壓縮感知技術及三維成像在優(yōu)化兒童髖關節(jié)磁共振掃描方案中的聯(lián)合應用初探

胡迪，呂艷秋，彭蕓

兒童髖關節(jié)疾病并不罕見，常見致病原因較為復雜，主要包括先天性、發(fā)育性、感染性、外傷性和腫瘤[1-2]。但因其臨床表現(xiàn)主要以疼痛、運動障礙或無明顯癥狀為主，缺乏特異性，故臨床診斷主要依靠影像學檢查。相比計算機斷層技術和超聲，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)因其較高的軟組織對比度和軟骨顯示能力受到影像科醫(yī)生和臨床醫(yī)生的推崇[3-4]。但是相對成人而言，較長的掃描時間和制動一直是兒童磁共振檢查的短板。如何在更短時間內得到更多信息，在確保原始信號圖像重建質量的前提下，加快MRI 圖像重建速度，為患兒提供更為舒適的就診體驗，一直是兒童磁共振掃描序列研究的主要方向[5-6]。近年一種稱為壓縮感知(compressed sensing，CS)的技術為這一需求提供了可能[7-8]。其基于圖像稀疏采集及重建，不僅可以得到高質量圖像，而且節(jié)省了掃描時間，為臨床診療工作帶來革命性飛躍[9-10]。因此，本研究聯(lián)合應用3D成像及CS技術優(yōu)化兒童髖關節(jié)磁共振掃描方案，并與傳統(tǒng)兒童髖關節(jié)磁共振掃描方案對比，探討其臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究隨機收集22 名經臨床專科醫(yī)師評估需要進行髖關節(jié)磁共振掃描患兒資料，其中男8 名，女14 名，年齡1.5～17.5 (中位年齡10.28)歲。其中9 名為幼年類風濕關節(jié)炎、4名為髖關節(jié)滑膜炎、3名為系統(tǒng)性紅斑狼瘡、2名為先天髖關節(jié)脫位、1 名為Sting 相關嬰兒起病的血管病，1 名幼年皮肌炎、1名左側臀大肌橫紋肌肉瘤侵及伴髖關節(jié)累及1名左髖關節(jié)周脈管畸形。本回顧性研究經北京兒童醫(yī)院倫理委員會批準，免除受試者知情同意，批準文號：2021-E-243-R。

1.2 掃描方法及技術參數(shù)

所有患兒平臥，使用32通道體線圈，于3.0 T磁共振機器進行掃描(Ingenia CX，Philips Healthcare)。掃描流程按照我院髖關節(jié)掃描標準檢查流程進行：首先按照傳統(tǒng)髖關節(jié)掃描方案進行，主要包括2D冠狀位及軸位質子密度頻率衰減反轉恢復序列(proton density-spectral attenuated inversion recovery，PD-SPAIR)、2D 冠狀位T1 加權序列(T1 weighted imaging，T1WI)、2D 軸位T2 加權序列(T2 weighted imaging，T2WI)，掃描參數(shù)請參見表1。每個患者完成上述掃描后，加掃軸位3D-PD-SPAIR 加權序列，CS 值設為6，掃描參數(shù)請參見表1。所有掃描范圍從髂骨翼水平股骨大轉子下方，掃描野的設定根據(jù)患兒真實身高。

表1 各序列掃描參數(shù)表

1.3 圖像質量評估

1.3.1 客觀圖像質量評估

兩位具有10 年工作經驗的影像科醫(yī)師，分別于飛利浦工作站(Philips Healthcare)進行44 個髖關節(jié)2D-PD-SPAIR 和3D-PD-SPAIR 序列股骨頭信噪比(signal to noise ratios，SNR)、對比噪聲比(contrast-noise-ratios，CNR)的測量。每個感興趣區(qū)(region of interest，ROI)測量2 遍，記錄平均值。圓形ROI 分別置于兩個序列中雙側股骨頭及同側臀大肌處，ROI 需覆蓋股骨頭70%～80%的面積，同一側的股骨頭與臀大肌ROI 面積及形狀保持一致。按照以下公式計算SNR [公式(1)]及CNR [公式(2)][11]，其中ROI股骨頭、ROI臀大肌分別為股骨頭和臀大肌測量區(qū)域的信號平均值，SD股骨頭、SD臀大肌分別為股骨頭和臀大肌測量區(qū)域的標準差平均值。

