快速智能磁共振技術在頸椎磁共振掃描中的應用價值

徐敏，吳瑜，劉鍵，王榮品，徐睿，曾憲春*

0 前言

頸椎病是一種以脊柱退變為特征的常見疾病[1]，常合并神經結構的機械性壓迫，引起疼痛或神經功能障礙，嚴重可致癱瘓[2]。MRI已成為現代醫學診療中重要的檢查技術，是頸椎退行性變、椎間盤病變以及脊髓損傷等疾病臨床診斷中不可或缺的工具[3-6]。然而高質量MR 圖像采集時間相對較長[7]，常導致患者在MRI檢查中耗費大量時間；因此，在保證圖像質量情況下縮短掃描時間已成為目前研究的熱點。快速智能磁共振（intelligent quick magnetic resonance,IQMR）是一種基于人工智能（artificial intelligence,AI）輔助的圖像迭代重建技術，原理是將輸入的原始數據集分解為3D補丁，通過計算每個圖像補丁的特征，對噪聲和信號進行聯合估計與分離，通過不斷迭代這個過程，達到同一MRI中最佳圖像即停止迭代輸出最佳值，實現不增加成像時間從而提高圖像質量[8]。然而IQMR 技術作為一種新興AI 重建技術，目前僅有KANEMARU等[9]在其研究中使用IQMR技術提升顱腦MRI圖像質量，雖然已取得不錯的表現，但其側重于探討IQMR技術在顱腦T1WI結構像中形態計量學分析的準確度，而針對不同序列、不同部位，IQMR技術是否能改善MR圖像質量需進一步探索。本研究旨在對比頸椎矢狀位T2WI 常規圖像與IQMR 技術掃描圖像，探討IQMR技術在頸椎MRI檢查中的應用價值，為臨床提高MRI掃描效率、加快診療速度提供有力的支持。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，并獲貴州省人民醫院醫學影像臨床研究倫理委員會批準，免除受試者知情同意，批準文號：（2022）045 號。回顧性分析本院2022 年3 月至2022 年5 月臨床懷疑頸椎病變行MRI 檢查的患者資料50 例，男31 例，女19 例，年齡26～81（50.76±11.86）歲。

1.2 掃描及后處理方案

采用西門子MAGNETOM Aera 1.5 T超導MR掃描儀行頸椎矢狀位平掃，采用8通道頭相控陣線圈。常規頸椎矢狀位T2WI，參數如下：TR 2800 ms，TE 108 ms，層厚3 mm，層間距0.6 mm，矩陣384×384，視野300 mm×300 mm，分辨率0.6 mm×0.6 mm×3.0 mm，層數11，掃描時間3 min 1 s；IQMR原始頸椎矢狀位T2WI，參數如下：TR 3000 ms，TE 81 ms，層厚3 mm，層間距0.6 mm，矩陣300×100，視野260 mm×260 mm，分辨率0.3 mm×0.3 mm×3.0 mm，層數11，掃描時間1 min 17 s，掃描后獲得原始圖像，并將原始圖像數據傳入后處理工作站（Medic Vision Imaging Solutions, Tirat Carmel, Israel 13）行IQMR重建獲取IQMR重建圖像。

1.3 圖像分析

主觀評分：由兩名5年以上影像診斷經驗的主治醫師分別對兩組圖像使用雙盲法評判分析，取兩者平均值。根據椎體、椎間盤、脊髓結構顯示情況進行評分，具體評分標準如下：1 分，圖像偽影多，病灶及解剖結構顯示不清，不能診斷；2 分，圖像中度偽影，病灶及解剖結構顯示模糊，診斷可能出現誤差；3 分，圖像中度偽影，病灶及解剖結構顯示欠清，但對診斷影響不大；4 分，圖像輕微偽影，病灶及解剖結構顯示可，可明確診斷；5 分，無偽影圖像，病灶及解剖細節顯示清，可明確診斷。

客觀評價：于頸椎T2WI正中矢狀位圖像，選擇第2 頸椎層面脊髓及枕大池腦脊液處分別勾畫面積約2 mm2的ROI，并在圖像同層面背景后方上下兩角無結構組織區域勾畫兩個2 mm2的ROI，取二者平均值為平均背景噪聲（standard deviation, SD）（圖1），計算兩組圖像ROI 的信號強度（signal strength, SI）、SD、信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）、對比噪聲比（contrast-to-noise ratio, CNR）并進行比較。SNR與CNR計算公式見式（1）～（2）。

