3D SPACE與屏氣壓縮感知技術在MRCP成像中的對比研究

李青，王傳兵，徐露露，劉波，孫濤

南京醫科大學第一附屬醫院 放射科，江蘇 南京 210029

引言

磁共振胰膽管造影（Magnetic Resonance Cholangiopancreatography，MRCP）是臨床診斷肝外膽管結石、膽道梗阻和胰腺疾病的常用檢查方法，其診斷效能和準確性得到了一致的肯定[1]。當前MRCP掃描多使用膈肌導航T2加權可變反轉角三維快速自旋回波（Sampling Perfection with Application-Optimized Contrast Using Different Flip-angle Evolutions，SPACE）序列，可在自由呼吸的情況下得到較好的圖像，但對于呼吸頻率不規則、呼吸淺的患者，需延長采集時間[2]。壓縮感知技術（Compressed Sensing，CS）是近年來出現的新型快速成像技術，其利用變換空間描述信號，隨機采樣少量K空間數據，再運用非線性迭代算法重建出圖像，縮短了采樣時間，使得在低采樣率下恢復高分辨信號成為可能[3]。Furlan等[4]將CS與MRCP呼吸導航SPACE序列相結合，在保證圖像質量的同時使掃描時間縮短至2 min以內。該研究盡管減少了患者的檢查時間，但其仍屬于多個呼吸周期觸發采集，仍然存在圖像模糊或者運動偽影的可能。另外，Kromrey等[5]證實了屏氣壓縮感知MRCP技術的可行性，掃描時間為23 s。但單次屏氣超過20 s，增加了患者的配合難度，圖像質量仍然無法得到保證。本文對屏氣壓縮感知MRCP序列進行優化，將其欠采樣率降低到3.6%，進一步縮短掃描時間，并與常規膈肌導航3D SPACE序列進行比較，分析其圖像質量和臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2019年5月至2020年11月間在我院行MRCP檢查的患者40例，其中男13例、女27例，年齡21～82歲，平均（54.60±14.39）歲，其中包括正常患者8例，膽囊、膽管結石患者13例，胰腺導管內乳頭狀黏液瘤患者15例，膽囊術后患者2例，膽囊息肉患者2例，十二指腸乳頭占位患者1例（其中1例患者同時患有膽囊息肉和胰導管內乳頭狀黏液瘤）。根據掃描序列不同，分為SPACE-MRCP組和CS-MRCP組。本研究經醫院倫理委員會同意批準（2018-SR-043），由于本研究為回顧性分析豁免受試者知情同意。

納入標準：① 臨床懷疑胰膽管病變的患者；② MRI檢查行SPACE-MRCP和CS-MRCP序列掃描患者；③ 患者空腹、檢查時配合良好，無明顯運動或金屬植入物等偽影干擾。

排除標準：圖像存在明顯運動或金屬偽影。

1.2 掃描方法

采用3.0T MR掃描儀（Siemens Skyra，西門子，德國）、18通道腹部線圈和8通道脊柱線圈進行掃描。掃描前要求患者禁食6 h并于檢查前對其行呼氣、屏氣訓練。掃描體位采用仰臥位，頭先進，雙手上舉，線圈中心置于劍突下3 cm處，并設為定位中心。SPACE-MRCP掃描參數為：視野（Field Of View，FOV）為380 mm×380 mm，重復時間（Repetition Time，TR）為2200 ms，回波時間（Echo Time，TE）為700 ms，層厚為1.2 mm，基礎分辨率為384，重建矩陣0.5 mm×0.5 mm×1.2 mm，并行加速因子為3，相位編碼方向為頭腳方向，掃描時間待統計。CSMRCP掃描參數為：TR：1700 ms，TE：486 ms，正則化參數為0.004。FOV、層厚、基礎分辨率、并行加速因子、重建矩陣與SPACE-MRCP相應參數相同，掃描時間為17 s。

1.3 圖像質量評估

由兩名具有6年腹部閱片經驗的影像診斷醫生獨立對自動重建冠狀位最大密度投影（Maximum Intensity Projection，MIP）圖進行雙盲分析。當兩者意見不一致時由另一位高年資的醫生協助達成共識。

