Sairam Geethanath, MSHyeon-Man Baek, PhDSandeep K. Ganji, BEYao Ding, MSElizabeth A. Maher, MDRobert D. Sims, MDChangho Choi, PhD,,2dMatthew A. Lewis, PhD,,Vikram D. Kodibagkar, PhD,,

壓縮感知可以加速醫(yī)用1H核磁代謝成像過程

Sairam Geethanath, MS1Hyeon-Man Baek, PhD2aSandeep K. Ganji, BE2bYao Ding, MS2bElizabeth A. Maher, MD2cRobert D. Sims, MD2aChangho Choi, PhD2a,2b,2dMatthew A. Lewis, PhD1,2a,2bVikram D. Kodibagkar, PhD1,2a,2b

1. 德州大學(xué)阿靈頓分校與德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)院聯(lián)合生物醫(yī)學(xué)工程研究生計(jì)劃項(xiàng)目，美國 德克薩斯；2. 德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)院a.放射學(xué)系; b. 放射學(xué)研究生計(jì)劃項(xiàng)目; c. 內(nèi)科與神經(jīng)學(xué)系; d. 高級(jí)成像研究中心，美國德克薩斯

目的回顧性評(píng)測使用壓縮感知（compressed sensing）技術(shù)進(jìn)行不同程度的核磁成像過程（MR）加速，對(duì)所得結(jié)果保真度的影響。材料和方法本文中的實(shí)驗(yàn)手段均由所在院校倫理審查委員會(huì)（Institutional Review Board, IRB）審查通過，采集MR成像數(shù)據(jù)前獲得了患者書面知情同意。本研究遵守《健康保險(xiǎn)攜帶和責(zé)任法案》 ( Health Insurance Portability and Accountability Act，HIPAA）?；仡櫺詨嚎s感知技術(shù)被用于10名實(shí)驗(yàn)對(duì)象的核磁共振成像過程中，并獲取了以下體素?cái)?shù)據(jù)：600個(gè)來自6名健康對(duì)象的腦部；163個(gè)來自兩名腦瘤患者的腦部；36個(gè)來自于兩名前列腺癌患者。研究人員在加速常數(shù)分別為2，3，4，5，10的條件下進(jìn)行核磁信號(hào)的重建，并通過均方根誤差（RMSE）法，代謝物圖譜（包括膽堿，肌酸，N乙酰天冬氨酸[NAA]，檸檬酸）以及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析（包括基于單個(gè)體素的配對(duì)t檢驗(yàn)，代謝圖譜上不同變量的單因素誤差分析，以及加速重建后與原始變量的比值）進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果使用不超過10的加速常數(shù)，重建核磁信號(hào)的保真度很高，RMSE很低（＜0.05）。在加速常數(shù)不超過5的情況下，重建信號(hào)的平均生化信號(hào)強(qiáng)度和生化熱點(diǎn)位置與原信號(hào)非常接近，二者之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異。在加速常數(shù)不超過5的重建信號(hào)中，膽堿/NAA以及（膽堿+肌酸）/檸檬酸的比值與原始信號(hào)并無顯著差異，在部分加速常數(shù)為10的重建信號(hào)中上述條件亦成立。結(jié)論本文闡明了一種最高能夠?qū)⒉蓸訒r(shí)間降低80%，同時(shí)保持信號(hào)信息量的醫(yī)用1H核磁生化成像過程。

核磁成像（MR）技術(shù)正在越來越廣泛地被應(yīng)用于臨床 診療過程中[1-3]。相關(guān)研究表明，惡性前列腺和腦部腫瘤均會(huì)表達(dá)高量的膽堿水平[4]。另有研究表明，腦部腫瘤會(huì)表達(dá)較低水平的N乙酰天冬氨酸和肌酸信號(hào)，因此可以使用膽堿 /NAA 比例作為腫瘤的生化指標(biāo)[4-7]。與前者類似，對(duì)于前列腺腫瘤的診斷也可以使用（膽堿 +肌酸）/檸檬酸比例作為生化指標(biāo)。研究表明，在惡性前列腺腫瘤中，檸檬酸水平會(huì)降低，而膽堿水平會(huì)升高[4]。

