李爍，王效春

作者單位：1.山西醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院影像科，太原 030001

0 前言

MRI 是一種強(qiáng)大的非侵入性檢查身體的成像手段，可以有效地提供人體的結(jié)構(gòu)及功能信息[1]。然而，MRI 檢查時(shí)間較長，部分患者難以耐受，容易產(chǎn)生運(yùn)動偽影影響圖像質(zhì)量[2-3]。因此，縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間仍然是MRI 發(fā)展的核心目標(biāo)之一。目前廣泛應(yīng)用的加速采集技術(shù)包括并行采集（parallel imaging,PI）與壓縮感知（compressed sensing, CS），近來還有學(xué)者提出一項(xiàng)新的加速采集技術(shù)，即人工智能CS（artificial intelligence CS, ACS）[4-5]，該技術(shù)是將PI、半傅里葉成像、CS和人工智能網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的一種新型加速成像技術(shù)。CS 是一種通過利用圖像冗余來提高M(jìn)RI 的成像速度的強(qiáng)大方法，其概念最初由DONOHO 等和CANDES 等在2006 年提出，并很快被LUSTIG 等應(yīng)用到MRI[6]。該技術(shù)是基于MRI 圖像的稀疏特性，通過有選擇性地采集k空間內(nèi)少量重要數(shù)據(jù)并通過稀疏重建算法進(jìn)行原始信號的重構(gòu)，可在不犧牲空間分辨率的同時(shí)極大地縮短MRI檢查時(shí)間，保證重建圖像的質(zhì)量[7-8]。

過去基于CS的綜述主要聚焦于對其基本原理的深入探討，而對于其在臨床應(yīng)用方面的綜合分析相對較為有限，然而，隨著CS 的不斷發(fā)展，其在臨床應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用日益顯著，因此，本研究深入綜述了近年來CS 技術(shù)在MRI 臨床實(shí)踐中的應(yīng)用，以彰顯其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的潛在臨床應(yīng)用價(jià)值，為臨床早期快速診斷提供幫助，及時(shí)掌握患者病情，提高患者生存質(zhì)量。

1 CS技術(shù)的基本原理

CS 技術(shù)表明信號在變換域中具有良好的稀疏性或信號本身具有稀疏性等相關(guān)信息，并且如果以不相干方式獲取k 空間樣本，則可以從較少的k 空間樣本中進(jìn)行重構(gòu)，獲得高質(zhì)量的重建圖像[9]。其中，信號稀疏性和不相干性采樣是消除欠采樣后產(chǎn)生的混疊偽影和保證圖像準(zhǔn)確重建的必要條件，而且提高信號的稀疏性不僅可以獲得更高的加速因子，還可以在一定程度上改善重建后的圖像質(zhì)量[10]。

近年來，用于加速M(fèi)RI 掃描的CS 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全身各個系統(tǒng)，例如腦部成像[11]、心臟成像[12-13]、血管成像[14]和骨關(guān)節(jié)成像[15-16]等，在醫(yī)學(xué)MRI 領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)序列，結(jié)合CS 可以在保證圖像質(zhì)量的前提下，有效縮短時(shí)間。

2 CS技術(shù)在MRI中的臨床應(yīng)用

2.1 腦部MRI

CS在腦部MRI中的研究進(jìn)展顯著，已被應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括多發(fā)性硬化癥（multiple sclerosis,MS）、顱內(nèi)動脈瘤和腦腫瘤等[17-19]。腦部MRI 數(shù)據(jù)通常具有高維、大量的特點(diǎn)，而采樣時(shí)間較長，CS通過對腦部信號的稀疏表示和重構(gòu)算法能夠顯著減少采樣點(diǎn)數(shù)和掃描時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速獲取高質(zhì)量的腦部圖像[20]。

