多次激發平面回波擴散加權成像在顱底成像中的應用

羅賀丹，張浩南，胡帥，盧緒論，王楠，苗延巍，劉愛連，林良杰，宋清偉*

擴散加權成像（diffusion weighted imaging,DWI）能夠無創地將水分子的擴散特性量化為表觀擴散系數（apparent diffusion coefficient, ADC），在評估顱腦病變方面有非常重要的應用價值[1-3]。常規DWI 采用單次激發平面回波成像（single shot-echo planar imaging, SS-EPI）技術，可以檢測急性腦梗塞、腫瘤、炎癥等多種病變[4-6]。然而，傳統SS-EPI DWI 沿相位編碼方向額外的相位累積會導致圖像幾何失真，尤其在顱底巖骨周圍、額竇、顳葉、腦橋腦干等組織交界處，受磁場不均勻的影響，幾何畸變更加明顯。另外，由于相對較長的讀出時間，使信號衰減而容易出現模糊偽影，影響顱底部病變的檢出[7-9]。多次激發平面回波擴散加權成像（multi-shot echo planar imaging diffusion weighted imaging,MS-EPI DWI）通過激發次數的增加提高了圖像分辨率，并減少了幾何失真，對病變更加敏感。目前MS-EPI DWI 已在神經系統、乳腺、盆腔等部位的應用中取得了較好的效果[10-12]，并對頭頸部鱗狀細胞癌的結節轉移[13]、中耳膽脂瘤等病變具有較高敏感度[14]。然而，MS-EPI DWI 序列受到掃描設備硬件和軟件的制約掃描時間比較長[11]，無法配合的老人、小孩和危重患者難以耐受長時間檢查，臨床應用受限，國外主要集中于單一MS-EPI DWI 和單激發平面回波擴散加權成像（single-shot echo planar imaging diffusion weighted imaging, SS-EPI DWI）的對比研究，而并未對MS-EPI DWI的不同激發次數進行比較研究。因此，本研究通過對SS-EPI DWI 和不同激發次數（8、6、4、2）的MS-EPI DWI 圖像進行主觀評分和客觀評估，擬探討MS-EPI DWI 對顱底區域DWI 圖像質量的影響，并尋找適用于臨床最佳的激發次數，有效縮短MS-EPI DWI掃描時間，提高檢查成功率。

1 材料與方法

1.1 一般資料

前瞻性招募2021年12月至2022年5月在大連醫科大學附屬第一醫院行頭部磁共振檢查的健康志愿者49 例，其中男30 例，女19 例，年齡13～77（42.00±19.39）歲。納入標準：（1）無顱腦部手術史；（2）顱腦部無金屬植入物。排除標準：（1）MR 禁忌證；（2）無法配合MR檢查。本研究經大連醫科大學附屬第一醫院倫理委員會批準（審批文號：PJ-KS-KY-2022-169），全體受試者均簽署了知情同意書。

1.2 檢查方法

所有受試者均使用Philips Ingenia CX 3.0 T MRI掃描儀（Philips Healthcare，Best，the Netherlands），配備32 通道相控陣頭部線圈。掃描序列包括常規SS-EPI DWI序列和基于圖像空間采樣重建算法（image reconstruction using image-space sampling, IRIS）的MS-EPI DWI 序列（激發次數分別為8、6、4、2）。掃描同時完成b=0 s/mm2和b=1000 s/mm2的圖像重建，ADC 圖為自動生成，其他所有參數保持不變，FOV 184 mm×226 mm，分辨率1.6 mm×2.04 mm×6.5 mm，掃描參數見表1。

表1 各序列掃描參數Tab.1 Scan parameters of each sequence

1.3 數據測量及分析

1.3.1 數據測量

將掃描所得圖像傳至ISP（Philips，IntelliSpace Portall Version 9.0）工作站，在b=1000 s/mm2和ADC 圖像小腦最大層面兩側各劃定三個感興趣區（region of interest, ROI），大小10～20 mm2，分別測量信號值（signal intensity, SI）和ADC 值，測量區域為小腦及腦干腦橋左右兩側相同位置的腦實質。在齒狀核最大層面兩側各劃定兩個ROI，ROI 大小5～8 mm2，測量齒狀核SI 和噪聲強度（standard deviation, SD）。上述測量均取平均值，計算信噪比（signal to noise ratio, SNR）和對比噪聲比（contrast to noise ratio, CNR）。

1.3.2 主觀評分

兩位觀察者（從事MR 工作6 年、5 年的副主任醫師）根據解剖結構細節可見度、圖像噪聲及幾何形變大小以及診斷準確性采用五分評分法對圖像質量進行評價（表2）[15]，3分及3分以上滿足診斷要求。