多體素（二維/三維）核磁共振成像相對(duì)于單體素核磁共振技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已被廣泛認(rèn)知[7-8]。使用該技術(shù)，醫(yī)護(hù)人員可以獲取更優(yōu)秀的腫瘤定位信息，并可以觀察到形變病變區(qū)域以外的異常表象。但是多體素核磁技術(shù)的主要技術(shù)缺陷——增長的采樣時(shí)間——是限制其臨床應(yīng)用的主要因素[7-9]。壓縮感知技術(shù)[10-11]提供了一種創(chuàng)新性的利用在適當(dāng)變換域（如小波變換域）下信號(hào)密度來對(duì)k-空間進(jìn)行低密度取樣的技術(shù)，利用該技術(shù)可以降低重建過程對(duì)核磁信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)的需求數(shù)量。此技術(shù)已經(jīng)在腦部核磁共振成像、核磁共振血管造影[10]、徑向成像[11]、心臟電影成像[12]，以及其他動(dòng)態(tài)對(duì)比高亮核磁共振成像手段[13]中得到廣泛應(yīng)用。壓縮感知技術(shù)應(yīng)用于核磁成像中，因?yàn)楹舜判盘?hào)數(shù)據(jù)在小波變換域的多個(gè)頻率和空間維度上均比較稀疏，變化也較小。過去的研究中，基于小波的分析手段，包括信號(hào)量化波形修正和去噪技術(shù)，均被用于核磁共振成像[14-17]。研究人員通過使用小波技術(shù)手段，利用核磁數(shù)據(jù)在此變換域中頻率和空間維度上的信號(hào)稀疏，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了快速核磁共振成像[18-19]。本研究中，研究人員回顧性評(píng)測了壓縮采樣技術(shù)重建信號(hào)的保真程度。

1 材料與方法

本研究回顧性地展示了6位健康志愿者，2位腦瘤（惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤）患者及 2 位前列腺癌患者的二維1H 核磁成像數(shù)據(jù)，各項(xiàng)協(xié)議均經(jīng)大學(xué)的倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn)，并獲得了志愿者及患者的書面知情同意。本研究遵守 HIPAA 法案。所得磁共振參數(shù)詳見表1。

1.1 核磁共振成像數(shù)據(jù)及采樣

原始數(shù)據(jù)歸一化至 0～1，在 k 空間中沿相位維度對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行低密度采樣，采樣模式由不同的加速因子（2，3，4，5，10）以及采樣密度決定。采樣模式為二維平面分布函數(shù)加權(quán)的隨機(jī)采樣，使得k空間中心附近采樣密度高于 邊 緣 部位[11]。二 維 平 面分布函數(shù) 的 中 心抽樣范圍取決于加速因子的倒數(shù)（加速因子越大，充分抽樣區(qū)域的面積越小）。

1.2 信號(hào)重建

將抽樣 k空間全部設(shè)定為 0，并經(jīng)過逆式傅立葉轉(zhuǎn)換來獲取對(duì)核磁共振數(shù)據(jù)的預(yù)估。核磁共振信號(hào)重建由對(duì)下述代價(jià)函數(shù)進(jìn)行凸優(yōu)化完成（Lustig 等人[11]）。

該 信 號(hào) 重 建 過 程 通 過 Matlab（MathWorks，Natick，Mass）提供的非線性共軛梯度算法完成，其中m代表核磁共振數(shù)據(jù)，F(xiàn)u代表傅立葉轉(zhuǎn)換運(yùn)算符，y代表已測 k空間數(shù)據(jù)，W代表微波轉(zhuǎn)換運(yùn)算符，TV 代表總變差運(yùn)算符，‖1和 ‖2為 L1 和 L2 各自的基準(zhǔn)運(yùn)算符 ；λL1和 λTV為基于L1和總變差各自的正規(guī)化參數(shù)。本研究中，研究人員使用Daubechies 小波變換技術(shù)[20]對(duì) ky維度上所有像素點(diǎn)的 kx-t數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行編譯。λL1和 λTV的正規(guī)化值通過實(shí)驗(yàn)分別定為 0.001 和 0.005。通過對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行 8 次迭代操作，實(shí)驗(yàn)人員得以獲取并比對(duì)代價(jià)函數(shù)的具體數(shù)值。