圖1 ROI的選擇。選擇頸椎T2WI 正中矢狀位，于頸2 頸椎層面脊髓及大枕大池腦脊液處勾畫ROI，勾畫面積約2 mm2，并于同層面頸2、頸7棘突平面皮下30 mm處勾畫測量背景ROI。圖2 常規頸椎T2WI矢狀位（2A）、IQMR原始頸椎T2WI矢狀位（2B）、IQMR重建T2WI矢狀位（2C）圖像。三組圖像對于病灶的檢出數量相同，但對于同一病灶的顯示不同；紅色箭頭所指延髓及脊髓高信號病灶在2B、2C 兩圖的顯示范圍更大；白色箭頭所指小腦下后動脈的顯示在2B、2C兩圖中邊緣更清晰。IQMR：快速智能磁共振。Fig.1 Selection of ROI.The median sagittal position of T2WI of cervical vertebra is selected.The spinal cord and cerebrospinal fluid of cisterna magna are defined as ROI at the level of cervical vertebra, and the area is about 2 mm2.The background ROI is delineated at the subcutaneous 30 mm of C2 and C7 spinous process plane at the same level.Fig.2 Images of conventional cervical T2WI sagittal images (2A), IQMR original cervical T2WI sagittal images (2B) and IQMR reconstructed T2WI sagittal images (2C), respectively.The number of lesions detected by the three images is the same, but the display of the same focus is different;The display range of the high signal lesions of the medulla oblongata and spinal cord indicated by the red arrow is larger in images 2B and 2C; The edge of the posterior inferior cerebellar artery pointed to by the white arrow is clearer in images 2B and 2C.IQMR: intelligent quick magnetic resonance.

SNR=SI脊髓／SD背景（1）

CNR=（SI脊髓-SI腦脊液）／SD背景（2）

1.4 統計學分析

采用SPSS 26.0統計學分析軟件。計量資料以均數±標準差表示；等級資料以中位數（上、下四分位數）表示。三組掃描圖像SI、SD、SNR及CNR的統計學差異采用ANOVA檢驗；采用Kappa檢驗評估2名影像診斷醫師評價頸椎MRI主要解剖結構評分的一致性：Kappa≤0.40時一致性差，0.40＜Kappa≤0.60時一致性中等，0.60＜Kappa≤0.80 時一致性較好，Kappa＞0.8 時一致性好。采用多樣本秩和（Kruskal-WallisH）檢驗比較三種掃描圖像頸椎圖像的整體主觀評分差異。以P＜0.05時為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組圖像客觀評價的比較

經過IQMR 重建所得圖像的SI脊髓、SI腦脊液、SD背景、SNR 和CNR（205.31±20.48, 628.13±83.26, 1.02±0.26, 210.99±44.21, 429.58±91.16）與IQMR原始圖像相比，經過IQMR重建所得圖像SD下降21%，SNR提升28%、CNR提升30%；與常規圖像相比，經過IQMR重建所得圖像SD下降43%，SNR提升50%、CNR提升68%；三組圖像之間SI脊髓差異無統計學意義；三組圖像之間SI腦脊液差異具有統計學意義（P＜0.01），且常規圖像SI腦脊液低于IQMR原始圖像及IQMR重建圖像（表1）。

表1 三組圖像SI、SD、SNR及CNR的差異性比較Tab.1 Comparison of the differences of SI, SD, SNR and CNR among three groups of images

2.2 兩組圖像質量主觀評分的比較

兩名醫師對常規圖像顯示椎體、椎間盤、脊髓的主觀評分結果一致性為較好至好，Kappa 值為0.61～0.92，P＜0.05（表2）。三組圖像整體質量主觀評分差異具有統計學意義（H=19.25,P＜0.001）（表3）；經過事后兩兩比較顯示，IQMR原始圖像與IQMR重建圖像之間差異無統計學意義（P=0.313）；常規圖像與IQMR 重建圖像（P＜0.001）及原始圖像（P=0.001）之間差異均具有統計學意義（P＜0.05, Bonferroni校正）。

表2 兩名醫師對頸椎各解剖結構主觀評分的Kappa值Tab.2 Kappa values of image quality between two Radiologists in each anatomical structure of cervical vertebra

表3 三組圖像整體質量主觀評分的比較Tab.3 Comparison of subjective score of overall image quality among three groups

2.3 兩組圖像疾病檢出的主觀比較

使用雙盲法對三組圖像進行疾病檢出的主觀比較，疾病類型包括椎間盤突出、椎體壓縮性改變、椎體骨質增生、椎管狹窄、脊髓變性（表4）。結果顯示，三組圖像對病灶檢出情況一致但對于病灶細節顯示出現不同，與常規圖像相比，IQMR 原始圖像與重建圖像對于病灶范圍顯示更準確，對于搏動的小動脈顯示邊緣更清晰（圖2）。

表4 三組圖像對病灶顯示情況的比較Tab.4 Comparison of the display of lesions among images

3 討論

本研究對頸椎行常規、IQMR 矢狀位T2WI 序列掃描，得到常規圖像、IQMR 原始圖像及IQMR 重建圖像，并將三組圖像進行比較，發現經過IQMR 重建能夠提高圖像的SNR 以及CNR，并降低SD，改善圖像質量。本研究為國內首次利用IQMR技術將機器學習及迭代重建相聯合應用于頸椎MRI，不僅實現了縮短MRI 掃描時間，且能提高圖像質量，提高臨床MRI檢查效率、加快疾病的診療過程。

