聯(lián)合壓縮感知與并行成像技術(shù)在乳腺M(fèi)RI掃描中的比較研究

吳曉燕，詹松華，龔志剛，黃炎文，王 輝，陸孟瑩

（上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院放射科，上海 200021）

MRI動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描廣泛應(yīng)用于乳腺病變的篩查及診斷中，敏感度90%～100%［1-2］，TIC對(duì)乳腺良惡性鑒別診斷有重要意義［3］，但常規(guī)增強(qiáng)掃描單期成像時(shí)間長，且對(duì)比劑首過期相較快，無法反映病變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)的血供變化。壓縮感知技術(shù)是一種新型信號(hào)采集與獲取理論，利用圖像在特定域上的稀疏性或可壓縮性，通過減少測(cè)量重建所需原始數(shù)據(jù)，在縮短掃描時(shí)間同時(shí)，保證圖像空間分辨力，其在MRI領(lǐng)域的研究已逐漸展開［4］。而聯(lián)合壓縮感知（united compressed sensing，uCS）技術(shù)則在半傅里葉及并行成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合了壓縮感知技術(shù)［5］，在實(shí)現(xiàn)加速掃描的同時(shí)能夠保證圖像質(zhì)量，但目前其在乳腺M(fèi)RI中的研究甚少。因此，筆者對(duì)uCS技術(shù)在乳腺M(fèi)RI中的初步應(yīng)用與傳統(tǒng)并行成像技術(shù)進(jìn)行比較，討論其可行性及效能。

1 資料與方法

1.1 一般資料 搜集2018年12月至2019年1月在我院行乳腺M(fèi)RI動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描的女性患者40例，年齡18～72歲，平均（45.32±9.65）歲。所有患者均無已確診乳腺疾病史，其中12例觸診提示乳腺結(jié)節(jié)，6例乳腺疼痛伴腫塊，4例乳頭溢液，15例乳房脹痛（其中10例超聲提示結(jié)節(jié)），3例常規(guī)體檢。均簽署知情同意書，本研究經(jīng)我院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 儀器與方法 采用聯(lián)影uMR 780 3.0 T MRI儀，4通道乳腺專業(yè)線圈?；颊呷「┡P位，雙側(cè)乳腺自然下垂于線圈中央，分別以并行成像、uCS技術(shù)掃描，掃描范圍均包括雙側(cè)乳腺及腋窩。通過高壓注射器按0.1 mmol/kg體質(zhì)量注入對(duì)比劑Gd-DTPA，流率2.5 mL/s，2組單期掃描時(shí)間均為70 s（參照歐洲乳腺掃描指南［6］），以并行技術(shù)行動(dòng)態(tài)增強(qiáng)5期掃描后，以u(píng)CS技術(shù)行第6期增強(qiáng)掃描。

1.2.1 平掃 于相同掃描參數(shù)下分別行并行成像及uCS抑脂T1WI橫斷位平掃。TR 4.7 ms，TE 2.1 ms，翻轉(zhuǎn)角10°，視野340 mm×340 mm，讀出分辨率400，相位分辨率80%，層厚1.5 mm，層方向插值1.5 mm，帶寬450 Hz，回波數(shù)1，相位編碼R→L。

1.2.2 動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描 設(shè)定乳腺單期動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描時(shí)間70 s［6］，掃描范圍相同且固定。并行成像法：TR 4.7 ms，TE 2.1 ms，翻轉(zhuǎn)角10°，視野340 mm×340 mm，讀出分辨率400，相位分辨率80%，層厚1.5 mm，層方向插值1.5 mm，層數(shù)96，帶寬450 Hz，相位編碼R→L。uCS法：TR 4.7 ms，TE 2.0 ms，翻轉(zhuǎn)角10°，視野340 mm×340 mm，讀出分辨率336，相位分辨率100%，層厚1.0 mm，層方向插值1.5 mm，層數(shù)142，帶寬450 Hz，相位編碼R→L。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 分別選取經(jīng)乳頭層面腺體實(shí)質(zhì)區(qū)、空氣背景區(qū)繪制ROI，直徑5 mm，選取雙乳中央?yún)^(qū)腺體實(shí)質(zhì)豐富區(qū)域，避開脂肪組織及血管，取該區(qū)及空氣背景區(qū)信號(hào)強(qiáng)度值，計(jì)算比值，取雙側(cè)均值作為該ROI的SNR。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 20.0軟件行統(tǒng)計(jì)分析。采用配對(duì)t檢驗(yàn)分別比較同一患者平掃時(shí)并行成像與uCS時(shí)的掃描時(shí)間、SNR，以及動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描第5期（并行成像組）及第6期（uCS組）SNR，數(shù)據(jù)以表示。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2種技術(shù)掃描時(shí)間、圖像數(shù)量比較 ①平掃：掃描時(shí)間uCS法（42.17±1.03）s，并行成像法（68.45±1.27）s，2組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=5.672，P＜0.05）。②增強(qiáng)掃描：并行成像法獲得圖像數(shù)量為96幅，明顯少于uCS法（142幅）。

