不同壓縮感知因子對(duì)腦SWI“燕尾征”分析的影響

楊婧，劉楊穎秋，劉娜，高冰冰，宋清偉，張浩南，苗延巍

CS技術(shù)采用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)采樣定律要求的采樣點(diǎn)進(jìn)行重建并加以恢復(fù)，以縮短信號(hào)采集的掃描時(shí)間[8]。但是，一味地縮短掃描時(shí)間可能會(huì)造成圖像質(zhì)量下降，對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示能力下降，如PD的STS。因此，本研究擬主觀和客觀分析CS-SWI的不同加速因子(acceleration factor，AF)對(duì)STS的影響，尋找其最佳AF。

1 材料和方法

1.1 一般資料

于2020 年7 月至2021 年3 月前瞻性招募40 名健康志愿者，男11名，女29名，年齡13～84 (38.6±17.3)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)經(jīng)MRI檢查證實(shí)身體無異常；(2) SWI圖像質(zhì)量滿足臨床診斷要求；(3)右利手。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1) PD及其他神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病的癥狀、體征及家族史；(2)合并重大腦部疾病，包括顱腦外傷、顱內(nèi)腫瘤、顱內(nèi)感染等。本研究獲得大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(編號(hào)：PJ-KSKY-2021-121)。檢查前所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

采用荷蘭Phillip Ingenia CX 3.0 T MR 掃描儀，32 通道頭部線圈，結(jié)合CS 技術(shù)行頭部3D 梯度回波序列軸位SWI，包括無AF 的常規(guī)SWI 序列(AF=0)和不同AF 的CS-SWI 序列(AF=CS2、CS4、CS6、CS8、CS10)，其余掃描參數(shù)：TR 28 ms，TE 5.6 ms，層厚2.5 mm，層間距-1.25 mm，F(xiàn)OV 230 mm×187 mm，體素0.60 mm×0.90 mm×2.5 mm；AF 從0 至10 對(duì)應(yīng)的掃描時(shí)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

首先將SWI及CS-SWI的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式圖像拷貝進(jìn)個(gè)人電腦。利用磁共振信號(hào)處理(signal processing in nuclear，SPIN)軟件對(duì)SWI的相位圖進(jìn)行觀察和測(cè)量。首先由2位具有1年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師對(duì)SN和STS的圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評(píng)估，并進(jìn)行3級(jí)評(píng)分(0級(jí)：SN和STS結(jié)構(gòu)顯示佳，界限清晰；1級(jí)：SN和STS結(jié)構(gòu)顯示較好，界限較清晰；2級(jí)：SN和STS結(jié)構(gòu)顯示不佳，界限模糊)，意見不一致時(shí)經(jīng)討論達(dá)成共識(shí)。計(jì)數(shù)不同AF中STS的顯示數(shù)量。沿核團(tuán)邊緣手動(dòng)勾畫雙側(cè)SN和STS作為感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，如圖1所示。ROIs均測(cè)量三次，記錄并計(jì)算相位值(phase value，PV)和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)的平均值，同時(shí)測(cè)量頂葉白質(zhì)的PV值作為對(duì)照值。其中1位醫(yī)師間隔2個(gè)月再次對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行主觀評(píng)分和客觀測(cè)量。計(jì)算SN 和STS 的信噪比(signal to noise ratio，SNR)和對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)：SNR核團(tuán)-白質(zhì)=PV核團(tuán)/SD白質(zhì)，CNR核團(tuán)-白質(zhì)=(PV核團(tuán)-SD白質(zhì))/SD白質(zhì)。

圖1 女，25歲，ROI的勾畫示意圖。1A、1B：SN整體ROI勾畫；1C、1D：紫色部分表示STS。注：SN：黑質(zhì)；STS：燕尾征。Fig.1 Female,25 years,the manual diagram of ROI.1A,1B:The ROI is whole SN.1C,1D:the purple is STS.Note:SN:substantia nigra;STS:swallow tail sign.

