的研究，推動了磁共振功能掃描在肌肉組織中的應用[22]。

3.3 SMS采集技術的局限性

SMS采集技術的主要局限性包括：(1)由于射頻脈沖選擇性地對多個層面進行激發，脈沖序列的SAR值會增加，從而限制了同時激發的層面的數量；因此，SMS 采集技術的加速效果是有限制的。(2)多個層面同時采集可能形成殘影，導致“層面遺漏”或“信號流出”[7，23-24]。本研究中并未觀察到“層面遺漏”或“信號流出”的問題，可能與本研究采用的加速因子是2，并沒有采用很高的加速因子有關。這是我們下一步的研究方向。

3.4 本研究的局限性

本研究的局限性在于：(1)研究對象的數量較少，可能會影響統計分析的質量。但觀察者間較好的一致性說明研究對象的數量對于這一初步研究來講是足夠的。(2)本研究的研究對象以健康志愿者為主，健康志愿者比患者出現運動偽影的可能性要小。(3)本研究采用的SMS 加速因子為2，沒有采用更高的加速因子進行觀察。加速因子提高后對圖像質量的影響暫不清楚，仍需進一步研究。(4)本研究僅評價了SMS采集技術的SI及SNR以及主觀圖像質量評分，未對不同組織顯示能力進行評價，仍需進一步研究。

更大的樣本量以及采用更高的加速因子，或與其他加速技術如PAT采集技術等疊加應用，獲得更快的掃描速度和更佳的圖像質量，是我們下一步的研究方向。

綜上所述，采用SMS采集技術對腿部肌肉進行壓脂TSE 掃描，與采用PAT 采集技術的壓脂TSE 序列比較，在縮短掃描時間的同時，不降低SNR，可獲得類似的圖像質量。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。