磁共振壓縮感知技術(shù)在腫瘤影像檢查中應(yīng)用

郭效賓，柯騰飛，劉一帆，保莎莎，李志林，廖承德

磁共振成像是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的重要組成部分，與其它醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)(X線、超聲、CT和PET等)相比具有組織對(duì)比度好、無(wú)電離輻射、多參數(shù)成像等優(yōu)點(diǎn)，且擁有多種成像技術(shù)，可用于分析人體組織成分、了解血流及代謝情況，在腫瘤的早期診斷、定性和定量分析及療效評(píng)估中具有重要價(jià)值。但MRI檢查時(shí)間較長(zhǎng)，部分患者難以耐受，容易因身體發(fā)生移動(dòng)而產(chǎn)生明顯的運(yùn)動(dòng)偽影；在臨床檢查量日益增長(zhǎng)的情況下，無(wú)論是醫(yī)師還是患者都需要具有創(chuàng)新性的加速成像技術(shù)。2006年Candes等[1]提出了壓縮感知(compressed sensing，CS)理論，構(gòu)建出一種新的磁共振信號(hào)采集和圖像重建方法。CS技術(shù)通過(guò)有選擇性地采集K空間內(nèi)少量重要數(shù)據(jù)，縮短信號(hào)采集時(shí)間，減少計(jì)算量；同時(shí)，采用更新的算法實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的重構(gòu)，保證重建圖像的質(zhì)量[2]。結(jié)合壓縮感知技術(shù)后，可極大地提高大多數(shù)MRI序列的掃描速度，且不犧牲醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量。本文將對(duì)壓縮感知的基本原理及其在腫瘤領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展予以分析和回顧。

壓縮感知技術(shù)的原理及理論

磁共振成像是利用射頻脈沖對(duì)置于靜磁場(chǎng)中的物質(zhì)進(jìn)行激發(fā)、產(chǎn)生氫原子共振，借助接收線圈獲取弛豫信號(hào)；并且通過(guò)梯度磁場(chǎng)對(duì)共振信號(hào)進(jìn)行空間定位編碼，將數(shù)據(jù)填充到K空間并通過(guò)傅里葉變換重建形成磁共振圖像。以往主要借助磁場(chǎng)強(qiáng)度提升和優(yōu)化K空間采集來(lái)提高成像速度。從起初的0.2T到當(dāng)前臨床普遍使用的1.5T和3.0T設(shè)備，過(guò)高場(chǎng)強(qiáng)設(shè)備不僅昂貴且可能會(huì)刺激檢查者的周圍神經(jīng)引起不適，而磁場(chǎng)強(qiáng)度的提升已經(jīng)接近臨床使用的極限?？焖俪上裥蛄型ㄟ^(guò)提高信號(hào)采集的速度來(lái)縮短掃描時(shí)間，但因受到設(shè)備硬件的制約，進(jìn)一步提升的空間十分有限。

傳統(tǒng)MRI過(guò)程中為了保證圖像質(zhì)量信號(hào)采集需符合奈奎斯特采樣率條件，即采樣率至少是信號(hào)最大頻率的兩倍，在通過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換重建圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要K空間的信號(hào)數(shù)等于圖像的像素。這樣的數(shù)字信號(hào)采集不僅耗時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量大、對(duì)存儲(chǔ)要求高，而且會(huì)有大量冗余信號(hào)被丟棄。壓縮感知技術(shù)，可以利用信號(hào)的稀疏特性來(lái)突破奈奎斯特采樣率條件，從隨機(jī)采樣獲取信號(hào)的離散樣本，并用非線性迭代算法重建圖像，磁共振設(shè)備采集的數(shù)據(jù)又天然符合壓縮感知對(duì)數(shù)據(jù)稀疏性的要求[3]，兩者結(jié)合而產(chǎn)生磁共振壓縮感知技術(shù)是從圖像采集與生成途徑入手，利用磁共振信號(hào)的特性，大幅減少需要采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少掃描時(shí)間。2007年Lustig等[3]首次將壓縮感知理論應(yīng)用于磁共振成像，通過(guò)低于奈奎斯特定理的隨機(jī)采樣，重建恢復(fù)出原始信號(hào)，顯著縮短掃描時(shí)間并提高M(jìn)R圖像的分辨率，在仿真測(cè)試中12倍加速度的條件下，仍然可以得到精確的重建圖像。

