不同加速因子壓縮感知技術對大腦磁敏感加權成像質量及核團相位值的影響

楊 婧，苗延巍，高冰冰，劉楊穎秋，劉 娜，張 楠，邴 雨

(大連醫科大學附屬第一醫院放射科，遼寧 大連 116011)

磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging， SWI)基于組織磁敏感性差異進行成像，對磁場均勻性的細微變化高度敏感，可用于定量分析腦鐵含量，已廣泛用于診斷中樞神經系統出血性病變、異常靜脈病變及腫瘤等[1-2]，但所需時間相對較長，易受運動偽影干擾導致圖像分辨率及質量下降。壓縮感知(compressed sensing， CS)技術采用遠低于傳統采樣定律要求的采樣點進行重建并加以恢復，可縮短信號采集時間[3]。本研究觀察不同加速因子(acceleration factor， AF)對腦CS-SWI圖像質量及腦灰質核團相位值(phase value， PV)測量結果的影響。

1 資料與方法

1.1 研究對象 于2020年7月—2021年3月招募40名健康志愿者，男11名，女29名，年齡13～84歲，平均(38.6±17.3)歲。排除標準：①嚴重酒精依賴及精神活性物質濫用；②SWI質量不佳，存在不可去除的偽影。本研究獲大連醫科大學附屬第一醫院倫理委員會批準(編號：PJ-KSKY-2018-56)。檢查前受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Philips Ingenia CX 3.0T MR掃描儀，32通道頭部線圈，結合CS技術行頭部3D梯度回波序列軸位SWI，包括AF為0的常規SWI及AF分別為2、4、6、8及10的CS-SWI；其余掃描參數：TR 28 ms，TE 5.6 ms，層厚2.5 mm，層間距-1.25 mm，FOV 230 mm×187 mm×149 mm，體素0.60 mm×0.90 mm；AF 0、2、4、6、8及10對應掃描時間分別為5 min 52 s、3 min 25 s、1 min 43 s、1 min 9 s、52 s及42 s。

1.3 圖像分析 導入DICOM格式圖像，采用MR信號處理(signal processing in nuclear MR， SPIN)軟件觀察SWI相位圖，并測量數據。由2名具有1年以上工作經驗的放射科醫師對相位圖質量進行主觀評分，觀察殼核(putamen， PUT)和蒼白球(globus pallidus， GP)間分界線及各核團解剖結構是否清晰：以分界線及核團結構清晰為0級，各核團解剖結構顯示較好、界限較清晰為1級，各核團解剖結構顯示不佳、界限模糊為2級；意見不一致時經討論達成共識。由其中1名醫師沿核團邊緣手動勾畫雙側尾狀核頭(head of caudate nucleus， HCN)、PUT、GP、丘腦枕(pulvinar， PUL)、紅核(red nucleus， RN)、黑質(substantia nigra， SN)及齒狀核(dentate nucleus， DN)ROI(圖1)，并測量頂葉白質(parietal white matter， PWM)PV作為對照，勾畫3次，測量并計算PV平均值和標準差(SD)，計算各組信噪比(signal-to-noise ratio， SNR)和對比噪聲比(contrast-to-noise ratio， CNR)，SNR核團-白質=PV核團/SD白質，CNR核團-白質=(PV核團-SD白質)/SD白質；并于2個月后重復上述操作。

圖1 受試者男，34歲 A～D.于AF為0的不同層面SWI中分別勾畫HCN(紅色)、PUT(淺綠色)、GP(黃色)、PUL(深綠色)、RN(橙色)、SN(藍色)及DN(紫色)ROI

