吳宗山，彭傳勇，葉永泉，陳艷玲，張樹恒，徐啟蘭，李運運，項楊，陳琪

顱內(nèi)出血(intracerebral hemorrhage，ICH)是常見的多病因腦血管疾病，常見病因包括高血壓、創(chuàng)傷、缺血性梗塞出血轉(zhuǎn)化、腦動脈瘤、腦動靜脈畸形、腦淀粉樣血管病、硬腦膜動靜脈瘺和靜脈竇血栓形成等。磁共振成像檢測ICH的最有效方法是磁化率加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)[1-5]。SWI圖像的計算結(jié)合了信號幅值的T2*加權(quán)(T2*W)信息和信號相位的偶極場分布信息，因此對出血灶中所含的鐵元素造成的局部場擾動非常敏感，可產(chǎn)生較強的圖像對比度。如對顱內(nèi)微出血(cerebral micro-bleeds，CMB)的檢測，研究表明SWI的敏感度要高于T2*W和CT[6-8]。

然而SWI技術(shù)也存在一定的局限性。由于利用了相位中的偶極場信息，因此SWI圖像對比中存在一種擴大效應(yīng)(blooming effect)，即強磁化率的組織在SWI圖像的顯示范圍要比實際尺寸大。這對于微出血灶的顯示是有利的，然而對于面積較大而且鐵沉積水平較高的出血灶而言，這種擴大效應(yīng)會導(dǎo)致對出血灶真實尺寸估計和邊界定位的錯誤。另外在固定的回波時間(TE)設(shè)置下，當(dāng)出血灶鐵沉積超過了一定的水平后，SWI圖像的信號將飽和在噪聲水平上不再變化，不能有效地進一步判斷出血的程度。

另一方面， T2*弛豫時間是一個與成像協(xié)議參數(shù)無關(guān)的物理量，因此可以更好的反映生物組織在當(dāng)前磁場強度下的磁化率特性。T2*定量成像(T2*mapping)技術(shù)通常通過采集不同TE下的幅值信號，并利用對信號-時間曲線進行擬合計算得到T2*弛豫時間[9,10]。最近Ye等[11]提出了一種新型的多維度集成(multi-dimensional integration，MDI)T2*定量計算方法，不僅可以利用復(fù)數(shù)形式的回波信號進行計算，更可以利用相位陣列線圈的通道維度進行信噪比T2*定量準(zhǔn)確度的提升。

本研究探討和比較基于MDI與擬合算法獲得的T2*定量成像的圖像質(zhì)量，以及在ICH診斷上的應(yīng)用價值。

材料與方法

1.臨床信息

搜集2018年11月-2019年5月本院中老年患者93例MRI數(shù)據(jù)，排除其中運動偽影嚴(yán)重的5例，實采89例。其中男49例，女40例，平均年齡(63.7±13.4)歲。研究對象入選標(biāo)準(zhǔn)為可疑顱內(nèi)出血或腦內(nèi)多發(fā)梗死入院治療患者，且無任何MRI檢查禁忌癥狀。所有患者均具備完整的相關(guān)病史及實驗室檢查資料，愿意配合本研究要求并簽署知情同意書。

2.圖像采集及重建

圖像掃描使用聯(lián)影3T uMR770成像系統(tǒng)及配套24通道頭頸聯(lián)合線圈。掃描協(xié)議包括常規(guī)頭顱DWI、T2WI、T1WI及FLAIR檢查。T2*定量數(shù)據(jù)通過一個三維多回波SWI序列進行采集，掃描參數(shù)TR 32 ms，回波數(shù)6，回波時間TE 3.6～26.6 ms，回波間距TE 4.6 ms，體素尺寸0.5 mm×0.5 mm×1 mm，成像視野224 mm×190 mm，掃描時間3分42秒。

使用MDI定量計算T2*步驟：首先掃描獲取每個回波信號對應(yīng)的所有線圈通道的幅值與相位圖像，然后將幅值圖像與相位圖像點點對應(yīng)地合并為復(fù)數(shù)信號。由于數(shù)據(jù)中存在著6個回波以及24個線圈通道，因此共產(chǎn)生6×24=144組三維復(fù)數(shù)圖像。利用MDI計算獲得ΔTE內(nèi)的復(fù)數(shù)信號變化ΔS[11]，計算公式如下：

(1)

