鐘美夢，曹家駿，安琪，楊超，宋清偉

作者單位：大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，大連 116011

0 前言

磁敏感加權(quán)成像（susceptibility weighted imaging, SWI）是一種利用組織間磁敏感性差異進行成像的技術(shù)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，包括腦血管相關(guān)疾病、創(chuàng)傷性腦損傷、腦腫瘤以及神經(jīng)退行性疾病等[1-3]。通過圖像重建及后處理得到的相位圖含有大量局部不同組織間磁化率差異的信息，有利于腦出血和鈣化的顯示與鑒別[4]。對于右手系統(tǒng)（如聯(lián)影磁共振），靜脈在相位圖上是低信號（因為脫氧血紅蛋白相對于其周圍組織是順磁性的），鈣化在相位圖上是高信號（因為鈣相對于腦組織是反磁性的）[5]。SWI 相位圖上“燕尾征（swallow tail sign, STS）”的缺失被認為是帕金森（Parkinson's disease, PD）患者成像標(biāo)志之一[6]。此外，張聰?shù)萚7]研究表明雙側(cè)海馬和黑質(zhì)的相位值在阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease, AD）組和對照組差異有統(tǒng)計學(xué)意義。由此可見，SWI 相位圖不僅對于核團的顯示比較清晰，還可以對核團的相位值進行定量測量。然而，SWI 為3D 梯度回波成像，采集時間比較長，且易受運動偽影干擾導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。K 空間欠采樣是目前縮短MRI掃描時間的主要方法，包括半傅立葉（Half Fourier, HF）成像，并行成像（parallel imaging, PI）和 壓 縮 感 知（compressed sensing,CS）等，但過高的加速因子（acceleration factor,AF），不可避免會帶來圖像質(zhì)量的下降[8]。

PI是臨床常用的加速技術(shù)，該技術(shù)是使用多通道相控陣線圈并行采集，并通過減少K空間相位編碼線密集度的方法，實現(xiàn)磁共振圖像的快速采集[9]。一些研究表明其縮短SWI掃描時間的同時會增加圖像的噪聲以及降低組織對比度[10-11]。人工智能輔助壓縮感知（artificial intelligence assisted compressed sensing, ACS）技術(shù)集合了HF、CS 和PI 等技術(shù)，將深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能（artificial intelligence, AI）模塊引入到CS 框架的迭代重建過程中，AI 智能模塊使用數(shù)百萬個全采樣數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，以抑制傳統(tǒng)加速方法在高AF 下形成的各種重建偽影，在保證圖像質(zhì)量的同時能顯著縮短掃描時間[12-13]。本研究將應(yīng)用不同ACS AF 的SWI 圖像與常規(guī)PI 技術(shù)進行對比，觀察AF 對采集時間、圖像質(zhì)量及腦灰質(zhì)核團相位值（phase value, PV）的影響，旨在滿足臨床診斷及PV 精確測量的前提下，篩選出最佳的ACS AF。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經(jīng)大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)（批準(zhǔn)號：PJ-KS-KY-2022-274），受試者均簽署知情同意書。于2023 年3 月至5 月在大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院前瞻性招募24 名健康志愿者，男5 名，女19 名，年齡23～30（24.79±1.79）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）無腦部疾病史和手術(shù)史；（2）年齡大于18 周歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）有MRI檢查禁忌證；（2）嚴(yán)重酒精依賴及精神活性物質(zhì)濫用；（3）圖像質(zhì)量不佳，存在不可去除的偽影。

1.2 儀器和方法

采用聯(lián)影UIH uMR Omega 3.0 T 磁共振掃描儀（上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，中國），32通道頭部線圈，結(jié)合PI 技術(shù)（AF 為2.2）及不同AF（3、4、5）的ACS技術(shù)行顱腦軸位SWI 掃描。PI 2.2、ACS 3、ACS 4、ACS 5對應(yīng)掃描時間分別為208、101、80、70 s。掃描參數(shù)：視野230 mm×200 mm，體素大小0.72 mm×0.72 mm×2.2 mm，層數(shù)56，TR 21.8 ms，TE 14.8 ms，激勵次數(shù)1。

