楊新穎，鐘佳利，彭如臣，郭曉斌，余斌

作者單位：首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院放射科，北京101149

心功能分析是心臟病學(xué)中最為重要的測(cè)量指標(biāo)之一，其在所有心臟影像學(xué)檢查中都是不可或缺的一部分，因?yàn)樗徽J(rèn)為是最有力的治療決策制定和預(yù)后評(píng)估的預(yù)測(cè)因子之一[1-2]，其中心血管磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)被公認(rèn)為測(cè)量左心室射血分?jǐn)?shù)和左心室容積最準(zhǔn)確的影像學(xué)檢查方法之一[3]。CMR 自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始逐步應(yīng)用于臨床，以其優(yōu)秀的軟組織對(duì)比度、無(wú)電離輻射危害、多參數(shù)成像、以及可以評(píng)估心功能等優(yōu)勢(shì)，在心血管疾病的早期診斷、鑒別診斷以及評(píng)估病情嚴(yán)重程度與預(yù)后等方面均具有很大的應(yīng)用價(jià)值。其中心臟電影成像是心功能評(píng)價(jià)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，在臨床具有廣泛的應(yīng)用[4]。常規(guī)心臟電影掃描需要患者多次屏氣以獲得全心短軸位心臟電影圖像進(jìn)行心功能分析，但部分患者諸如急性期心肌梗死介入治療術(shù)后的患者通常屏氣能力欠佳，因此導(dǎo)致檢查失敗的患者不在少數(shù)，所以CMR在臨床中的應(yīng)用具有一定限制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓縮感知(compressed sensing，CS)等快速成像技術(shù)的應(yīng)用給磁共振成像帶來(lái)了新的可能性[5-7]。應(yīng)用壓縮感知技術(shù)可以在犧牲一定圖像質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)單次屏氣全心短軸位心臟電影掃描，極大地縮短了心臟電影成像的時(shí)間，且可以獲得與常規(guī)心臟電影成像基本相同的心功能分析結(jié)果，以達(dá)到診斷的目的[8-13]。關(guān)于壓縮感知心臟電影與傳統(tǒng)心臟電影的對(duì)比，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的研究較少，國(guó)外已經(jīng)有了部分研究，但多數(shù)研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為健康人志愿者，針對(duì)實(shí)際屏氣條件不好的患者的研究較少。本研究納入的研究對(duì)象均為ST段抬高型心肌梗死(ST-segment myocardial infarction，STEMI)的經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)術(shù)后患者，可以反映壓縮感知心臟電影序列的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，具有很高臨床指導(dǎo)意義，下面筆者將就壓縮感知心臟電影序列(uCS-Cine)與常規(guī)心臟電影序列(standard-Cine)在圖像信噪比(signal to noise ratio，SNR)、偽影情況、能否滿(mǎn)足診斷需要以及心功能分析結(jié)果等方面進(jìn)行深入探討。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究為回顧性研究，經(jīng)過(guò)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：2020-LHKY-023-04)，經(jīng)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)可免除受試者知情同意。選取30 名STEMI 的PCI 術(shù)后患者，其中男性25 例，女性5 例，年齡范圍30～74 歲，平均年齡(54.23±10.73)歲，平均心率(67.33±8.39)次/min，在身體狀況穩(wěn)定后行CMR掃描評(píng)估心肌存活情況與計(jì)算心功能數(shù)值。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)身體況狀不佳，無(wú)法屏氣超過(guò)15 s；(2)頻發(fā)性早搏或心率不齊(在20 s 內(nèi)發(fā)生超過(guò)2 次心率不齊或早搏)；(3)幽閉恐懼癥患者。

1.2 研究?jī)x器

中國(guó)聯(lián)影公司uMR 780 3.0 T超導(dǎo)型磁共振儀。12通道相控陣體線(xiàn)圈，24通道相控陣脊柱線(xiàn)圈。

1.3 檢查方法及掃描參數(shù)

