方麗燕 劉虎 喬洪梅 陳園 張靜靜

[摘要]?近年來(lái)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者不斷增多，越來(lái)越多的患者需行磁共振成像（magnetic?resonance?imaging，MRI）檢查以明確診斷。MRI技術(shù)利用自由感應(yīng)衰減信號(hào)或回波信號(hào)獲取多維K空間數(shù)據(jù)，受呼吸運(yùn)動(dòng)、空間分辨率及時(shí)間分辨率的限制，成像速度在MRI技術(shù)中至關(guān)重要。壓縮感知技術(shù)通過(guò)欠采樣K空間方式加快MRI采集參數(shù)的速度，利用MRI圖像的稀疏性減少掃描時(shí)間，提高圖像的空間分辨率和信噪比，從而提供更優(yōu)質(zhì)的圖像。本文就壓縮感知技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病MRI檢查中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

[關(guān)鍵詞]?壓縮感知；磁共振成像；加速因子；中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

[中圖分類號(hào)]?R445.2；R841??????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]?A????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2024.04.027

中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病包括多發(fā)性硬化癥（multiple?sclerosis，MS）、腦腫瘤、腦動(dòng)脈瘤和煙霧病（moyamoya?disease，MMD）等。從解剖學(xué)和生理學(xué)角度看，中樞神經(jīng)系統(tǒng)與其他部位的病變有所不同，中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變的位置與功能障礙關(guān)系密切，同一種病變發(fā)生于不同部位時(shí)的臨床表現(xiàn)和預(yù)后不同、不同性質(zhì)的病變也可能獲得相同的預(yù)后[1]。

磁共振成像（magnetic?resonance?imaging，MRI）是診斷中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的主要影像學(xué)檢查方法之一，是顱內(nèi)疾病診斷的首選影像學(xué)檢查方法。MRI不僅可清晰地顯示解剖結(jié)構(gòu)信息，還可通過(guò)非侵入性操作提供組織的代謝能力和相關(guān)病理學(xué)信息。1999年，Weissleder等[2]研究提出酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射，且可在無(wú)示蹤劑的條件下探測(cè)游離蛋白質(zhì)含量，臨床主要用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷[3]。然而，MRI的掃描時(shí)間受物理（梯度場(chǎng)強(qiáng)、轉(zhuǎn)換速率等）、生理（神經(jīng)刺激等）等方面的限制，檢查時(shí)間通常較長(zhǎng)。MRI也很難對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和對(duì)比劑濃度的快速變化進(jìn)行圖像捕捉，且在數(shù)據(jù)采集期間發(fā)生的任何解剖學(xué)、生理學(xué)及對(duì)比劑濃度的變化都可能導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤。因此，圖像采集質(zhì)量和縮短重建時(shí)間始終是MRI研究的熱點(diǎn)之一。快速小角度激勵(lì)序列、回波平面成像序列等快速成像序列的發(fā)展受硬件及人身安全等方面的限制，無(wú)法滿足躁動(dòng)不安和（或）年齡較小患者的檢查需求，獲得具有診斷價(jià)值的圖像較為困難。以上情況在某種程度上限制MRI技術(shù)的臨床應(yīng)用。壓縮感知（compressed?sensing，CS）技術(shù)是一種新型磁共振加速技術(shù)，于2007年應(yīng)用于臨床診斷[4]。CS技術(shù)采用稀疏數(shù)據(jù)采樣方法，在感知壓縮信號(hào)后，通過(guò)欠采樣和特殊算法對(duì)原始信號(hào)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，可縮短信號(hào)采集時(shí)間。

1??CS技術(shù)的基本原理

如果MRI數(shù)據(jù)表現(xiàn)為噪聲（非相干混疊）且圖像稀疏，可使用非線性重建方法恢復(fù)完整圖像。非線性重建技術(shù)需滿足兩個(gè)條件：變換域中圖像的稀疏度和重建與采集數(shù)據(jù)具有一致性。第一個(gè)條件通過(guò)要求重建圖像是稀疏的（或在變換域中是稀疏的），使得混疊偽影能夠與圖像中的實(shí)際信號(hào)分離；第二個(gè)條件確保重建不會(huì)為使最終圖像稀疏而使用任意數(shù)據(jù)替換實(shí)際采集的數(shù)據(jù)。應(yīng)用CS技術(shù)有3個(gè)條件：信號(hào)具有稀疏性或系數(shù)變換、不相干欠采樣數(shù)據(jù)、非線性重建[5]。CS可通過(guò)僅應(yīng)用空間變換加速靜態(tài)圖像，或在重建加速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)聯(lián)合應(yīng)用并行成像（parallel?imaging，PI）技術(shù)，以進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)縮減因子并提高圖像質(zhì)量[6-7]。