1.3 圖像質(zhì)量分析

1.3.1 圖像主觀評價

由2 名具有五年以上頭部影像學(xué)診斷經(jīng)驗的副主任醫(yī)師采用雙盲法對SWI 相位圖質(zhì)量進行主觀評分，觀察PUT 和GP 之間的分界線以及核團解剖結(jié)構(gòu)是否清晰：1 分，各核團解剖結(jié)構(gòu)顯示不佳、邊界模糊；2 分，各核團解剖結(jié)構(gòu)顯示較好、邊界較為清晰；3分，各核團解剖結(jié)構(gòu)顯示清晰、邊界清晰。

1.3.2 圖像客觀評價

采用醫(yī)學(xué)影像處理軟件（uWS-MR，上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，中國）進行圖像后處理。在SWI相位圖上于雙側(cè)尾狀核頭（head of caudate nucleus, HCN）、殼核（putamen, PUT）、蒼白球（globus pallidus, GP）、紅核（red nucleus, RN）、黑質(zhì)（substantia nigra,SN）、齒狀核（dentate nucleus, DN）的邊緣手動勾畫感興趣區(qū)（region of interest, ROI）（圖1）。以各層面內(nèi)核團PV 的平均值作為信號強度（signal intensity, SI），HCN、PUT 和GP 周圍的額葉白質(zhì)（層面一）、RN 和SN 周圍的中腦（層面二）以及雙側(cè)DN 周圍的小腦（層面三）標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation,SD）作為該層面的背景噪聲。三個層面的背景ROI大 小 分 別 為30.5、9.8 和40.3 mm2。每 個ROI 連 續(xù)測量三次取平均值，并計算各層面信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和 對 比 噪 聲 比（contrast-to-noise ratio, CNR），見公式（1）～（2）。

圖1 女，25 歲，ROI 放 置 示 意 圖。1A：于層面一勾畫HCN（橙色）、PUT（綠色）和 GP（黃色）；1B：于層面二勾畫RN（紅色）、SN（藍色）；1C：于層面三勾畫DN（紫色）。NCN：尾狀核頭；PUT：殼核；GP：蒼白球；RN：紅核；SN：黑質(zhì)；DN：齒狀核。Fig.1 Female, 25 years old, the picture shows a schematic diagram of ROI placement.1A: Outlined HCN(orange), PUT (green) and GP (yellow)on layer 1; 1B: Outlined RN (red) and SN (blue) on layer 2; 1C: Outlined DN(purple) on layer 3.HCN: head of caudate nucleus; PUT: putamen; GP: globus pallidus; RN: red nucleus; SN: substantia nigra; DN: dentate nucleus.

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示符合正態(tài)分布的計量資料，以中位數(shù)（上下四分位數(shù)）表示不符合者。采用Cohen's Kappa檢驗評價觀察者間對圖像主觀評價結(jié)果的一致性，Kappa 值≤0.4 為一致性差，0.4＜Kappa 值≤0.6 為一致性一般，0.6＜Kappa 值≤0.8 為一致性較好，Kappa 值＞0.8 為一致性極好。采用Fisher 精確概率法分析PI 2.2 與其他條件下主觀評分的差異?？陀^評價結(jié)果的組間比較采用單因素方差分析（兩兩比較采用LSD-t法），P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 主觀評價

ACS 4和ACS 5的主觀評分均低于PI 2.2（P均＜0.001），ACS 3和PI 2.2的主觀評分差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（表1）。兩位觀察者對圖像質(zhì)量的主觀評價一致性較好（Kappa值：0.704～0.864，P均＜0.001），隨AF增加，PUT和GP之間的界限（圖2）及各核團解剖結(jié)構(gòu)（圖3）逐漸模糊。