2.2 2種技術(shù)SNR比較 ①平掃：并行成像法及uCS法SNR分別為165.19±21.74、178.85±27.62，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.017，P=0.975）（圖1a，1b）。②動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描：第6期uCS法SNR為302.17±28.21，第5期并行成像法為278.24±15.34，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=4.473，P=0.032）（圖1c，1d）。

圖1 女，28歲，左乳腫塊2周圖1a 常規(guī)并行成像技術(shù)T1WI圖像，掃描時(shí)間65 s，SNR 164.52圖1b 同層面聯(lián)合壓縮感知（uCS）技術(shù)T1WI圖像，掃描時(shí)間為42 s，SNR 162.78。左乳中央?yún)^(qū)深部結(jié)節(jié)，2種技術(shù)對(duì)病變邊緣顯示清晰度相似圖1c，1d 分別為同一層面動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描第5期（并行成像技術(shù)）、第6期（uCS技術(shù)）抑脂T1WI圖像，圖1d所示病變邊緣較圖1c清晰（圖1c與圖1d SNR分別為305.82及322.45）

3 討論

MRI在乳腺疾病篩查、診斷中應(yīng)用廣泛，TIC在良惡性病變鑒別診斷中的價(jià)值得到公認(rèn)［2］，但其成像效率低，且患者體位持續(xù)過久，易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影。對(duì)比劑首過期相的快速性使傳統(tǒng)掃描技術(shù)無法全面反映病變?cè)趧?dòng)脈期內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)特征，使TIC獲得定位點(diǎn)數(shù)量有限且反映的血流動(dòng)力學(xué)信息不充分，因此在保證圖像質(zhì)量前提下縮短檢查時(shí)間，具有重要意義。

目前，加速M(fèi)RI圖像獲取主要有2種方法：①提高主磁場(chǎng)、梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度及梯度磁場(chǎng)切換速度；②采用快速掃描序列或數(shù)據(jù)欠采樣，如并行成像技術(shù)利用相控陣線圈敏感度信息，通過去卷褶算法可實(shí)現(xiàn)快速成像［7-8］。

常規(guī)乳腺M(fèi)RI增強(qiáng)掃描采用并行成像技術(shù)，將相控陣線圈敏感度、梯度相位編碼相結(jié)合，增加K空間中采樣距離，減少相位編碼線數(shù)目，實(shí)現(xiàn)快速掃描［9］。但并行成像技術(shù)中反映K空間采樣數(shù)目減少縮減因子R（SENSE因子或增速因子），與所使用線圈的子單元數(shù)及信號(hào)采集通道數(shù)目有關(guān)（即R值不超過線圈子單元數(shù)目），故常用值局限于2～3，且SNR隨著R增加而降低。而局部幾何因子g，代表線圈從卷積影像中分離出單個(gè)像素信息的能力，取決于成像層面、掃描視野、縮減因子及相位編碼方向等因素，且與SNR成反比。故兩者均限制了并行成像技術(shù)加速成像的潛能，且當(dāng)信號(hào)采集頻率小于帶寬2倍及K空間采樣線之間距離小于成像物體時(shí)，易發(fā)生卷積偽影，對(duì)體積較大的乳腺成像效果欠佳。因此，以并行成像技術(shù)行乳腺M(fèi)RI增強(qiáng)掃描時(shí)，需在縮短掃描時(shí)間、保證高空間分辨力之間尋求一定平衡。

