閾值提取法用于壓縮感知3D mDIXON肝臟脂肪定量的可行性

張 楠，宋清偉*，劉愛連，浦仁旺，張浩南，宋 宇，王家正，徐曉昉

[1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 大連 116011；2.飛利浦(中國)投資有限公司，北京 100016]

脂肪肝的病理特征是肝脂肪變性，即肝細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)異常聚集，是導(dǎo)致慢性肝病和肝硬化的重要原因[1]。評估肝脂肪變性嚴(yán)重程度對診斷和評估預(yù)后有重要作用。MRI定量測量肝臟脂肪含量技術(shù)已日漸成熟。壓縮感知MR 3D mDIXON序列是快速M(fèi)R水脂分離技術(shù)，一次屏氣可獲得全肝脂肪圖，經(jīng)后處理可得到肝臟脂肪分?jǐn)?shù)。應(yīng)用傳統(tǒng)ROI法可測量肝臟脂肪含量，但操作復(fù)雜、耗時，且不能獲得全肝脂肪分?jǐn)?shù)[2]。閾值提取法是利用MR圖像中ROI與背景間的差異選擇閾值進(jìn)行圖像自動分割的后處理技術(shù)。本研究探討閾值提取法用于定量分析壓縮感知3D mDIXON圖像肝臟脂肪含量的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2019年9—10月選取28名健康志愿者，男12名，女16名，年齡24～69歲，平均(48.6±21.2)歲；體質(zhì)量46.5～101.0 kg，平均(65.25±14.87)kg；體質(zhì)量指數(shù)17.71～30.49 kg/m2，平均(22.95±4.10)kg/m2。納入標(biāo)準(zhǔn)為肝臟MR圖像清晰。排除標(biāo)準(zhǔn)：①吸煙飲酒史；②脂肪肝病史；③肝臟占位性病變。本研究經(jīng)院倫理委員會批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號：YJ-FB-2020-24)，所有志愿者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Philips 3.0T Ingenia CX 3.0T MR掃描儀，配備16通道腹部線圈及呼吸門控。檢查前對志愿者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練，之后行仰臥位掃描，范圍包括整個肝臟。先采集T2WI及雙回波序列圖像以除外肝占位性病變及脂肪肝，之后行3D mDixon-Quant序列掃描，參數(shù)：TR 6 ms，TE 1.05 ms，6個梯度回波，回波間隔時間1.3 ms，F(xiàn)OV 375 mm×300 mm×168 mm，層厚5 mm，間隔-2.5 mm，翻轉(zhuǎn)角3°，分辨力2.29 mm×1.85 mm×5.00 mm，壓縮感知加速因子2，掃描時間15 s。

1.3 圖像分析 掃描結(jié)束獲得肝臟水相圖和脂相圖，由2名分別具有3年和6年腹部影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師于Philips工作站(intellispace portal, ISP)上分別采用閾值法和傳統(tǒng)軸位ROI法測量肝臟脂肪分?jǐn)?shù)，并記錄測量時間，取其平均值為最后結(jié)果。閾值法：先以LIVER HEALTH軟件于水相圖上進(jìn)行肝臟自動分割，手動調(diào)整肝臟邊緣，確保各層面圖像包含全部肝臟結(jié)構(gòu)；再于脂相圖上手動選擇閾值，范圍-200%～80%，超出閾值組織被屏蔽并顯示為橙色(圖1A)。根據(jù)脂相圖中的肝臟和膽管、血管圖像設(shè)置個性化閾值，范圍0～8%，自動去除血管、膽管及內(nèi)臟周圍脂肪，并以全肝臟脂肪分?jǐn)?shù)直方圖顯示結(jié)果(圖1B)。傳統(tǒng)軸位ROI法：于水圖上肝臟尾狀葉(S1)、左外葉上段(S2)、左外葉下段(S3)、左內(nèi)葉(S4a和S4b)、右前葉下段(S5)、左后葉下段(S6)、右后葉上段(S7)和左前葉上段(S8)最大層面勾畫ROI，面積(500±8)mm2，盡量避開膽管和血管，距肝臟邊緣10 mm，之后于脂相圖相同位置復(fù)制，見圖1C。記錄各肝段脂肪分?jǐn)?shù)，取平均值為全肝脂肪含量。

圖1 健康志愿者，女，24歲，采用2種方法測量肝臟脂肪分?jǐn)?shù) A.采用閾值法于脂相圖上測得全肝脂肪分?jǐn)?shù)為(2.34±0.31)%(綠色框區(qū)域?yàn)楦闻K結(jié)構(gòu))； B.脂肪分?jǐn)?shù)直方圖； C.采用軸位ROI法于脂相圖上測得脂肪含量為2.13%(綠色圈為ROI)

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料以±s表示。以組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient, ICC)檢驗(yàn)分析2名醫(yī)師測量結(jié)果的一致性，ICC≤0.4表示一致性較差，0.4

2 結(jié)果

2名觀察者采用閾值法獲得的脂肪分?jǐn)?shù)分別為(3.53±1.34)%及(3.40±1.24)%，一致性較好(ICC=0.996，P=0.001)；采用傳統(tǒng)軸位ROI法測量的脂肪分?jǐn)?shù)分別為(2.35±1.35)%及(2.54±1.24)%，一致性亦較好(ICC=0,994，P=0.001)。閾值提取法[(3.47±1.29)%]與軸位ROI法[(2.45±1.30)%]所測肝臟脂肪含量呈高度正相關(guān)(r=0.997,P=0.001)；閾值提取法平均測量時間(3.2±0.8)min，軸位ROI法平均測量時間(5.0±0.3)min。