患者仰臥于檢查床，頭先入，在患者前胸涂抹清潔膏以清潔皮膚，于左側(cè)胸前區(qū)粘貼4枚磁共振專(zhuān)用電極片，連接心電導(dǎo)線(xiàn)與心電模塊，將體線(xiàn)圈覆蓋于前胸部。按流程進(jìn)行呼吸訓(xùn)練以盡可能減少呼吸運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)圖像質(zhì)量的影響。先使用Scout 序列掃描心臟基本定位像，然后掃描uCS-Cine 序列由心電門(mén)控觸發(fā)一次屏氣完成8層全心短軸位電影掃描，結(jié)束后讓患者休息2 min 以便恢復(fù)體力消除掃描順序?qū)ρ芯拷Y(jié)果的影響，最后掃描standard-Cine序列在心電門(mén)控的配合下分8 次屏氣完成8 層全心短軸位電影掃描，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4 心功能分析與圖像質(zhì)量評(píng)估

1.4.1 心功能分析

使用聯(lián)影后處理工作站(uWS-780)心功能分析軟件自動(dòng)識(shí)別左心室心內(nèi)膜與心外膜，由2 名有10 年以上心血管影像診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師獨(dú)立對(duì)輪廓進(jìn)行手動(dòng)校正，計(jì)算獲得uCS-Cine 與standard-Cine 的左室舒張末期容積(left ventricular end diastolic volume，LVEDV)，左室收縮末期容積(left ventricular end systolic volume，LVESV)，左 室 射 血 分 數(shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)。

1.4.2 心肌SNR的測(cè)量

將uCS-Cine 與standard-Cine 序列各自拆分成8 層(心尖層面為第1 層，心底層面為第8 層)，選取其中每層的收縮末期圖像作為測(cè)量圖像，心肌SNR=SI心肌/SD噪聲，SI心肌測(cè)量于收縮末期室間隔區(qū)域的心肌信號(hào)值，ROI 設(shè)定為圓形，大小10 mm2，SD噪聲測(cè)量于圖像兩側(cè)相位編碼方向上的空白區(qū)域，ROI 設(shè)定為圓形，大小10 mm2。心肌SNR 數(shù)據(jù)由上述2 名醫(yī)師采用盲法獨(dú)立測(cè)量得出。

表1 uCS-Cine和standard-Cine序列掃描參數(shù)Tab.1 Imaging parameters of uCS-Cine and standard-Cine in the study

1.4.3 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)

對(duì)上述2 序列的各8 層圖像，設(shè)計(jì)5 分制評(píng)分表(表2)。由上述2 名醫(yī)師獨(dú)立對(duì)圖像各片段的偽影情況、心肌輪廓是否清晰，以及能否滿(mǎn)足診斷需求進(jìn)行主觀評(píng)分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

將所有得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(interclass correlation coefficient，ICC)檢驗(yàn)2 名醫(yī)師的心功能分析和心肌SNR 結(jié)果的一致性，ICC＜0.40 認(rèn)為一致性較差，0.40≤ICC＜0.75 認(rèn)為一致性一般，ICC≥0.75 認(rèn)為一致性良好，以Kappa 系數(shù)檢驗(yàn)2 名醫(yī)師的圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性，以Kappa≤0.20認(rèn)為一致性較差，0.21＜Kappa≤0.40 認(rèn)為一致性一般，0.61＜Kappa≤0.80 認(rèn) 為 一 致 性 較 強(qiáng)，0.81＜Kappa≤1.00 認(rèn)為一致性強(qiáng)，應(yīng)用Wilcoxon 配對(duì)秩和檢驗(yàn)對(duì)2種心臟電影序列的心功能分析、心肌SNR，以及圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，各數(shù)據(jù)均采用±s，以P＜0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 心功能分析結(jié)果

上述2 名醫(yī)師對(duì)uCS-Cine 測(cè)量所得心功能結(jié)果一致 性 良 好(LVEF、LVESV、LVEDV 的ICC 值 分 別 為0.96、0.97、0.96，P＜0.05)。2 名醫(yī)師對(duì)standard-Cine測(cè)量所得心功能結(jié)果一致性良好(LVEF、LVESV、LVEDV的ICC 值分別為0.98、0.98、0.97，P＜0.05)。30 例心肌 梗 死 患 者uCS-Cine 與standard-Cine 的LVEF、LVESV、LVEDV 結(jié)果見(jiàn)表3。兩者的LVEF 與LVESV 結(jié)果沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，LVEDV結(jié)果standard-Cine稍大于uCS-Cine，結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