1.4 統計學分析 采用SPSS 26.0統計分析軟件。以Cohen'sKappa檢驗評價觀察者間對圖像主觀評價結果的一致性；以組內相關系數(intra-class correlation coefficient， ICC)評價觀察者內測量各PV結果的一致性：Kappa/ICC≤0.4為一致性差，0.40.8為一致性極好。采用Fisher精確概率法分析AF=0時與AF取其他值時圖像主觀評分的差異。以±s表示符合正態分布的計量資料，采用單因素方差分析比較第2次勾畫測量結果，采用LSD法比較AF=0時與其他條件下各參數的差異。對P值行FDR校正，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 主觀評價圖像 觀察者間對PUT和GP之間分界線的評價結果的一致性均較好(Kappa：0.63～0.80，P均<0.05)。隨AF增加，PUT與GP間分界線逐漸模糊，以AF=10為著，見表1及圖2。

圖2 受試者男，34歲 A～F.AF分別為0、2、4、6、8及10條件下的SWI，隨AF增加，GP與PUT的分界線逐漸模糊

表1 不同AF條件下2名醫師對雙側PUT與GP間分界線的主觀評價結果比較(n=40，名)

觀察者內測量各PV結果的一致性均極好(ICC：0.82～0.98，P均<0.05)。AF≥4時，雙側SN及雙側DN的SNR及CNR較AF=0出現差異(P均<0.05)；AF≥6時，雙側HCN、雙側GP、雙側PUL及雙側RN各參數出現差異(P均<0.05)；AF≥8時，雙側PUT出現差異(P均<0.05)。見表2、3。

表2 不同AF條件下各核團SNR差異(n=40)

表3 不同AF條件下各核團CNR差異(n=40)

2.2 各核團PV 與AF=0時相比，AF=10時，右側GP、右側PUL及雙側RN的PV均增高(P均<0.05)；雙側SN和雙側DN的PV于不同AF條件下均存在明顯差異(P均<0.05)。不同AF條件下，雙側HCN、雙側PUT、左側GP及左側PUL的PV均無顯著差異(P均>0.05)。見表4。

表4 不同AF條件下各核團PV差異(n=40)

3 討論

SWI為3D梯度回波成像，采集時間多大于5 min。在其余條件固定的情況下，MRI的SNR、空間分辨率及掃描時間相互制約。CS技術能夠明顯縮短掃描時間，但掃描速度達到一定程度時，可能影響圖像質量。DELATTRE等[4]的研究結果表明，CS技術可縮短掃描時間30%以上，圖像質量僅較輕微受損，對診斷結果無明顯影響。M?NCH等[3]報道，CS技術可減少腦部MR掃描時間，甚至能提高圖像質量。目前CS技術僅初步用于腹部、心臟、中樞神經、骨關節及乳腺[5-9]。

選擇AF是CS的關鍵，高AF會明顯縮短掃描時間，但可能影響圖像質量及量化分析。本研究共設計6個AF，結果顯示AF=10時圖像清晰度明顯降低、核團界限不清楚；通過計算圖像SNR和CNR進一步發現，AF=2時，掃描時間減少2 min 27 s，而圖像質量未受到明顯影響，能夠滿足臨床需要。縮短掃描時間可減輕患者檢查時的焦慮感，有助于腦血管病及帕金森病等配合欠佳的患者順利完成檢查。

SWI的PV可反映不同組織間磁敏感性的差異，與腦鐵沉積呈負相關[10]，有助于理解鐵沉積所致相關代謝性腦疾病的病理機制。本研究發現，AF=8時，對幕上核團(HCN、PUT、GP及PUL等)的鐵定量均無明顯影響，但幕下核團中SN和DN的PV在AF=2時即出現明顯差異；分析原因，可能在于相對于幕上核團，幕下核團PV受顱后窩偽影影響較為明顯，還可能與灰質核團鈣、鐵等礦物質沉積部位及年齡等異質性相關。

綜上所述，利用CS技術可有效縮短腦SWI掃描時間，AF=2時對圖像質量無明顯影響，但對部分核團、尤其幕下核團的PV存在一定影響。本研究的主要局限性在于樣本量小，勾畫ROI方式可能導致測量結果出現偏倚，有待進一步完善。