馬媛媛，李彥，張雪坤，嚴(yán)福華，宋琦

磁共振成像是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的重要組成部分，具有組織對(duì)比度好，無(wú)電離輻射，多參數(shù)成像等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，且具有多種多樣的成像技術(shù)，對(duì)于病變的診斷，定量和定性分析及療效的評(píng)估具有重要價(jià)值。但由于磁共振掃描需要耗費(fèi)大量時(shí)間，部分患者難以忍受，容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)偽影。傳統(tǒng)磁共振檢查過(guò)程中，為了保證圖像質(zhì)量，信號(hào)采集需要符合奎斯特采樣率條件，即采集樣率至少是信號(hào)最大頻率的兩倍，在通過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換重建圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要k空間的信號(hào)數(shù)等于圖像的像素，這就導(dǎo)致了耗時(shí)長(zhǎng)的大量數(shù)據(jù)采集，而且對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求高，并且會(huì)有大量冗余數(shù)據(jù)被丟棄。所以，在硬件設(shè)備允許，不造成生理?yè)p傷(比如神經(jīng)損傷)的前提下，開(kāi)發(fā)出不影響圖像質(zhì)量的同時(shí)減少檢查時(shí)間的具有創(chuàng)新性的加速成像技術(shù)成為磁共振領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

目前并行采集技術(shù)，如敏感度編碼(sensitivity encoding，SENSE)于近年來(lái)已常規(guī)應(yīng)用于臨床磁共振掃描。該技術(shù)用相控陣線(xiàn)圈個(gè)線(xiàn)圈單元內(nèi)的空間位置差異替代傳統(tǒng)的相位編碼步數(shù)完成成像中個(gè)體素的空間定位，由此彌補(bǔ)相位編碼步數(shù)不足所致的信號(hào)空間定位不精確的缺點(diǎn)，最終得到?jīng)]有卷褶偽影的圖像。也就是說(shuō)該技術(shù)主要通過(guò)減少相位編碼步數(shù)，減少k空間的數(shù)據(jù)線(xiàn)，從而減少掃描時(shí)間[1]。

而壓縮感知技術(shù)作為新的加速成像技術(shù)，它利用磁共振信號(hào)稀疏性的特點(diǎn)，通過(guò)隨機(jī)采樣獲取離散樣本，并用非線(xiàn)性迭代算法重建圖像，從而大幅度減少需要采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少采集時(shí)間[2]。2006年Candes等[3]提出壓縮感知(compressed sensing，CS)理論，構(gòu)建出一種新的磁共振信號(hào)采集和圖像重建方法。2007年Lusting等[4]首次將壓縮感知理論應(yīng)用于磁共振成像。

本研究中的光梭成像技術(shù)(constellation shuttling imaging)是將序列掃描技術(shù)與重建后處理結(jié)合的一種綜合應(yīng)用技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)充分利用k空間的共軛對(duì)稱(chēng)性等磁共振采集信息冗余特性，結(jié)合多通道并行采集以及圖像壓縮感知等采集技術(shù)，通過(guò)對(duì)重建模型和掃描k空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到不影響圖像質(zhì)量的同時(shí)可以高倍速加快掃描時(shí)間的目的。

本研究中采用的T1W-3D序列為聯(lián)影公司的T1加權(quán)三維快速擾相梯度回波序列(T1-weighted three dimension fast spoiled gradient echo sequence，T1W-3D FSP)，能三維顯示精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)，腦內(nèi)結(jié)構(gòu)[灰質(zhì)(gray matter，GM)，白質(zhì) (white matter，WM)和腦脊液]對(duì)比度良好，有利于小病灶及其細(xì)節(jié)的顯示，同時(shí)也是獲取正常人腦三維可視化圖譜的重要方法，對(duì)于臨床(尤其外科手術(shù))，科研和教學(xué)具有重要意義[5]。但目前臨床應(yīng)用中利用現(xiàn)有常規(guī)磁共振加速技術(shù)進(jìn)行該序列掃描時(shí)，時(shí)間較普通顱腦序列耗時(shí)長(zhǎng)，患者易不耐受而出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，而光梭成像技術(shù)的出現(xiàn)，使得在保證圖像質(zhì)量的情況下、減少檢查時(shí)間，從而減少運(yùn)動(dòng)偽影。