各向同性3D T1 加權(quán)渦流場回波成像（T1-weighted turbo field echo, T1W-TFE）是用于腦結(jié)構(gòu)評估的MRI掃描中的重要組成部分，采用了磁化準(zhǔn)備的快速梯度回波序列。與2D 成像相比，3D T1W-TFE 在臨床應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)之一是較長的采集時(shí)間，這不僅對提高放射工作效率產(chǎn)生了不利影響，還導(dǎo)致了MRI的高成本以及潛在的運(yùn)動偽影增加。為了克服這一問題，引入一些加速采集技術(shù)變得至關(guān)重要。DUAN 等[21]的研究選擇了33 例健康者、10 例MS 患者和10 例阿爾茨海默病患者，以研究壓縮敏感編碼（compressed sensing-sensitivity encoding, CS-SENSE）技術(shù)加速的3D T1W-TFE 序列的臨床應(yīng)用價(jià)值，并確定合適的加速因子。研究結(jié)果表明，CS-SENSE加速因子為3是在保持圖像質(zhì)量的前提下加速3D T1W-TFE 的合適參數(shù)，時(shí)間減少了65%。類似地，VRANIC 等[22]、MEISTER 等[19]的研究也指出，相對于3D T2 液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列，具有CS-SENSE的3D T1WI可以在不犧牲圖像質(zhì)量的情況下減少掃描時(shí)間。這些研究表明，CS-SENSE技術(shù)有效縮短了采集時(shí)間，為MRI提供了更高效的成像方式。

在兒科領(lǐng)域，KIM等[23]的研究選擇116例兒童進(jìn)行比較，評估了使用傳統(tǒng)可變翻轉(zhuǎn)角快速自旋回波序列（sampling perfection with application-optimized contrasts using different flip angle evolution, SPACE）與使用CS 加速的3D T2 SPACE序列（CS-SPACE）的圖像質(zhì)量。研究結(jié)果顯示，CS-SPACE 的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和對比度噪聲比（contrast-to-noise ratio, CNR）更高，整體圖像質(zhì)量和灰白質(zhì)分化相當(dāng)，同時(shí)適度縮短了采集時(shí)間并減少了與腦脊液相關(guān)的偽影。這體現(xiàn)了將CS技術(shù)與3D序列結(jié)合能夠提供更清晰、更準(zhǔn)確的圖像質(zhì)量，為兒科臨床提供了更先進(jìn)的成像方案。

綜上所述，CS 技術(shù)在保障圖像質(zhì)量的前提下能夠縮短顱腦3D 結(jié)構(gòu)像的掃描時(shí)間，而這些三維結(jié)構(gòu)像作為臨床最常見的掃描序列，能提供豐富的結(jié)構(gòu)與功能影像信息，CS 技術(shù)在這一領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景，其掃描時(shí)間的縮短和圖像質(zhì)量的提升對臨床工作有積極的意義。