表1 主觀評價結(jié)果比較和觀察者間一致性分析結(jié)果Tab.1 Comparison of subjective evaluation results and inter-observer consistency analysis results

圖2 女，25歲，主觀評分標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)圖像。2A：PI 2.2的SWI相位圖，主觀評分為3分；2B：ACS 3的SWI相位圖，主觀評分為3分；2C：ACS 4的SWI相位圖，主觀評分為2分；2D：ACS 5的SWI相位圖，主觀評分為1分。SWI：磁敏感加權(quán)成像；PI：并行成像；ACS：人工智能輔助壓縮感知。Fig.2 Female, 25 years old, the subjective scoring criteria correspond to the image.2A: The SWI phase image of PI 2.2 and the subjective scores is 3; 2B: The SWI phase image of ACS 3 and the subjective scores is 3; 2C: The SWI phase image of ACS 4 and the subjective scores is 2; 2D: The SWI phase image of ACS 5 and the subjectives scores is 1.SWI: susceptibility weighted imaging; PI: parallel imaging; ACS: artificial intelligence assisted compressed sensing.

圖3 女，25 歲，主觀評分標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)圖像。3A～3D：分別為PI 2.2、ACS 3、ACS 4、ACS 5 的SWI 相位圖（層面一），主觀評分分別為3、3、2、1 分；3E～3H：分別為PI 2.2、ACS 3、ACS 4、ACS 5的SWI相位圖（層面二），主觀評分分別為3、3、2、1分；3I～3L：分別為PI 2.2、ACS 3、ACS 4、ACS 5的SWI相位圖（層面三），主觀評分分別為3、3、2、1分。SWI：磁敏感加權(quán)成像；PI：并行成像；ACS：人工智能輔助壓縮感知。層面一指雙側(cè)尾狀核頭、殼核和蒼白球周圍的額葉白質(zhì)，層面二指紅核和黑質(zhì)周圍的中腦，層面三指雙側(cè)齒狀核周圍的小腦。Fig.3 Female, 25 years old, the subjective scoring criteria correspond to the image.3A-3D: The SWI phase image of PI 2.2, ACS 3, ACS 4, ACS 5 ( layer 1), with the subjective scores is 3, 3, 2, 1, respectively; 3E-3H: The SWI phase image of PI 2.2, ACS 3, ACS 4, ACS 5 (layer 2), with the subjective scores is 3, 3, 2, 1,respectively; 3I-3L: The SWI phase image of PI 2.2, ACS 3, ACS 4, ACS 5 ( layer 3), with the subjective scores is 3, 3, 2, 1, respectively.SWI: susceptibility weighted imaging; PI: parallel imaging; ACS: artificial intelligence assisted compressed sensing.The layer 1 refers to the frontal white matter around the head of caudate nucleus, putamen, and globus pallidus; the layer 2 refers to the midbrain around the red nucleus and substantia nigra; the layer 3 refers to the cerebellum around the dentate nucleus.

2.2 客觀評價

四組圖像于不同層面的SNR 和CNR 差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P均＜0.05）。兩兩比較結(jié)果：ACS 4 和ACS 5 的SNR 和CNR 均高于PI 2.2，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；ACS 3與PI 2.2的SNR和CNR差異無統(tǒng)計意義（P＞0.05）（表2、圖4）。與PI 2.2 相比，左側(cè)PUT、雙側(cè)RN和雙側(cè)SN的PV在ACS 4和ACS 5差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P均＜0.001），而右側(cè)PUT 的PV 于ACS 5差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），其余核團于各AF下的PV測值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P均＞0.05）（表3）。

表2 不同AF間SNR和CNR差異性檢驗Tab.2 Test of variability of SNR and CNR among different AF

表3 不同AF間各核團PV差異Tab.3 Differences in the PV values of each nuclei among different AF conditions

圖4 SWI 相位圖不同AF 客觀評價的兩兩比較。SWI：磁敏感加權(quán)成像；AF：加速因子；PI：并行成像；ACS：人工智能輔助壓縮感知；SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。Fig.4 The pairwise comparison of different AF objective evaluation of each SWI phase image.SWI: susceptibility weighted imaging; AF: acceleration factor; PI: parallel imaging; ACS: artificial intelligence assisted compressed sensing; SNR: signal-to-noise ratio; CNR: contrast-to-noise ratio.

