磁共振壓縮感知心臟電影成像相較于常規(guī)心臟電影成像在急性心肌梗死術后心功能評價的對比研究

楊新穎，鐘佳利，彭如臣，郭曉斌，余斌

作者單位：首都醫(yī)科大學附屬北京潞河醫(yī)院放射科，北京101149

心功能分析是心臟病學中最為重要的測量指標之一，其在所有心臟影像學檢查中都是不可或缺的一部分，因為它被認為是最有力的治療決策制定和預后評估的預測因子之一[1-2]，其中心血管磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)被公認為測量左心室射血分數(shù)和左心室容積最準確的影像學檢查方法之一[3]。CMR 自20 世紀80 年代開始逐步應用于臨床，以其優(yōu)秀的軟組織對比度、無電離輻射危害、多參數(shù)成像、以及可以評估心功能等優(yōu)勢，在心血管疾病的早期診斷、鑒別診斷以及評估病情嚴重程度與預后等方面均具有很大的應用價值。其中心臟電影成像是心功能評價的“金標準”，在臨床具有廣泛的應用[4]。常規(guī)心臟電影掃描需要患者多次屏氣以獲得全心短軸位心臟電影圖像進行心功能分析，但部分患者諸如急性期心肌梗死介入治療術后的患者通常屏氣能力欠佳，因此導致檢查失敗的患者不在少數(shù)，所以CMR在臨床中的應用具有一定限制。隨著科學技術的發(fā)展，壓縮感知(compressed sensing，CS)等快速成像技術的應用給磁共振成像帶來了新的可能性[5-7]。應用壓縮感知技術可以在犧牲一定圖像質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)單次屏氣全心短軸位心臟電影掃描，極大地縮短了心臟電影成像的時間，且可以獲得與常規(guī)心臟電影成像基本相同的心功能分析結果，以達到診斷的目的[8-13]。關于壓縮感知心臟電影與傳統(tǒng)心臟電影的對比，當前國內(nèi)的研究較少，國外已經(jīng)有了部分研究，但多數(shù)研究的實驗對象為健康人志愿者，針對實際屏氣條件不好的患者的研究較少。本研究納入的研究對象均為ST段抬高型心肌梗死(ST-segment myocardial infarction，STEMI)的經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)術后患者，可以反映壓縮感知心臟電影序列的實際應用價值，具有很高臨床指導意義，下面筆者將就壓縮感知心臟電影序列(uCS-Cine)與常規(guī)心臟電影序列(standard-Cine)在圖像信噪比(signal to noise ratio，SNR)、偽影情況、能否滿足診斷需要以及心功能分析結果等方面進行深入探討。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為回顧性研究，經(jīng)過本院醫(yī)學倫理委員會批準(批準文號：2020-LHKY-023-04)，經(jīng)倫理委員會批準可免除受試者知情同意。選取30 名STEMI 的PCI 術后患者，其中男性25 例，女性5 例，年齡范圍30～74 歲，平均年齡(54.23±10.73)歲，平均心率(67.33±8.39)次/min，在身體狀況穩(wěn)定后行CMR掃描評估心肌存活情況與計算心功能數(shù)值。排除標準：(1)身體況狀不佳，無法屏氣超過15 s；(2)頻發(fā)性早搏或心率不齊(在20 s 內(nèi)發(fā)生超過2 次心率不齊或早搏)；(3)幽閉恐懼癥患者。

1.2 研究儀器

中國聯(lián)影公司uMR 780 3.0 T超導型磁共振儀。12通道相控陣體線圈，24通道相控陣脊柱線圈。

1.3 檢查方法及掃描參數(shù)

