高場磁共振全身擴散成像圖像質(zhì)量評估與優(yōu)化研究

金偉，陳宏偉，陳靜雯

無錫市人民醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程處；b.醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 無錫 214023

0 前言

背景抑制磁共振擴散成像技術(shù)（diffusion weighted imaging with background body signal suppression , DWIBS）是體部磁共振擴散加權(quán)成像一種新的技術(shù)，它可以在自由呼吸狀態(tài)下完成大范圍(胸部、腹部及盆腔)、薄層掃描，經(jīng)最大密度投影重建（MIP）得到高信噪比、高分辨率的圖像；通過背景抑制及黑白翻轉(zhuǎn)技術(shù)，對病變的顯示達(dá)到同PET相媲美的效果，直觀、立體地顯示病變部位、形態(tài)、大小及范圍，并可行ADC值和體積的定量測量[1]。Komori和Mürtz[2]等人在全身磁共振彌散加權(quán)成像（DWI）技術(shù)與PET的對比研究中發(fā)現(xiàn)，全身DWI技術(shù)與PET技術(shù)對腫瘤的檢出率相當(dāng)，這為全身DWI技術(shù)開辟了新的領(lǐng)域，拓展了其臨床應(yīng)用范圍。但就目前而言，全身DWI技術(shù)還處于臨床初步研究階段，文獻(xiàn)報道較少，且各家采用的磁共振設(shè)備、場強強度、DWI成像參數(shù)等不同，導(dǎo)致了實質(zhì)臟器表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient, ADC）值量化標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，在全身DWI成像參數(shù)的選擇、病變的良惡性評價、血液系統(tǒng)腫瘤骨髓的DWI表現(xiàn)等方面仍有很多值得探討的問題。本文的目的是探討3.0T磁共振上此項技術(shù)在全身應(yīng)用的可行性，以及圖像質(zhì)量的控制和優(yōu)化。

1 材料和方法

1.1 臨床資料

正常對照組：共15例，年齡21~66歲，平均36.5歲，其中，男10例，女5例。病變組：共21例，年齡27~79歲，平均54歲，男15例，女6例。其中，食道癌2例；胃癌2例；肝轉(zhuǎn)移瘤5例(胃癌3例、膽囊癌1例、淋巴瘤1例)；肝癌6例；肺癌3例；轉(zhuǎn)移性低分化腺癌1例；賁門癌1例；膽囊癌1例。

1.2. 檢查方法

1.2.1 設(shè)備

使用Sienens Tiro A Tim 3.0T超導(dǎo)型磁共振掃描儀及配備的相應(yīng)軟件（單梯度系統(tǒng)：最大單軸梯度場強是45mT/T，最大單軸切換率200 T/ms），分別使用體線圈和18通道體部相控陣表面線圈。

1.2.2 掃描技術(shù)

所有檢查均采用并行采集技術(shù)（GRRAPA）?；颊呷⊙雠P位，雙手平放。每例均常規(guī)行腹部橫斷面T1WI和T2WI，冠狀面T2WI以及橫斷面DWIBS。

（1）常規(guī) MRI。T1WI：TR/TE（206ms/2.45ms）；T2WI：TR/TE（2000 ms /102ms），層厚5mm，層間距1mm；FOV為380mm，矩陣256×256。

（2）DWIBS。DWI序列均分別使用STIR-EPI與SPAIREPI技 術(shù)。STIR-EPI：TR/TE(8500ms/67ms)， 層 厚 5mm， 層間 距 0mm；STIR：T1=250ms，TR/時 間（8500ms/3.85min）；SPAIR-EPI：TI/ TR（75 ms/242 ms），TR/時間（10100ms/ 4.23min）。GRRAPA加速因子2~3.5，平均次數(shù)為4，EPI因子=128，b=800s/mm2。根據(jù)患者身高分為4~5段掃描，每段采集40層；矩陣=190×256，每段掃描時間為3~5min。MPR及3D MIP重建圖像后黑白翻轉(zhuǎn)技術(shù)顯示。