2??CS技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

2.1??MS

MS病變主要累及白質(zhì)，斑塊呈多灶性分布，形狀不規(guī)則但邊界十分清晰。MRI是診斷MS的主要手段。在增強(qiáng)MRI檢查中，病灶的數(shù)量、大小、分布情況及強(qiáng)化程度都隨著時(shí)間和（或）病情的變化而變化。

3D?T1加權(quán)成像（T1?weighted?imaging，T1WI）可較好地評(píng)估腦部結(jié)構(gòu)，定量測(cè)量腦容積，為MS等疾病的診斷提供更多有價(jià)值的信息。與2D加權(quán)成像相比，3D加權(quán)成像的掃描時(shí)間更長(zhǎng)[8]。研究顯示，3D?T1WI可在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)縮短掃描時(shí)間[9-11]。Duan等[9]通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和基于體素的形態(tài)測(cè)量方法確定結(jié)合CS技術(shù)的3D?T1WI快速場(chǎng)回波（turbo?field?echo，TFE）序列的最佳加速因子（accelerated?factor，AF）。應(yīng)用3.0T磁共振掃描儀對(duì)10例MS患者行常規(guī)和結(jié)合CS的3D?T1WI?TFE序列掃描，CS的AF分別取3、4.5和6，并由2名放射科醫(yī)生對(duì)圖像的整體質(zhì)量、信噪比、偽影及病變邊緣或黑白質(zhì)邊緣的銳利度進(jìn)行評(píng)估，再通過(guò)基于體素的分析評(píng)估圖像質(zhì)量、調(diào)查MS患者的萎縮模式。結(jié)果顯示無(wú)加速度的參考序列與CS?AF為3或4.5的圖像質(zhì)量無(wú)顯著差異。當(dāng)AF為3時(shí)，相比其他AF具有更高的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)。通過(guò)基于體素的形態(tài)測(cè)量定量評(píng)估發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)MS患者大腦區(qū)域的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)較高，與正常人相比，MS患者的顳葉和內(nèi)側(cè)扣帶皮層表現(xiàn)出萎縮征象，表明應(yīng)用CS加速序列測(cè)量大腦體積具有可行性，且在當(dāng)前的參數(shù)下，AF為3是加速3D?T1WI?TFE的最佳AF，可減少約65%的掃描時(shí)間，圖像可用于影像學(xué)診斷。

液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（fluid?attenuated?inversion?recovery，F(xiàn)LAIR）序列在MS檢測(cè)中較為關(guān)鍵，其可顯示腦室下、視神經(jīng)及腦室旁的白質(zhì)損傷情況。3D?FLAIR序列可提高M(jìn)S患者腦部病變的檢測(cè)質(zhì)量，但其采集時(shí)間較長(zhǎng)。Toledano-Massiah等[12]將CS技術(shù)應(yīng)用于3D?FLAIR，與常規(guī)序列進(jìn)行比較。應(yīng)用3.0T磁共振掃描儀行常規(guī)和結(jié)合CS的3D?FLAIR序列掃描，采集矢狀位，PI加速度自動(dòng)校準(zhǔn)重建笛卡爾成像因子為2，分別評(píng)估圖像的信噪比、對(duì)比度噪聲比及在腦室周圍、腦旁、幕下及視神經(jīng)區(qū)域可見(jiàn)的MS病灶數(shù)量，測(cè)量每個(gè)序列的白質(zhì)損傷體積。結(jié)果顯示二者的圖像質(zhì)量和檢測(cè)到的MS病灶數(shù)量相似，病灶總數(shù)和腦室周圍及幕下病變幾乎完全一致，周圍及視神經(jīng)病變基本一致；3D?FLAIR序列聯(lián)合CS技術(shù)取AF為1.3時(shí)，可在減少掃描時(shí)間的同時(shí)確保MS斑塊檢測(cè)的診斷性能。