患者仰臥于檢查床，頭先入，在患者前胸涂抹清潔膏以清潔皮膚，于左側(cè)胸前區(qū)粘貼4枚磁共振專用電極片，連接心電導線與心電模塊，將體線圈覆蓋于前胸部。按流程進行呼吸訓練以盡可能減少呼吸運動偽影對圖像質(zhì)量的影響。先使用Scout 序列掃描心臟基本定位像，然后掃描uCS-Cine 序列由心電門控觸發(fā)一次屏氣完成8層全心短軸位電影掃描，結束后讓患者休息2 min 以便恢復體力消除掃描順序?qū)ρ芯拷Y果的影響，最后掃描standard-Cine序列在心電門控的配合下分8 次屏氣完成8 層全心短軸位電影掃描，具體參數(shù)見表1。

1.4 心功能分析與圖像質(zhì)量評估

1.4.1 心功能分析

使用聯(lián)影后處理工作站(uWS-780)心功能分析軟件自動識別左心室心內(nèi)膜與心外膜，由2 名有10 年以上心血管影像診斷經(jīng)驗的醫(yī)師獨立對輪廓進行手動校正，計算獲得uCS-Cine 與standard-Cine 的左室舒張末期容積(left ventricular end diastolic volume，LVEDV)，左室收縮末期容積(left ventricular end systolic volume，LVESV)，左 室 射 血 分 數(shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)。

1.4.2 心肌SNR的測量

將uCS-Cine 與standard-Cine 序列各自拆分成8 層(心尖層面為第1 層，心底層面為第8 層)，選取其中每層的收縮末期圖像作為測量圖像，心肌SNR=SI心肌/SD噪聲，SI心肌測量于收縮末期室間隔區(qū)域的心肌信號值，ROI 設定為圓形，大小10 mm2，SD噪聲測量于圖像兩側(cè)相位編碼方向上的空白區(qū)域，ROI 設定為圓形，大小10 mm2。心肌SNR 數(shù)據(jù)由上述2 名醫(yī)師采用盲法獨立測量得出。

表1 uCS-Cine和standard-Cine序列掃描參數(shù)Tab.1 Imaging parameters of uCS-Cine and standard-Cine in the study

1.4.3 圖像質(zhì)量主觀評價

對上述2 序列的各8 層圖像，設計5 分制評分表(表2)。由上述2 名醫(yī)師獨立對圖像各片段的偽影情況、心肌輪廓是否清晰，以及能否滿足診斷需求進行主觀評分，評分標準見表2。

1.5 統(tǒng)計學分析

將所有得到的實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0進行統(tǒng)計學分析，以組內(nèi)相關系數(shù)(interclass correlation coefficient，ICC)檢驗2 名醫(yī)師的心功能分析和心肌SNR 結果的一致性，ICC＜0.40 認為一致性較差，0.40≤ICC＜0.75 認為一致性一般，ICC≥0.75 認為一致性良好，以Kappa 系數(shù)檢驗2 名醫(yī)師的圖像質(zhì)量主觀評價結果的一致性，以Kappa≤0.20認為一致性較差，0.21＜Kappa≤0.40 認為一致性一般，0.61＜Kappa≤0.80 認 為 一 致 性 較 強，0.81＜Kappa≤1.00 認為一致性強，應用Wilcoxon 配對秩和檢驗對2種心臟電影序列的心功能分析、心肌SNR，以及圖像質(zhì)量主觀評價結果進行比較，各數(shù)據(jù)均采用±s，以P＜0.05認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 心功能分析結果

上述2 名醫(yī)師對uCS-Cine 測量所得心功能結果一致 性 良 好(LVEF、LVESV、LVEDV 的ICC 值 分 別 為0.96、0.97、0.96，P＜0.05)。2 名醫(yī)師對standard-Cine測量所得心功能結果一致性良好(LVEF、LVESV、LVEDV的ICC 值分別為0.98、0.98、0.97，P＜0.05)。30 例心肌 梗 死 患 者uCS-Cine 與standard-Cine 的LVEF、LVESV、LVEDV 結果見表3。兩者的LVEF 與LVESV 結果沒有統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，LVEDV結果standard-Cine稍大于uCS-Cine，結果具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。