表2 主觀評分表Tab.2 Subjective score criteria system

1.4 統計學分析

使用統計軟件包SPSS 26.0對數據進行分析。使用Kappa檢驗兩觀察者評分的一致性，Kappa≥0.75認為一致性良好。若一致性良好，選擇高年資醫師主觀評分進行后續分析。使用Friedman檢驗MS-EPI DWI組不同激發次數序列之間兩側小腦、腦干腦橋ADC、SNR、CNR及主觀評分差異性。其中P＜0.05認為各組之間差異具有統計學意義。若Friedman檢驗發現存在差異性，進行后續多重比較并對P值做Bonferroni校正。

2 結果

2.1 主觀評分一致性檢驗

兩觀察者圖像質量主觀評分具有良好的一致性（Kappa=0.795、0.871、0.782、0.880、0.847，表3），選擇觀察者一的主觀評分進行后續分析。

表3 兩觀察者主觀評分Tab.3 Subjective scores of two observers

2.2 客觀評估及主觀評分差異性檢驗

2.2.1 ADC值比較

基于Friedman 檢驗結果發現，在MS-EPI DWI 不同激發次數之間，兩側小腦ADC 差異無統計學意義（P＞0.05），其余數據差異有統計學意義（P＜0.05，表4）。兩兩比較結果表明，當激發次數為8 時，MS-EPI DWI 序列左側腦橋腦干ADC 較SS-EPI DWI 序列差異有統計學意義（P＜0.05），當激發次數為4、2 時兩側腦橋腦干ADC 較SS-EPI DWI 序列差異有統計學意義（P＜0.05，表5）。

2.2.2 SNR、CNR值及主觀評分比較

SNR、CNR及主觀評分比較見圖1。Friedman檢驗結果表明，MS-EPI DWI序列不同激發次數之間各部位SNR、CNR 差異均有統計學意義（P＜0.05，表4）。與SS-EPI DWI序列相比，當激發次數為8、6、2時，MS-EPI DWI 序列SNR、CNR 及主觀評分均大于SS-EPI DWI 序列；當激發次數為8時，右側小腦CNR和右側腦橋腦干SNR、CNR及主觀評分較SS-EPI DWI序列差異有統計學意義（P＜0.05，表5）；當激發次數為6時，各部位SNR、CNR及主觀評分較SS-EPI DWI序列差異均有統計學意義（P＜0.05，表5）；當激發次數為4 時，兩側腦橋腦干CNR較SS-EPI DWI序列差異無統計學意義（P＞0.05），其他數據及主觀評分差異均有統計學意義（P＜0.05，表5）；當激發次數為2時，左側小腦SNR、CNR和右側小腦CNR，右側腦橋腦干SNR 較SS-EPI DWI 序列差異有統計學意義（P＜0.05，表5）。

表4 不同激發次數客觀評估以及主觀評分的差異性比較（Friedman檢驗）Tab.4 Comparison of objective measurements and subjective evaluation of among DWI with different shots of excitation by Friedman test

表5 不同激發次數客觀評估以及主觀評分兩兩比較（P值）Tab.5 Pairwise comparison of objective measurement and subjective scores between DWI with different shots of excitation(P value)

3 討論

既往研究表明[16-17]，MS-EPI DWI 可以更準確地檢測顱底部病灶的形態和位置。然而，隨著激發次數的增加，MS-EPI DWI 掃描時間顯著增加。本研究將MS-EPI DWI 應用于顱底掃描，尋找適用于臨床最佳的激發次數。結果表明，MS-EPI DWI 序列，兩側小腦ADC值差異無統計學意義（P＞0.05），腦橋腦干處ADC較常規DWI 序列差異有統計學意義（P＜0.05）；當MS-EPI DWI 序列的激發次數為6 時，SNR、CNR 和主觀評分均高于SS-EPI DWI 序列，且圖像的幾何畸變明顯減小。本研究的創新性在于將不同激發次數的MS-EPI DWI 與傳統SS-EPI DWI 進行評估與對比，優化適合臨床應用的激發次數，以在短時間內獲得畸變小、質量高的顱底部DWI 圖像，具有較好的臨床應用前景。