2.2??腦腫瘤

腦腫瘤是除腦血管病以外中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見(jiàn)的疾病。MRI可對(duì)腦腫瘤的形態(tài)、功能及血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。Vranic等[13]將CS技術(shù)應(yīng)用于腦腫瘤患者，比較結(jié)合CS技術(shù)和常規(guī)序列的圖像質(zhì)量。應(yīng)用聯(lián)合CS的3D?T1WI擾相梯度回波（spoiled?gradient?echo，SPGR）序列（AF為1.7）或3D?T2加權(quán)成像（T2?weighted?imaging，T2WI）FLAIR（AF為1.3）序列掃描，結(jié)果顯示其掃描時(shí)間分別縮短35%和25%，且圖像質(zhì)量相當(dāng)。

兒童腦腫瘤的病變類型、部位和分子特征與成人有較大不同[14]。MRI技術(shù)在兒童腦腫瘤的診斷中具有明顯優(yōu)勢(shì)。因兒童的顱腦解剖結(jié)構(gòu)較小，需使用高空間分辨率掃描，但兒童的耐受時(shí)間較短。因此，將CS技術(shù)用于兒童MRI檢查十分必要[15]。Meister等[16]將CS技術(shù)應(yīng)用于腦腫瘤患兒的MRI檢查以比較常規(guī)掃描和結(jié)合CS技術(shù)掃描的圖像質(zhì)量、檢查時(shí)間和能量沉積情況；結(jié)果顯示結(jié)合CS技術(shù)的檢查時(shí)間和能量沉積均顯著低于常規(guī)序列，其可改善圖像質(zhì)量、提高圖像的分辨率和清晰度。

2.3??腦動(dòng)脈瘤

腦動(dòng)脈瘤的MRI表現(xiàn)為邊界清晰的低信號(hào)；若瘤內(nèi)有血栓則表現(xiàn)出不同的磁共振信號(hào)，可通過(guò)信號(hào)特點(diǎn)判斷瘤腔大小、血栓范圍及是否有出血等。腦部3D時(shí)間飛躍法（time?of?flight?magnetic，TOF）磁共振血管成像（magnetic?resonance?angiography，MRA）已應(yīng)用于臨床診斷。研究顯示，血管在3.0T磁共振掃描儀上的顯示較1.5T磁共振掃描儀更佳[17]。Fushimi等[18]將CS聯(lián)合TOF?MRA應(yīng)用于腦動(dòng)脈瘤的評(píng)估中，應(yīng)用3.0T磁共振掃描儀對(duì)動(dòng)脈瘤患者行3D?TOF?MRA掃描，并應(yīng)用NESTA算法優(yōu)化重建參數(shù)，通過(guò)計(jì)算動(dòng)脈瘤邊緣的銳利度評(píng)估CS重建的效果，測(cè)量數(shù)據(jù)包括動(dòng)脈瘤的大小、瘤頸、高度及縱橫比。結(jié)果表明，在CS聯(lián)合3D?TOF?MRA中對(duì)NESTA進(jìn)行優(yōu)化，口徑測(cè)量時(shí)取CS?AF為5，迭代25或30次最佳，采用10次迭代AF為5或8時(shí)可識(shí)別大部分的腦部動(dòng)脈瘤。Lin等[19]將CS技術(shù)應(yīng)用于疑似顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者的3D?TOF?MRA檢查中。應(yīng)用3.0T磁共振掃描儀采集圖像，采用多平面重建和最大強(qiáng)度投影對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，比較運(yùn)用CS技術(shù)和傳統(tǒng)3D?TOF?MRA的圖像質(zhì)量。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)3D?TOF?MRA相比，應(yīng)用CS技術(shù)可獲得更高的圖像質(zhì)量，其具有更好的顱內(nèi)動(dòng)脈疾病和變異診斷性能，縮短掃描時(shí)間。CS?MRA可清晰顯示顱內(nèi)動(dòng)脈結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確診斷顱內(nèi)動(dòng)脈病變和變異。CS技術(shù)還可減少SENSE算法偽影，突出顯示血管內(nèi)的血流信號(hào)，抑制背景信號(hào)。

