壓縮感知技術及其在心臟磁共振中的應用進展

李爽，陸敏杰，趙世華

磁共振因其軟組織分辨率高且無輻射等優(yōu)點在心血管疾病中的應用日益廣泛，但由于受到傳統(tǒng)奈奎斯特采樣率及數(shù)據(jù)編碼等因素的限制，使得它的成像速度相比于CT慢很多。為了加快成像速度，可以應用快速成像序列，如回波平面成像(echo planar imaging，EPI)、快速小角度激發(fā)成像(fast low-angle shot，F(xiàn)LASH)、類回波成像(delay alternating with nutation for tailored excitation，DANTE)等，但前提是需要一個較強的梯度場，而場強不能無限制地增強。提高主磁場場強及加快梯度場的切換速度也受到硬件系統(tǒng)及人體安全性的限制，不能滿足心血管系統(tǒng)成像的要求。心律不齊與心功能不全是心血管疾病常見的臨床表現(xiàn)，這類患者行心血管磁共振檢查時易產生嚴重運動偽影而無法獲得具有診斷價值的圖像。另外，嚴重心衰患者常常無法耐受長時間的檢查。因此，上述情況在一定程度上限制了心血管磁共振在心血管疾病中的應用普及。

2006年Candès等[1]系統(tǒng)性地提出了壓縮感知(compressed sensing，CS)理論，這一信息采集與獲取理論利用了信號的稀疏性，運用一定的方法在小于奈奎斯特采樣率條件下采集數(shù)據(jù)，通過優(yōu)質重構算法進行圖像的重建，而不犧牲圖像的空間分辨力。2007年，Lustig等[2]最先將壓縮感知技術運用到磁共振成像中。此后，這項技術引起了研究者和臨床醫(yī)生極大的研究興趣，有望促進心臟磁共振在臨床更廣泛的應用。本文主要介紹壓縮感知技術及其在心臟磁共振領域的應用價值。

1 壓縮感知技術基本原理

傳統(tǒng)磁共振成像采集k空間的信號后通過傅里葉變換獲得圖像數(shù)據(jù)，這需要采集k空間的信號數(shù)等于圖像的像素數(shù)，因此需要花費大量的時間[3]。CS-MRI只利用部分k空間重建圖像，它以信號的稀疏性作為前提，同時進行信號的采樣與壓縮，直接獲取稀疏信號，因此減少了MR成像時間。應用壓縮感知技術有3個條件：信號的稀疏性或稀疏變換(sparsity or transform sparsity)；不相干欠采樣(incoherence sampling)；非線性重建(nonlinear reconstruction)。

壓縮感知技術在心臟灌注成像中的應用包括：(1)稀疏變換：全采樣數(shù)據(jù)通過稀疏變換映射到y(tǒng)-f域中；(2)不相干采樣：通過對k空間原始數(shù)據(jù)進行偽隨機數(shù)亞采樣；(3)非線性重建：對y-f域中的稀疏變換所得結果進行非線性重建。原始圖像數(shù)據(jù)中包含了大量的非有效信息，忽略這部分信息并不會影響圖像的呈現(xiàn)效果。這正是CS-MRI應用的第1個前提條件，即原始圖像是可稀疏的。由于原始圖像中偽影呈現(xiàn)不相干性，因此使用適宜的欠采樣方法可以保留原始圖像的信息。對經過不相干采樣和稀疏變換所得到的數(shù)據(jù)進行非線性重建，最終得到成像效果與使用全部數(shù)據(jù)重建的效果一致。

稀疏變換就是將原始圖像的特征用若干參數(shù)來表示，形成稀疏向量，得到的稀疏矩陣可以利用數(shù)學模型進行圖像的重構。而大部分MRI圖像具有稀疏性，即原始圖像矩陣中有效信息的數(shù)量遠遠大于非有效信息。進行稀疏變換一方面可以將原始數(shù)據(jù)進行無損壓縮，另一方面可以將原始圖像中的有效信息變得更加稀疏，便于后續(xù)的不相干采樣處理。常用的稀疏變換包括離散小波變換、離散余弦變換、快速傅里葉變換、有限差分變換等[4]。不同組織的圖像應用不同的稀疏變換方式，以獲得最優(yōu)的重建效果。Qu等[5]認為單一的稀疏變換不能代表所有類型的圖像特征，限制了重建質量，并提出了新的聯(lián)合稀疏變換方法。