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 26.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件處理數(shù)據(jù)。采用Cohen's Kappa 檢驗(yàn)評(píng)價(jià)觀察者間主觀評(píng)價(jià)的一致性(一致性極好：Kappa＞0.80)；通過計(jì)算組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(interclass correlation cofficient，ICC)，驗(yàn)證觀察者內(nèi)主觀評(píng)分和客觀測(cè)量的一致性(一致性極好：ICC＞0.80)。運(yùn)用Fisher 確切概率法分析不同AF 下STS顯示率的差異；使用單因素方差分析(analysis of variance，ANOVA)中最小顯著性差異法(least-significant difference，LSD)對(duì)比不同AF的圖像質(zhì)量差異。P值經(jīng)Benjamini-Hochberg 的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate，F(xiàn)DR)方法校正，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一致性評(píng)價(jià)

2 名醫(yī)師根據(jù)評(píng)分等級(jí)規(guī)定評(píng)價(jià)SN 和STS 圖像質(zhì)量，其結(jié)果一致性極好(Kappa＞0.80)，同一醫(yī)師間隔2 個(gè)月對(duì)SN 和STS 圖像質(zhì)量評(píng)分結(jié)果一致性極好(ICC＞0.80)。同一醫(yī)師間隔2 個(gè)月對(duì)SN 和STS 圖像質(zhì)量定量測(cè)量結(jié)果一致性極好(ICC＞0.80)。

2.2 主觀評(píng)價(jià)

當(dāng)AF≥6時(shí)，STS圖像表現(xiàn)清晰度明顯下降，且表現(xiàn)出STS的數(shù)量也會(huì)隨著AF增加而減少，即STS的顯示率逐漸降低，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。見表1、圖2。

表1 不同AF條件下STS的數(shù)量、顯示率及P值Tab.1 The number of STS,displaying rate and P value with different AFs

2.3 客觀評(píng)價(jià)

2.3.1 不同AF條件下SN的SNR、CNR變化

綜上所述，老年衰弱患者進(jìn)行手術(shù)存在發(fā)生短期和長(zhǎng)期不良結(jié)局的高風(fēng)險(xiǎn)，術(shù)后不良事件發(fā)生率較非衰弱患者顯著增加。有必要將衰弱納入老年患者的術(shù)前評(píng)估中，以明確是否存在衰弱及老年衰弱患者術(shù)中可能出現(xiàn)的問題，并以此為據(jù)進(jìn)行個(gè)體化圍手術(shù)期管理。全過程需要跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)協(xié)作。目標(biāo)是手術(shù)可以使老年衰弱患者獲益，減少術(shù)后不良并發(fā)癥和失能，最終能夠回歸社區(qū)生活，改善生活質(zhì)量。

由圖3可見，雙側(cè)SNs的SNR和CNR在AF＞2時(shí)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

圖3 不同AF條件下兩側(cè)SN 的SNR 和CNR 的差異。當(dāng)AF＞2時(shí)，兩側(cè)SN 的SNR 和CNR 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。注：AF：加速因子；SN：黑質(zhì)；CS：壓縮感知；SNR：信噪比；CNR：對(duì)比噪聲比。 圖4 不同AF 條件下兩側(cè)STS 的SNR 和CNR 的差異。當(dāng)AF＞4 時(shí)，兩側(cè)STS 的SNR 和CNR 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。注：AF：加速因子；STS：燕尾征；CS：壓縮感知；SNR：信噪比；CNR：對(duì)比噪聲比。Fig. 3 The difference of CNR and SNR on the bilateral SNs with different AFs. When AF＞2, the SNR and CNR of bilateral SNs showd significant differences.Note:AF:acceleration factor;CS:compressed sensing;SN:substantia nigra;SNR:signal to noise ratio;CNR:contrast to noise ratio.Fig.4 The difference of CNR and SNR on the bilateral STSs with different AFs. When AF＞4, the SNR and CNR of bilateral SNs showd significant differences. Note:AF: acceleration factor;STS:swallow tail sign;CS:compressed sensing;SNR:signal to noise ratio;CNR:contrast to noise ratio.

2.3.2 不同AF條件下STS的SNR、CNR變化

由圖4 可見，雙側(cè)STSs 的SNR 和CNR 在AF＞4 時(shí)差異即具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

3 討論

本研究旨在將CS 技術(shù)應(yīng)用到健康志愿者的SWI中探索不同AF 對(duì)PD 患者常見診斷特征——STS 的觀察和診斷是否有影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)AF=CS4時(shí)，圖像質(zhì)量不受加速技術(shù)的影響，掃描時(shí)間減少70.7% (4 min 9 s)。由于PD患者的年齡分布較大及疾病癥狀的特殊性，SWI 較長(zhǎng)的掃描時(shí)間會(huì)使PD 患者依從性降低，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量，目前未發(fā)現(xiàn)將CS技術(shù)應(yīng)用到STS的研究，故縮短SWI掃描時(shí)間并盡可能減少圖像偽影對(duì)PD的診斷治療具有一定的臨床意義。