壓縮感知技術(shù)在腫瘤影像檢查中的應(yīng)用

根據(jù)國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)最新數(shù)據(jù)[4]，肺癌是發(fā)病率(占癌癥總病例數(shù)的11.6%)和致死率(占癌癥總死亡人數(shù)的18.4%)最高的惡性腫瘤，緊隨其后的是乳腺癌(11.6%)、前列腺癌(7.1%)、結(jié)直腸癌(6.1%)、大腸癌(9.2%)、胃癌(8.2%)和肝癌(8.2%)。在乳腺癌、肝癌和前列腺癌的影像診斷中，MRI的敏感性、疾病檢出率及診斷符合率均高于CT[5-7]。但臨床工作中磁共振檢查因掃描時(shí)間長(zhǎng)、易受呼吸心跳等活動(dòng)影響，一定程度上限制了其臨床應(yīng)用。壓縮感知技術(shù)對(duì)MRI的加速效應(yīng)改變了這一狀況，降低了掃描時(shí)間，促進(jìn)了磁共振檢查在腫瘤影像檢查中的應(yīng)用。

1.CS技術(shù)結(jié)合動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI的應(yīng)用

動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像(dynamic contrast-enhanced MRI,DCE-MRI)通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量注射順磁性對(duì)比劑后的信號(hào)強(qiáng)度變化，提供有關(guān)腫瘤灌注及滲透性的關(guān)鍵信息，需要高時(shí)間和空間分辨率才能獲得精確和可重復(fù)的腫瘤灌注數(shù)據(jù)。然而，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法限制了DCE-MRI同時(shí)獲得較高的時(shí)間和空間分辨率。使用壓縮感知技術(shù)后能大幅減少掃描時(shí)間，可在不犧牲空間分辨率的前提下獲得較高時(shí)間分辨率，使DCE-MRI對(duì)腫瘤檢測(cè)更敏感、診斷更明確。目前在乳腺癌、前列腺癌、肝癌及垂體腫瘤中均有基于壓縮感知技術(shù)的DCE-MRI研究報(bào)道[8-11]。

DCE-MRI是乳腺癌重要的檢查技術(shù)，對(duì)小病灶和非鈣化病灶的檢出率優(yōu)于乳腺鉬靶和超聲[12]。MRI對(duì)乳腺良惡性腫瘤的鑒別主要依據(jù)對(duì)病灶形態(tài)學(xué)和動(dòng)態(tài)曲線的評(píng)估，但是傳統(tǒng)的DCE-MRI因時(shí)間分辨率不足，一般無(wú)法區(qū)分乳腺較小的動(dòng)脈和靜脈。在Onishi等[8]對(duì)25例女性乳腺疾病患者的研究中，惡性病灶的動(dòng)脈和靜脈顯影時(shí)間間隔明顯短于良性者，使用基于壓縮感知技術(shù)的快速DCE-MRI能夠單獨(dú)識(shí)別乳腺動(dòng)/靜脈，可以更好的鑒別乳腺良惡性腫瘤。在Benkert等[13]的研究中，對(duì)24例患者進(jìn)行了雙側(cè)乳腺傳統(tǒng)的容積式插入法屏氣檢查(volumetric interpolated breath-hold examination,VIBE)序列和結(jié)合壓縮感知的壓脂快速采集弛豫增強(qiáng)(Dixon rapid acquisition relaxation enhanced,Dixon-RARE)序列掃描，后者比前者的時(shí)間分辨率更高、脂肪抑制改善、總體掃描時(shí)間縮短。Vreemann等的研究中[14]，30例女性在3.0T磁共振成像系統(tǒng)上使用CS-VIBE序列和普通VIBE-Dixon序列進(jìn)行掃描和對(duì)比，結(jié)果顯示基于壓縮感知的VIBE序列可提高圖像的空間分辨率，并有利于生成多平面重建圖像。在對(duì)病變進(jìn)行形態(tài)學(xué)評(píng)估時(shí)，使用壓縮感知序列可得到與普通VIBE-Dixon序列相似的圖像質(zhì)量，但掃描時(shí)間縮短了18倍。