3 討論

本研究將不同AF的ACS應(yīng)用于頭部SWI序列，將其與傳統(tǒng)PI 技術(shù)對比并進行了AF 的優(yōu)化，結(jié)果表明當(dāng)AF為3時，SWI相位圖的SNR、CNR、主觀評分及各核團PV 與傳統(tǒng)基于PI 的SWI 相位圖差異無統(tǒng)計學(xué)意義，掃描時間縮短了51%。此外，ACS 4 和ACS 5 的SNR 和CNR 均高于PI 2.2，但主觀評分卻低于PI 2.2。隨著AF的增大，核團的解剖結(jié)構(gòu)及邊界逐漸模糊，并且雙側(cè)PUT、RN 和SN 的PV 與PI 2.2 相比出現(xiàn)差異。由于PD 和AD 患者的年齡普遍較大及疾病癥狀的特殊性，SWI 較長的掃描時間會使這類患者依從性降低，進而影響圖像質(zhì)量。目前未發(fā)現(xiàn)將ACS技術(shù)應(yīng)用到SWI 的研究，故縮短SWI 掃描時間不僅可以提高檢查成功率，還可提高設(shè)備的社會經(jīng)濟效益，具有較好的臨床應(yīng)用前景。

3.1 與既往頭部SWI加速成像技術(shù)相關(guān)研究比較

PI 和CS 技術(shù)雖能有效加快頭部SWI 掃描速度，但其原理均是通過K空間的欠采樣來縮短掃描時間，因此不可避免地出現(xiàn)圖像質(zhì)量下降的現(xiàn)象。ACS 技術(shù)結(jié)合HF、PI和CS，創(chuàng)新性地將深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為AI模塊引入重建過程，在抑制噪聲、減少偽影和檢測病變等方面具有優(yōu)勢[12]。CONKLIN等[10]的研究表明PI 可以在縮短掃描時間的同時提供與標(biāo)準(zhǔn)SWI 相似的圖像質(zhì)量，但增加了圖像噪聲。LUPO 等[11]發(fā)現(xiàn)與完整重建數(shù)據(jù)集相比，PI 會導(dǎo)致小血管對比度下降。本研究的定量評估結(jié)果顯示在相同分辨率下，使用ACS 的序列掃描時間明顯短于PI，并且圖像的SNR 和CNR值不但沒有下降，甚至更高，這表明ACS即使在高AF 下也具有保持圖像質(zhì)量的能力。楊婧等[14]采用CS技術(shù)對SWI 進行了加速采集，發(fā)現(xiàn)在AF 為2時對圖像質(zhì)量無明顯影響，但對幕下核團（如SN 和DN）的PV產(chǎn)生影響，而本研究發(fā)現(xiàn)在ACS 3仍對圖像質(zhì)量及PV無明顯影響。分析其原因可能是ACS 超快速成像凍結(jié)了部分運動偽影，并且基于深度學(xué)習(xí)重建算法有助于去除噪聲和截斷偽影，從而確保高質(zhì)量的圖像質(zhì)量[15-17]。