3.1 CS技術(shù)在SWI中應(yīng)用的可行性

本研究將6 個(gè)AF (0 和CS2、CS4、CS6、CS8、CS10)應(yīng)用到SWI 中，得到6 個(gè)不同AF 的CS-SWI 圖像。CS技術(shù)是直接感知壓縮之后的信號(hào)，通過有選擇性地采集少量重要數(shù)據(jù)并采用有效的重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)縮短信號(hào)采集所需時(shí)間，減少計(jì)算量，并在一定程度上保持了原始信號(hào)的重建質(zhì)量要求[9]。Delattre 等[10]在多個(gè)常規(guī)MRI 序列的研究表明，CS 技術(shù)可減少30%以上的掃描時(shí)間，圖像質(zhì)量?jī)H受較輕影響，對(duì)診斷結(jié)果無明顯影響；而且在臨床常規(guī)的特定序列中，至少30%和高達(dá)60%的加速是可行的。M?nch 等[11]的研究表明，CS 技術(shù)可大大加速腦部MR 掃描時(shí)間，在掃描中增加了空間分辨率，甚至提高了圖像質(zhì)量。Park等[12]認(rèn)為CS技術(shù)可以縮短掃描時(shí)間，增加空間分辨率，同時(shí)還可以增加掃描覆蓋率。我們的研究與之前的研究結(jié)果一致，認(rèn)為運(yùn)用CS 技術(shù)可以很大程度地縮短掃描時(shí)間，對(duì)圖像質(zhì)量沒有影響。因此將該技術(shù)應(yīng)用到與PD疾病相關(guān)的組織學(xué)特征STS 上是可行的，可達(dá)到既減少掃描時(shí)間，又不影響STS的成像以及臨床醫(yī)師的診斷鑒別的目的。

3.2 CS技術(shù)在STS上的應(yīng)用

3.2.1 STS的命名過程

SNpc的神經(jīng)元在PD早期就會(huì)受到影響，在表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)癥狀之前有60%～80%的神經(jīng)元丟失[1]。1999 年，Damier等[2]通過尸檢病理在SN 中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)PD 生物標(biāo)志物，即黑質(zhì)小體。它是健康SN 中的一種多巴胺能細(xì)胞，利用鈣蛋白D28k 的免疫染色，識(shí)別了SNpc和黑質(zhì)小體內(nèi)鈣蛋白陰性的5個(gè)含多巴胺亞群，其中最大的黑質(zhì)小體被標(biāo)記為N1，并位于SN 的中部和尾部，它包含了最常受PD 影響的最大比例的神經(jīng)元[3]。2013年，Blazejewska等[13]對(duì)健康受試者和PD患者使用7.0 T 和3.0 T MRI 進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)健康受試者SN后側(cè)存在橢圓高信號(hào)，符合N1 免疫組化特征，而PD患者的橢圓高信號(hào)丟失。2014 年，Schwarz 等[6]用3.0 T MRI 在中腦軸位圖像也發(fā)現(xiàn)健康人中腦SN 的背外側(cè)部存在N1，在SWI 像表現(xiàn)為條索狀、逗點(diǎn)狀或楔形的高信號(hào)區(qū)，周圍由低信號(hào)環(huán)繞，其與前外側(cè)SNpc 和內(nèi)側(cè)丘系共同組成形成“燕尾”樣，命名為“STS”。

3.2.2 STS的主觀評(píng)價(jià)

本研究通過CS-SWI 觀察STS 的顯示，期望得到能縮短掃描時(shí)間又不影響STS 觀察的最佳AF。STS在健康人群中普遍存在。Gramsch 等[14]采用7.0 T MRI 對(duì)46 例健康志愿者(19～75 歲)的SWI 進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)N1 的整體特異度為94% (43/46 可歸為正常：N1在雙側(cè)或單側(cè)明顯可見)，而且發(fā)現(xiàn)N1的可見性與年齡無關(guān)。STS 的缺失被認(rèn)為黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元功能異常，常見于退行性疾病。Kim 等[15]研究發(fā)現(xiàn)30 例PD 病例中N1 有100%缺失，而在26 例健康人群中N1均存在。Gao等[16]的研究發(fā)現(xiàn)利用STS有無來鑒別PD 和非PD 的敏感度為100%，特異度為96.08%。Cheng等[7]利用改進(jìn)的SWI鑒別特發(fā)型PD和非典型PD，其敏感度和特異度分別為91%和79%。Schwarz 等[6]利用HR-T2*/SWI 3D多鏡頭快速場(chǎng)回波-回波平面成像序列，其掃描參數(shù)添加了SENSE 2，掃描時(shí)間為2 min 36 s，發(fā)現(xiàn)PD 診斷準(zhǔn)確率為96%，敏感度為100%，特異度為95%。由此發(fā)現(xiàn)STS 對(duì)于PD 疾病的診斷具有高敏感性和特異性，STS 的缺失被認(rèn)為是PD 在SWI 的特征表現(xiàn)[17]，所以對(duì)STS特征的觀察有助于PD疾病的診斷和鑒別[18]。本研究對(duì)STS主觀評(píng)分發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AF≥6 時(shí)，STS 圖像表現(xiàn)清晰度明顯下降，且STS 的顯示率逐漸降低，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。通過主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，顯示STS 的最佳AF 是CS4，掃描時(shí)間減少4 min 9 s (70.7%)。由此可見，針對(duì)年齡大的PD 患者，通過優(yōu)化的CS-SWI 可以提高檢查效率，緩解PD 患者因掃描時(shí)間過長(zhǎng)產(chǎn)生的不適感，減少圖像運(yùn)動(dòng)偽影。