其中Ne為回波數(shù)目(Ne=6)，Nc為信號通道數(shù)目(Nc=24)，S(i,j)為對應(yīng)第i個回波和第j個線圈通道的復(fù)數(shù)信號。計算式1的求解是基于單個體素的基礎(chǔ)上進行的。當(dāng)通過計算式1獲得了某體素的ΔS后，該體素的T2*數(shù)值可直接通過以下關(guān)系得到：

T2*=-ΔTE/ln|ΔS|

(2)

使用擬合方法計算T2*數(shù)值圖。首先先對所有通道的幅值信號進行平方和(sum-of-square，SOS)合并，獲得共6組三維回波幅值圖像。然后通過對應(yīng)每個體素的所有回波幅值信號數(shù)值點進行擬合計算。對于線性擬合方法，先對回波幅值信號進行自然對數(shù)變換，然后根據(jù)線性方程ln(Ssos(TE))=a·TE+b進行最小二乘擬合，計算得到斜率a和截距b。對于指數(shù)擬合方法，則直接根據(jù)指數(shù)方程Ssos(TE)=b·e-aTE進行最小二乘擬合，計算得到擬合系數(shù)a和b。兩種擬合均可得到T2*=1/a。

最后，為了對生成的T2*定量圖信噪比及T2*數(shù)值可信度進行分析，使用蒙特卡羅方法分別計算3種算法從原始圖像到T2*定量圖的噪聲傳播系數(shù)圖像[11]。

3.圖像評分及統(tǒng)計分析

首先通過SWI圖像對顱內(nèi)出血灶進行初步定位。然后對3種方法獲得的T2*定量圖進行關(guān)于圖像質(zhì)量與對出血灶檢測的敏感度進行評分。評分由3位放射科醫(yī)生分別進行，觀察圖像時屏蔽所有患者信息，且各自隨機化對不同患者、不同T2*定量圖的觀察順序。

對于典型大腦組織的T2*數(shù)值分析，通過手動選取灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液較為均勻的多個局部區(qū)域作為ROI，提取同一組織所有ROI的T2*值的平均值與方差，并與文獻數(shù)值作對比。

對圖像整體質(zhì)量的評價使用5級評分。1分為圖像質(zhì)量極差，完全不具備診斷價值；2分為圖像質(zhì)量較差，診斷價值低；3分為圖像質(zhì)量一般，具有可接受的診斷可靠性；4分為圖像質(zhì)量良好，診斷可靠性較高；5分為圖像質(zhì)量優(yōu)良，具有明確的診斷可靠性。

對出血灶檢測敏感度的評價使用3級評分。1分為不可可靠檢測；2分為可結(jié)合其他圖像信息進行檢測；3分為可單獨進行可靠的檢測。

評分結(jié)果使用Excel軟件進行統(tǒng)計分析。對于T2*定量圖質(zhì)量評分結(jié)果，首先計算每位評分員對每種方法對應(yīng)的所有病例的評分的平均值與方差，然后綜合3位評分員的所有病例評分對每種方法分別計算平均值與方差。為了判斷每位評分員對3種方法的評分是否存在差異，對對應(yīng)的評分兩兩進行單邊成對樣本t檢驗(one tailed pairedt-test),P<0.0005可認(rèn)為具有顯著差異。

結(jié) 果

1.ICH影像學(xué)表現(xiàn)

根據(jù)多回波SWI圖像，89例中有69例檢出ICH，單發(fā)或多發(fā)的斑點狀、團片狀SWI及T2*WI極低信號或極低信號為主病灶，邊界清晰；4例基底節(jié)區(qū)鐵質(zhì)沉積，雙側(cè)基底節(jié)區(qū)對稱性斑片狀SWI及T2*WI上呈極低信號為主病灶；5例檢出脈絡(luò)叢鈣化，在SWI圖像上呈團片狀極低信號，在相位圖上以高信號為主，在T2*WI上呈極低信號為主；1例腦腫瘤性病變未見出血，在各序列上均見等信號為主團塊影，未見異常低信號；10例SWI圖像正常，未見明確病灶。