1.3 錯(cuò)誤度量標(biāo)準(zhǔn)

信號(hào)重建誤差由下列公式計(jì)算所得的均方根誤差（RMSE）決定 ：

其中N為一幀磁共振成像數(shù)據(jù)組中數(shù)據(jù)點(diǎn)的總和，y為完整的 k 空間的重建數(shù)據(jù)，y'為低密度取樣 k 空間的重建數(shù)據(jù)。因?yàn)樗脭?shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過正態(tài)化至 0～1，所以上述方根誤差等于通用的正態(tài)方根誤差。

1.4 后期處理

磁共振成像數(shù)據(jù)組受基于 Java 的磁共振用戶界面中的下列最少處理步驟的影響 (jMRUI; http://www.mrui.uab.es/mrui/ mrui_Overview.shtml)[21]： 用 衍 射 控 象 法 移 除 現(xiàn) 有 的 平 截 偽影， 基線校正， 時(shí)域的 Hankel-Lanczos 奇異值分解過濾的殘余水峰和脂肪峰， 自動(dòng)無序全相位校正， 使用量子估算算法（QUEST）[22]對(duì)相位核磁共振數(shù)據(jù)的實(shí)部進(jìn)行分析，用以獲取生化物質(zhì)分布圖，在該圖中信號(hào)的強(qiáng)度代表 QUEST 算法結(jié)果中的譜圖信號(hào)分布。本研究中，對(duì)于腦部磁共振成像的案例（健康志愿者與癌癥患者），研究人員只分析了大腦內(nèi)部區(qū)域的數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的分析中，關(guān)于健康大腦、腦瘤和前列腺癌患者的體素總數(shù)分別為600，163，36。計(jì)算相關(guān)比例時(shí)，原始數(shù)據(jù)或壓縮傳感重建數(shù)據(jù)中的分母為0的像素點(diǎn)的數(shù)值

（表示缺乏適合量子估值的適當(dāng)應(yīng)用手段）設(shè)定為0。

表1 磁共振數(shù)據(jù)采集參數(shù)

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

每組信號(hào)重建獲取的生化組分分布圖以及相對(duì)應(yīng)的生化信號(hào)比值（膽堿 /NAA，健康大腦和腦瘤患者 ；膽堿 +肌酸 /檸檬酸，前列腺癌癥患者）均通過配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析（Excel； Microsoft，Redmond，Wash），并被用來與原始數(shù)據(jù)（加速因子為1）進(jìn)行比對(duì)。此外，研究人員還通過單因子重復(fù)分析測試與 Bonferroni多組分比對(duì)測試來進(jìn)一步評(píng)測各種加速比例對(duì)核磁信號(hào)重建質(zhì)量的影響（GraphPad Prism ；GraphPad Software，La Jolla，Calif）。通過 Bonferroni檢驗(yàn)獲取的t 值數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為P 值（Excel；Microsoft）。 如果P ＜ 0.05，則認(rèn)為該組比較中存在明顯差異。

2 結(jié)果

圖1和圖2展示了典型健康大腦磁共振成像數(shù)據(jù)組的重建結(jié)果。圖1展示了對(duì)解剖圖中同一部位使用不同加速因子進(jìn)行成像的核磁共振圖譜。壓縮感知的重建核磁信號(hào)與原始信號(hào)顯示出了很高的相似度。用于評(píng)價(jià)成像質(zhì)量的兩個(gè)體素的位置由綠框和紅框在解剖圖中標(biāo)出（圖 2）。覆蓋腦室的體素（綠框）數(shù)據(jù)與另一個(gè)體素（紅框）相比，NAA，肌酸和膽堿（圖 2右排）的濃度均有所降低，此結(jié)果與此前預(yù)期相符。圖2中在不同加速因子下，重建的成像結(jié)果與原始數(shù)據(jù)相似。壓縮感知重建數(shù)據(jù)可以保持原始數(shù)據(jù)的譜線形狀，而且在高加速因子下，譜線更加平滑。圖3展示了 NAA，肌酸和膽堿（譜峰覆蓋面積）的代謝分布圖譜和膽堿 /NAA 比值與加速因子之間的關(guān)系。原始和重建信號(hào)中的高亮區(qū)域出現(xiàn)在相似位置。而且在加速因子為10的時(shí)候，生化信號(hào)的強(qiáng)度比原始信號(hào)更強(qiáng)。