2.2 心肌SNR結果比較

上述2 名醫(yī)師對uCS-Cine 與standard-Cine 測量所得心肌SNR 結果一致性良好(uCS-Cine 與standard-Cine 的ICC 值分別為0.78，0.81，P＜0.05)在uCS-Cine 與standard-Cine 序列各層面的收縮末期心肌SNR 結果顯示，在slice1-slice8 層面，standard-Cine 的心肌SNR 均優(yōu)于uCS-Cine，結果具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05；表4)。

2.3 圖像質(zhì)量主觀評價結果

上述2 名醫(yī)師對uCS-Cine 與standard-Cine的圖像質(zhì)量主觀評價結果一致性強(uCS-Cine 與standard-Cine的Kappa值分別為0.97，0.95，P＜0.05)。2 序列圖像質(zhì)量主觀評價結果顯示，在slice1-slic 6 層面，圖像質(zhì)量評分沒有統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，在slice7-slice8 層面，standard-Cine 的圖像質(zhì)量主觀評分優(yōu)于uCS-Cine，結果具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05；表5)(圖1)。

表2 圖像質(zhì)量5分制主觀評價表Tab.2 Five-point scale for subjective evaluation of image quality

表3 uCS-Cine與standard-Cine序列心功能分析結果(±s)Tab.3 Cardiac function analysis results of uCS-Cine and standard-Cine sequences(±s)

表3 uCS-Cine與standard-Cine序列心功能分析結果(±s)Tab.3 Cardiac function analysis results of uCS-Cine and standard-Cine sequences(±s)

參數(shù)LVEF LVESV LVEDV uCS-Cine 51.44±12.00 63.47±34.39 126.86±40.46 standard-Cine 52.06±11.49 64.17±34.85 129.89±42.52 z值-1.90-0.64-2.07 P值0.06 0.52 0.04

表4 uCS-Cine與standard-Cine序列心肌SNR的結果比較(±s)Tab.4 Quantitative and statistical analysis results for ardiac muscle SNR comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

表4 uCS-Cine與standard-Cine序列心肌SNR的結果比較(±s)Tab.4 Quantitative and statistical analysis results for ardiac muscle SNR comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

部位Slice1 Slice2 Slice3 Slice4 Slice5 Slice6 Slice7 Slice8 P值0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 uCS-Cine 67.24±27.52 67.88±23.29 71.97±24.86 70.27±16.58 74.35±20.32 72.05±19.81 69.71±16.93 71.63±14.45 standard-Cine 155.06±42.13 165.58±36.11 173.61±31.50 174.03±32.89 173.43±33.50 172.23±36.36 177.15±33.73 180.48±30.05 z值-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78-4.78

表5 uCS-Cine與standard-Cine序列圖像質(zhì)量主觀評分結果(±s)Tab.5 Quantitative and statistical analysis results for the subjective evaluation of image quality comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

表5 uCS-Cine與standard-Cine序列圖像質(zhì)量主觀評分結果(±s)Tab.5 Quantitative and statistical analysis results for the subjective evaluation of image quality comparison of uCS-Cine and standard-Cine(±s)

部位Slice1 Slice2 Slice3 Slice4 Slice5 Slice6 Slice7 Slice8 uCS-Cine 4.53±0.57 4.76±0.43 4.77±0.43 4.87±0.34 4.83±0.38 4.73±0.45 4.47±0.68 4.37±0.62 standard-Cine 4.53±0.50 4.73±0.45 4.80±0.41 4.93±0.25 4.87±0.43 4.87±0.35 4.80±0.41 4.73±0.45 z值0.00-0.26-0.58-1.00-0.45-1.41-2.67-2.67 P值1.00 0.80 0.76 0.32 0.66 0.16 0.01 0.01

圖1 圖A～D 為同一患者，男，57 歲，STEMI 的PCI術后患者。圖A、B 分別為standard-Cine 序列的舒張末期和收縮末期圖像，圖C、D 為uCS-Cine 序列的舒張末期和收縮末期圖像，覆蓋范圍自心尖至心底層面?？梢妔tandard-Cine序列在靠近心臟基底部的圖像質(zhì)量優(yōu)于uCS-Cine序列Fig.1 A—D show the same patient, male, 57 years old, STEMI patients after PCI. End diastolic and end systolic images of standard-Cine sequence is shown in Fig.A,B.And the end diastolic and end systolic images of uCS-Cine sequence is shown in Fig.C,D,covering from apex to bottom of heart.It can be seen that the image quality of standard-Cine sequence is better than that of uCS-Cine sequence near the heart base.

