壓縮感知技術對乳腺T1 高分辨率各向同性容積激發序列的成像影響及序列優化

寧寧，梁泓冰，張麗娜*，張楠，田佳禾，宋清偉，吳祺，王卓，李遠飛，趙思奇，楊潔

0 前言

當今世界，乳腺癌已成為全世界女性惡性腫瘤發病率最高的疾病，亦是導致女性死亡的重要病因[1-2]。MRI具有良好的組織分辨率與多種后處理及功能成像方法，無輻射損傷，在乳腺疾病中的應用廣泛，使乳腺良惡性病變診斷的準確率有了很大提高[3-4]。其中動態增強MRI（dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI）是一種通過注射外源性對比劑來評估腫瘤灌注和血管通透性的技術，它提供了良好的圖像對比，在進行形態學分析的同時能定量測量腫瘤組織生理參數，在乳腺腫瘤的定性診斷中具有很大的價值，是當前臨床中最成熟關鍵的乳腺MRI 檢查方法[5-6]。由于較低的空間分辨率會干擾形態學的觀察，而時間分辨率差則會對乳腺定量參數的分析產生影響，因此DCE-MRI成像對時間和空間分辨率要求較高，但兩者通常是相互制約的，尋找兩者的平衡是乳腺DCE-MRI成像臨床應用的難點。

MR 快速成像近年來發展迅速，其中，敏感度編碼（sensitivity encoding, SENSE）技術是利用多個空間敏感度差異，基于對組成線圈敏感度的探測，采用以圖像為基礎再結合線圈信息的重建方式[7]。但由于噪聲和運動偽影的干擾，SENSE敏感度探測的精準度一直存在爭議，尤其是在小視野成像時圖像更易出現并行采集偽影[8]。近年來壓縮感知（compressed sense, CS）技術日漸被報道，通過在數據采集過程中采用圖像稀疏性和非相干K空間采樣[9]，在保持高空間分辨率的前提下進一步縮短掃描時間[10]，此技術已應用于腹部、骨關節、心臟、顱腦等疾病[11-15]中，但在乳腺DCE-MRI中仍處于探索階段[16-19]。已有的研究[17,19]發現應用CS 的DCE-MRI 掃描效率明顯高于應用SENSE 的DCE-MRI，尤其在增強掃描后期，在未降低信噪比的同時大大縮短掃描時間，相比于SENSE有更好的空間分辨率，但目前尚未見對乳腺DCE-MRI 如何選擇最佳加速因子（acceleration factor, AF）進行疾病研究的報道。若使用不當或盲目提高AF，會產生并行采集相關偽影，導致圖像模糊，影響診斷。因此尋找合適的成像AF是提高乳腺MRI臨床成像速度與圖像質量的迫切需要。

時間-信號強度曲線（time-signal intensity curve, TIC）是DCE-MRI 的一種常規后處理技術，可直接反映ROI 增強后的信號強度隨時間的變化情況[20]，其中平臺型曲線代表后期病灶信號強度不會隨時間增加而變化，本研究充分考慮對比劑對DCE-MRI的影響，選擇平臺型病例分析CS 技術中AF 對采集時間與圖像質量的影響，從而保證同一患者的不同AF序列信號強度的一致性。

本研究通過對比常規SENSE 技術與不同AF 的CS技術對乳腺T1 高分辨率各向同性容積激發序列（enhanced-T1 high resolution isotropic volume excitation, e-THRIVE）成像的影響及序列優化，尋找適用于乳腺MRI 臨床應用的最佳AF 值，以期優化乳腺e-THRIVE 掃描序列，在縮短臨床常規掃描時間的同時，清晰顯示乳腺病變、動靜脈血管等乳腺組織，以供醫師精準診療。

1 材料與方法

1.1 一般資料

前瞻性納入2021年12月至2022年6月在大連醫科大學附屬第一醫院行乳腺MRI檢查的患者。納入標準：（1）無MRI 檢查禁忌證，如體內有心臟起搏器、支架、金屬植入物等；（2）MRI檢查前無任何治療或乳房植入物。排除標準：（1）無法配合完成MRI 檢查；（2）TIC為流入型或流出型；（3）病變大小＜5 mm；（4）乳腺背景實質強化為中度或明顯強化。最終入組患者43 例，年齡為31～69（49.8±9.4）歲。本研究遵守《赫爾辛基宣言》，并經大連醫科大學附屬第一醫院倫理委員會批準（倫理批號：PJ-KS-KY-2021-10），全體受試者均已簽署知情同意書。