1.3.1 定性評估

對圖像整體質量、背景抑制效果及胰管顯示能力進行評估，分數越高表示圖像質量越好。具體評分標準[5]：① 圖像整體質量進行評分：1分為圖像模糊，膽管結構難以辨認，無法診斷；2分為圖像稍模糊，膽管結構顯示不全，質量較差；3分為圖像較清晰，膽管結構顯示完全，圖像質量尚可；4分為圖像清晰，膽管結構顯示完全，圖像質量好。② 背景抑制效果評分：1分為抑制效果差，無法診斷；2分為存在大量的背景信號，影響診斷；3分為存在較多的背景信號，圖像質量輕度下降；4分為存在少量背景信號，背景抑制好。③ 胰管顯示能力評分：1分為胰管不顯示，無法診斷；2分為顯示部分胰管，影響診斷；3分為胰管顯示良好，基本滿足診斷；4分為胰管顯示清晰，滿足診斷。

1.3.2 定量評估

① 掃描時間：對SPACE-MRCP序列的掃描時間進行統計，并與CS-MRCP的掃描時間進行比較分析。② 圖像信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）分析：同一患者選取同一層面進行SNR和CNR測量，選取膽總管顯示最佳直徑最寬處、同層右側皮下肌肉最寬處和背景噪聲區勾畫圓形感興趣區域（Region Of Interest，ROI）[6]，ROI大小為6 mm2，記錄膽總管和肌肉平均信號強度、背景噪聲標準差（Standard Deviation，SD），計算SNR和CNR。

1.4 統計學分析

采用SPSS 24.0軟件進行統計學分析，兩名閱片者對資料評價的一致性采用Kappa檢驗，Kappa 值≤0.2表示一致性差；0.2＜Kappa 值≤0.4表示一致性較差；0.4＜Kappa值≤0.6表示一致性一般；0.6＜Kappa 值≤0.8表示一致性好；Kappa 值＞0.8表示一致性優。定性分析采用Wilcoxon秩和檢驗。定量分析采用配對樣本非參數Wilcoxont檢驗，計量資料用[M（P25，P75）]表示。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 圖像質量定性評估

兩位閱片者對圖像質量的主觀評價一致性好，SPACEMRCP和CS-MRCP的Kappa值分別為0.71、0.83。SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像整體質量評分和圖像背景抑制效果定性評分比較差異有統計學意義（P＜0.05）。SPACE-MRCP與CS-MRCP胰管顯示能力定性評分比較差異無統計學意義（P＞0.05），見表1和圖1。

圖1 SPACE-MRCP與CS-MRCP圖像對比

表1 SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像質量定性評估（±s，分）

表1 SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像質量定性評估（±s，分）

組別 圖像整體質量 背景抑制效果 胰管顯示能力SPACE-MRCP 3.70±0.46 3.43±0.50 3.63±0.49 CS-MRCP 3.90±0.30 3.75±0.44 3.50±0.51 Z值 -2.000 -2.263 -1.667 P值 0.046 0.024 0.960

2.2 圖像質量定量評估

SPACE-MRCP掃描時間為（260.95±61.70）s，CSMRCP掃描時間為17 s，差異有統計學意義（t=-25.00，P＜0.05）。兩位閱片者測量的SNR和CNR的一致性優（Kappa值分別為0.803、0.901），CS-MRCP的SNR和CNR均優于SPACE-MRCP，有統計學差異（P＜0.001），見表2。

表2 SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像質量定量評估[M（P25，P75）]

3 討論

MRCP檢查由20世紀90年代Wallner首先應用[7]，是磁共振水成像技術的一種，無須注射對比劑，利用水的重T2效應，采用長TR和長TE，突出組織中液體信號的權重、弱化其他組織信號。將MRCP原始數據進行重建后處理，可全方位、任意角度對肝內外膽管結構進行觀察，有利于梗阻性病變的判別和診斷[8]。由于其無創、無電離輻射、無需對比劑注射等優點，在臨床胰膽管疾病的篩查和患者復檢中得到廣泛應用。