不相干欠采樣是通過設計測量矩陣對變換后的稀疏矩陣進行相位編碼方向的欠采樣，在三維欠采樣的情況下，可以額外設計頻率編碼方向的隨機數(shù)，進而達到更好的不相干采樣效果。笛卡爾采樣是最常見的一種線性欠采樣方法[6]，該方法所獲得的采集數(shù)據(jù)相關性高于其他非線性采集，但重建圖像質量差，偽影多。相比之下，非線性采樣方法所得采集數(shù)據(jù)相關性更低。常見的非線性采集包括螺旋式采集和放射狀采集。

非線性重建是利用合適的算法從欠采樣數(shù)據(jù)中恢復原始稀疏信號的過程。具體的重建算法大致可以分為3類：貪婪算法、凸優(yōu)化算法和組合算法[7]。

2 壓縮感知技術在心臟MRI中的應用進展

對于心臟MRI，Lustig等[8]提出k-t sparse方法將壓縮感知理論融入其中。其后，Usman等[9]又提出了k-t group sparse法，該技術比前者有更高的重建質量及時間分辨率，更適用于心臟成像。

2.1 心臟電影

心功能評估在心血管疾病的診斷及預后判斷中有重要的作用。心臟MR電影是評估心臟功能與左室容積的金標準。它采集單個層面心動周期不同時相的一系列圖像，單個時相獲得的數(shù)據(jù)填充各自的k空間并重建各自的圖像。利用所有時相的圖像組成電影可準確地對心臟整體及室壁節(jié)段進行功能評價。原始數(shù)據(jù)的采集耗時較多，通常每個R-R間期(兩個QRS波中R波之間的時間)采集20～30個時相，增加時相數(shù)可以更好地顯示心臟的運動過程，但增加了掃描時間。CS-MRI可以在縮短掃描時間基礎上獲得理想的空間分辨率。

與其他快速成像技術相比，壓縮感知技術可以在每2次心跳獲得1層圖像，時間并行采集(temporal parallel acquisition techniques，TPAT)約每2.5次心跳獲得一層圖像[10]，如此快速的成像時間對于心律不齊及屏氣功能受損的患者不僅可以減少圖像的偽影，更有利于準確的心功能分析，而且可以極大地減少患者的不適感。Vincenti等[11]比較了CS單次屏氣多層磁共振電影技術與標準多次屏氣技術評估左室容積和功能的效果，結果表明幾乎所有患者(94%)都獲得了理想的圖像質量，只有2名參與者(6%)圖像稍差(偽影超過3層)，但所有參與者都達到了進行分析的標準。對于裝有心臟起搏器的患者也獲得了理想的圖像質量。左室射血分數(shù)及左室容積也有較高的一致性。Kido等[12]比較了自由呼吸CS心臟電影與標準屏氣心臟電影對于左心功能與質量評估，結果顯示CS心臟電影略微低估了左室舒張末期質量(63例患者中標準屏氣心臟電影左室質量中值約83.8 ml，而自由呼吸的CS心臟電影左室質量中值約79.0 ml)，而舒張末期容積沒有明顯差異，推測其原因可能是由于心外膜的描繪不準確造成的。因為CS技術會降低心肌與周圍組織的對比度，欠采樣的方式使邊界不夠敏感。CS技術在評價心功能時，雖然略微低估了左室舒張末期質量，但是仍然在可接受的范圍內，其他心功能指標都與標準心臟電影具有較高的一致性，因此具有很大的臨床應用價值。

2.2 冠狀動脈成像

由于呼吸運動和心臟跳動的影響及較高空間分辨率的要求，傳統(tǒng)的冠脈MRI掃描時間長、運動偽影多。目前控制呼吸運動偽影的方式有屏氣或者呼吸導航。有些心血管疾病患者無法屏氣配合，而非屏氣呼吸導航單支冠狀動脈成像需要6～13 min[13]。單序列長時間掃描的圖像質量受患者的不自主運動的影響較大。Akcakaya等[14]在1.5 T MR對比壓縮感知技術和并行采集技術在亞毫米級(0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm)全心冠脈MRI，發(fā)現(xiàn)壓縮感知技術速度是并行采集成像的6倍，且減少了呼吸與運動偽影。為了更好地發(fā)現(xiàn)冠脈的狹窄，需要較高的空間分辨率。在一組健康受試者的研究中，相同的加速率因子下，CS技術在整體圖像質量及信噪比方面優(yōu)于并行采集成像，好發(fā)病變的血管近段及中段兩者有著相似的圖像質量評分，而血管遠段兩者評分都較低。