1.2 檢查設備與方法

采 用 Philips Ingenia CX 3.0 T MRI（Philips Healthcare, Best, the Netherlands）掃描儀，7通道乳腺相控陣線圈，在e-THRIVE的基礎上，分別采用SENSE及CS進行加速采集。各序列幾何參數與對比參數保持一致。本研究是在注射對比劑后延遲期的e-THRIVE序列上進行。所有患者在月經周期7～10天進行MRI檢查，檢查前禁食水4～6 h，受檢時取俯臥位，腳先進，雙側乳腺自然下垂于線圈中央。先行DCE-MRI掃描，采集參數如下：TR 3.60 ms,TE 1.91 ms，體素大小1 mm×1.2 mm×4 mm，翻轉角10°，視野240 mm×340 mm×160 mm，層 厚4.0 mm，層 間 距-2.0 mm。第1 期為蒙片，第2 期開始注射對比劑，共掃描30期，掃描時間為409 s。在獲得第1期圖像后，使用對比劑注射器（tnnessee XD 2003，歐利奇醫療用品有限公司，德國）靜脈注射0.1 mmol/kg釓噴酸葡胺（釓噴酸葡胺注射液，北京北陸藥業股份有限公司，中國北京），注射速率為2.5 mL/s，注射對比劑后再以相同的速率注射20 mL 0.9%的氯化鈉溶液進行沖洗。在DCE-MRI 的30 期掃描結束后，進行不同AF 的e-THRIVE序列掃描。其中SENSE的AF為4；CS的AF分別為4、5、6、7。e-THRIVE序列掃描參數詳見表1。

表1 e-THRIVE各序列掃描參數Tab.1 Scan parameters for each sequence

1.3 圖像分析與數據測量

1.3.1 圖像客觀評分

將掃描所得到的圖像傳至星云工作站（intellispace portal V7，ISP V7）。由兩位觀察者（分別從事乳腺MRI 診斷工作3 年的住院醫師和7 年的副主任醫師）采用雙盲法對圖像進行分析和測量。在DCE-MRI圖像上選擇異常強化病灶最大層面，分別放置ROI 測量不同AF 組的病灶、健側無背景實質強化區域腺體組織、胸大肌的信號強度（signal,SI）、噪聲值。ROI選取注意避開脂肪、血管、空氣等其他對測量有影響的組織，大小為20～23 mm2，三次測量取其平均值（圖1、圖2）。計算圖像信噪比（signal to noise ratio, SNR）和對比噪聲比（contrast to noise ratio, CNR）以及相對對比度（relative contrast, RC）。各參數計算公式見式（1）～（3）：

圖1 女，58歲，浸潤性導管癌Ⅱ級。1A：ROI放置示意圖，ROI分別位于健側乳腺纖維腺體（R1）、病灶（R2）和胸大肌（R3）；1B～1F：AF 分別為SENSE AF=4、CS AF=4、CS AF=5、CS AF=6、CS AF=7 的e-THRIVE 圖像。AF：加速因子；SENSE：敏感度編碼；CS：壓縮感知。Fig.1 A 58-year-old female diagnosed with infiltrating ductal carcinoma grade Ⅱ.1A:The picture shows a schematic diagram of ROI placement, with ROI placed in the contralateral breast fibroglandulars (R1), lump (R2) and ipsilateral pectoralis major muscle (R3), respectively; 1B-1F: Images of e-THRIVE SENSE with AF=4, CS with AF=4, 5, 6, and 7 respectively.AF:acceleration factor; SENSE: sensitivity encoding; CS: compressed sense.

圖2 女，34 歲，乳腺纖維腺瘤。2A：ROI 放置示意圖，ROI 分別位于健側乳腺纖維腺體（R1）、病灶（R2）和胸大肌（R3）；2B～2F：AF 分別為SENSE AF=4、CS AF=4、CS AF=5、CS AF=6、CS AF=7 的e-THRIVE 圖像。AF：加速因子；SENSE：敏感度編碼；CS：壓縮感知。Fig.2 A 34-year-old female diagnosed with breast fibroadenoma.2A: The picture shows a schematic diagram of ROI placement, with ROI placed in the contralateral breast fibroglandulars (R1), lump (R2) and ipsilateral pectoralis major muscle (R3), respectively; 2B-2F: Images of e-THRIVE SENSE with AF=4,CS with AF=4, 5, 6, and 7 respectively.AF: acceleration factor; SENSE: sensitivity encoding; CS: compressed sense.