前列腺癌是全球男性發(fā)病率排名第二的惡性腫瘤，傳統(tǒng)診斷途徑包括血清前列腺特異性抗原和超聲引導(dǎo)下前列腺穿刺活檢，但即使穿刺活檢也可能會(huì)漏診約20%的患者，MRI提供了比其他方法更好的成像效果，提供了前列腺癌病灶分期、分級(jí)與精準(zhǔn)定位等準(zhǔn)確信息，其漏診率甚至低于超聲引導(dǎo)的前列腺癌活檢[15]。在Rosenkrantz等[9]的研究中，對(duì)比了20例前列腺癌患者的標(biāo)準(zhǔn)方法和基于壓縮感知的兩種DCE-MRI，后者在圖像質(zhì)量、解剖細(xì)節(jié)的清晰度和病灶的顯著性等方面都比前者得到明顯的改善。Winkel等[16]的研究也證明壓縮感知技術(shù)提高了MR多參數(shù)成像的診斷效能。在壓縮感知技術(shù)的支持下，磁共振前列腺檢查的時(shí)間更短、診斷符合率更高、圖像質(zhì)量更好且解剖細(xì)節(jié)更清晰。

肝癌是全球致死率極高的惡性腫瘤。肝癌的早期發(fā)現(xiàn)、及時(shí)治療可顯著提高患者的生存率，隨著磁共振功能成像技術(shù)的發(fā)展及臨床經(jīng)驗(yàn)的積累，提高了臨床對(duì)早期肝癌的診斷能力。與CT和超聲相比，MRI對(duì)肝癌的定性診斷具有很好的敏感性和特異性[17]。但由于腹部動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描時(shí)間長(zhǎng)、患者不能配合長(zhǎng)時(shí)間閉氣等問(wèn)題，圖像中普遍存在難于克服的運(yùn)動(dòng)偽影。Yoon等[10]將壓縮感知技術(shù)應(yīng)用于肝臟磁共振掃描，收集了51例呼吸衰竭高?；颊叩膱D像，由4位放射科醫(yī)師對(duì)掃描時(shí)間、運(yùn)動(dòng)偽影和圖像質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，與傳統(tǒng)的閉氣法T1WI序列相比，采用CS技術(shù)的自由呼吸序列的平掃、增強(qiáng)后動(dòng)脈期和門靜脈期圖像上運(yùn)動(dòng)偽影較少，圖像質(zhì)量更高。Yoon等[18]對(duì)127例肝臟動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描的回顧性分析認(rèn)為，采用CS技術(shù)可達(dá)到單次屏氣獲得最佳時(shí)間的雙動(dòng)脈期成像，并可減少呼吸運(yùn)動(dòng)偽影。Chandarana等[19]的研究也證明，在自由呼吸期間，可以利用壓縮感知與其他技術(shù)結(jié)合來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)多期肝臟磁共振檢查，可以克服腹部和肝臟常規(guī)DCE-MRI的許多缺點(diǎn)，降低檢查失敗率。Shaikh等[20]認(rèn)為，在常見情況下，呼吸運(yùn)動(dòng)影響了動(dòng)脈多期圖像的獲取，通過(guò)壓縮感知技術(shù)可挽救圖像質(zhì)量、減少運(yùn)動(dòng)偽影，從而降低了檢查失敗的可能性，節(jié)省了醫(yī)療成本，國(guó)內(nèi)學(xué)者劉鍇等[21]的相關(guān)研究也得出了相似結(jié)論。因此，結(jié)合了CS技術(shù)的DCE-MRI序列，可被更廣泛的應(yīng)用于難以制動(dòng)的中老年或體弱患者中。

垂體位于血腦屏障之外，且解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)，動(dòng)態(tài)增強(qiáng)序列可用于發(fā)現(xiàn)垂體微小病灶，被認(rèn)為是檢查垂體病變的金標(biāo)準(zhǔn)，而以往的掃描需150～240s。但借助CS技術(shù)的DCE-MRI掃描序列，可獲得時(shí)間和空間分辨率均較高的垂體圖像，并減低對(duì)運(yùn)動(dòng)和血流的敏感性，改善了脂肪抑制效果[11]。