3.1 MS-EPI DWI序列的相關研究及優越性

DWI序列在常規MRI序列的基礎上，x、y、z三個方向施加擴散敏感梯度，將水的擴散特性量化為ADC，從而反映人體內水分子擴散運動情況[18-20]。Ogawa等[21]證明SS-EPI DWI序列可作為臨床評估手術切除顱底侵犯頭頸部腫瘤的重要指標。Norri 等[22]和Guler 等[23]發現SS-EPI DWI 提高了篩查部分頭頸部病變的敏感性和特異性，例如膽脂瘤、表皮樣囊腫、膿腫等。MS-EPI DWI 是DWI 技術的一項創新，具有圖像分辨率高、T2模糊效應少等優勢[10]。也有研究者將多激發平面回波擴散張量成像（multi-shot echo planar imaging diffusion tensor imaging,MS-EPI DTI）應用于脊髓可改善線性失真和減小幾何畸變，提高診斷準確率[24-25]。Zhang等[16]和Steinhoff等[17]研究證明MS-EPI DWI可以減少圖像失真、噪聲水平和信號損失等，圖像質量隨激發次數增加而提高[16-17]。本研究MS-EPI DWI采用IRIS 在基于運動校正整合到并行采集框架的基礎上，運用2D 導航應用于MS-EPI DWI，在相位編碼方向具有更高的帶寬，可以減少幾何失真，提高空間分辨率，從而為圖像細節提供更高的保真度，提高了圖像質量。

3.2 MS-EPI DWI與SS-EPI DWI的比較結果

Kim 等[26]對比了激發次數為2 的MS-EPI DWI 序列與SS-EPI DWI 序列在肝臟部位的圖像質量，發現MS-EPI DWI 序列的圖像噪聲和失真更少，肝臟輪廓和病變顯示清晰，對病灶顯示具有較高的敏感性。Zhang 等[27]納入了75 名骶髂關節炎的患者，通過MS-EPI DWI和SS-EPI DWI序列在骶髂關節主觀和客觀的比較研究，證明MS-EPI DWI 序列圖像質量明顯提高，SNR 和CNR 均高于SS-EPI DWI 序列，可作為骶髂關節MRI的常規掃描序列中使用。本研究通過主、客觀評價對顱底部不同激發次數的MS-EPI DWI序列進行研究，兩位獨立觀察者的主觀評分kappa值均高于0.75，具有良好的一致性。激發次數為8次比激發次數為6次的圖像質量有所下降（不顯著），可能是掃描時間加長，帶來的運動偽影的概率更大。有研究表明，MS-EPI DWI 在相位編碼方向上血液和腦脊液搏動可形成偽影[28]。本研究客觀評估顯示，當激發次數為8 時，MS-EPI DWI 序列圖像的SNR、CNR 普遍低于6 次，血液和腦脊液搏動偽影較嚴重，導致噪聲增加，數據的組合效果下降，這與既往研究一致。另外，在左側小腦和腦橋腦干，MS-EPI DWI 序列激發次數為2 的CNR 值大于激發次數為4 的CNR，激發次數為4 時左腦橋腦干的CNR 小于SS-EPI DWI 序列，可能是測量的背景齒狀核解剖結構造成ROI 勾畫較小造成的噪聲波動；當激發次數從6 減少到2 時，與SS-EPI DWI 序列相比差異具有統計學意義（P＜0.05）的部位逐步減少；當激發次數為6 時，各部位ADC 值與SS-EPI DWI 相比差異無統計學意義（P＞0.05），SNR、CNR 及主觀評分均高于SS-EPI DWI 序列且差異均有統計學意義（P＜0.05），該激發次數的圖像質量較SS-EPI DWI 序列明顯提升；在掃描時間上，相對于激發次數為8 的時間縮短了23.8%。本研究表明與SS-EPI DWI 序列相比，MS-EPI DWI 序列具有更好的整體圖像質量，提高了圖像清晰度，減少了幾何畸變和圖像失真，可以提供更多的診斷信息，幾何畸變的減少有利于DWI和解剖圖像之間更精準地匹配，更清楚地定義解剖邊界。也可以為顱底部腫瘤放療計劃的制定和影像組學ROI的勾畫提供精準的定位參考。

3.3 本研究的局限性

MS-EPI DWI 在相位編碼方向上血液和腦脊液搏動可形成偽影[28]，有待后續對此進行研究改進。本研究樣本量較小并未對顱底病變受檢者進行分組討論，有待后續擴大樣本量進一步研究。

綜上所述，對比傳統SS-EPI DWI序列，基于IRIS的MS-EPI DWI技術可顯著減少顱底部幾何畸變和高信號偽影，對于顱底需要重點觀察或懷疑病變時，可應用MS-EPI DWI 序列。綜合時間和圖像質量的平衡，推薦使用激發次數為6 的MS-EPI DWI 序列行顱底掃描。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。