筆者旨在通過(guò)探討壓縮感知技術(shù)進(jìn)行頭顱T1W-3D序列中的臨床應(yīng)用價(jià)值，從而為該技術(shù)進(jìn)一步地推廣應(yīng)用提供臨床應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

本研究為前瞻性研究，經(jīng)過(guò)本單位醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：2018017)，受試者均已簽署知情同意書(shū)。

2020年7月至8月，筆者共招募無(wú)磁共振掃描禁忌證且健康成年志愿者20名，其中男10名，女10名，年齡22～69(40.2±13.3)歲。采用聯(lián)影uMR780 3.0 T超導(dǎo)磁共振掃描，24通道相控陣線(xiàn)圈，對(duì)志愿者進(jìn)行腦部數(shù)據(jù)采集。成像序列如下：(1)基于光梭成像技術(shù)的T1W-3D序列：TR 7.2 ms；TE 3.1 ms；TI 750 ms；帶寬 250 Hz ；層厚 1.0 mm；層間距 1.0 mm；相位編碼方向 A＞P；翻轉(zhuǎn)角10°；相位加速因子3.2。(2)基于并行采集技術(shù)加速的T1W-3D序列：TR 7.2 ms；TE 3.1 ms；TI 750 ms；帶寬250 Hz ；層厚1.0 mm；層間距1.0 mm；相位編碼方向A＞P；翻轉(zhuǎn)角10°；相位加速因子2.0。

通過(guò)圖像的主觀(guān)和客觀(guān)評(píng)價(jià)方式，比較兩種掃描方式在掃描時(shí)間和圖像質(zhì)量的差異。其中主觀(guān)評(píng)價(jià)具體方法為：具有主治醫(yī)師水平以上的2名放射科醫(yī)生在不知道圖像序列信息的情況下進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)估，視覺(jué)評(píng)估包括基于Likert 5級(jí)評(píng)分表[6]，綜合信噪比(signal to noise ratio，SNR)，偽影，灰白質(zhì)邊界的清晰度等進(jìn)行圖像質(zhì)量分別打分，5分代表最好，4分良好，依次類(lèi)推。通過(guò)Kappa檢驗(yàn)判定2名醫(yī)生的評(píng)分結(jié)果是否具有一致性?？陀^(guān)評(píng)價(jià)方法為：在解剖結(jié)構(gòu)(尾狀核和胼胝體)相應(yīng)的灰質(zhì)GM和白質(zhì)WM以及背景噪聲區(qū)域放置感興趣區(qū)ROI，對(duì)灰質(zhì)、白質(zhì)信號(hào)及噪聲信號(hào)(noise signal)強(qiáng)度重復(fù)三次測(cè)量取平均值(框放置位置及大小見(jiàn)圖1)，分別記為噪聲信號(hào) ROInoise、灰質(zhì)信號(hào) ROIGM、白質(zhì)信號(hào) ROIWM，計(jì)算圖像信噪比SNR=mean(ROIWM)/mean(ROInoise)和對(duì)比噪聲 比(contrast to noise ratio，CNR)CNRmean=[mean(ROIGM)?mean(ROIWM)]/mean(ROInoise)。運(yùn)用基于體素的形態(tài)計(jì)量學(xué)CAT-12軟件，以前聯(lián)合和后聯(lián)合線(xiàn)為基準(zhǔn)，將每個(gè)被試的圖像運(yùn)用線(xiàn)性配準(zhǔn)和非線(xiàn)性配準(zhǔn)依次分配到標(biāo)準(zhǔn)模板上，經(jīng)過(guò)調(diào)制分別得出全腦體積，灰質(zhì)總體積，白質(zhì)總體積及腦脊液總體積，結(jié)果進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。以上統(tǒng)計(jì)方法均以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 ROI勾畫(huà)大小及位置示例(左圖為并行采集技術(shù)，右圖為壓縮感知技術(shù))，上圖為局部細(xì)節(jié)放大圖Fig.1 Example of ROI outline size and position(left picture is PPA,right picture is CS),the picture above is an enlarged detail.