1.3.2 主觀圖像質量評估

兩位具有10 年工作經驗的影像科醫(yī)師，根據(jù)表2 中所列的評分標準[12]，對44個髖關節(jié)2D-PD-SPAIR和3D-PD-SPAIR序列的主觀圖像質量評估。評估過程中如遇到特殊偽影或現(xiàn)象，由評價醫(yī)師單獨記錄并做評價。

表2 髖關節(jié)主觀評分標準

1.4 統(tǒng)計學分析

所有數(shù)據(jù)均應用SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件包進行分析。兩位醫(yī)師客觀測量值組間一致性采用組內相關系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)。兩位醫(yī)師主觀評分一致性采用加權kappa 檢驗分析。SNR、CNR 及序列掃描時間經正態(tài)分布檢驗和方差齊性檢驗后，考慮不符合正態(tài)分布數(shù)據(jù)，采用區(qū)間(中位數(shù))的方式表示數(shù)值范圍，采用Wilcoxon 檢驗評估差異，P＜0.05被認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

兩位醫(yī)師每個序列客觀值重復測量ICC 值均達到0.937～0.967 (P＜0.05)，數(shù)據(jù)測量穩(wěn)定一致性較高。

2D 及3D 序列的股骨頭SNR 值、CNR 值如圖1 所示。2D-PD-SPAIR 序列(區(qū)間5.20～15.10，中位數(shù)6.74)的股骨頭SNR 值較3D-PD-SPAIR 序列(區(qū)間0.18～7.04，中位數(shù)3.85)顯著增高(P=0.001)。2D-PD-SPAIR 序列(區(qū)間3.46～10.13，中位數(shù)4.93)和3D-PD-SPAIR 股骨頭(區(qū)間1.19～6.08，中位數(shù)3.18) CNR 值差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。股骨頭SNR 值和CNR 值隨年齡增長均呈現(xiàn)下降趨勢，且相對SNR，同一年齡段股骨頭CNR數(shù)值分布更為分散。

圖1 股骨頭2D/3D-PD-SPAIR 序列SNR 值(1A)和CNR 值(1B)散點圖。SNR值在兩個序列中均隨年齡呈下降趨勢。CNR值在兩個序列中均隨年齡呈下降趨勢。相對SNR，同一年齡段股骨頭CNR 數(shù)值分布更為分散。2D/3D-PD-SPAIR：2D/3D 質子密度頻率衰減反轉恢復序列；SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。

主觀評分方面，2D-PD-SPAIR 序列中位得分22 分，3D-PD-SPAIR 序列中位得分21 分，兩個序列所有圖像總體評分均達到20～22 分，滿足及符合臨床診斷要求，兩位醫(yī)師評分結果一致性較高(kappa=0.636,P=0.002)。解剖結構中位得分5 分，診斷確定性/整體圖像顯示中位得分5 分，壓脂/偽影中位得分4 分，股骨頭偽影中位得分4 分，股骨頸偽影中位得分4分(均＞3分)，兩個序列差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。

如圖2A～2C所示，雖然3D-PD CS髖關節(jié)圖像相對傳統(tǒng)2D圖像可以提供更多的解剖細節(jié)，但受限于體素大小，股骨頭及髖臼面軟骨顯示較2D 圖像并不具優(yōu)勢。但聯(lián)合應用最大強度投影(maximum intensity projection，MIP)進行3D 圖像重建，則可以得到較之2D 圖像更為清晰的多方位軟骨圖像(圖2D～2E)。

圖2 伴隨髖關節(jié)積液患兒2D/3D-PD-SPAIR 序列髖關節(jié)原始圖像和最大密度投影圖像。2A：冠狀位2D-PD-SPAIR 圖像，2B：矢狀位3D-PD-SPAIR 重建圖像，2C：冠狀位3D-PD-SPAIR 重建圖像；2D～2F：冠、矢、軸位3D-PD-SPAIR 最大密度投影圖像。2D 及3D 原始圖像顯示，股骨頭關節(jié)面軟骨觀察均會受到關節(jié)積液影響，多方位厚層重建可以大大改善股骨頭和髖關節(jié)表面關節(jié)軟骨的顯示。