腫瘤血管生成在實(shí)體腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲和轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵作用，并顯著影響腫瘤的生物學(xué)行為和預(yù)后，腫瘤血管不僅提供腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)運(yùn)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且是腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的通道。因此了解腫瘤內(nèi)部的血供情況對(duì)其診斷及治療都提供極有價(jià)值的信息。已有許多研究者發(fā)現(xiàn)結(jié)合壓縮感知的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)序列可額外獲取灌注參數(shù)。如Chandarana等[22]采用基于壓縮感知的高時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)序列進(jìn)行肝臟掃描，和傳統(tǒng)序列相比，無(wú)需注射額外的對(duì)比劑或增加掃描時(shí)間，即可在獲取高時(shí)間、空間分辨率形態(tài)學(xué)圖像的同時(shí)獲取灌注參數(shù)。這些指標(biāo)對(duì)臨床各期肝硬化的改變尤為敏感，并滿足了在自由呼吸下采集數(shù)據(jù)，為肝臟MR成像提供了一種很有前途的新掃描模式。Chen等[23]對(duì)家兔進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)CS技術(shù)可以提高DCE-MRI的時(shí)間分辨率，在獲得高質(zhì)量圖像的同時(shí)能獲取有效的腎臟灌注數(shù)據(jù)。Parikh等[24]在22例膀胱病變患者中利用CS技術(shù)進(jìn)行磁共振泌尿系水成像和自由呼吸下的多期增強(qiáng)盆腔掃描，通過(guò)利用新型的“自由呼吸連續(xù)徑向采集”和“靈活的壓縮傳感重建”方法，實(shí)現(xiàn)了膀胱癌的高時(shí)間分辨率成像并同時(shí)獲取了灌注參數(shù)。上述結(jié)果表明，結(jié)合壓縮感知技術(shù)不需要額外注射對(duì)比劑或增加掃描時(shí)間，即可同時(shí)完成膀胱腫瘤的形態(tài)學(xué)及灌注成像檢查。

展望未來(lái)會(huì)有更多MRI技術(shù)(MRI獨(dú)有的肺灌注、動(dòng)脈自旋標(biāo)記、肺灌注定量、擴(kuò)散加權(quán)成像技術(shù)等)與壓縮感知技術(shù)結(jié)合，使其應(yīng)用更廣泛，將會(huì)為肺部腫瘤的定性、定量評(píng)價(jià)帶來(lái)新局面。

2.CS技術(shù)結(jié)合MRS的應(yīng)用

磁共振波譜成像(MRS)以無(wú)創(chuàng)的方式測(cè)定活體組織的代謝物濃度，可用于鑒別良惡性腫瘤，為制訂治療方案提供有價(jià)值的信息。在Park等[25]對(duì)荷瘤大鼠MRS檢查，證實(shí)采用CS技術(shù)比以往的三維EPI MRS具有更高的空間分辨率，有助于無(wú)創(chuàng)性預(yù)測(cè)腫瘤的組織類型。

但由于MRS檢查時(shí)間長(zhǎng)，尚未在腫瘤患者中普遍應(yīng)用。Geethanath等[26]回顧性研究了6例健康志愿者、2例腦腫瘤(惡性膠質(zhì)瘤)和2例前列腺癌患者的MRS數(shù)據(jù)，通過(guò)使用壓縮感知技術(shù)，可將采集時(shí)間減少到80%或更多，并且MRS信息的損失可忽略不計(jì)。Hu等[27]通過(guò)物理及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，利用超極化光譜中的稀疏性、結(jié)合壓縮感知技術(shù)，使MRS在保持代謝物峰比準(zhǔn)確性的同時(shí)，提高了信噪比。