uCS僅需Nyquist采樣定理要求數(shù)據(jù)量的30%甚至更少K空間數(shù)據(jù)，即可有效重建圖像［10］，在提高信號(hào)采集速度同時(shí)，降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，但需滿足3個(gè)基本條件［11］：①信號(hào)的稀疏性；②不相干欠采樣；③非線性重建。信號(hào)稀疏度越高，越能準(zhǔn)確重建MRI圖像，而常規(guī)MRI圖像信號(hào)不具備足夠的稀疏度，故需以合適稀疏基對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行稀疏變換，在乳腺動(dòng)態(tài)增強(qiáng)壓縮感知掃描中，TV模型在信號(hào)稀疏性處理上的表現(xiàn)優(yōu)于Wavelet變換、傅里葉變換等，故較常用［12］。在信號(hào)稀疏性得到保證情況下，觀測(cè)矩陣的約束等矩陣性、稀疏變換矩陣的非相干性亦需滿足，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，故壓縮感知通常采用偽隨機(jī)采樣矩陣，如隨機(jī)變密度下采樣矩陣、放射采樣矩陣和二維隨機(jī)采樣矩陣，利用以上K空間采樣模式，能夠在相同測(cè)量數(shù)據(jù)條件下，得到高分辨率的重建圖像，并縮短采樣時(shí)間、減少運(yùn)動(dòng)偽影［13］。經(jīng)典MRI壓縮感知重建算法包括圖像梯度TV正則化、共軛梯度下降、分裂布雷格曼等，而最新的雙樹復(fù)小波變換聯(lián)合有效差分和小波樹稀疏算法，利用小波樹的稀疏性使重建所需信號(hào)進(jìn)一步減少，加快了掃描速度，且雙樹復(fù)小波的應(yīng)用可彌補(bǔ)傳統(tǒng)小波變換導(dǎo)致的平移敏感性、方向選擇性及相位信息缺失等缺點(diǎn)，保證圖像的高分辨率。

本研究采用的uCS掃描技術(shù)是一種基于壓縮感知理論、融合半傅里葉及并行成像技術(shù)的新型技術(shù)，在乳腺M(fèi)RI成像上的應(yīng)用較少。從掃描效率方面比較，以相同平掃參數(shù)行橫斷位抑脂T1WI掃描，uCS法的掃描時(shí)間為（42.17±1.03）s，明顯少于并行成像法（68.45±1.27）s，時(shí)間分辨率顯著提高，而單次掃描獲得的圖像數(shù)量相同，uCS掃描效率提高。而在單期動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描中，當(dāng)掃描時(shí)間均設(shè)定為70 s、掃描范圍固定時(shí)，并行成像法每例掃描圖像為96幅，而uCS法可達(dá)142幅。說明uCS具備更高的掃描效率。圖像SNR比較，橫斷位抑脂T1WI平掃時(shí)，并行成像法及uCS法在相同掃描參數(shù)下，成像質(zhì)量相似，而uCS法時(shí)間分辨力更高。在乳腺背景強(qiáng)化程度較穩(wěn)定的增強(qiáng)掃描晚期，兩者SNR比較，視野、矩陣不變時(shí)，uCS法層厚變薄，致其體素小于并行成像法，即空間分辨力較并行成像法增加，其理論SNR應(yīng)下降，但本研究uCS法SNR卻略增高，這可能與uCS掃描在并行成像序列之后，掃描時(shí)間差異所致局部血流灌注及滲透性差異對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響有關(guān)?？梢姡瑄CS技術(shù)通過縮短掃描時(shí)間，在加速掃描同時(shí)保證圖像的細(xì)節(jié)顯示及SNR，可提供更多影像信息，滿足診斷需求，且在增強(qiáng)掃描晚期該優(yōu)勢(shì)更顯著。

本研究存在的不足：①收集乳腺M(fèi)RI資料時(shí)，未根據(jù)有無病變分組，未研究乳腺病變對(duì)2種掃描技術(shù)SNR值是否會(huì)產(chǎn)生影響。②因uCS序列安排在增強(qiáng)掃描后期，未獲得由uCS技術(shù)所產(chǎn)生的TIC，故擬于后期完善uCS參數(shù)，進(jìn)一步加快掃描速度，繪制具備更多時(shí)間、信號(hào)坐標(biāo)點(diǎn)的TIC，將其診斷效能與常規(guī)并行成像技術(shù)所得TIC進(jìn)行比較，探討uCS技術(shù)的診斷效能。③若單期掃描速度加速至符合藥物代謝動(dòng)力學(xué)灌注分析要求，如何尋求掃描速度與空間分辨率的平衡點(diǎn)，也有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

綜上所述，uCS技術(shù)可通過信號(hào)稀疏化、空間欠采樣結(jié)合新算法加速M(fèi)RI圖像獲取，在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)提高乳腺M(fèi)RI掃描效率，且在增強(qiáng)掃描后期較顯著，應(yīng)用前景廣闊，值得進(jìn)一步探索。