1.3 圖像質(zhì)量評價

如果圖像出現(xiàn)了嚴(yán)重的扭曲、變形、缺失，正常組織不能辨認(rèn)等，則認(rèn)為掃描失敗，否則認(rèn)為圖像是可讀的。對于可讀的圖像，將軸位圖像采用Composing 軟件技術(shù)連接，然后進(jìn)行三維重建得到大范圍MIP圖像。

1.3.1 圖像質(zhì)量的評價

圖像質(zhì)量評價由2位醫(yī)師一起對圖像質(zhì)量進(jìn)行評估，分為好；中、可、差4個等級。好：偽影較輕，病灶清楚顯示；中：偽影較重，病灶未被遮蓋，可進(jìn)行信號值測量；可，偽影較重，信號衰減明顯，部分臟器或病灶可進(jìn)行信號值測量；差：偽影嚴(yán)重，遮蓋病灶，無法進(jìn)行信號測量。

1.3.2 圖像定量評價

分別用表觀擴散系數(shù)ADC值、信噪比（signal-noise ratio , SNR)、表觀對比度噪聲比（apparent contrast-to noise ratio, AppCNR）3個指標(biāo)，來比較與評價不同參數(shù)的圖像質(zhì)量及組間差異。

（1）應(yīng)用軟件測量軸位圖像上部分有代表性的正常組織的ADC 值。

（2）SNR量化標(biāo)準(zhǔn)。0分：SNR<5；1分：5 50。

（3）AppCNR = (SI1-SI2)/SD2，其中SI1、SI2分別為病灶及病灶相同層面腹壁肌肉的信號強度，SD2為腹壁肌肉的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

利用Microsoft Excel建立數(shù)據(jù)庫，用SPSS 11.5軟件包進(jìn)行統(tǒng)計分析；計量資料以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；對不同處理組間進(jìn)行隨機區(qū)組方差分析或配對t檢驗；以P<0.05作為有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 使用STIR-EPI時體線圈與體部表面線圈掃描的比較

表1 STIR-EPI下體線圈/體部表面線圈表觀擴散系數(shù)值A(chǔ)DC

使用STIR-EPI序列時，體線圈與體部表面線圈的ADC值之間有顯著性差異（P=0.000<0.05）。體部表面線圈的SNR、AppCNR均不同程度優(yōu)于體線圈（P=0.000<0.05），原始數(shù)據(jù)見表1~3。通過匯總數(shù)據(jù)見表4，可說明應(yīng)用體部表面線圈掃描技術(shù)可以獲得良好的信噪比以及優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量。

表2 STIR-EPI下體線圈/體部表面線圈信噪比SNR

表3 STIR-EPI下體線圈/體部表面線圈表觀對比度噪聲比AppCNR

表4 STIR-EPI下體線圈/體部表面線圈成像比較

2.2 使用SPAIR-EPI時體線圈與體部表面線圈掃描的比較

使用SPAIR-EPI序列時，體線圈與體部表面線圈的ADC值之間有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.000<0.05）。體部表面線圈的SNR高于體線圈的SNR（P=0.001<0.05）。體部表面線圈的AppCNR明顯高于體線圈圖像（P=0.000<0.05）。說明應(yīng)用體部表面線圈掃描技術(shù)可以獲得良好的信噪比以及優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量，見表5。

表5 SPAIR-EPI下體線圈/體部表面線圈成像比較

2.3 使用體部表面線圈SPAIR-EPI序列與STIR-EPI序列的圖像質(zhì)量比較

在使用體部表面線圈下，同時使用SPAIR-EPI序列與STIR-EPI序列行背景抑制的共20處病灶，其信號-噪聲比（SNR）及表觀對比度噪聲比（AppCNR）比較結(jié)果見表6。由表6可以看出，兩者的ADC值不同（t=-6.982，P<0.05），SPAIR序列上ADC值較大；SPAIR的SNR優(yōu)于STIR（t=-9.442，P<0.05）；但STIR的AppCNR優(yōu)于SPAIR（t=14.550，P<0.05）。