如圖3所示，先天性髖關節(jié)脫位(developmental dislocation of the hip，DDH)兒童股骨頭骨化中心小而不規(guī)則，大部分被透明軟骨和纖維軟骨替代，股骨頸短而粗，前傾角增大。由于持續(xù)性脫位或發(fā)育不良，髖臼變淺、變窄、變長，傾斜度增加，髖臼軟骨失去了正常的杯狀，上唇肥大，關節(jié)囊拉長，圓韌帶拉長、加寬、加厚，髖臼中心充滿脂肪纖維組織。3D-PD CS 髖關節(jié)圖像相對傳統(tǒng)2D 圖像可以提供更為便捷的多角度重建，更具臨床使用價值。

22 例患兒傳統(tǒng)髖關節(jié)磁共振掃描方案(2D 冠狀位T1WI，2D 軸位T2WI,2D 冠狀位及軸位PD-SPAIR)掃描所需時間為584～716 s不等，中位時間603 s。22例患兒3D-CS髖關節(jié)磁共振優(yōu)化掃描方案(2D 冠狀位T1WI，2D 軸位T2WI，3D-CS 軸位PD-SPAIR)掃描所需時間為431～600 s不等，中位時間513 s。所有年齡段兒童3D-CS 優(yōu)化序列掃描時間明顯短于傳統(tǒng)序列掃描(P＜0.001)，節(jié)約時間達15%。

3 討論

本研究第一次將3D 成像和CS 技術同時引入兒童磁共振髖關節(jié)掃描方案，在為臨床提供清晰多方位重建圖像的同時，縮短約15%的掃描時間，為兒童關節(jié)磁共振掃描在時間和圖像質量的雙贏提供了可能。

傳統(tǒng)兒童髖關節(jié)磁共振掃描由多方位2D 序列組成，層厚及掃描方位較為固定。如果病變所致體位無法完全擺正，或者病變過于巨大或局限，或者病變部位隱蔽，均可能導致在傳統(tǒng)2D 圖像中無法完整展現(xiàn)病變的整體情況，從而影響臨床醫(yī)師對病變的全面評估。3D 成像序列的引入，既可以通過薄層掃描減少小病變的丟失，提供解剖細節(jié)，又可以通過多方位重建，自由展現(xiàn)隱蔽部位的病變，是滿足臨床醫(yī)師需求的髖關節(jié)磁共振的理想序列。

SNR 和CNR 是評價新序列客觀圖像質量的常用指標[11]。本組研究中2D及3D序列中股骨頭SNR值和CNR值均隨年齡增長均呈現(xiàn)下降趨勢，這點與生長發(fā)育過程中股骨頭內紅黃髓轉化密切相關，與既往文獻報道亦保持一致[13-14]，相同年齡段的股骨頭SNR 差異可能是由于測量區(qū)域不同紅黃髓比例引起。相比SNR，同一年齡段股骨頭CNR 數(shù)值分布更為分散，此點可能與患兒的基礎疾病是否累及測量區(qū)域的臀大肌有關。例如皮肌炎患兒所測量臀大肌信號如果處于水腫期，其信號會較正常臀大肌信號增高，其股骨頭CNR 值即與相同年齡段其他病患兒的測量值產生較大偏差。本組研究中股骨頭2D-PD-SPAIR 序列的SNR 明顯高于3D-PD-SPAIR 序列，我們考慮其產生原因與2D 序列體素是3D 序列的1.06 倍有關，即由掃描的客觀設置所致。同時兩個序列間CNR 和主觀評分無明顯差異，故我們可以認為3D 掃描的薄層在帶來重建優(yōu)勢的同時，并沒有引起圖像診斷質量的丟失，達到展現(xiàn)解剖細節(jié)和圖像質量的平衡。

除了CNR 和SNR，偽影是另一個評價新序列的重要指標。影響兒童髖關節(jié)磁共振圖像質量的原因主要包括壓脂序列的不均勻、膀胱尿液的波動、腸管內的氣糞影以及腹部呼吸偽影[1-2]。我們的研究顯示，除壓脂序列的不均勻外，其余偽影在2D及3D序列中無明顯差異。壓脂序列中，本組研究的臀部橫紋肌患兒和脈管畸形患兒，病變周壓脂信號于3D 序列中呈現(xiàn)不均勻，余部位及其他例顯示較2D 序列無明顯差異。此點與3D序列更薄的層厚密切相關，但并不影響診斷(主觀評分差異無統(tǒng)計學意義)。相較于局部脂肪信號的不均勻，我們認為其在不影響診斷的基礎上,帶來了更高解剖分辨率，性價比高于傳統(tǒng)2D 序列。當然對含有脂肪成分的腫瘤診斷是否存在影響，還需要進一步擴大樣本驗證。