圖1 1倍，2倍，5倍和10倍加速度下的典型大腦磁共振光譜成像數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)網(wǎng)格的重建。中心部位：核磁共振成像顯示值得注意的成像區(qū)域（黃框內(nèi)）。2個(gè)位置（紅框和綠框中的體素）的相關(guān)細(xì)節(jié)詳見圖2。

圖2 在兩個(gè)體素（圖1中紅色和綠色的框體范圍）中采集到的加速因子為1，2，5和10的核磁共振光譜成像數(shù)據(jù)。y軸上下限為-0.25～1。Cho=膽堿，Cr=肌酸。

圖3 加速因子為1，2，5和10的實(shí)驗(yàn)中健康大腦的NAA，肌酸，膽堿和膽堿/NAA指標(biāo)的分布對(duì)照?qǐng)D。圖1解剖圖中黃框表明的區(qū)域?yàn)閳D譜上描繪的要注意的磁共振光譜成像區(qū)域。a.u.=arbitrary unit（任意單元）。

正常組織和惡性腫瘤組織的2個(gè)體素的原始數(shù)據(jù)和壓縮感知重建信號(hào)的腦瘤核磁共振成像數(shù)據(jù)組詳見圖4。加速因子在 10以內(nèi)的重建信號(hào)如實(shí)地保留了用來辨別正常腦組織與癌變組織的生化組分分布特點(diǎn)。圖4為前列腺癌核磁共振成像數(shù)據(jù)組中代表正常組織與惡性腫瘤組織的2個(gè)體素的重建信號(hào)。壓縮感知重建信號(hào)保持了正常前列腺與前列腺腫瘤病例的代謝物分布的特征。根據(jù)這些信號(hào)重建生成的生化組分分布圖譜與加速因子之間的相關(guān)關(guān)系詳見圖 5a 和圖 5b。對(duì)于腦瘤數(shù)據(jù)組，加速因子為 2 和 5 時(shí)，代謝產(chǎn)物分布圖和膽堿 /NAA 指標(biāo)圖譜與原始信號(hào)擁有相同的特征，而加速因子為 10的壓縮感知重建信號(hào)則相對(duì)于原始數(shù)據(jù)有較大的偏差。對(duì)于前列腺癌數(shù)據(jù)組，壓縮感知重建信號(hào)中的生化組分分布圖的信號(hào)強(qiáng)度有所降低，但（膽堿+肌酸）/檸檬酸指標(biāo)圖譜則保留了原始數(shù)據(jù)的所有特征，尤其是高亮區(qū)域的位置。

圖4 加速因子為1，2，5和10的實(shí)驗(yàn)中下腦瘤（左）和前列腺癌（右）核磁共振光譜成像數(shù)據(jù)。在所有情況下，左列展示的是健康組織的數(shù)據(jù)，而右列展示的是腫瘤區(qū)域的數(shù)據(jù)。y軸上下限為-0.25～1。Cho=膽堿，Cit=檸檬酸，Cr=全部肌酸的甲基信號(hào)，Cr2=全部肌酸的亞甲基信號(hào)。

圖5 a 加速因子為1，2，5和10的實(shí)驗(yàn)中腦瘤（NAA，肌酸，膽堿）和核磁共振光譜成像生化組分分布比較和比例圖譜。

圖5 b 前列腺癌（檸檬酸，肌酸，膽堿）比例圖譜描繪了前列腺癌數(shù)據(jù)中腦瘤數(shù)據(jù)和（膽堿+肌酸）／檸檬酸的膽堿/NAA指標(biāo)（CNI）。解剖圖中的黃框指出感興趣區(qū)域。a.u.=arbitrary unit（任意單元）。