表6 體部表面線圈SPAIR-EPI 序列與STIR-EPI 序列成像比較

2.4 使用體線圈SPAIR-EPI序列與STIR-EPI序列的圖像質(zhì)量比較

表7 體線圈SPAIR-EPI 序列與STIR-EPI 序列成像比較

使用體線圈下，同時使用SPAIR-EPI序列與STIR-EPI序列行背景抑制的共20處病灶，其信號-噪聲比（SNR）及表觀對比度噪聲比（AppCNR）比較結(jié)果見表7。由表7可以同樣看出兩者在ADC值、SNR以及AppCNR的不同與體部表面線圈結(jié)果基本一致。

2.5 MPR及3D MIP成像方法

應(yīng)用自由呼吸，b值800s/mm2，層厚5mm，STIR脂肪抑制以及合適的TR值（6000ms以上)對15位健康志愿者和21例病灶的DWIBS掃描均獲得高質(zhì)量的DWI圖像。MIP圖像評價為“良好”、“一般”及“較差”者，分別為33例、2例及1例，91.7%（33/36）為具有診斷價值的優(yōu)質(zhì)圖像。

3 討論

3.1 全身磁共振擴散加權(quán)成像的技術(shù)要點

全身磁共振擴散加權(quán)成像是新發(fā)展起來的磁共振成像技術(shù)，初步研究結(jié)果認(rèn)為這種成像技術(shù)對于惡性腫瘤的分期有幫助，但大多數(shù)檢查是在1.5T MR上完成的，而在3.0T的超高場磁共振上的研究報告卻很少，主要原因是在3.0T MR上行全身DWI的技術(shù)困難更多。

由于場強越高，磁敏感性越強，化學(xué)位移效應(yīng)越明顯，所以與1.5T MR相比，在3.0T MR上行全身DWI檢查，磁敏感偽影、化學(xué)位移偽影、流動偽影都會嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，尤其在各部位交接或與空氣接觸范圍大的組織，圖像就越容易變形、扭曲，而且全身DWI掃描要求范圍大，壓脂效果好，掃描時間又不能很長，且不能反復(fù)更換不同部位的線圈。

Takahara等[1]開發(fā)了一種新的成像方法（DWIBS）來獲得薄層DWI，使用自由呼吸，可以在稍長的時間內(nèi)提供多層面激勵和信號平均次數(shù)，利用短TI翻轉(zhuǎn)回復(fù)（STIR-EPI）序列能夠有效地抑制脂肪，這提高了全身成像3D重建圖像的質(zhì)量。一般常規(guī)2D圖像用SPAIR進(jìn)行脂肪抑制已足夠，但3D成像時目標(biāo)區(qū)外周殘余的脂肪信號將疊加在軀體的中心部位, 這就可能會使體內(nèi)需要重點觀察的病變區(qū)變得模糊。Takahara等人[1]比較了頸胸部DWI圖像SPAIR-EPI技術(shù)與STIR-EPI技術(shù)的背景抑制效果，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用STIR-EPI的所有病例均獲得“好”的脂肪抑制效果。然而，應(yīng)用SPAIR-EPI技術(shù)檢查的5例患者中，只有1例為“一般”，另外4例為“差”。本研究比較了STIR-EPI和SPAIR-EPI 2種方法的背景抑制效果, 同樣發(fā)現(xiàn)STIR-EPI有較好的背景抑制效果，兩者的圖像對比度相仿，但SPAIR的信噪比高于STIR。

全身DWIBS是一種大范圍成像，目前很多研究大多使用體線圈完成，在3.0T MR掃描儀上使用表面線圈的研究報告很少。本研究采用的是Siemens 3.0T MR掃描儀（Siemens TIM），多相控陣表面線圈和接收通道，并與并行采集技術(shù)相結(jié)合，使得圖像質(zhì)量有較為明顯的改善。通過對使用體線圈與體部表面掃描的圖像質(zhì)量進(jìn)行比較，體部表面線圈的ADC、AppCNR、SNR均優(yōu)于體線圈掃描, 充分保證了全身DWIBS的需要。