2.2 心肌SNR結(jié)果比較

上述2 名醫(yī)師對(duì)uCS-Cine 與standard-Cine 測(cè)量所得心肌SNR 結(jié)果一致性良好(uCS-Cine 與standard-Cine 的ICC 值分別為0.78，0.81，P＜0.05)在uCS-Cine 與standard-Cine 序列各層面的收縮末期心肌SNR 結(jié)果顯示，在slice1-slice8 層面，standard-Cine 的心肌SNR 均優(yōu)于uCS-Cine，結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05；表4)。

2.3 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

上述2 名醫(yī)師對(duì)uCS-Cine 與standard-Cine的圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果一致性強(qiáng)(uCS-Cine 與standard-Cine的Kappa值分別為0.97，0.95，P＜0.05)。2 序列圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在slice1-slic 6 層面，圖像質(zhì)量評(píng)分沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，在slice7-slice8 層面，standard-Cine 的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分優(yōu)于uCS-Cine，結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05；表5)(圖1)。

表2 圖像質(zhì)量5分制主觀評(píng)價(jià)表Tab.2 Five-point scale for subjective evaluation of image quality

表3 uCS-Cine與standard-Cine序列心功能分析結(jié)果(±s)Tab.3 Cardiac function analysis results of uCS-Cine and standard-Cine sequences(±s)

表3 uCS-Cine與standard-Cine序列心功能分析結(jié)果(±s)Tab.3 Cardiac function analysis results of uCS-Cine and standard-Cine sequences(±s)

參數(shù)LVEF LVESV LVEDV uCS-Cine 51.44±12.00 63.47±34.39 126.86±40.46 standard-Cine 52.06±11.49 64.17±34.85 129.89±42.52 z值-1.90-0.64-2.07 P值0.06 0.52 0.04

表4 uCS-Cine與standard-Cine序列心肌SNR的結(jié)果比較(±s)Tab.4 Quantitative and statistical analysis results for ardiac muscle SNR comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

表4 uCS-Cine與standard-Cine序列心肌SNR的結(jié)果比較(±s)Tab.4 Quantitative and statistical analysis results for ardiac muscle SNR comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

部位Slice1 Slice2 Slice3 Slice4 Slice5 Slice6 Slice7 Slice8 P值0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 uCS-Cine 67.24±27.52 67.88±23.29 71.97±24.86 70.27±16.58 74.35±20.32 72.05±19.81 69.71±16.93 71.63±14.45 standard-Cine 155.06±42.13 165.58±36.11 173.61±31.50 174.03±32.89 173.43±33.50 172.23±36.36 177.15±33.73 180.48±30.05 z值-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78

表5 uCS-Cine與standard-Cine序列圖像質(zhì)量主觀評(píng)分結(jié)果(±s)Tab.5 Quantitative and statistical analysis results for the subjective evaluation of image quality comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

表5 uCS-Cine與standard-Cine序列圖像質(zhì)量主觀評(píng)分結(jié)果(±s)Tab.5 Quantitative and statistical analysis results for the subjective evaluation of image quality comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

部位Slice1 Slice2 Slice3 Slice4 Slice5 Slice6 Slice7 Slice8 uCS-Cine 4.53±0.57 4.76±0.43 4.77±0.43 4.87±0.34 4.83±0.38 4.73±0.45 4.47±0.68 4.37±0.62 standard-Cine 4.53±0.50 4.73±0.45 4.80±0.41 4.93±0.25 4.87±0.43 4.87±0.35 4.80±0.41 4.73±0.45 z值0.00-0.26-0.58-1.00-0.45-1.41-2.67-2.67 P值1.00 0.80 0.76 0.32 0.66 0.16 0.01 0.01

圖1 圖A～D 為同一患者，男，57 歲，STEMI 的PCI術(shù)后患者。圖A、B 分別為standard-Cine 序列的舒張末期和收縮末期圖像，圖C、D 為uCS-Cine 序列的舒張末期和收縮末期圖像，覆蓋范圍自心尖至心底層面?？梢?jiàn)standard-Cine序列在靠近心臟基底部的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于uCS-Cine序列Fig.1 A—D show the same patient, male, 57 years old, STEMI patients after PCI. End diastolic and end systolic images of standard-Cine sequence is shown in Fig.A,B.And the end diastolic and end systolic images of uCS-Cine sequence is shown in Fig.C,D,covering from apex to bottom of heart.It can be seen that the image quality of standard-Cine sequence is better than that of uCS-Cine sequence near the heart base.