2.2 心臟磁共振成像

心臟磁共振（cardiac magnetic resonance,CMR）成像被認(rèn)為是評估心臟結(jié)構(gòu)和功能的標(biāo)準(zhǔn)方法，可準(zhǔn)確評估心室功能并動態(tài)顯示心室壁運(yùn)動，然而，由于心臟運(yùn)動的快速和復(fù)雜性，需要在短時(shí)間內(nèi)獲得具有高時(shí)間和空間分辨率、不同對比度和/或全心覆蓋的圖像。在心臟MRI領(lǐng)域，CS技術(shù)的研究主要集中在快速成像、心臟結(jié)構(gòu)和功能評估方面[24-25]。通過減少采樣點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)量，CS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對心臟結(jié)構(gòu)和功能的快速、準(zhǔn)確成像，克服了傳統(tǒng)CMR成像中長時(shí)間采集和心臟病患者可能導(dǎo)致的問題[26-27]。ZOU等[28]的研究表明，單次CS加速了兒童患者的CMR成像，即使在自由呼吸和心律失常的條件下，也實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)或更好的成像質(zhì)量。與傳統(tǒng)的屏氣平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動（balanced steady-state free-precession, bSSFP）電影成像相比，單次CS 電影技術(shù)在雙心室功能評估方面展現(xiàn)了良好的一致性。NARESH 等[29]對患者進(jìn)行的比較研究顯示，CS 技術(shù)相較于傳統(tǒng)技術(shù)可以減少50%的屏氣次數(shù)和43%的總掃描時(shí)間，同時(shí)在血液心肌對比度、邊緣清晰度和偽影方面達(dá)到了相似甚至更好的效果。VERMERSCH 等[13]的研究結(jié)果表明，實(shí)時(shí)單次屏氣CS 電影成像不僅將CMR 掃描時(shí)間縮短了近20 倍，還提供了左心室和右心室的可靠測量。CURIONE 等[30]的研究進(jìn)一步驗(yàn)證了CS 心臟電影成像的優(yōu)勢，顯示CS 技術(shù)以更短的采集時(shí)間提供了相當(dāng)?shù)男呐K體積和功能測量，并可能適用于兒童人群。上述研究表明基于CS 的電影成像技術(shù)對比傳統(tǒng)的bSSFP 序列有顯著的優(yōu)勢，包括更高的效率、更好的圖像質(zhì)量和更好的患者體驗(yàn)，這些優(yōu)勢使得CS 技術(shù)成為不同臨床場景下MRI的有力選擇。

綜上，CS 在CMR 成像應(yīng)用研究中擁有巨大潛力，運(yùn)用CS技術(shù)可以避免由于心臟和呼吸運(yùn)動而產(chǎn)生偽影的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會給危重或不合作的患者帶來益處，同時(shí)短時(shí)間掃描還可以減少兒科患者的麻醉時(shí)間，并且能降低鎮(zhèn)靜風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 血管成像

MRI 在顱內(nèi)外血管病變的檢測和監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，尤其在評估管壁和管腔信息方面有助于區(qū)分不同類型的血管病變。顱內(nèi)血管壁MRI 作為數(shù)字減影血管造影的有力輔助手段，可用于區(qū)分顱內(nèi)動脈疾病并辨識有癥狀的非狹窄疾病[31-32]。然而，高分辨率血管壁成像的長時(shí)間采集是日常臨床實(shí)踐中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)，尤其是對于中風(fēng)或短暫性腦缺血發(fā)作后的有癥狀患者，較長的掃描時(shí)間可能導(dǎo)致運(yùn)動相關(guān)偽影的增加，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量[33]。

在相關(guān)研究中，ZHU 等[34]在顱內(nèi)血管疾病評估中采用CS-SPACE 技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了全腦顱內(nèi)血管壁高分辨率、各向同性的成像。與傳統(tǒng)的T1 加權(quán)SPACE相比，CS-SPACE 顯著縮短了掃描時(shí)間，同時(shí)保持了良好的圖像質(zhì)量。在另一項(xiàng)研究中，PATHROSE 等[35]評估了不同加速因子下的高速CS 4D 血流MRI 對主動脈病變患者主動脈血流動力學(xué)和管壁切應(yīng)力的定量評價(jià)。研究結(jié)果表明，在加速因子為5.7、7.7 和10.2 時(shí)，加速的主動脈CS 4D 血流與常規(guī)4D 血流基本一致。盡管存在對各種血流動力學(xué)參數(shù)的系統(tǒng)性低估，但縮短的掃描時(shí)間也有望為CS 4D血流在臨床轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用提供可能性。

綜上所述，CS技術(shù)在血管MRI檢查中通過降低采樣率，有效地縮短了掃描時(shí)間，在減輕患者不適感和運(yùn)動偽影的同時(shí)保持了良好的圖像質(zhì)量。這為心腦血管疾病的早期診斷和治療提供了重要工具，為臨床實(shí)踐帶來了顯著的益處。