除了以上提到的常見偽影，兩位閱片醫(yī)生均提到了髖關節(jié)積液對股骨頭關節(jié)軟骨觀察的影響。這種現(xiàn)象在年齡較低的兒童中更為明顯，而股骨頸受影響較小，2D 及3D 序列顯示無明顯差異。此點主要與兒童關節(jié)面軟骨生長發(fā)育特點相關。隨年齡的減低，關節(jié)面軟骨含水量增高。故在PD-SPAIR序列中，低齡兒童髖關節(jié)面軟骨與關節(jié)積液信號對比較年長兒童低，積液在關節(jié)面軟骨和股骨頭交界處產生的輕微偽影會在一定程度影響關節(jié)軟骨的信號觀察。

如前文所述本組研究中股骨頭2D-PD-SPAIR 序列因體素較大，SNR明顯高于3D-PD-SPAIR序列?；诖它c，我們嘗試使用MIP重建3D序列圖像，從而達到提高股骨頭及髖關節(jié)表面軟骨的信號強度的目的。3D厚層重建可以大大改善薄層掃描所致股骨頭和髖關節(jié)表面關節(jié)軟骨的顯示局限性，且同時因其多角度重建的優(yōu)勢，較之2D 序列更具臨床實用性。既往的成人髖關節(jié)磁共振研究較多集中在外傷引起的關節(jié)面細小病變顯示[2,4]。本組研究雖未能納入此類患者，但我們認為厚層3D 重建加之多角度展示，可以為兒童無創(chuàng)觀察運動關節(jié)面損傷、髖臼骨折軟骨損傷情況提供可能[15-16]；同時對于DDH患兒群體，亦可以提供更為精準的軟骨發(fā)育情況評估及客觀測量[17-18]。

除了圖像顯示的優(yōu)化，3D 序列的引入在患兒掃描體驗方面優(yōu)勢更為突出。既往髖關節(jié)病變的部分患兒，例如DDH、髖臼發(fā)育不良相關疾病[19]、髖關節(jié)占位或髖關節(jié)炎等，因受限于體位，掃描擺位困難。3D 序列的引入可以全范圍覆蓋脫位關節(jié)，掃描體位擺放更為自由，大大降低技師掃描及定位難度，一定程度提高了患兒的檢查舒適度，進一步拓寬磁共振在兒童以及中的臨床應用。

單純的3D髖關節(jié)磁共振序列雖較2D序列更具實用性，其掃描時間卻是制約其廣泛應用的根本，此點在兒童尤為突出[6]。故CS 技術的同時引入對優(yōu)化兒童髖關節(jié)磁共振序列尤為重要。目前在國內外壓縮感知技術已廣泛應用于成人神經、骨骼、腹部等多個系統(tǒng)，且均獲得了較好的結果[7,20-21]，但在兒童方面的研究仍較為匱乏[5,22-23]，尤其是髖關節(jié)方面還是空白。本文的CS因子設置是以SENSE因子為2的傳統(tǒng)2D髖關節(jié)序列為圖像基準，根據(jù)我院前期試驗經驗進行初步設定，缺乏一定的系統(tǒng)性。同時本文因收集病例有限、患者年齡分布較大、引入序列有限，結果展示亦具有一定局限性。雖然CS因子設定不是本文的重點，但本研究已在保證滿足診斷圖像質量的基礎上，一定程度上展示出縮短掃描時間、降低掃描難度，提高掃描的成功度的可能。故是否可以進一步提高CS 因子，是否可以在保證診斷需求的基礎上一定程度減低圖像質量，以及如何將CS 因子引入所有髖關節(jié)序列，還需要進一步研究探討。同時我們認為，如果將所有髖關節(jié)序列均設定為3D-CS序列，低年齡組患兒是否可以在不服用鎮(zhèn)靜劑的情況下快速完成檢查，從而進一步拓寬磁共振的實用性，是下一步優(yōu)化序列的方向。

故本研究顯示，與傳統(tǒng)的2D 髖關節(jié)掃描方案相比，引入3D-CS 序列的髖關節(jié)磁共振掃描優(yōu)化方案(2D 冠狀位T1WI、2D軸位T2WI、3D-CS 軸位PD-SPAIR)不僅提高了檢查的實用性，改善了患兒的檢查體驗，減低了掃描的難度，更為臨床醫(yī)生提供了更為豐富的疾病信息和友好的可視化界面，從而進一步完善術前評估及術后隨訪提供基礎和可能。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。