2.3 心肌延遲增強

心肌延遲增強(late gadolinium enhancement，LGE)可以判斷心肌的活性，了解心肌缺血的程度及范圍，對于缺血疾病的臨床診治及預后判斷有重要的指導價值。傳統(tǒng)延遲增強常采用T1WI Turble FLASH序列，通過選擇最佳反轉時間使正常心肌呈低信號，異常心肌呈現(xiàn)高信號。完成所需2D圖像的掃描一般要屏氣6～12次，需10～15 min[15]。壓縮感知技術可以應用于心肌延遲增強掃描。Akcakaya等[16]利用LGE聯(lián)合LOST (lowdimensional-structure self-learning and thresholding)壓縮感知技術評估心肌纖維化，發(fā)現(xiàn)左心室和左心房纖維化的評估中所有圖像均獲得了很好的診斷質量評分。分辨率的提高使醫(yī)生在視覺上對梗死周邊區(qū)更敏感，而這是冠心病患者死亡與室性心律失常的預測因子。

2.4 心肌首過灌注

心血管磁共振的心肌首過灌注成像可以了解心肌缺血的情況，對于其檢測和預后有很大的幫助。常用的序列主要包括EPI及快速小角度激發(fā)成像序列(turbo FLASH)等。想要獲得高質量的診斷圖像需要滿足以下條件：成像速度快的脈沖序列；心率要求控制在70次/分以下；呼吸控制以減少運動偽影。對于一部分心血管疾病的患者很難達到上述要求。Otazo等[17]通過結合壓縮感知技術及并行成像技術來提高首過灌注加速率，結果表明其對于呼吸運動偽影不敏感并且相比較于2倍加速的GRAPPA有著相似的時間保真度及圖像質量。

3 壓縮感知技術與并行采集技術

在CS技術出現(xiàn)之前，臨床上多使用并行采集技術。并行采集技術在一定程度上加快掃描速度、抑制運動偽影，但它是以犧牲圖像信噪比或空間分辨力為代價，因此稱不上完美解決方案[18]。對于頻發(fā)早搏或者心律不齊的患者，該技術可以減少心電觸發(fā)的次數(shù)，甚至不采用心電門控技術的高速成像技術(采集的速度也可以達到20～30幀/秒以上)也可初步達到診斷需求[12，19]。除上述優(yōu)勢外，該技術可以與多種脈沖序列結合，已經在心血管系統(tǒng)疾病中得到了廣泛應用。該技術一大劣勢在于加速因子越大，圖像信噪比越低，且容易產生卷褶偽影[20]，難以通過提高加速在一次屏氣的過程中完成圖像質量理想的全心電影掃描。此外，由于該技術需要多個信號采集通道，在硬件系統(tǒng)不支持的情況下很難實現(xiàn)。

壓縮感知技術與其相比，壓縮感知技術在各種心臟磁共振成像中成像速度均具有明顯的優(yōu)勢，對于心律不齊患者可以在有限的時間內進行掃描，也可以減少呼吸及運動偽影，給無法憋氣及無法耐受長時間檢查的患者帶來了福音。在加快成像速度的同時，圖像的質量均達到了診斷要求。

針對各自優(yōu)缺點，通過壓縮感知技術和并行采集技術的聯(lián)合應用可實現(xiàn)高空間分辨率圖像的快速掃描[21]。Feng等[22]提出用屏氣多回波快速自旋回波序列，通過FOCUSS (k-tFOCal underdermined system solver)算法，結合壓縮感知和并行采集技術實現(xiàn)高分辨率(1.7 mm×1.7 mm)心臟T2成像。因此，將兩者結合應用于心臟磁共振或許是未來快速MR發(fā)展趨勢。

4 小結

CS-MRI雖然發(fā)展迅速，各項研究均表明其應用的可行性，但是到目前仍然沒有在臨床進行廣泛的應用。主要原因有以下幾點：CS技術理論系統(tǒng)仍欠完善，合適的稀疏變換方法、恰當?shù)牟蓸臃绞郊爸亟ㄋ惴ㄈ孕柽M一步研究；壓縮感知磁共振相關序列的設計與編程及如何在掃描儀上實現(xiàn)該技術仍是難題；如何與其他成像技術結合也是亟待解決的問題。無論如何，CS-MRI快速成像都能極大地縮短掃描時間，提高了MR檢查的舒適性，減少了運動偽影，如同并行采集技術一樣，必將成為心血管磁共振檢查革命性的新技術。

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