3.CS技術(shù)結(jié)合DTI的應(yīng)用

DTI是高危神經(jīng)外科手術(shù)前的核心檢查，是治療前手術(shù)計(jì)劃必備的磁共振檢查序列，但當(dāng)遇到交叉纖維和復(fù)雜的纖維通道時(shí)，這種技術(shù)是有限的。擴(kuò)散譜成像(diffusion spectrum imaging,DSI)是一種能夠分辨交叉光纖的高階擴(kuò)散技術(shù)，這一高階技術(shù)已被證明在腦腫瘤存在的情況下，可改善白質(zhì)纖維束成像的質(zhì)量[28]。但由于DSI序列中需要的梯度方向數(shù)多，數(shù)據(jù)采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易導(dǎo)致患者無(wú)法耐受和檢查失敗。隨著CS技術(shù)的進(jìn)步，有望通過(guò)它來(lái)減少掃描時(shí)間，彌補(bǔ)傳統(tǒng)DSI技術(shù)的缺陷。在Young等[29]對(duì)25例顱內(nèi)腫瘤患者的CS-DSI和DTI對(duì)比研究中，對(duì)患者運(yùn)動(dòng)和語(yǔ)言束的顯示CS-DSI優(yōu)于DTI，支持使用CS-DSI而不是DTI來(lái)評(píng)價(jià)受顱內(nèi)占位影響的白質(zhì)纖維。以上這些結(jié)果提示，CS-DSI能在縮短成像時(shí)間的同時(shí)獲得優(yōu)于DTI的顯示效果，幫助神外科醫(yī)師更好地制定和完成手術(shù)計(jì)劃。

4.CS技術(shù)結(jié)合磁共振肺部快速成像的應(yīng)用

肺癌是全球最常見的惡性腫瘤，目前肺癌篩查多采用X線或CT，但是X線和CT均有電離輻射。根據(jù)Sommer等[30]使用非增強(qiáng)磁共振檢查與低劑量CT進(jìn)行的肺癌癥篩查和干預(yù)試驗(yàn)，MRI由于對(duì)軟組織分辨率較高，對(duì)檢出肺部惡性結(jié)節(jié)比良性結(jié)節(jié)更敏感，可能成為肺癌早期篩查的一種選擇。然而，目前的磁共振肺部掃描多采用長(zhǎng)時(shí)間屏氣的方法減少運(yùn)動(dòng)偽影，但多數(shù)病人難以完美屏氣，使磁共振肺癌篩查遠(yuǎn)未普及。根據(jù)Wang等[31]的研究，利用壓縮感知技術(shù)與現(xiàn)有的并行采集技術(shù)結(jié)合，形成新的肺部快速成像序列，可以比預(yù)期整體成像加速20倍或更高，最終實(shí)現(xiàn)MRI肺癌篩查中的自由呼吸和無(wú)心電門控獲取。這將使無(wú)輻射肺癌篩查成為可能，降低大眾因X線輻射而造成的焦慮。

總結(jié)

腫瘤患者進(jìn)行影像檢查時(shí)，往往因疼痛、屏氣困難、意識(shí)障礙等原因不易保持較長(zhǎng)時(shí)間的靜止?fàn)顟B(tài)，從而產(chǎn)生偽影，降低圖像質(zhì)量。壓縮感知技術(shù)不但能解決這一問(wèn)題，還可提高圖像質(zhì)量和診斷準(zhǔn)確性。對(duì)比以往需要較長(zhǎng)掃描時(shí)間的MRS和DSI等序列，CS技術(shù)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)增加了這些技術(shù)的適用性，使腫瘤定性定量分析、術(shù)前計(jì)劃制定及術(shù)后評(píng)價(jià)更加精準(zhǔn)，同時(shí)也降低了選擇電離輻射檢查給患者帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。然而壓縮感知技術(shù)并非萬(wàn)能，其應(yīng)用基于圖像信號(hào)中的稀疏性、不相干性與非線性迭代重建性，在較低稀疏性的普通2D形態(tài)像序列中并不能得到很高的加速倍數(shù)，與較為成熟的并行采集等技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)并不大，這將會(huì)引發(fā)序列的革新設(shè)計(jì)。另外，重建算法對(duì)壓縮感知技術(shù)尤為重要，臨床需要與底層算法的開發(fā)能否更好的結(jié)合，這些都尚未得到答案。目前的算法與序列設(shè)計(jì)仍需大量的臨床試驗(yàn)去改進(jìn)，針對(duì)不同組織器官選取不同的參數(shù)，并從中找到采集時(shí)間與圖像質(zhì)量間的平衡點(diǎn)。時(shí)間將告訴我們壓縮感知技術(shù)會(huì)否從根本上改變MRI在腫瘤影像檢查中的應(yīng)用。