2 結(jié)果

2名醫(yī)生的評(píng)分結(jié)果Kappa值是0.801(P＜0.001)，認(rèn)為2名醫(yī)生圖像質(zhì)量評(píng)分結(jié)果在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上具有顯著一致性，且圖像質(zhì)量均良好及以上(4～5分)(表1)。對(duì)于SNR和CNR進(jìn)行t檢驗(yàn)比較兩組數(shù)據(jù)，結(jié)果光梭成像技術(shù)組(以下稱(chēng)光梭組)SNR平均值為15.93±1.55，并行采集技術(shù)組(以下稱(chēng)并行組)12.28±1.11，P值為＜0.001；光梭組CNR平均值為1.10±0.43，并行組 0.89±0.38，P值為0.016；光梭組和并行組的SNR及CNR的P值均小于0.05，因此認(rèn)為光梭組和并行組的SNR及CNR在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上具有差異，且光梭組高于并行組。運(yùn)用基于體素的形態(tài)計(jì)量學(xué)CAT-12軟件分別得出腦實(shí)質(zhì)總體積，灰質(zhì)總體積，白質(zhì)總體積及腦脊液總體積，進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，結(jié)果P值分別為0.98、0.25、0.50、0.11，均大于 0.05，兩組不同掃描方式數(shù)據(jù)基于體素的形態(tài)計(jì)量學(xué)結(jié)果差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。光梭組掃描時(shí)間減少116 s，減少為40%(圖2～4)。

圖2 壓縮感知技術(shù)(CS)及并行采集技術(shù)(PPA)圖像信噪比結(jié)果 圖3 壓縮感知技術(shù)(CS)及并行采集技術(shù)(PPA)圖像對(duì)比噪聲比結(jié)果 圖4 CS及PPA圖像全腦體積、灰質(zhì)總體積、白質(zhì)總體積、腦脊液總體積比較結(jié)果Fig.2 Image SNR results of compressed sensing technology(CS)and parallel acquisition technology(PPA).Fig.3 Compressed sensing technology(CS)and parallel acquisition technology(PPA)image CNR results.Fig.4 Compressed sensing technology(CS)and parallel acquisition technology(PPA)image total brain volume,total gray matter volume,total white matter volume,total cerebrospinal fluid volume comparison results.

表1 主觀(guān)圖像質(zhì)量評(píng)分結(jié)果Tab.1 Subjective image quality scoring results

3 討論

構(gòu)建人腦圖譜是腦科學(xué)和類(lèi)腦研究需要達(dá)到的目標(biāo)，從分子層面認(rèn)識(shí)腦功能和腦疾病機(jī)制，“繪制”人腦圖譜對(duì)影像設(shè)備、成像技術(shù)及分析方法等方面具有極高的要求；高效快速高質(zhì)量獲得三維數(shù)字化的人腦圖譜，是腦研究中重要環(huán)節(jié)，清楚觀(guān)察到人腦復(fù)雜的三維空間關(guān)系，對(duì)于手術(shù)計(jì)劃的制訂也具有重要的價(jià)值。而T1W-3D能夠進(jìn)行薄層連續(xù)掃描，保證各向同性，并進(jìn)行任意平面重建，減少部分容積效應(yīng)，特別是后顱窩的偽影干擾可以減少，有利于顯示小病灶的解剖細(xì)節(jié)，可以用于術(shù)前準(zhǔn)確獲取定位和正常人腦的三維可視化圖譜[5]。目前T1W-3D序列在我院已經(jīng)常規(guī)用于術(shù)前評(píng)估，常規(guī)多使用并行采集技術(shù)進(jìn)行，掃描耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。基于磁共振數(shù)據(jù)的稀疏性特性，綜合快速發(fā)展的線(xiàn)圈及數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，本研究中采用的光梭成像技術(shù)將并行采集、壓縮感知掃描技術(shù)與重建后處理結(jié)合，使得高速獲得高質(zhì)量圖像的同時(shí)，減少掃描時(shí)間成為可能。而這一新綜合應(yīng)用技術(shù)在臨床的推廣應(yīng)用仍需要更多的前瞻性研究結(jié)果支持。本研究中使用基于體素的形態(tài)計(jì)量學(xué)(voxel-based-morphometry，VBM)，通過(guò)體素-體素的方法定量分析不同群組腦組織結(jié)構(gòu)中灰白質(zhì)的差異，一定程度替代了傳統(tǒng)意義上人工勾畫(huà)感興趣區(qū)域的方法，可以從一定程度補(bǔ)充本研究中人工勾畫(huà)的不足。