3 討論

這項(xiàng)回顧式研究表明，uCS-Cine與standard-Cine兩序列的心功能分析結(jié)果具有較好的一致性。LVEF與LVESV的結(jié)果在standard-Cine與uCS-Cine兩序列之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但是在LVEDV中，uCS-Cine的大小為(126.86±40.46) mL，standard-Cine 為(129.89±42.52) mL，兩者之間具有一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P=0.04，根據(jù)以往研究，原因可能是采用壓縮感知技術(shù)的心臟電影序列因?yàn)榧铀俦稊?shù)較高，導(dǎo)致SNR 降低[14-15]，同時(shí)為了在一次屏氣中完成全心短軸位掃描需要降低一定的空間分辨率，因此，心室血池中的肌小梁間隙可能無(wú)法很好地可視化，可能導(dǎo)致“較小”的心內(nèi)膜輪廓[16]，在Vincenti 等[17]的研究中，對(duì)21 名健康志愿者和12 名心臟病患者所組成的33 名研究樣本行標(biāo)準(zhǔn)心臟電影序列與壓縮感知的心臟電影，結(jié)果顯示LVEF、LVESV 在兩序列之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P=0.11，P=0.24，在LVEDV中具有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異P＜0.001，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在Ma等［18］的研究中，對(duì)33名健康人志愿者分別進(jìn)行常規(guī)的回顧式心臟電影序列與壓縮感知的心臟電影序列，其LVEF、LVEDV、LVESV 結(jié)果均沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P＞0.05，與本研究的結(jié)果部分相似，考慮到本研究針對(duì)的是STEMI 的PCI術(shù)后患者，其屏氣能力與健康人志愿者可能存在一定的差距，從而會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，最終導(dǎo)致LVEDV結(jié)果的不同。

常規(guī)standard-Cine利用多個(gè)心動(dòng)周期完成一層圖像的k空間填充，通常一次屏氣只能掃描1～2層圖像，而壓縮感知心臟電影序列為了加快圖像采集速度，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中稀疏的填充k空間，然后利用壓縮感知方法通過(guò)計(jì)算重建出圖像，從而達(dá)到節(jié)省采集時(shí)間的目的，在本研究中uCS-Cine 采用不相干亞采樣，稀疏填充k空間，應(yīng)用非線(xiàn)性迭代重建實(shí)現(xiàn)較高的加速倍數(shù)，只需2個(gè)心動(dòng)周期就可以完成一層的心臟圖像采集。但因?yàn)閗空間稀疏填充，圖像信息較少，所以SNR 有一定程度的下降，會(huì)在一定程度上降低圖像質(zhì)量。在本研究中，slice1-slice8 層面standard-Cine的心肌信噪比均高于uCS-Cine，P＜0.05，也與以往研究相符[19-20]，但本研究顯示SNR 的下降對(duì)診斷產(chǎn)生的干擾較小，在本研究的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分中，2 名診斷醫(yī)生就2 序列的圖像質(zhì)量評(píng)分顯示，uCS-Cine 與standard-Cine 在心尖到心臟中部的slice1-slice 6 層面的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＞0.05，但是在靠近心臟基底部的slice7-slice8層面具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，uCS-Cine 的圖像質(zhì)量評(píng)分低于standard-Cine，P＜0.05。猜測(cè)原因?yàn)閡CS-Cine 由于k 空間稀疏填充，除了會(huì)導(dǎo)致SNR 的降低，由于圖像信息較少，所以對(duì)于運(yùn)動(dòng)更加敏感，在心臟電影的掃描中，靠近心尖部的心肌運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，基本只有層面內(nèi)心肌組織的收縮和舒張運(yùn)動(dòng)，但靠近心臟基底部的心肌由于心臟大血管的影響運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)包含有層面內(nèi)和層面間的運(yùn)動(dòng)，造成了uCS-Cine 在心臟基底部的圖像質(zhì)量差于常規(guī)standard-Cine，但考慮到2 序列所有層面的圖像質(zhì)量評(píng)分均大于4分，根據(jù)主觀評(píng)分表顯示兩序列都可以達(dá)到診斷的要求，這一點(diǎn)與以往研究相符。在Tomoyuki 等[21]等的研究中，對(duì)63 例患者分別進(jìn)行常規(guī)心臟電影成像與壓縮感知心臟電影成像，其圖像以5 分制量表評(píng)分，5 分為圖像質(zhì)量最好，大于3 分則認(rèn)為不會(huì)對(duì)診斷產(chǎn)生干擾，壓縮感知心臟電影與常規(guī)心臟電影序列的評(píng)分分別為3.7±0.5 和4.7±0.5，P＜0.05，壓縮感知心臟電影序列圖像質(zhì)量評(píng)分低于常規(guī)心臟電影序列，但仍然可以滿(mǎn)足診斷需求。在Vermersch 等[22]的研究中，在2 名放射科醫(yī)生的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分中，壓縮感知心臟電影序列的評(píng)分低于常規(guī)心臟電影序列，兩者具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.05；但如果應(yīng)用歐洲CMR 客觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[23]。則沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P=0.21。這說(shuō)明壓縮感知技術(shù)雖然會(huì)降低一定的圖像質(zhì)量，但對(duì)于診斷的影響較小。

