壓縮感知磁共振成像技術在中樞神經系統疾病中的應用進展

方麗燕 劉虎 喬洪梅 陳園 張靜靜

[摘要]?近年來，中樞神經系統疾病患者不斷增多，越來越多的患者需行磁共振成像（magnetic?resonance?imaging，MRI）檢查以明確診斷。MRI技術利用自由感應衰減信號或回波信號獲取多維K空間數據，受呼吸運動、空間分辨率及時間分辨率的限制，成像速度在MRI技術中至關重要。壓縮感知技術通過欠采樣K空間方式加快MRI采集參數的速度，利用MRI圖像的稀疏性減少掃描時間，提高圖像的空間分辨率和信噪比，從而提供更優質的圖像。本文就壓縮感知技術在中樞神經系統疾病MRI檢查中的應用進展作一綜述。

[關鍵詞]?壓縮感知；磁共振成像；加速因子；中樞神經系統疾病

[中圖分類號]?R445.2；R841??????[文獻標識碼]?A????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2024.04.027

中樞神經系統疾病包括多發性硬化癥（multiple?sclerosis，MS）、腦腫瘤、腦動脈瘤和煙霧病（moyamoya?disease，MMD）等。從解剖學和生理學角度看，中樞神經系統與其他部位的病變有所不同，中樞神經系統病變的位置與功能障礙關系密切，同一種病變發生于不同部位時的臨床表現和預后不同、不同性質的病變也可能獲得相同的預后[1]。

磁共振成像（magnetic?resonance?imaging，MRI）是診斷中樞神經系統疾病的主要影像學檢查方法之一，是顱內疾病診斷的首選影像學檢查方法。MRI不僅可清晰地顯示解剖結構信息，還可通過非侵入性操作提供組織的代謝能力和相關病理學信息。1999年，Weissleder等[2]研究提出酰胺質子轉移成像技術，該項技術無創、無輻射，且可在無示蹤劑的條件下探測游離蛋白質含量，臨床主要用于神經系統疾病的診斷[3]。然而，MRI的掃描時間受物理（梯度場強、轉換速率等）、生理（神經刺激等）等方面的限制，檢查時間通常較長。MRI也很難對運動速度和對比劑濃度的快速變化進行圖像捕捉，且在數據采集期間發生的任何解剖學、生理學及對比劑濃度的變化都可能導致圖像數據發生錯誤。因此，圖像采集質量和縮短重建時間始終是MRI研究的熱點之一。快速小角度激勵序列、回波平面成像序列等快速成像序列的發展受硬件及人身安全等方面的限制，無法滿足躁動不安和（或）年齡較小患者的檢查需求，獲得具有診斷價值的圖像較為困難。以上情況在某種程度上限制MRI技術的臨床應用。壓縮感知（compressed?sensing，CS）技術是一種新型磁共振加速技術，于2007年應用于臨床診斷[4]。CS技術采用稀疏數據采樣方法，在感知壓縮信號后，通過欠采樣和特殊算法對原始信號實現重構，可縮短信號采集時間。

1??CS技術的基本原理

如果MRI數據表現為噪聲（非相干混疊）且圖像稀疏，可使用非線性重建方法恢復完整圖像。非線性重建技術需滿足兩個條件：變換域中圖像的稀疏度和重建與采集數據具有一致性。第一個條件通過要求重建圖像是稀疏的（或在變換域中是稀疏的），使得混疊偽影能夠與圖像中的實際信號分離；第二個條件確保重建不會為使最終圖像稀疏而使用任意數據替換實際采集的數據。應用CS技術有3個條件：信號具有稀疏性或系數變換、不相干欠采樣數據、非線性重建[5]。CS可通過僅應用空間變換加速靜態圖像，或在重建加速動態數據時聯合應用并行成像（parallel?imaging，PI）技術，以進一步增加數據縮減因子并提高圖像質量[6-7]。

2??CS技術在中樞神經系統疾病中的應用

2.1??MS

MS病變主要累及白質，斑塊呈多灶性分布，形狀不規則但邊界十分清晰。MRI是診斷MS的主要手段。在增強MRI檢查中，病灶的數量、大小、分布情況及強化程度都隨著時間和（或）病情的變化而變化。