本研究中，我們隨機(jī)對(duì)于20名健康志愿者就兩種技術(shù)進(jìn)行頭顱T1W-3D序列掃描進(jìn)行前瞻性對(duì)比研究，研究結(jié)果顯示基于主觀(guān)及客觀(guān)的評(píng)價(jià)方式，光梭成像技術(shù)可以獲得不低于并行采集技術(shù)采集圖像質(zhì)量的同時(shí)(圖2，3)，并減少掃描時(shí)間，這與Vranic等[7]在該技術(shù)與其他常規(guī)技術(shù)序列的比較研究結(jié)果相同，目前為數(shù)不多且已經(jīng)發(fā)表的進(jìn)行對(duì)基于該技術(shù)在不同掃描部位與常規(guī)的序列的比較的研究結(jié)果中也得到了相似的結(jié)論[8-13]。雖然光梭成像技術(shù)與并行采集技術(shù)掃描的圖像質(zhì)量評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且一定程度上光梭成像技術(shù)獲得的圖像具有更高的信噪比，但是在灰白質(zhì)分界處壓縮感知技術(shù)獲得圖像的細(xì)節(jié)分辨率肉眼層面不如并行采集技術(shù)掃描獲得的圖像(圖 1)，這與 Cristobal-Huerta 等[14]和Delattre等[15]研究結(jié)果一致。這可能是基于欠采樣的數(shù)據(jù)、非線(xiàn)性重建以及降噪特性可能會(huì)遺漏重要的診斷信息，是否會(huì)遺漏小病灶也是需要考慮的問(wèn)題，有研究對(duì)多發(fā)性硬化患者進(jìn)行基于壓縮感知技術(shù)的雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列掃描研究顯示該技術(shù)并不會(huì)遺漏臨床常規(guī)應(yīng)用序列可以檢出的小病灶[16]。目前普通的信噪比的評(píng)估方式無(wú)法反映出典型的故障模式。比如，將影響信噪比的特定某一參數(shù)調(diào)整到一定值時(shí)，就可以達(dá)到提高圖像信噪比的結(jié)果，但是可能造成圖像的更小的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)被刪除而使得圖像失真[17-20]，圖像的對(duì)比度也會(huì)受到影響。所以，更優(yōu)的圖像質(zhì)量評(píng)估方式需要進(jìn)一步地探索，具有更高細(xì)節(jié)分辨的掃描圖像的獲得技術(shù)也需要進(jìn)一步地研究和驗(yàn)證。

Duan等[21]研究表明最大掃描時(shí)間可減少69%，并認(rèn)為加速因子為3時(shí)可以獲得更好的圖像質(zhì)量，但最佳的圖像質(zhì)量和最短的掃描時(shí)間無(wú)法同時(shí)獲得。本研究加速因子選擇了3.2，掃描時(shí)間減少40%，所以具體掃描節(jié)約時(shí)間要根據(jù)符合診斷的圖像要求設(shè)定，不同的掃描序列和掃描參數(shù)條件下不同，而優(yōu)化參數(shù)的設(shè)定和選擇需要進(jìn)一步臨床試驗(yàn)驗(yàn)證和選擇。

本研究存在樣本量少、均為健康志愿者、單中心、單一掃描機(jī)型、加速因子采用單一經(jīng)驗(yàn)值、研究序列單一等不足，對(duì)于壓縮感知技術(shù)的臨床應(yīng)用研究和探索依然比較局限。未來(lái)，基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)圖像質(zhì)量評(píng)估及圖像重建等[22-24]方法，對(duì)于合適掃描參數(shù)的選擇以及合適的圖像質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)的選擇可能會(huì)有質(zhì)的幫助，而此需要進(jìn)一步地前瞻性臨床試驗(yàn)去研究，探索和驗(yàn)證。

結(jié)論：較傳統(tǒng)的并行采集技術(shù)，光梭成像技術(shù)在頭顱T1W-3D序列中具有更優(yōu)的圖像信噪比并可以明顯縮短掃描時(shí)間，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。