加速因子 1，2，5，10 下的每項(xiàng)生化組分含量的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算結(jié)果詳見表2。在加速因子為2和 5時(shí)，壓縮感知重建信號(hào)的生化組分含量水平與原始信號(hào)比較一致，而加速因子為 10時(shí)，9種生化組分中有 6種較原始數(shù)據(jù)有著統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。不同生化組分之間的比例指標(biāo)分布圖也與原始信號(hào)相似，這說明加速因子5以內(nèi)的健康大腦/腦瘤數(shù)據(jù)和加速因子 10以內(nèi)的前列腺癌的數(shù)據(jù)的關(guān)鍵生物指標(biāo)值與原始信號(hào)相比沒有顯著差異。通過 Bonferroni檢驗(yàn)分析單因子差異實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的P值詳見表3。這些數(shù)值表明加速因子 1，2 和 5 之間聯(lián)系緊密，而加速因子 10 和其它加速因子之間的關(guān)系顯然沒有那么緊密，從而導(dǎo)致P值的下降。在這 5 種加速度因子下的 3 種數(shù)據(jù)類型的 RMSE 量化信號(hào)重建誤差詳見圖 6。與預(yù)期相同，RMSE 值隨著加速因子的增大而增大，但是加速因子不超過 10的情況下，RMSE 維持在 0.05 以下。

3 討論

本研究的目的是尋找一種可以在不丟失信息的情況下加速獲取1H 磁共振圖像的途徑，以便將1H 核磁共振成像廣泛應(yīng)用于臨床。通過使用壓縮感知信號(hào)重建，我們證明了1H 核磁共振成像的采集時(shí)間可能節(jié)省 80% 甚至更多，且根據(jù)臨床標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估，幾乎不損失任何重要信息。

表2 健康大腦，腦瘤及前列腺癌代謝強(qiáng)度與體素?cái)?shù)據(jù)比值作為加速函數(shù)