其中，SD 指噪聲，即感興趣區內信號強度的標準差。組織A信號強度高于組織B。

1.3.2 圖像主觀評分

主觀評分由同樣的兩名觀察者采用雙盲法進行，分別從乳腺纖維腺體的清晰度、病灶顯示、圖像偽影、脂肪抑制情況四個方面對圖像質量進行5分制主觀評分，其中1 分圖像偽影嚴重影響病變觀察，不能滿足診斷要求[21]。評分標準見表2和圖3。

圖3 主觀評分標準對應圖像。3A：女，58 歲，浸潤性導管癌Ⅱ級，CS AF=4，主觀評分為5 分；3B：女，55 歲，浸潤性導管癌Ⅲ級，CS AF=5，主觀評分為4 分；3C：女，56歲，浸潤性導管癌Ⅱ級，CS AF=6，主觀評分為3分；3D：女，53歲，浸潤性導管癌Ⅱ級，CS AF=7，主觀評分為2分。CS：壓縮感知技術；AF：加速因子。Fig.3 The subjective scoring criteria correspond to the image.3A: A 58-year-old female with invasive ductal carcinoma of grade Ⅱ, the CS AF=4 and the subjective score is 5; 3B: A 55-year-old female with invasive ductal carcinoma of grade Ⅲ, the CS AF=5 and the subjective score is 4; 3C: A 56-year-old female with invasive ductal carcinoma of grade Ⅱ, the CS AF=6 and the subjective score is 3; 3D: A 46-year-old female with invasive ductal carcinoma of grade Ⅱ, the CS AF=7 and the subjective score is 2.CS: compressed sense; AF: acceleration factor.

表2 圖像主觀評分標準Tab.2 Image subjective scoring criteria

1.4 統計學分析

采用SPSS（IBM SPSS statistics 26, USA）軟件包對數據進行統計學分析。連續性變量數據采用組內相關系數（intra-class correlation coefficients,ICC）檢測觀察者一致性，主觀評分一致性分析則采用Kappa 檢驗，0.75＜ICC/Kappa≤1 表示一致性良好。若一致性良好，選擇高年資觀察者主觀評分及測量的數據進行后續統計學分析。采用Shpiro-Wilk檢驗分析數據的正態性，符合正態分布的數據采用平均數±標準差表示；不符合正態分布的數據采用中位數（25 百分位數，75 百分位數）表示。采用Friedman 檢驗對客觀評分及主觀評價進行組間比較，選擇有差異的數據進行兩兩比較并對P值進行Bonferroni 校正。P＜0.05被認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 圖像主觀評分與客觀測量數據的一致性檢驗

兩名觀察者對五組圖像的主觀評分（表3）、病灶、健側腺體SI 平均值及胸大肌SI 平均值和噪聲平均值數據一致性良好（ICC: 0.826-0.966, Kappa:0.788-0.831），取高年資者（觀察者2）測量數據及主觀評分進行后續分析。

表3 兩觀察者主觀評分一致性比較Tab.3 Comparison of subjective score consistency between two observers

2.2 不同AF 間SNR、CNR、RC 及主觀評分的差異性檢驗

不同AF 圖像間SNR腺體、CNR腺體、SNR病灶和CNR病灶差異具有統計學意義（P＜0.05）。而不同AF 圖像間RC腺體-病灶、RC病灶-肌肉和RC腺體-肌肉差異沒有統計學意義（P＞0.05）。后續兩兩比較結果表明SENSE AF=4、CS AF=4 和CS AF=5 圖像的SNR腺體、CNR腺體、SNR病灶和CNR病灶均大于CS AF=6 和CS AF=7（P＜0.05）。不同AF 的圖像間主觀評分差異具有統計學意義（P＜0.05），隨著AF增大，圖像質量主觀評分逐漸減低，CS AF=4 組的主觀評分得分最高，CS AF=7 組主觀評分得分最低。兩兩比較結果表明SENSE AF=4，CS AF=4 和CS AF=5 圖像的主觀評分均大于CS AF=6和CS AF=7（P＜0.05）。詳見表4和圖4。