2.4 骨關(guān)節(jié)成像

2.4.1 脊柱成像

MRI因其高安全性、無電離輻射、優(yōu)異的軟組織分辨率而廣泛用于脊椎的例行檢查和相關(guān)疾病的診斷，包括椎體退變、椎間盤突出或膨出、骨折、骨髓水腫、腰部軟組織水腫、脊椎血管瘤或腫瘤等[36]。然而，較長的檢查時(shí)間會導(dǎo)致患者不適產(chǎn)生運(yùn)動偽影，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量。近年來，越來越多的研究證實(shí)了CS對脊柱成像的診斷價(jià)值。QIU等[37]對71例患者進(jìn)行了常規(guī)脊柱MRI和CS-MRI檢查，包括2D矢狀位T1WI、冠狀位T2WI和軸位T2WI，比較了總掃描時(shí)間、圖像質(zhì)量和病變診斷的一致性。研究結(jié)果表明，CS-MRI顯著縮短了掃描時(shí)間，同時(shí)保持了與常規(guī)MRI相當(dāng)?shù)某上褓|(zhì)量。

在另一項(xiàng)研究中，GAO 等[6]比較了壓縮傳感快速自旋回波（CS-turbo spin echo, CS-TSE）與傳統(tǒng)敏感編碼成像（sensitivity encoding-turbo spin echo, SENSE-TSE）在腰椎成像中的效果。他們對300 名患者的圖像質(zhì)量的SNR 和CNR 進(jìn)行了客觀評估，并對椎間孔狹窄和神經(jīng)根受壓程度進(jìn)行了主觀評估。結(jié)果表明，兩個序列在敏感性、特異性、陽性預(yù)測值和陰性預(yù)測值方面沒有明顯差異，而CS-TSE掃描時(shí)間減少了3 min 2 s，顯示CS技術(shù)在診斷腰椎和椎間盤疾病方面與傳統(tǒng)序列一樣具有潛力，并且能夠顯著縮短掃描時(shí)間。SUI等[36]對比了ACS序列和常規(guī)2D 序列對腰椎疾病的圖像質(zhì)量和診斷準(zhǔn)確性。相較于常規(guī)2D序列，ACS序列能夠在相似的圖像質(zhì)量下更快地完成腰椎成像，并提供可靠的診斷準(zhǔn)確性。BRATKE 等[38]評估了CS 的不同加速因子對腰椎3D T2 序列圖像質(zhì)量的影響，得出最佳的加速因子為4.5，通過優(yōu)化加速因子，為腰椎MRI提供了更為高效的成像方案，掃描時(shí)間減少了167 s （-39%）。

從目前的研究結(jié)果來看，CS在脊柱MRI檢查中通過縮短掃描時(shí)間、提高患者舒適度、降低運(yùn)動偽影以及保持圖像質(zhì)量等方面帶來了明顯的優(yōu)勢，有助于提升檢查效率和對脊柱病變的準(zhǔn)確診斷能力。

2.4.2 關(guān)節(jié)成像

骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)不適難以全程配合，容易出現(xiàn)運(yùn)動偽影導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降、細(xì)節(jié)顯示不清，因此實(shí)現(xiàn)MRI 快速采集以提高對病變的檢測和評估能力十分必要。

肩部的肩袖撕裂是最常見的損傷，對其進(jìn)行MRI檢查是必要的，肩關(guān)節(jié)MRI 能有效檢測肩袖撕裂、盂唇異常以及其他導(dǎo)致肩痛的因素[39]。OBAMA等[40]的研究比較了采用CS和PI兩種技術(shù)的肩關(guān)節(jié)MRI圖像質(zhì)量、偽影和診斷置信度，結(jié)果顯示CS具有更短的掃描時(shí)間且圖像質(zhì)量相當(dāng)。另外，與SHIRAISHI 等[41]的研究結(jié)果類似，在CS 的基礎(chǔ)上結(jié)合深度學(xué)習(xí)可以進(jìn)一步提高肩部MRI 的圖像質(zhì)量，為快速、高效的臨床診斷提供支持。