表3 Bonferroni對(duì)比試驗(yàn)后單因子差異分析產(chǎn)生的P值

圖6 加速倍數(shù)為2，3，4，5和10的實(shí)驗(yàn)中得出的核磁共振光譜成像數(shù)據(jù)RMSE值

重建光譜發(fā)出的噪音比原始光譜的小。這要?dú)w功于重建過程中的小波靜噪功能和總變差因子的濾波效果。如上文所述，本研究中采用的信號(hào)重建方法能夠產(chǎn)生相似于原始信號(hào)的生化組分分布圖譜。核磁共振成像獲取的生化組分分布信息對(duì)診斷和預(yù)后過程很重要，而本研究中的信號(hào)重建過程能夠如實(shí)地保留這些信息。在原始信號(hào)中（加速因子 =1），即便是健康大腦的成像結(jié)果中，生化信號(hào)中均可觀察到過高的標(biāo)準(zhǔn)差，而這一現(xiàn)象是源于頭部線圈覆蓋了整個(gè)頭部，包括腦髓液部分（圖 2～3）。除了對(duì)這些圖譜的直接觀測，配對(duì)t檢驗(yàn)和單因子差異分析也可以被用來比較特定部位的原始信號(hào)和不同加速因子下壓縮感知重建信號(hào)。當(dāng)我們對(duì)加速度和原型之間的保真度和微小差異而非顯著性差異進(jìn)行測試的時(shí)候，將P值閾值設(shè)置于 0.05 時(shí)，比其更低的數(shù)據(jù)，如 0.01 更為嚴(yán)格，因?yàn)镻 值小于 0.05 表明兩種信號(hào)之間存在顯著性差異，也就意味著信號(hào)重建算法的失敗。本文的結(jié)果同樣表明，對(duì)于各種生化指標(biāo)，例如膽堿／NAA和膽堿／檸檬酸，信號(hào)重建并不導(dǎo)致其發(fā)生變化。因此，信號(hào)重建也同樣維持了此類衍生參數(shù)的保真度。統(tǒng)計(jì)分析表明，加速因子為5的壓縮感知重建信號(hào)與原始信號(hào)相似，而且沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。然而在加速因子為 10 時(shí)，重建信號(hào)的誤差及生物指標(biāo)值的差異有所增加。另一方面，加速因子 10 以內(nèi)的所有重建數(shù)據(jù)，其 RMSE 數(shù)值均在 0.05 以內(nèi)。由于數(shù)據(jù)在處理之前已經(jīng)正態(tài)化，這說明重建信號(hào)與原始信號(hào)之間的誤差不超過5%。將核磁共振成像時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成生化組分分布是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及許多用戶自定義的步驟，這些步驟會(huì)潛在地影響最終生化組分分布的圖譜。研究人員可以通過比較原始數(shù)據(jù)和最少后處理的壓縮感知重建信號(hào)數(shù)據(jù)來客觀評(píng)估信號(hào)重建的保真度，但較高加速因子下的重建信號(hào)圖譜中的差異可能是自動(dòng)化整體位相校正中的差異造成的。大腦部位的生化組分分布圖信號(hào)強(qiáng)度隨加速因子的提高而增強(qiáng)，前列腺部位則反之。基于監(jiān)控參數(shù)，網(wǎng)格尺寸以及k空間信噪比等參數(shù)的不同，上述兩種趨勢(shì)都可能出現(xiàn)，因此上述結(jié)果并無參考意義。對(duì)于給定的監(jiān)控參數(shù)和加速因子并采用最優(yōu)化程序的情況下，通過 RMSE 值來評(píng)價(jià)的試驗(yàn)結(jié)果誤差隨著加速因子的增加而增加。因此，對(duì)生化組分含量的估算數(shù)據(jù)將隨加速因子的增加而逐漸偏離原始數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)用性角度出發(fā)，文中所示方法測算所得的數(shù)據(jù)誤差與加速因子成單增或單減關(guān)系（不管指標(biāo)誤差在越來越多的不充分采樣中是增加還是減少），RMSE 值在最大為 10的加速因子下也被控制得很小。

其他幾種快速化學(xué)位移成像和光譜學(xué)成像方法也已經(jīng)發(fā) 展 成熟并付諸在 理 論[23]和 實(shí) 踐[24]上進(jìn)行了 相 關(guān) 對(duì) 比。上 述 技術(shù)中，回波平面 光 譜成像[25-26]是一 種在臨床上[27]尚未被充分利用過的強(qiáng)大的光譜成像技術(shù)。本方法通過在一個(gè)頻域和一個(gè)空間維度上同時(shí)進(jìn)行回聲平面采樣來加速成像過程，從而達(dá)到相當(dāng)于那個(gè)空間維度中像素點(diǎn)數(shù)的加速因子。例如，使用回波平面采樣技術(shù)采集 1 個(gè) 16×16 的二維矩陣，所用時(shí)間會(huì)是傳統(tǒng)化學(xué)位移成像手段的 1/16。然而，提高采樣速度或許會(huì)以信噪比為代價(jià)，而且所得的成像結(jié)果也會(huì)受 Nyquist偽影[28]的影響。本文中使用的壓縮感知技術(shù)中有選擇地忽略了部分特定相位的數(shù)據(jù)，該步驟在二維和三維化學(xué)位移成像序列或回波平面成像技術(shù)中可以比較容易地完成。在進(jìn)一步的研究中，可以通過設(shè)計(jì)快速成像序列，并將其與壓縮感知技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用，以獲取更快的成像速度。最近的研究表明，在更多維度上使用壓縮感知技術(shù)可以更有效地利用信號(hào)分布的稀疏性，并因此提高重建信號(hào)的質(zhì)量[11]。對(duì)于核磁共振光譜成像數(shù)據(jù)，頻域維度上的數(shù)據(jù)稀疏程度比空間維度上的更高。為了獲取頻域和時(shí)域上的隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)，研究人員需要設(shè)計(jì)一組包含快速變換梯度的復(fù)雜激活信號(hào)序列。對(duì)超極化13C 核磁共振壓縮感知數(shù)據(jù)的重建過程中已經(jīng)用到此種技術(shù)。然而，通過在相位編譯維度上進(jìn)行壓縮感知而減少的采樣時(shí)間，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出僅在臨時(shí)維度上進(jìn)行壓縮感知能夠達(dá)到的程度。而且與此同時(shí)，除了回聲平面采樣技術(shù)，使用其他采樣手段的時(shí)候，信號(hào)收集加速比例和采樣壓縮比例之間并無直接的相關(guān)關(guān)系。在本研究中，我們致力于加快常規(guī)臨床核磁共振成像的信號(hào)收集過程，而該結(jié)論的應(yīng)用范圍并不僅限于上述討論的范疇。