3.2 與現(xiàn)有ACS技術(shù)相關(guān)研究比較

LIU 等[18]將ACS 應(yīng)用于腦部疾病導(dǎo)致不自主頭動患者的T2WI 液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（fluid attenuated inversion recovery, FLAIR）序列，與傳統(tǒng)的PI-FLAIR相比，圖像采集時間更短且圖像質(zhì)量更高。WANG等[19]的研究證明，與傳統(tǒng)的PI 相比，新穎的ACS 方案在膝關(guān)節(jié)成像中表現(xiàn)出更好的圖像質(zhì)量，并且可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)異常的等效檢測，同時將采集時間縮短一半。既往ACS 相關(guān)MRI 研究主要針對PI 和ACS 的對比分析，而本研究對不同AF值進行了細致比較，發(fā)現(xiàn)ACS 3與PI 2.2的主客觀評分及PV值均無明顯差異。SUI等[20]發(fā)現(xiàn)ACS加速序列不僅可實現(xiàn)更快的腰椎成像，而且具有與常規(guī)2D 序列相似的成像質(zhì)量。嚴(yán)祥虎等[21]將ACS 技術(shù)應(yīng)用于心臟T2WI 黑血成像序列，相較于常規(guī)T2WI黑血序列，其可以在不明顯增加掃描時間的情況下將空間分辨率提高了一倍，從而有利于心肌水腫的檢出。此外，利用ACS技術(shù)還能顯著縮短心力衰竭患者的單次屏氣時間[22]以及肝臟T2WI單次屏氣所需時間[23-25]，從而有效避免呼吸偽影對圖像質(zhì)量的影響。一些研究還將ACS 技術(shù)應(yīng)用于腎臟、子宮和直腸等部位的磁共振成像中，在縮短掃描時間的同時還可以保持甚至改善圖像質(zhì)量[26-28]。上述研究成果表明將ACS 技術(shù)應(yīng)用于全身各部位的掃描具有良好的可行性。與既往研究不同，本研究發(fā)現(xiàn)雖然ACS 在一定程度上增加了SWI 相位圖的SNR和CNR，但隨著AF 的增加，核團解剖結(jié)構(gòu)和邊界逐漸模糊，并且部分核團的PV 會發(fā)生改變。這意味著即使ACS具有降噪以減少偽影的特征，但一些固有的偽影可能仍然沒有被消除（如SWI 中的磁敏感偽影[29-30]和暈染效應(yīng)[31]）。與PI 方法不同，當(dāng)使用來自深度學(xué)習(xí)方法的ACS時存在一些潛在風(fēng)險，其高精度在很大程度上取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的大小和種類。雖然目前的深度學(xué)習(xí)算法已經(jīng)顯示出準(zhǔn)確的重建結(jié)果，但結(jié)果仍然缺乏穩(wěn)定性。不穩(wěn)定性問題主要包括以下幾個方面：（1）某些小噪聲擾動的不穩(wěn)定性；（2）組織變化的不穩(wěn)定性；（3）樣本量差異的不穩(wěn)定性[32]。

3.3 局限性及展望

本研究的主要局限性：（1）樣本量較少，且均為健康志愿者，穩(wěn)定性和臨床適用性有待驗證，后續(xù)需要納入中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者進一步深入觀察；（2）由于某些核團比較?。ㄈ鏡N、SN）或形狀不規(guī)則（如DN），ROI 勾畫比較困難，可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏倚。為了進一步將SWI應(yīng)用于身體的其他器官，例如肝臟和腎臟，主要挑戰(zhàn)之一是處理運動偽影[33-34]，特別是當(dāng)需要相對較高的成像分辨率時，ACS 等快速成像技術(shù)是解決此問題的關(guān)鍵[35]。這些加速技術(shù)可能在SWI 的未來應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，并有望應(yīng)用于SWI的腹部成像。

4 結(jié)論

綜上所述，利用ACS技術(shù)可在保證成像質(zhì)量且不影響PV 結(jié)果的前提下縮短SWI 掃描時間，ACS 3 為最佳AF，較常規(guī)PI 掃描縮短51%的掃描時間，為顱腦常規(guī)SWI 檢查中ACS AF 的選擇提供一定的參考，具有良好的臨床應(yīng)用前景。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：宋清偉設(shè)計本研究的方案，對稿件的重要內(nèi)容進行了修改；鐘美夢起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；曹家駿、安琪、楊超獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)，對稿件的重要內(nèi)容進行了修改；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠信。