3D?T1加權成像（T1?weighted?imaging，T1WI）可較好地評估腦部結構，定量測量腦容積，為MS等疾病的診斷提供更多有價值的信息。與2D加權成像相比，3D加權成像的掃描時間更長[8]。研究顯示，3D?T1WI可在保證圖像質量的同時縮短掃描時間[9-11]。Duan等[9]通過主觀評價和基于體素的形態測量方法確定結合CS技術的3D?T1WI快速場回波（turbo?field?echo，TFE）序列的最佳加速因子（accelerated?factor，AF）。應用3.0T磁共振掃描儀對10例MS患者行常規和結合CS的3D?T1WI?TFE序列掃描，CS的AF分別取3、4.5和6，并由2名放射科醫生對圖像的整體質量、信噪比、偽影及病變邊緣或黑白質邊緣的銳利度進行評估，再通過基于體素的分析評估圖像質量、調查MS患者的萎縮模式。結果顯示無加速度的參考序列與CS?AF為3或4.5的圖像質量無顯著差異。當AF為3時，相比其他AF具有更高的組內相關系數。通過基于體素的形態測量定量評估發現，大多數MS患者大腦區域的組內相關系數較高，與正常人相比，MS患者的顳葉和內側扣帶皮層表現出萎縮征象，表明應用CS加速序列測量大腦體積具有可行性，且在當前的參數下，AF為3是加速3D?T1WI?TFE的最佳AF，可減少約65%的掃描時間，圖像可用于影像學診斷。

液體衰減反轉恢復（fluid?attenuated?inversion?recovery，FLAIR）序列在MS檢測中較為關鍵，其可顯示腦室下、視神經及腦室旁的白質損傷情況。3D?FLAIR序列可提高MS患者腦部病變的檢測質量，但其采集時間較長。Toledano-Massiah等[12]將CS技術應用于3D?FLAIR，與常規序列進行比較。應用3.0T磁共振掃描儀行常規和結合CS的3D?FLAIR序列掃描，采集矢狀位，PI加速度自動校準重建笛卡爾成像因子為2，分別評估圖像的信噪比、對比度噪聲比及在腦室周圍、腦旁、幕下及視神經區域可見的MS病灶數量，測量每個序列的白質損傷體積。結果顯示二者的圖像質量和檢測到的MS病灶數量相似，病灶總數和腦室周圍及幕下病變幾乎完全一致，周圍及視神經病變基本一致；3D?FLAIR序列聯合CS技術取AF為1.3時，可在減少掃描時間的同時確保MS斑塊檢測的診斷性能。

2.2??腦腫瘤

腦腫瘤是除腦血管病以外中樞神經系統最常見的疾病。MRI可對腦腫瘤的形態、功能及血流動力學狀態進行評估。Vranic等[13]將CS技術應用于腦腫瘤患者，比較結合CS技術和常規序列的圖像質量。應用聯合CS的3D?T1WI擾相梯度回波（spoiled?gradient?echo，SPGR）序列（AF為1.7）或3D?T2加權成像（T2?weighted?imaging，T2WI）FLAIR（AF為1.3）序列掃描，結果顯示其掃描時間分別縮短35%和25%，且圖像質量相當。

兒童腦腫瘤的病變類型、部位和分子特征與成人有較大不同[14]。MRI技術在兒童腦腫瘤的診斷中具有明顯優勢。因兒童的顱腦解剖結構較小，需使用高空間分辨率掃描，但兒童的耐受時間較短。因此，將CS技術用于兒童MRI檢查十分必要[15]。Meister等[16]將CS技術應用于腦腫瘤患兒的MRI檢查以比較常規掃描和結合CS技術掃描的圖像質量、檢查時間和能量沉積情況；結果顯示結合CS技術的檢查時間和能量沉積均顯著低于常規序列，其可改善圖像質量、提高圖像的分辨率和清晰度。