2.4??MMD

MMD的病理改變包括血管內(nèi)膜增厚和煙霧狀小血管形成。因TOF?MRA的特異性和敏感度高，且安全、無(wú)創(chuàng)，常被作為代替計(jì)算機(jī)體層血管成像或數(shù)字減影血管造影的檢查方案[20-21]。Yamamoto等[22]將CS應(yīng)用于TOF?MRA檢查以評(píng)估MMD的可靠性。CS?TOF的AF取3和5，根據(jù)狹窄、閉塞評(píng)分對(duì)MMD進(jìn)行分級(jí)，并對(duì)煙霧血管的可見(jiàn)性進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)MMD分級(jí)和基底節(jié)區(qū)上煙霧血管的可見(jiàn)性判斷CS?TOF的診斷質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CS?TOF在等效掃描時(shí)間內(nèi)可更好地顯示煙霧血管。煙霧血管的存在和數(shù)量對(duì)MMD的評(píng)估十分重要[23]。研究顯示，CS?MRA的表觀信噪比較PI?MRA高，加速度超過(guò)3倍，這也是應(yīng)用CS技術(shù)可見(jiàn)更多煙霧血管的原因[24]。

3??CS技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用CS和敏感度編碼重建技術(shù)組合采集的圖像中存在偽影，包括拉層狀偽影、條紋線性偽影和星空狀偽影[25]。雖然CS技術(shù)在許多磁共振的臨床應(yīng)用中顯示出較好的前景，但針對(duì)特定部位的加速序列選擇和參數(shù)優(yōu)化具有一定的挑戰(zhàn)性。CS與PI的適當(dāng)組合可進(jìn)一步提高性能，二者的結(jié)合可在保持圖像分辨率的同時(shí)進(jìn)行快速掃描[26]。Feng等[27]應(yīng)用屏氣的多回波快速自旋回波序列，結(jié)合CS和PI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)心臟的高分辨率（1.7mm×1.7mm）T2WI。CS如何與其他技術(shù)相結(jié)合提高成像速度是目前亟待解決的問(wèn)題。

另外，盡管CS已成為美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)許可的一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)，臨床工作人員也一直在評(píng)估CS重建軟件的臨床實(shí)用性及安全性，但目前仍存在一些技術(shù)問(wèn)題，如算法的計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較高，且在高加速下會(huì)影響圖像質(zhì)量等。CS技術(shù)如何在不增加重建算法計(jì)算復(fù)雜性的情況下解決圖像質(zhì)量下降的問(wèn)題，從而使臨床工作流程更加順暢，這將成為CS技術(shù)當(dāng)前面臨的新挑戰(zhàn)。

4??小結(jié)與展望

CS技術(shù)是一項(xiàng)基于數(shù)學(xué)的信號(hào)獲取和處理的快速M(fèi)RI技術(shù)，可能會(huì)產(chǎn)生高度依賴對(duì)象的不可預(yù)測(cè)偽影，從而干擾圖像質(zhì)量。應(yīng)用CS技術(shù)加速M(fèi)RI采集是目前對(duì)成像質(zhì)量影響最小的方式[28]。通過(guò)縮短MRI數(shù)據(jù)采集時(shí)間，可更好地對(duì)配合度較差的患者進(jìn)行檢查，從而擴(kuò)大MRI的臨床應(yīng)用。CS技術(shù)正越來(lái)越多地被用于加速M(fèi)RI圖像的采集，并廣泛應(yīng)用于心臟、腹部、乳腺、甲狀腺及口腔等疾病的診斷中[29-33]。目前臨床通常應(yīng)用較為保守的AF，如何選擇最佳的AF參數(shù)，在不影響診斷效能的基礎(chǔ)上最大限度地縮短掃描時(shí)間極其重要。AF過(guò)低無(wú)法縮短掃描時(shí)間，過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致圖像偽影和模糊。臨床實(shí)踐中應(yīng)權(quán)衡掃描時(shí)間與圖像質(zhì)量之間的平衡。

綜上，MRI檢查越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷，應(yīng)用CS技術(shù)可顯著縮短掃描時(shí)間，選擇合適的AF可獲得清晰的診斷圖像，從而為科研人員和臨床醫(yī)生提供更多有價(jià)值的影像學(xué)信息，在醫(yī)學(xué)磁共振應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

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