膝關(guān)節(jié)MRI作為評估半月板、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨、骨髓和滑膜的成像的金標(biāo)準(zhǔn)，對于月板撕裂、關(guān)鍵韌帶撕裂以及軟骨和骨骼等損傷的準(zhǔn)確檢測至關(guān)重要[42]。WANG 等[15]對130 名患者行ACS 序列與PI 檢查并比較其圖像質(zhì)量和診斷性能，結(jié)果顯示ACS序列在提供更好圖像質(zhì)量的同時(shí)減少了75%的掃描時(shí)間，表現(xiàn)出顯著的臨床優(yōu)勢。另外，具有CS 的3D 各向同性質(zhì)子密度加權(quán)脂肪飽和序列對于膝關(guān)節(jié)進(jìn)行快速、高質(zhì)量的3D 成像具有明顯優(yōu)勢，且可替代傳統(tǒng)的2D 序列，提供更快的圖像采集和微細(xì)結(jié)構(gòu)成像[43]。

踝關(guān)節(jié)扭傷是最常見的運(yùn)動損傷之一，占所有運(yùn)動損傷的10%～15%，為了獲得踝關(guān)節(jié)的序列，需要許多薄片切片，并且需要過度覆蓋踝關(guān)節(jié)以最小化環(huán)繞偽影，這些會導(dǎo)致掃描時(shí)間長[44]。FOREMAN 等[45]的研究顯示，使用ACS 可在不影響圖像質(zhì)量的情況下，將踝關(guān)節(jié)掃描的采集時(shí)間縮短了47%。此外，YI等[44]的研究發(fā)現(xiàn)，加入CS-PI的3D-FSE序列在縮短掃描時(shí)間的同時(shí)，仍提供了可接受的診斷性能，為踝關(guān)節(jié)病變的評估提供了更好的圖像質(zhì)量。

綜上所述，CS 技術(shù)在不同關(guān)節(jié)的MRI 中，通過快速成像減少了患者的運(yùn)動偽影，進(jìn)一步提升了圖像質(zhì)量，為全身各個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和軟組織損傷的快速準(zhǔn)確成像提供了重要支持。

2.5 其他

CS 技術(shù)在多個腫瘤部位，如肝癌、前列腺癌、直腸癌、鼻咽癌、乳腺癌等的應(yīng)用已經(jīng)受到一些關(guān)注?？紤]到這些腫瘤的潛伏期長、危害較大，早期發(fā)現(xiàn)和診斷顯得尤為重要。

肝臟MRI是評估肝臟惡性腫瘤的主要檢查方式，然而，由于組織數(shù)據(jù)采樣和屏氣計(jì)時(shí)的復(fù)雜性，仍然存在獲取足夠圖像質(zhì)量的難題[46]，為解決這一問題，加速采集技術(shù)成為一種關(guān)鍵的手段。SUN 等[47]的研究對比了CS 技術(shù)和PI 技術(shù)在肝癌患者中應(yīng)用的各向同性T1 加權(quán)梯度回波序列的圖像質(zhì)量。結(jié)果顯示，相較于標(biāo)準(zhǔn)PI 序列，CS 在平掃和增強(qiáng)后測量的肝-病變、肝-門靜脈和肝-肝靜脈的相對對比度顯著提高，而整體圖像質(zhì)量并未受到影響。CS 技術(shù)在顯示肝細(xì)胞癌和肝血管方面提供了更好的對比度，為肝臟腫瘤的準(zhǔn)確診斷提供了可靠支持。

前列腺的3D T2WI 采集可以補(bǔ)充傳統(tǒng)的2D T2WI，可以觀察詳細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，但空間分辨率的提高受到掃描時(shí)間延長的限制，CHOI等[48]對179例術(shù)前MRI 檢查后行前列腺活檢的患者行采用CS 的3D T2WI SPACE 序列與常規(guī)T2WI TSE 序列的前列腺癌PI-RADS 分級和病變的前列腺外擴(kuò)展診斷能力進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用CS 的高分辨率3D T2WI SPACE在檢測前列腺癌和評估前列腺外擴(kuò)展方面顯示出與T2 TSE相當(dāng)?shù)脑\斷性能，且大大減少了掃描時(shí)間。