uCS-Cine 的采集時(shí)間僅為12.7 s，顯著低于standard-Cine 的150 s，掃描時(shí)間的縮短可以極大的提高檢查的成功率，尤其是面對(duì)STEMI 的PCI 術(shù)后屏氣能力欠佳的患者。本研究中所挑選的患者均經(jīng)過(guò)前期呼吸訓(xùn)練，可以連續(xù)屏氣8 次完成常規(guī)standard-Cine 掃描，但可以想象對(duì)于屏氣能力不佳的患者，僅進(jìn)行一次的屏氣即可完成全心電影成像的uCS-Cine 無(wú)疑是更好的選擇。 另外由于uCS-Cine 屏氣時(shí)間的縮短，對(duì)于心率異常，如頻發(fā)早搏的患者，可以挑選心率穩(wěn)定的時(shí)刻單次屏氣完成心臟電影掃描，極大地節(jié)省掃描時(shí)間，提高檢查的成功率。

本研究仍然具有的一定的局限性，首先，uCS-Cine 在心臟基底部的圖像質(zhì)量不高，對(duì)靠近該區(qū)域的病變顯示欠佳，且由于本研究的對(duì)象為STEMI的PCI 術(shù)后患者，屏氣能力不如健康人志愿者，所以對(duì)uCS-Cine的圖像分辨率做了適當(dāng)?shù)慕档鸵员ＷC患者可以順利在一次屏氣下完成全心短軸位電影掃描，這可能會(huì)對(duì)uCS-Cine 的圖像質(zhì)量評(píng)分產(chǎn)生一定的影響；其次，壓縮感知技術(shù)需要大量的計(jì)算，對(duì)設(shè)備硬件要求較高，本研究所采用的uMR 780 3.0 T磁共振設(shè)備具有專(zhuān)門(mén)的光梭計(jì)算平臺(tái)，但仍然需要近2 分鐘的時(shí)間重建圖像，后續(xù)需要優(yōu)化掃描流程以節(jié)省時(shí)間；最后，本研究中納入的30例STEMI的PCI術(shù)后患者均經(jīng)過(guò)前期呼吸訓(xùn)練且狀態(tài)良好，對(duì)于相當(dāng)數(shù)量的屏氣能力差，狀態(tài)不佳的患者，應(yīng)用uCS-Cine技術(shù)能否進(jìn)一步縮短屏氣時(shí)間，甚至在自由呼吸狀態(tài)下完成心臟電影成像，筆者將在后續(xù)的研究中繼續(xù)探討。

綜上所述，基于壓縮感知技術(shù)的uCS-Cine 與常規(guī)standard-Cine 在心功能分析以及圖像質(zhì)量主觀評(píng)分方面無(wú)明顯差異，且可以極大地縮短檢查時(shí)間，提高檢查成功率，具有較高的臨床應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與價(jià)值。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。