2.圖像對比分析

圖1中顯示和比較了3種算法得到的T2*定量圖及對應(yīng)信噪比圖像。觀察圖像的腦組織對比度，3種方法得到的結(jié)果整體上而言是比較相近的。

圖2顯示的是MDI方法分別與線性擬合(圖2a)和指數(shù)擬合(圖2b)得到基于所有腦組織體素的T2*數(shù)值分布圖。可以看到，MDI與線性擬合得到的T2*數(shù)值相近，單邊成對t-test的P值為0.21，無顯著差異。相對而言，指數(shù)擬合的T2*數(shù)值偏高，且與MDI及線性擬合得到的數(shù)值有顯著差異(P<0.0005)。選取典型的灰質(zhì)、白質(zhì)ROI提取T2*數(shù)值(表1)，與文獻中的進行比較[12]，可得MDI和線性擬合的T2*值與文獻報告相近，而指數(shù)擬合則相對合理數(shù)值偏高。

表1 典型ROI區(qū)域不同擬合模型的T2*數(shù)值 (ms)

3.圖像臨床評分統(tǒng)計分析

對利用MDI、線性擬合以及指數(shù)擬合計算得到的T2*定量圖的臨床評分顯示在表2中。表3顯示了對不同方法的評分的pairedt-test結(jié)果，除了評分員1在線性擬合與指數(shù)擬合之間的病灶檢測敏感度評分無顯著差異之外(P=0.5)，其他所有結(jié)果組合的均獲得統(tǒng)計顯著差異(P<0.005)的結(jié)果。

表2 T2*定量圖臨床評分統(tǒng)計表

表3 T2*定量圖臨床評分在擬合模型之間paired t-test結(jié)果

討 論

由于具有較強的順磁性質(zhì)，ICH可以顯著影響其所在位置及附近的磁場分布，造成局部T2*弛豫時間的縮短。因此早期磁共振成像技術(shù)利用T2*WI序列對ICH進行檢測。Haacke等[1]于2004年提出了SWI技術(shù)，結(jié)合磁共振信號幅值與相位中分別與磁化率相關(guān)的信息，從而提供了更強的磁化率信號對比度。由于ICH同時也影響局部的磁共振信號相位的變化，因此使用SWI可以非常靈敏地對包括小于單個體素尺寸的各種出血灶進行檢測。

然而SWI是一種信號加權(quán)圖像，并不能支持對病灶區(qū)域磁化率特性的定量分析。而不同階段的ICH，其SWI圖像對比度取決于出血時相。如當(dāng)處于出血超急性(24h內(nèi))期、急性期(72h內(nèi))、亞急性期(3天～2周)及慢性期(>2周)內(nèi)，出血灶中的鐵元素的存在形式將經(jīng)歷從含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白到含鐵血黃素等一系列轉(zhuǎn)變，并表現(xiàn)出不同的磁化率特性，從而導(dǎo)致SWI圖像對比度隨著出血時相變化，降低對出血時相的判斷可靠性。另一方面，T2*-mapping作為一種快速、相對可靠的定量成像方法，可從量化角度來對出血時相或者鐵元素沉積水平進行更準(zhǔn)確的診斷。

迄今為止，T2*的定量方式是通過多回波序列進行數(shù)據(jù)采集后，通過曲線擬合算法計算得到弛豫系數(shù)R2*(即前述公式中的a)，最后通過公式T2*=1/R2*得到T2*數(shù)值。由于熱噪聲與生理噪聲的存在，以及ICH或者富鐵組織的信號往往較低等因素，當(dāng)使用信號擬合方法(根據(jù)線性或者指數(shù)模型)時，擬合得到的R2*的誤差將會被放大到其倒數(shù)的T2*數(shù)值上。因此不僅降低T2*定量圖的信噪比，還會降低其準(zhǔn)確度，甚至造成局部數(shù)值突變，次現(xiàn)象在線性擬合結(jié)果中尤為明顯。研究人員提出了多種改善T2*定量中局部數(shù)值突變的方案[13,14]，但并沒有從根本上解決此類問題。

圖1患者，男，28歲，陣發(fā)性頭暈1個月入院。MRI頭顱平掃疑腦出血，SWI診斷腦血管畸形伴出血。a) MDI方法得到的T2*定量圖的整體與病灶局部放大圖像，典型灰質(zhì)、白質(zhì)ROI(圈)； b) 線性擬合的T2*定量圖； c) 指數(shù)擬合的T2*定量圖； d) MDI的噪聲傳播圖像； e) 線性擬合的噪聲傳播圖像； f) 指數(shù)擬合的噪聲傳播圖像。