在光譜成像領(lǐng)域，所有新型信號(hào)重建技術(shù)的一個(gè)重要考量是該技術(shù)對(duì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的影響，以及因此導(dǎo)致的相鄰空間體素信息污染的問題。Lustig 等人[11]詳細(xì)討論過點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和用于核磁共振成像壓縮感知的變換點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的性質(zhì)。上述研究中涉及的使用三維傅立葉變換的案例中，點(diǎn)分布函數(shù)與本文中的二維核磁譜圖非常類似。在本文中，該二維核磁譜圖在三個(gè)維度上進(jìn)行取樣：兩個(gè)相位編譯的空間維度和一個(gè)采用完全模擬信號(hào)的臨時(shí)維度（無延遲/回聲）[11]。壓縮感知技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，該技術(shù)通過采用隨機(jī)采樣的方法，避免了偽影的干擾（在回聲平面成像以及回聲平面頻域成像中常見），在整個(gè)成像區(qū)域中形成類似于噪音的信號(hào)。與之相反，偽影則是點(diǎn)分布函數(shù)的擴(kuò)散導(dǎo)致的體素之間的信息干擾。

當(dāng)前研究的局限在于它是在此前獲得的臨床數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上回顧性完成的，而回顧性信號(hào)重建是決定我們研究方法可行性的重要的第一步，接下來的必要步驟是對(duì)健康的志愿者進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)壓縮感知，重建，并對(duì)比不同加速因子下的結(jié)果。其他可能的改進(jìn)包括將該技術(shù)擴(kuò)展至三維核磁共振光譜成像，以及改進(jìn)信號(hào)重建程序以更好地利用空間和頻域的信號(hào)稀疏性，特別是三維核磁共振光譜成像過程。

總而言之，本研究表明，在加速因子不超過 5 的情況下，壓縮感知重建信號(hào)對(duì)原始信號(hào)的損失是微不足道的，同時(shí)還可節(jié)省最高可達(dá) 80% 的采樣時(shí)間。這將能夠促進(jìn)更多核磁共振光譜成像手段應(yīng)用于臨床。本文中設(shè)計(jì)的加速技術(shù)也可以用于其他組織的成像，如乳腺。此外，由于減少了每輪采樣所用的時(shí)間，本技術(shù)也可以用于對(duì)更難以檢測的生化組分，如甘氨酸。

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10.1148/radiol.11111098 Content code: MR

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10.3969/j.issn.1674-1633.2012.07.001

1674-1633(2012)07-0001-08

本文英文原版出自Radiology雜志2012年第262卷3月刊第985～994頁。翻譯及轉(zhuǎn)載均經(jīng)過北美放射學(xué)會(huì)許可。北美放射學(xué)會(huì)對(duì)在翻譯過程中出現(xiàn)的譯文不準(zhǔn)確現(xiàn)象概不負(fù)責(zé)。

2011-05-27

修回日期：2011-08-08

錄用日期：2011-09-12

定稿日期：2011-10-18

美國國立衛(wèi)生研究院基金項(xiàng)目支持（NCRR UL1RR024982， NCIR21CA132096-01A1）。

聯(lián)系人：V.D.K. (e-mail: vikram.kodibagkar@asu.edu)

文章內(nèi)容不代表美國聯(lián)邦政府與資助機(jī)構(gòu)的立場。

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