圖4 e-THRIVE序列各序列不同AF客觀評價以及主觀評分的兩兩比較。e-THRIVE：T1高分辨率各向同性容積激發序列；AF：加速因子；SENSE：敏感度編碼技術；CS：壓縮感知技術；SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。Fig.4 The pairwise comparison of different AF objective evaluation and subjective score of each e-THRIVE sequence.e-THRIVE: enhanced-T1 high resolution isotropic volume excitation; AF: acceleration factor; SENSE: sensitivity encoding; CS: compressed sense; SNR: signal to noise ratio; CNR: contrast to noise ratio.

表4 不同AF間SNR、CNR、RC及主觀評分的差異性檢驗Tab.4 Test of variability of SNR, CNR, RC and subjective scores among different AF

3 討論

本研究通過采用不同AF（CS AF=4、CS AF=5、CS AF=6 和CS AF=7）選擇對乳腺延遲期的e-THRIVE 序列進行加速采集，實現乳腺各向同性DCE-MRI序列優化，并通過圖像質量定量分析指標（SNR、CNR、RC）及醫師主觀評分與目前已廣泛應用于臨床的SENSE 技術進行比較，研究認為在保證組織SNR、CNR、RC 與圖像質量的前提下，CS AF=5可將掃描時間縮短26.7%，在保證乳腺組織及良惡性腫瘤疾病清晰顯示的同時縮短掃描時間，進一步擴大乳腺MRI 臨床適用性，具有良好的臨床應用前景。

3.1 各向同性DCE-MRI技術優勢

乳腺DCE-MRI 的核心是分析結合來自增強動力學的形態特征和功能信息[22-23]，與其他影像檢查技術相比，DCE-MRI 是乳腺癌檢測最敏感的方式[24]，也是乳腺MRI掃描中最重要的序列之一，已有多項臨床研究是基于DCE-MRI 完成的[25-26]。理想的乳腺MRI 方案應同時包含高空間和高時間分辨率MRI 掃描方案[27]。本研究的乳腺動態增強掃描采用e-THRIVE 序列，該序列是飛利浦公司開發的一種主要用于軟組織器官動態增強的技術[28-29]，采用特有的頻率選擇反轉脈沖脂肪抑制技術（spectral attenuated in-version recovery, SPAIR），實現均勻的抑脂效果。對比劑注射后血管結構和軟組織顯示好，可提供連續的薄層各向同性容積掃描，從而獲得高信噪比的圖像，并且可以進行三維重建，一次掃描即可獲得三維的高清圖像，但三維掃描同時也面臨掃描時間長的問題。為了獲得可靠的腫瘤形態學和血流動力學的評估，本研究提出了乳腺DCE-MRI 與快速成像技術結合的方法，力求達到兩者兼顧的平衡。這樣能夠同時并準確地評估病變形態和病變增強動力學，并優化敏感度和特異度。