3 討論

這項回顧式研究表明，uCS-Cine與standard-Cine兩序列的心功能分析結果具有較好的一致性。LVEF與LVESV的結果在standard-Cine與uCS-Cine兩序列之間沒有統(tǒng)計學意義，但是在LVEDV中，uCS-Cine的大小為(126.86±40.46) mL，standard-Cine 為(129.89±42.52) mL，兩者之間具有一定的統(tǒng)計學差異，P=0.04，根據(jù)以往研究，原因可能是采用壓縮感知技術的心臟電影序列因為加速倍數(shù)較高，導致SNR 降低[14-15]，同時為了在一次屏氣中完成全心短軸位掃描需要降低一定的空間分辨率，因此，心室血池中的肌小梁間隙可能無法很好地可視化，可能導致“較小”的心內(nèi)膜輪廓[16]，在Vincenti 等[17]的研究中，對21 名健康志愿者和12 名心臟病患者所組成的33 名研究樣本行標準心臟電影序列與壓縮感知的心臟電影，結果顯示LVEF、LVESV 在兩序列之間沒有統(tǒng)計學差異，P=0.11，P=0.24，在LVEDV中具有明顯統(tǒng)計學差異P＜0.001，與本實驗結果一致。在Ma等［18］的研究中，對33名健康人志愿者分別進行常規(guī)的回顧式心臟電影序列與壓縮感知的心臟電影序列，其LVEF、LVEDV、LVESV 結果均沒有統(tǒng)計學差異，P＞0.05，與本研究的結果部分相似，考慮到本研究針對的是STEMI 的PCI術后患者，其屏氣能力與健康人志愿者可能存在一定的差距，從而會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，最終導致LVEDV結果的不同。

常規(guī)standard-Cine利用多個心動周期完成一層圖像的k空間填充，通常一次屏氣只能掃描1～2層圖像，而壓縮感知心臟電影序列為了加快圖像采集速度，在數(shù)據(jù)采集過程中稀疏的填充k空間，然后利用壓縮感知方法通過計算重建出圖像，從而達到節(jié)省采集時間的目的，在本研究中uCS-Cine 采用不相干亞采樣，稀疏填充k空間，應用非線性迭代重建實現(xiàn)較高的加速倍數(shù)，只需2個心動周期就可以完成一層的心臟圖像采集。但因為k空間稀疏填充，圖像信息較少，所以SNR 有一定程度的下降，會在一定程度上降低圖像質(zhì)量。在本研究中，slice1-slice8 層面standard-Cine的心肌信噪比均高于uCS-Cine，P＜0.05，也與以往研究相符[19-20]，但本研究顯示SNR 的下降對診斷產(chǎn)生的干擾較小，在本研究的圖像質(zhì)量主觀評分中，2 名診斷醫(yī)生就2 序列的圖像質(zhì)量評分顯示，uCS-Cine 與standard-Cine 在心尖到心臟中部的slice1-slice 6 層面的圖像質(zhì)量主觀評分沒有統(tǒng)計學意義，P＞0.05，但是在靠近心臟基底部的slice7-slice8層面具有統(tǒng)計學意義，uCS-Cine 的圖像質(zhì)量評分低于standard-Cine，P＜0.05。猜測原因為uCS-Cine 由于k 空間稀疏填充，除了會導致SNR 的降低，由于圖像信息較少，所以對于運動更加敏感，在心臟電影的掃描中，靠近心尖部的心肌運動相對簡單，基本只有層面內(nèi)心肌組織的收縮和舒張運動，但靠近心臟基底部的心肌由于心臟大血管的影響運動相對復雜，同時包含有層面內(nèi)和層面間的運動，造成了uCS-Cine 在心臟基底部的圖像質(zhì)量差于常規(guī)standard-Cine，但考慮到2 序列所有層面的圖像質(zhì)量評分均大于4分，根據(jù)主觀評分表顯示兩序列都可以達到診斷的要求，這一點與以往研究相符。在Tomoyuki 等[21]等的研究中，對63 例患者分別進行常規(guī)心臟電影成像與壓縮感知心臟電影成像，其圖像以5 分制量表評分，5 分為圖像質(zhì)量最好，大于3 分則認為不會對診斷產(chǎn)生干擾，壓縮感知心臟電影與常規(guī)心臟電影序列的評分分別為3.7±0.5 和4.7±0.5，P＜0.05，壓縮感知心臟電影序列圖像質(zhì)量評分低于常規(guī)心臟電影序列，但仍然可以滿足診斷需求。在Vermersch 等[22]的研究中，在2 名放射科醫(yī)生的圖像質(zhì)量主觀評分中，壓縮感知心臟電影序列的評分低于常規(guī)心臟電影序列，兩者具有統(tǒng)計學意義，P＜0.05；但如果應用歐洲CMR 客觀評分標準[23]。則沒有統(tǒng)計學意義，P=0.21。這說明壓縮感知技術雖然會降低一定的圖像質(zhì)量，但對于診斷的影響較小。