CS 在直腸癌、鼻咽癌、乳腺癌等其他惡性腫瘤中也有相關(guān)報(bào)道。GONG等[49]的研究對42名直腸癌患者應(yīng)用CS-SENSE加速3D T2W TSE序列，與傳統(tǒng)3D和2D序列掃描進(jìn)行比較，結(jié)果顯示CS-SENSE 3D成像不僅可以加速直腸癌的MRI 檢查，且提供了與傳統(tǒng)3D 和2D 圖像相當(dāng)?shù)脑\斷性能。在鼻咽癌方面，LIU 等[50]對66 例鼻咽癌患者行ACS 技術(shù)與PI 技術(shù)檢查，比較分析兩組圖像的SNR、CNR 和掃描持續(xù)時(shí)間，結(jié)果顯示ACS 技術(shù)用于鼻咽癌MRI 檢查不僅縮短了掃描時(shí)間，而且提高了圖像質(zhì)量。而在乳腺癌方面，YANG 等[51]的研究發(fā)現(xiàn)，采用CS 3D T2WI 和ACS 3D T2WI 序列進(jìn)行乳腺M(fèi)RI 檢查，定性和定量分析明顯優(yōu)于常規(guī)T2WI 序列，與傳統(tǒng)T2WI 序列相比，ACS 3D T2WI 序列對病灶的對比度顯著提高。

總而言之，CS 技術(shù)在腫瘤患者影像檢查中的應(yīng)用不僅可以縮短掃描時(shí)間，還能減少由于疼痛、呼吸困難、意識障礙等原因產(chǎn)生的運(yùn)動偽影，在保證圖像質(zhì)量的前提下提高對病變的診斷能力，為早期發(fā)現(xiàn)和診斷腫瘤提供了有力支持。

3 局限性與展望

雖然國內(nèi)外已有CS 在MRI 加速采集中的應(yīng)用研究，但CS 受解剖學(xué)上給定的壓縮、SNR 和對CNR 以及采集和重建策略的組合的影響，仍有一些重要的技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。一是很難預(yù)測要使用的適當(dāng)?shù)募铀傧禂?shù)，因?yàn)樗Q于原始序列及其SNR；二是圖像采集速度的加快將不可避免地影響圖像的質(zhì)量，沒有一個規(guī)則可以確定在不影響圖像質(zhì)量的情況下，采集速度可以加快到什么程度，這一點(diǎn)需要使用經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)進(jìn)行臨床實(shí)施。未來CS這一加速技術(shù)的使用有望轉(zhuǎn)化為常規(guī)的臨床實(shí)踐，將會擴(kuò)展到更多的MRI檢查臨床應(yīng)用中，并且多種加速技術(shù)的組合可以實(shí)現(xiàn)更快成像，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化圖像質(zhì)量。

4 總結(jié)

CS作為一種新興的加速技術(shù)，將其應(yīng)用于MRI中可以加快成像速度，縮短成像時(shí)間，有利于醫(yī)生及時(shí)掌握患者病情，為患者提供更為舒適和高效的臨床體驗(yàn)，同時(shí)可以保證圖像質(zhì)量，有效減少偽影，提高疾病診斷的準(zhǔn)確性。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：王效春擬定本綜述的寫作思路，指導(dǎo)撰寫稿件，并對稿件重要的內(nèi)容進(jìn)行了修改，獲得了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助；李爍起草和撰寫稿件，獲取、分析并解釋本綜述的參考文獻(xiàn)；全體作者都同意最后的修改稿發(fā)表，都同意對本研究的所有方面負(fù)責(zé)，確保本綜述的準(zhǔn)確性和誠信。