目前針對MRCP檢查常規采用膈肌導航3D SPACE序列，進行各向同性掃描[9-10]，圖像空間分辨率高。該序列通過監測膈肌運動來判別呼吸時相，于呼氣末采集回波信號，采集時間一般長達3～6 min。而對于呼吸幅度較小或者頻率不規則的患者，采集時間更長[2]，導致圖像模糊、運動偽影增加和圖像質量下降[11-12]。本研究中膈肌導航3D SPACE序列掃描時間最長為6 min 47 s，嚴重影響檢查流程。壓縮感知技術是近年來的研究熱點，其應用需滿足3個條件：① 圖像具有稀疏性；② 混疊偽影在變換域中具有不相干性；③ 合適的非線性迭代重建算法[3,13]。CS在頭顱磁共振血管成像、腹部動態成像、三維關節成像、冠狀動脈MR造影[14-17]等中均得到廣泛的應用。MRCP圖像中含液體的胰膽管呈高信號，其余背景信號大多被抑制，圖像特征符合稀疏性的要求，加速潛力較大。Furlan等[4]將CS與呼吸導航MRCP序列相結合，掃描時間為（150±63）s，與常規（317±104）s相比掃描時間明顯減少。但是呼吸導航或膈肌導航技術采集時間仍由患者的呼吸節律決定，為了進一步減少掃描時間，Kromrey等[5]提出將壓縮感知技術與單次屏氣MRCP結合，其圖像質量與常規MRCP相當，但屏氣時間較長，不利于老年患者使用。

本研究中CS-MRCP使用可變密度泊松盤隨機欠采樣屏氣快速掃描，將欠采樣率降低到3.6%，采用具有冗余的Haar小波變換的快速迭代軟閾值算法[18]實現敏感度編碼重構，然后逐一對線圈數據一致性進行評估，以確保重建圖像與獲取的數據兼容，收斂速度較快、計算負擔較低，將掃描時間降低到17 s，與膈肌導航3D SPACE序列相比掃描時間縮短近15倍。對于呼吸頻率低、呼吸較淺、輕度幽閉恐懼無法耐受長掃描時間，但可以自主屏氣的患者可優先選擇屏氣CS-MRCP序列進行掃描；同時CS-MRCP可在短時間內多次重復掃描，避免了常規膈肌導航SPACE-MRCP掃描中因患者意外運動而導致的長時間重復掃描。但CSMRCP圖像重建需要進行多次迭代，數據運算量大，對重建計算機要求較高，且重建時間明顯長于SPACE-MRCP，故建議優先掃描該序列，有利于技師及時查看圖像質量。

此外，圖像分析時發現SPACE-MRCP自動重建冠狀位MIP圖像中心出現橫向波紋狀偽影，此偽影可能與膈肌觸發有關，與之前的研究一致[11]。呼吸較淺、頻率不規則的患者，膈肌監測時間增加，采集時間延長，采集窗內偽影增多、背景信號增多，圖像質量下降[19]。圖像整體質量評分結果表明，CS-MRCP可提供比SPACE-MRCP更好的圖像質量和背景抑制。另外，CS-MRCP液體信號高，背景抑制好，可獲得更優的圖像對比。這得益于MRCP圖像本身所具有的稀疏性，使得包含液體的膽管高信號在T2WI中更加明顯，而背景或噪聲在經過稀疏變換和大量的迭代算法后被過濾。但本研究結果在胰管顯示能力方面CS-MRCP與SPACE-MRCP相當，與以往的報道一致[5]，其原因可能為胰管直徑較小[20]，且由于部分容積效應使得胰管被CS迭代算法中的去噪所過濾。SNR和CNR是圖像質量評價中的重要指標，本研究中CS-MRCP的SNR和CNR明顯高于SPACE-MRCP，圖像中的液體信號相比背景噪聲，具有更高的信號強度。這一結果同樣可能源于CS的算法優勢。CS的非相干性加之K空間中心密集采樣而四周少量采樣，符合K空間的能量分布規律，這一特性導致圖像上的重要信號（MRCP圖像中液體呈現出的高信號）和噪聲不相干，從而使液體信號和噪聲差異更加顯著，易于分離。最后經過稀疏變換以及迭代運算后，進一步減少了噪聲。

本研究的不足之處在于CS重建圖像具有其特殊的紋理，主觀評價時無法做到完全雙盲。測量SNR時采用手動勾畫圓形ROI，可能存在抽樣誤差。此外本研究僅評價了CS-MRCP的主觀和客觀圖像質量，未對不同病變顯示能力和診斷效能進行評價，未來仍需進一步研究。

4 結論

屏氣CS-MRCP可明顯縮短檢查時間、提供比膈肌導航3D SPACE序列更好的圖像質量，具有較高的臨床應用價值。