3.2.3 STS的客觀評(píng)價(jià)

STS 是N1 在SWI 上的直接呈現(xiàn)，與腦內(nèi)鐵沉積密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，鐵沉積與SN有顯著關(guān)系[13,19]。PD患者的SNpc中鐵沉積增加[20-22]，也有證據(jù)表明鐵沉積甚至與PD疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)[21]。PD中神經(jīng)黑色素含量減少和鐵儲(chǔ)存能力的降低會(huì)增加游離順磁性鐵含量的水平，從而改變磁敏感性和信號(hào)特性[23]。SWI相位圖正可以借助其反映不同組織間磁敏感性細(xì)微差異的原理，將其量化為PV 值，通過校正測(cè)得的PV值大小與腦鐵沉積呈負(fù)相關(guān)，說明PV值越低，鐵水平越高[20]。本研究通過測(cè)量健康人群SN 和STS 的PV值，將其鐵沉積間接量化為PV 值發(fā)現(xiàn)，SN 的SNR 和CNR 在AF＞2 時(shí)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而STS 的SNR和CNR 在AF＞4 時(shí)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，所以富鐵沉積的N1也就是STS的PV值量化會(huì)受到黑質(zhì)疏松部的影響；而且Kau等[24]的尸檢研究發(fā)現(xiàn)SNpc內(nèi)的微血管為SWI 測(cè)量的混雜因素：在9 例對(duì)照組受試者中有8 例，一個(gè)或多個(gè)微血管位于STS 中間或至少出現(xiàn)在單側(cè)STS 部分，靜脈水平也可能影響鐵定量的PV 值，導(dǎo)致最佳AF 出現(xiàn)變化。并且通過對(duì)STS 的主觀評(píng)分和顯示率也發(fā)現(xiàn)，在可視化方面，其AF 可達(dá)到4。綜合所有結(jié)果發(fā)現(xiàn)，STS 的最佳AF 是CS4，掃描時(shí)間減少4 min 9 s (70.7%)。

基于此，可借助對(duì)PV值的觀察和分析，定量STS中的鐵沉積變化，為鑒別健康人群和PD患者及PD疾病早期階段的發(fā)現(xiàn)提供更可靠依據(jù)。Martin等[25]采用R2*技術(shù)定量測(cè)量SNpc 的鐵含量發(fā)現(xiàn)，PD 早期在SNpc 背外側(cè)有明顯鐵沉積，且該部位鐵含量與PD 運(yùn)動(dòng)癥狀的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，Huang 等[26]也得出了同樣的結(jié)果，為PD疾病的治療提供更有價(jià)值的信息。

3.3 本研究的局限性

本研究還有一些局限性。首先，該研究?jī)H為單中心研究，樣本量偏少，對(duì)結(jié)果可能會(huì)造成一定偏差，后續(xù)擬進(jìn)行多中心、大樣本研究；其次，研究中兩位醫(yī)師對(duì)SN 和STS 圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)意見不一致時(shí)，對(duì)主觀評(píng)價(jià)的評(píng)分及后續(xù)結(jié)果是否有影響可做進(jìn)一步研究；最后，本研究只是將CS技術(shù)應(yīng)用到健康人群，來觀察SN 和STS 的變化，未來應(yīng)將該技術(shù)應(yīng)用到PD患者，進(jìn)一步證實(shí)結(jié)論是否嚴(yán)謹(jǐn)。

綜上所述，由腦SWI圖像定量數(shù)據(jù)結(jié)果可知，對(duì)STS結(jié)構(gòu)的觀察可根據(jù)SNR、CNR以及主觀評(píng)分和顯示率變化，可考慮CS4，掃描時(shí)間減少70.7% (4 min 9 s)。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。