uCS-Cine 的采集時間僅為12.7 s，顯著低于standard-Cine 的150 s，掃描時間的縮短可以極大的提高檢查的成功率，尤其是面對STEMI 的PCI 術后屏氣能力欠佳的患者。本研究中所挑選的患者均經(jīng)過前期呼吸訓練，可以連續(xù)屏氣8 次完成常規(guī)standard-Cine 掃描，但可以想象對于屏氣能力不佳的患者，僅進行一次的屏氣即可完成全心電影成像的uCS-Cine 無疑是更好的選擇。 另外由于uCS-Cine 屏氣時間的縮短，對于心率異常，如頻發(fā)早搏的患者，可以挑選心率穩(wěn)定的時刻單次屏氣完成心臟電影掃描，極大地節(jié)省掃描時間，提高檢查的成功率。

本研究仍然具有的一定的局限性，首先，uCS-Cine 在心臟基底部的圖像質(zhì)量不高，對靠近該區(qū)域的病變顯示欠佳，且由于本研究的對象為STEMI的PCI 術后患者，屏氣能力不如健康人志愿者，所以對uCS-Cine的圖像分辨率做了適當?shù)慕档鸵员ＷC患者可以順利在一次屏氣下完成全心短軸位電影掃描，這可能會對uCS-Cine 的圖像質(zhì)量評分產(chǎn)生一定的影響；其次，壓縮感知技術需要大量的計算，對設備硬件要求較高，本研究所采用的uMR 780 3.0 T磁共振設備具有專門的光梭計算平臺，但仍然需要近2 分鐘的時間重建圖像，后續(xù)需要優(yōu)化掃描流程以節(jié)省時間；最后，本研究中納入的30例STEMI的PCI術后患者均經(jīng)過前期呼吸訓練且狀態(tài)良好，對于相當數(shù)量的屏氣能力差，狀態(tài)不佳的患者，應用uCS-Cine技術能否進一步縮短屏氣時間，甚至在自由呼吸狀態(tài)下完成心臟電影成像，筆者將在后續(xù)的研究中繼續(xù)探討。

綜上所述，基于壓縮感知技術的uCS-Cine 與常規(guī)standard-Cine 在心功能分析以及圖像質(zhì)量主觀評分方面無明顯差異，且可以極大地縮短檢查時間，提高檢查成功率，具有較高的臨床應用優(yōu)勢與價值。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。