3.1 掃描時間

MRI 檢查由于其軟組織對比分辨率高，尤其對脊髓、椎間盤等軟組織的清晰顯示已成為診斷頸椎疾病的首選技術[10-12]，但其成像時間受k 空間數據點數量、采樣方式以及圖像重建方式等因素影響[7,13]，獲得高質量的MR 圖像會導致檢查時間過長，嚴重影響患者的檢查頻次及特殊人群的檢查。目前臨床使用的頸椎矢狀位T2WI 序列掃描時間平均在3 min 左右，而使用IQMR重建技術掃描時間約1 min 17 s，與常規序列相比掃描時間縮短了57%。縮短掃描時間可獲得更高的患者配合度，降低運動偽影，便于獲取更精準的圖像。

3.2 圖像質量

通過減少激勵次數、并行采集技術以及壓縮感知等技術可改善圖像質量從而提高掃描速度[14-15]，但大部分技術在縮短掃描時間的同時都存在降低圖像質量的缺陷。IQMR 重建技術與壓縮感知技術相似[16-19]，均能通過提高SNR、CNR 保證縮短掃描時間后的圖像質量[20]，然而壓縮感知技術采用的欠采樣數據、非線性重建以及降噪特性可能會遺漏一些細微的診斷信息[21]，且對于壓縮因子的選擇，不同組織結構可能存在不同的最佳值[22]。隨著計算機的發展，AI與影像技術的緊密結合，表現出對于圖像去噪、數據恢復等方面具有獨特的優勢[23-25]，目前許多研究也嘗試使用深度學習重建等AI結合的方法輔助壓縮感知技術實現在保證圖像質量的前提下使用更合適的加速因子[26]。此外，并行成像也是一類可用于減少掃描時間的圖像重建方法[27-30]，在并行采集使用過程中，可通過縮短重復時間縮短掃描時間，但會對圖像對比度有影響；若減少在相位編碼方向上收集的行數，則會降低圖像空間分辨率；同時欠采樣技術也會增加相鄰k 空間線之間的間距，從而降低視野，導致圖像混疊偽影，可能會對臨床診斷造成一定的影響[29]。基于以上問題，IQMR 技術首次將3D（GiRR3D, Medic Vision）技術中通用迭代反向重建的Safe CT算法應用于MR 圖像的處理，將輸入圖像與IQMR 使用期間獲取的高質量圖像進行比較，通過AI 輔助的方式利用MRI 數據的統計先驗知識以及SNR 改善圖像增強和迭代重建方法來恢復使用相對較差的曝光參數所獲取的MR 圖像細節和質量[9]。在既往針對顱腦的研究[9,31]中，IQMR 技術不僅可以改善MR 圖像質量，還可以提高形態計量分析的質量。本研究結果顯示IQMR重建圖像與常規圖像以及IQMR原始圖像相比均能夠降低SD、提高SNR 及CNR 等客觀指標，實現對圖像質量的改善[32-33]，并且重建圖像在三組圖像中表現最優。不同于其他提速技術需要在掃描中更改參數，IQMR 技術在操作過程中，選入IQMR 原始序列后無須參數調節即可掃描，并自動重建，不增加額外的人工操作即可輸出最佳圖像，實現保證圖像質量的前提下縮短掃描時間。

3.3 疾病檢出能力

本研究中三組圖像具有相同的疾病檢出能力，考慮由于未達診斷標準的圖像已被臨床自動淘汰，納入資料可能存在選擇性偏差；同時IQMR 設置原始序列與輸出指令即同期機器學習所獲得的最佳圖像也均能達到診斷標準，兩名醫師對于IQMR 所獲得的兩組圖像整體主觀感受無明顯差異，表示三組圖像疾病檢出能力相同。通過IQMR技術掃描的兩組圖像各解剖結構的主觀評分一致性優于常規圖像，表明前者成像質量更穩定；同時通過使用IQMR 技術掃描時間縮短57%，能夠有效減輕患者因檢查時間過長帶來的不適，獲得更高的配合度，有利于捕捉更精準的圖像。雖然三種序列疾病檢出能力相同，但IQMR 技術掃描圖像對病灶范圍的評估以及搏動血管的顯示優于常規圖像，因此IQMR 技術對疾病顯示具有更高的診斷價值。

3.4 局限性

本研究仍存在不足之處：其一，本研究僅針對T2WI 一個序列做出研究，對于一些特殊的功能成像并未進行研究；其二，本研究對于所包含的病種在診斷上并無明顯差異，但考慮本研究納入樣本量較少，針對頸椎腫瘤等疾病的診斷是否存在差異有待進一步研究，以上不足將在課題組后期工作中跟進。

4 結論

綜上所述，IQMR重建技術不僅可提升頸椎MRI的圖像質量，還可縮短掃描時間，有望提升頸椎MRI 的掃描效率，縮短患者預約及檢查時間，值得臨床推廣應用。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：曾憲春設計本研究的方案，對稿件重要的智力內容進行了修改；徐敏起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數據；吳瑜、劉鍵、徐睿負責獲取、分析或解釋本研究的數據；王榮品對稿件重要的智力內容進行了修改；徐睿獲得了貴州省自然科學基金項目的資助。曾憲春獲得了國家自然科學基金項目的資助。全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。