3 討論

多種方法可用于定量分析肝臟脂肪含量。肝臟組織活檢是診斷脂肪肝的金標(biāo)準(zhǔn)，但不能反映整個肝臟的變化，即使間隔緊密的樣本之間亦存在顯著差異[3]，且有創(chuàng)，采樣誤差較大。超聲檢查是基于回聲強(qiáng)度評估肌肉內(nèi)脂肪組織的方法[4]，評估脂肪變性往往具有主觀性[5]，不同觀察者間存在差異[6]。MRI是識別和量化肝臟脂肪變性最為客觀、敏感的方法，同、反相成像，肝脂肪抑制成像和波譜成像為評估脂肪提供了多種選擇。肝脂肪抑制成像以有、無脂肪預(yù)飽和脈沖圖相減，獲得肝脂肪信號分?jǐn)?shù)；與同、反相位成像相比，該技術(shù)與組織學(xué)脂肪變性分級的相關(guān)性更佳[7]，但由于B0磁場不均勻性，脂肪信號無法完全被抑制，使脂肪定量結(jié)果不可避免地存在一定誤差。MR波譜測量肝脂肪分?jǐn)?shù)受多種因素干擾，包括T1加權(quán)偏差、T2或T2信號衰減、脂肪的多峰譜復(fù)雜性、噪聲偏差和渦流等，限制了其臨床應(yīng)用。

DIXON水脂分離技術(shù)利用頻率差獲得反映水信號和脂肪信號的圖像。原始DIXON技術(shù)獲取同相、反相位梯度回波圖像[8]，之后將圖像添加至水相中，再減去脂相，耗時較長。既往研究[9-10]表明，采用DIXON技術(shù)測量肝臟脂肪結(jié)果與肝臟組織活檢結(jié)果的一致性良好，且基于DIXON技術(shù)的肝臟脂肪定量結(jié)果較病理組織活檢結(jié)果更為準(zhǔn)確[11]。3D mDixon Quant技術(shù)是基于化學(xué)位移水脂分離技術(shù)的MR脂肪定量技術(shù)，一次采集6個回波信號，結(jié)合7峰值脂肪模型和T2*校正，得到高質(zhì)量的3D脂肪分?jǐn)?shù)圖和T2*mapping圖。mDIXON-Quant序列通過可視化解剖結(jié)構(gòu)快速獲取體積數(shù)據(jù)，量化ROI內(nèi)脂肪含量[12]。相比其他MR脂肪量化技術(shù)，mDIXON-Quant技術(shù)在掃描時間、分辨率和視野等方面的靈活性更高[13]，測量組織脂肪含量更有效、準(zhǔn)確。該技術(shù)的局限性主要在于耗時較長，且圖像質(zhì)量受呼吸運(yùn)動及磁場不均勻性的影響[14]。NIENDORF等[15]提出壓縮感知技術(shù)，用于mDIXON序列中可明顯縮短檢查過程患者屏氣時間，提高患者舒適度，減少圖像偽影。文獻(xiàn)[16]報道，采用壓縮感知技術(shù)可使mDIXON-Quant序列的掃描時間至少縮短30%，并可為肝脂肪定量提供更適當(dāng)?shù)膱D像。本研究采用壓縮感知技術(shù)，加速因子為2，一次屏氣15 s即可獲得全肝圖像，有利于減少運(yùn)動偽影，提高掃描速度及圖像質(zhì)量，為MR檢查不能長時間屏氣配合患者提供了新方法。

軸位ROI法是測量肝脂肪分?jǐn)?shù)的傳統(tǒng)方法，須于9個肝段放置ROI，且ROI總面積>5 cm2，以準(zhǔn)確測量全肝脂肪含量[2]，雖結(jié)果準(zhǔn)確，但操作復(fù)雜、耗時，且呼吸運(yùn)動和胃腸運(yùn)動易導(dǎo)致圖像變形，評估肝左葉脂肪分?jǐn)?shù)存在一定困難。周圍等[17]的全肝脂肪定量結(jié)果與肝活檢結(jié)果的一致性良好，且無須放置9個ROI，而是采用第三方軟件手動勾畫肝臟輪廓，但測量效率也未見提高。魏巍等[18]采用快速脂肪定量方法測量全肝脂肪含量，結(jié)果與ROI法的一致性良好，但在肝臟自動分割后未去除血管和膽管結(jié)構(gòu)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性有待證實(shí)。閾值提取法是根據(jù)不同組織的MRI信號差異選定目標(biāo)組織閾值，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)組織的圖像分割。本研究采用閾值法自動分隔全肝并提取脂肪分?jǐn)?shù)，結(jié)果可重復(fù)性好，且結(jié)果與ROI法呈高度正相關(guān)，而測量時間較其縮短，表明閾值提取法可方便、快捷地用于mDIXON-Quant肝臟脂肪定量，且能克服肝臟脂肪分布不均導(dǎo)致的差異性。

綜上所述，閾值提取法可方便快捷地用于壓縮感知3D mDIXON肝臟脂肪定量。本研究存在的不足是未對脂肪肝患者進(jìn)行研究，且不同觀察之間的測量時間差異有待觀察。