2.3??腦動脈瘤

腦動脈瘤的MRI表現為邊界清晰的低信號；若瘤內有血栓則表現出不同的磁共振信號，可通過信號特點判斷瘤腔大小、血栓范圍及是否有出血等。腦部3D時間飛躍法（time?of?flight?magnetic，TOF）磁共振血管成像（magnetic?resonance?angiography，MRA）已應用于臨床診斷。研究顯示，血管在3.0T磁共振掃描儀上的顯示較1.5T磁共振掃描儀更佳[17]。Fushimi等[18]將CS聯合TOF?MRA應用于腦動脈瘤的評估中，應用3.0T磁共振掃描儀對動脈瘤患者行3D?TOF?MRA掃描，并應用NESTA算法優化重建參數，通過計算動脈瘤邊緣的銳利度評估CS重建的效果，測量數據包括動脈瘤的大小、瘤頸、高度及縱橫比。結果表明，在CS聯合3D?TOF?MRA中對NESTA進行優化，口徑測量時取CS?AF為5，迭代25或30次最佳，采用10次迭代AF為5或8時可識別大部分的腦部動脈瘤。Lin等[19]將CS技術應用于疑似顱內動脈瘤患者的3D?TOF?MRA檢查中。應用3.0T磁共振掃描儀采集圖像，采用多平面重建和最大強度投影對所采集的數據進行重建，比較運用CS技術和傳統3D?TOF?MRA的圖像質量。結果顯示，與傳統3D?TOF?MRA相比，應用CS技術可獲得更高的圖像質量，其具有更好的顱內動脈疾病和變異診斷性能，縮短掃描時間。CS?MRA可清晰顯示顱內動脈結構，準確診斷顱內動脈病變和變異。CS技術還可減少SENSE算法偽影，突出顯示血管內的血流信號，抑制背景信號。

2.4??MMD

MMD的病理改變包括血管內膜增厚和煙霧狀小血管形成。因TOF?MRA的特異性和敏感度高，且安全、無創，常被作為代替計算機體層血管成像或數字減影血管造影的檢查方案[20-21]。Yamamoto等[22]將CS應用于TOF?MRA檢查以評估MMD的可靠性。CS?TOF的AF取3和5，根據狹窄、閉塞評分對MMD進行分級，并對煙霧血管的可見性進行評估，根據MMD分級和基底節區上煙霧血管的可見性判斷CS?TOF的診斷質量，結果發現CS?TOF在等效掃描時間內可更好地顯示煙霧血管。煙霧血管的存在和數量對MMD的評估十分重要[23]。研究顯示，CS?MRA的表觀信噪比較PI?MRA高，加速度超過3倍，這也是應用CS技術可見更多煙霧血管的原因[24]。

3??CS技術面臨的挑戰

研究發現，應用CS和敏感度編碼重建技術組合采集的圖像中存在偽影，包括拉層狀偽影、條紋線性偽影和星空狀偽影[25]。雖然CS技術在許多磁共振的臨床應用中顯示出較好的前景，但針對特定部位的加速序列選擇和參數優化具有一定的挑戰性。CS與PI的適當組合可進一步提高性能，二者的結合可在保持圖像分辨率的同時進行快速掃描[26]。Feng等[27]應用屏氣的多回波快速自旋回波序列，結合CS和PI技術，實現心臟的高分辨率（1.7mm×1.7mm）T2WI。CS如何與其他技術相結合提高成像速度是目前亟待解決的問題。

另外，盡管CS已成為美國食品藥品監督管理局批準許可的一項較為成熟的技術，臨床工作人員也一直在評估CS重建軟件的臨床實用性及安全性，但目前仍存在一些技術問題，如算法的計算復雜度相對較高，且在高加速下會影響圖像質量等。CS技術如何在不增加重建算法計算復雜性的情況下解決圖像質量下降的問題，從而使臨床工作流程更加順暢，這將成為CS技術當前面臨的新挑戰。

4??小結與展望

CS技術是一項基于數學的信號獲取和處理的快速MRI技術，可能會產生高度依賴對象的不可預測偽影，從而干擾圖像質量。應用CS技術加速MRI采集是目前對成像質量影響最小的方式[28]。通過縮短MRI數據采集時間，可更好地對配合度較差的患者進行檢查，從而擴大MRI的臨床應用。CS技術正越來越多地被用于加速MRI圖像的采集，并廣泛應用于心臟、腹部、乳腺、甲狀腺及口腔等疾病的診斷中[29-33]。目前臨床通常應用較為保守的AF，如何選擇最佳的AF參數，在不影響診斷效能的基礎上最大限度地縮短掃描時間極其重要。AF過低無法縮短掃描時間，過高則會導致圖像偽影和模糊。臨床實踐中應權衡掃描時間與圖像質量之間的平衡。

綜上，MRI檢查越來越廣泛地應用于中樞神經系統疾病的診斷，應用CS技術可顯著縮短掃描時間，選擇合適的AF可獲得清晰的診斷圖像，從而為科研人員和臨床醫生提供更多有價值的影像學信息，在醫學磁共振應用領域具有良好的發展前景。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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