3.2 CS DCE-MRI技術應用于乳腺研究的可行性

CS 是一種有利于從高度欠采樣的K 空間數據中重建圖像的技術，可提高成像速度[30]，并利用圖像的稀疏性提供穩健的掃描，其圖像質量與完全采樣的圖像相似[31]，無須在分辨率上有所取舍。SARTORETTI等[32]將CS 應用于包括乳腺在內的六個解剖結構，結果表明其可以顯著縮短MRI的檢查時間。KIM等[33]采用基于CS 的超快MRI 衍生的早期增強參數（增強時間和最大斜率），證明了其與乳腺癌的組織病理學預后因素有關。ONISHI 等[16]證 明 使用CS 的DCE-MRI 能夠單獨識別乳腺動靜脈，有助于區分同側乳腺良惡性病變。上述研究成果表明將CS 技術應用于乳腺DCE-MRI 掃描具有良好的可行性。本研究中CS 采用不同AF 圖像的主觀評分基本在3 分及以上，證實CS技術可以滿足臨床診斷需要。既往乳腺的CS 相關MRI研究主要針對于不同加速技術和CS的對比分析，并未對不同AF 值進行細致比較，本研究CS 選擇AF=4、5 與SENSE 選擇AF=4 的主客觀評分均無明顯差異，考慮CS AF=5 比CS AF=4 和SENSE AF=4 的掃描時間更短，而不影響圖像質量，因此選擇AF=5 作為CS 成像的最優加速因子。VREEMANN 等[17]將基于CS 的DCE-MRI 與常規DCE-MRI 相比較，發現兩者對病變的形態學評估結果相同，而后者需要更長的掃描時間，這與本研究結果一致。本研究結果發現AF=6、7時腺體的SNR、CNR 以及病灶側SNR 及CNR 與SENSE 圖像相比均有明顯下降。在對圖像進行主觀評分時，AF=6、7 的圖像在腺體顯示、病灶邊緣銳利度、抑脂效果、偽影方面都與SENSE 圖像有明顯差異，且隨著AF 值的提高，掃描時間縮短，采集到的MR 信號變少，導致圖像無法滿足正常臨床診斷需要。在前期預實驗中，我們將同樣AF 的掃描序列設置于注射對比劑前，結果發現CS AF=4 為最優加速倍數。將序列設在注射對比劑后，發現CS AF=5 為最優加速倍數。因此，我們推測對比劑對CS 技術有一定的影響，注射對比劑后的加速倍數可以更高，該結論尚需擴大樣本進一步驗證。

有研究[34]提出，由于CS 重建的非線性性質和不均勻分布的噪聲強度，SNR 和CNR 評估可能并不完全代表CS 的真實價值，因此本研究納入了RC 值作為半定量的測量，該參數代表了兩個組織之間的對比度差異，且排除了噪聲的影響。本研究評估了腺體與病灶、病灶與肌肉以及腺體與肌肉的RC值，研究結果顯示不同AF 圖像間RC 值的差異并沒有統計學意義，這與既往研究[35-37]雖然不一致，但說明e-THRIVE和CS的計算噪聲水平可能并沒有明顯差異，CS有潛力保持相對高的SNR，此外本研究選取的樣本部位和樣本增強時相與既往研究樣本不同也對研究結果有一定影響。

3.3 本研究的局限性

本研究尚存在一些局限性：首先，本研究的序列優化是在注入對比劑后的e-THRIVE 序列上模擬的，并沒有直接在增強的動態多期序列上進行，因為實驗需要設置不同AF，無法在臨床實現對同一個患者多次注射對比劑，因此本研究選擇信號強度受對比劑影響最小的“平臺型”乳腺病變進行研究，保證腫瘤對比劑廓清后特征的相對一致性；其次，本研究選擇乳腺病灶信號均勻的區域放置ROI，且勾畫面積和標準在同一患者的病灶、健康腺體及胸大肌區域是一致的，雖然能保證ROI 的獲取不會存在偏差，但可能會遺漏病灶信號不均勻區域的信息，需要在今后的研究中適當考慮；此外，本研究為單中心研究，樣本量相對少難免會產生一定偏倚，希望今后能多中心合作擴大樣本量進行研究，結合本研究結果，在保證圖像質量的前提下選擇動態增強期相進行最佳AF因子的前瞻性研究。

4 結論

總之，CS技術通過將CS、并行成像和半傅里葉成像結合到一個重建過程中，提供了更好的加速能力，與任何單一方法相比，能更好地勾勒出圖像細節，有利于乳腺腫瘤、乳腺纖維腺體、動脈、靜脈等乳腺組織的顯示。本研究充分考慮符合臨床需求的掃描時間和圖像質量，乳腺各向同性e-THRIVE 序列推薦選擇CS AF=5的加速因子，較常規SENSE掃描節省26.7%的掃描時間，為乳腺常規DCE-MRI 檢查中CS AF 的選擇提供一定的參考，具有良好的臨床應用前景。

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：張麗娜設計本研究的方案，對稿件重要的智力內容進行了修改；寧寧起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數據；梁泓冰、張楠、田佳禾、宋清偉、吳祺、王卓、李遠飛、趙思奇、楊潔獲取、分析或解釋本研究的數據，對稿件重要的智力內容進行了修改；張麗娜獲得了2022 遼寧省成人教育學會繼續教育教學改革研究課題、大連醫科大學校級教學改革研究一般項目及2022年度大連市醫學重點專科“登峰計劃”一般項目基金資助。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。