文獻(xiàn)報道選用低的b值時，得到的圖像穩(wěn)定性差，易受多種因素的影響[3]。Ichikawa等人[4]認(rèn)為當(dāng)b值較大或b值差大時，ADC值穩(wěn)定性好，且更接近真實擴散系數(shù)。本文的研究未對b值的選擇進(jìn)行探討，一直采用b=800s/mm2作為評價病變掃描的基本參數(shù)，圖像質(zhì)量完全滿足臨床診斷的需要。

3.2 3.0T全身DWI的圖像質(zhì)量分析

3.2.1 表面線圈的優(yōu)勢

以往DWI主要應(yīng)用于局部的檢查診斷中，由于受硬件、軟件與呼吸運動等因素影響，全身DWI圖像質(zhì)量一直是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵[5]。而b值、線圈以及背景抑制等因素的合理選擇對于提高DWI的圖像是極其重要的，其中最關(guān)鍵的是選擇能產(chǎn)生最佳覆蓋和SNR的線圈。體線圈為圓桶狀，用來激勵和接受較大容積組織的MR信號；體線圈最重要的是要求在成像范圍內(nèi)其靈敏度大且均勻一致，如果射頻場強度不均勻，將對圖像質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。表面線圈用于激勵和接受小容積組織內(nèi)部的信號，顯示靠近體表或較小的解剖結(jié)構(gòu)，由圓形或矩型組成，該類線圈在成像野內(nèi)靈敏度不均勻，越靠近線圈靈敏度越高，距線圈越遠(yuǎn)靈敏度度越低，且有效成像范圍通常比體線圈的有效成像范圍小[6]。本研究認(rèn)為，隨著自動移床技術(shù)的發(fā)展，相控陣表面線圈和體線圈一樣都可用于全身擴散成像，線圈不同并不會影響ADC值測量，但是體線圈的SNR低于表面線圈。

3.2.2 圖像的偽影

SPAIR -EPI固有的特點使圖像產(chǎn)生各種各樣的偽影[7]。尤其是在活體成像中，脈搏搏動、微循環(huán)、患者的運動都會導(dǎo)致假象，引起信號明顯衰減和偽影增多。主要包括：運動偽影、化學(xué)位移等，影響圖像的分辨力及病灶的顯示。并行采集是3.0T的最大技術(shù)優(yōu)勢，有很高的臨床價值?？s短采集時間、降低磁敏感性是并行采集成像的優(yōu)勢體現(xiàn)，由于縮短了采集時間從而最大程度地減少了運動偽影，而且患者無需屏氣。又由于降低了磁敏感性，從而有效的降低磁敏感性偽影，在通過選擇脂肪抑制序列降低化學(xué)位移偽影。通過上述方式可提高圖像質(zhì)量[8]。

3.2.3 全身擴散加權(quán)成像的不足

由于體線圈長度的限制和移床的限制，不能無限制地增加掃描長度，F(xiàn)OV 越大，勻場效果越不好。因而，我們采用的FOV為36cm，對于體形較寬的患者不能包括雙上肢；3.0T MRI上勻場的時間相對較長,可能會增加患者接受掃描的整體時間。這些不足，相對軟、硬件的發(fā)展提出了一定的要求，是下一步MRI技術(shù)發(fā)展要克服的問題之一。

總之, 高場強磁共振類成像的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證是一項系統(tǒng)工程，需要醫(yī)生、工程師和技術(shù)員多方面的精心準(zhǔn)備，合理地設(shè)計實驗。設(shè)備的良好狀態(tài)，掃描過程各種細(xì)節(jié)的安排，從線圈的選擇到受試者的擺位，呼吸的訓(xùn)練，序列參數(shù)的優(yōu)化選擇，受試者的配合, 每一環(huán)節(jié)都不容失誤,才能獲得理想的原始數(shù)據(jù)[9]，從而保證MPR及3D MIP圖像的實現(xiàn)。經(jīng)過黑白翻轉(zhuǎn)技術(shù)顯示，達(dá)到與PET類似的效果，而獲得“仿PET”圖像或“類PET”圖像。

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