最近Ye等[11]提出的一種新式的基于MDI技術(shù)的T2*定量計算方法，其原理是通過回波間隔之間的復(fù)數(shù)信號變化直接提取T2*信號，因此不需要指定多點信號的衰減模型。MDI技術(shù)免除了多通道信號結(jié)合的計算步驟(如非優(yōu)化信噪比的SOS算法)，避免了由于這一步所帶來的計算誤差與信噪比損失，使得T2*定量的準(zhǔn)確度與噪聲控制效果達到最優(yōu)化。

圖2單個患者的所有腦組織體素T2*數(shù)值散點圖。a) MDI vs.線性擬合； b) MDI vs.指數(shù)擬合； c) 線性擬合vs.指數(shù)擬合。虛線為等斜率參考線，當(dāng)像素T2*值分布在該參考線附近時認(rèn)為其數(shù)值在相應(yīng)的兩種方法中相似。

對比3種算法得到的T2*整體圖像質(zhì)量，主要差異體現(xiàn)在兩個方面，即算法對噪聲的傳播方式與定量準(zhǔn)確性。

從物理角度看，背景噪聲并不具備任何弛豫特性，因此套用任何弛豫模型得到的數(shù)值本身是無意義的。MDI對背景噪聲的T2*的處理是將其轉(zhuǎn)換為極低的數(shù)值，因此可以明顯地與正常組織區(qū)分開來。而基于擬合的模型則是表達為數(shù)值極高、差異也極高的結(jié)果，從而影響T2*定量圖整體質(zhì)量。對于本研究所用的以及一般的多回波SWI成像序列，短TR的使用造成了腦脊液由于T1加權(quán)效應(yīng)而呈低信號，同時腦脊液和血液由于流動效應(yīng)導(dǎo)致信號在不同回波之間產(chǎn)生擾動，因此腦脊液和血液信號在結(jié)果中將表現(xiàn)出類似背景噪聲的擾動，造成圖像中局部的黑點與亮點，使得基于ROI的數(shù)值分析不可靠。同樣的，對于具有較多的含鐵血黃素的出血灶，其極短的T2*將造成出血灶內(nèi)部信噪比過低，也會導(dǎo)致錯誤的T2*數(shù)值。該現(xiàn)象在線性擬合結(jié)果中最為明顯。然而對于MDI算法，噪聲以低T2*數(shù)值形式傳播意味著在最終的T2*定量圖中可以獲得更高的信噪比。因此MDI可保證任意信噪比條件下均可獲得更接近真實數(shù)值的結(jié)果，且臨床評估結(jié)果也證明了其T2*定量圖質(zhì)量顯著高于兩種擬合方法。

從定量角度分析，MDI與線性擬合得到的T2*值在統(tǒng)計上無顯著差異，而指數(shù)擬合相對MDI和線性擬合的結(jié)果呈統(tǒng)計顯著的偏高趨勢。選取典型的灰質(zhì)、白質(zhì)ROI提取T2*數(shù)值，與文獻中的進行比較[12, 15]，可得MDI和線性擬合的T2*值與文獻報告相近，而指數(shù)擬合則相對合理數(shù)值偏高。因此，3種方法中MDI和線性擬合的定量準(zhǔn)確性是符合預(yù)期的。

另外，在使用相同的計算機硬件條件下，單層數(shù)據(jù)(448×380矩陣)在3種方法的平均計算時間為7×10-3s(MDI)、7×10-2s(線性擬合)及65s(指數(shù)擬合)。MDI計算時間幾乎可以忽略，屬于超高效率算法。

本研究的不足之處在于所搜集的ICH病例并非來自單一病種，不同病理的出血特征差異較大。但即便如此，結(jié)果表明使用T2*對各類ICH進行檢測具有較大的普適性。因此我們認(rèn)為本研究的結(jié)果與結(jié)論依然具有較好的代表性。

綜上所述，在所比較的3種T2*定量算法當(dāng)中，MDI是唯一既保證定量準(zhǔn)確又可獲得最優(yōu)的信噪比的方法，并且具有極高的計算效率。相比之下，線性擬合方法定量準(zhǔn)確但組織信噪比過低，指數(shù)擬合方法組織信噪比較好但定量數(shù)值整體偏高。且兩種擬合方法在噪聲區(qū)域得到的是極高T2*數(shù)值，嚴(yán)重影響圖像的診斷價值。因此MDI技術(shù)作為一種新型的T2*定量計算方案，可以為臨床ICH診斷提供更準(zhǔn)確、更可靠的信息，有利于提高相關(guān)診斷的準(zhǔn)確性與改善治療與預(yù)后評估。