優(yōu)選膝關(guān)節(jié)壓縮感知三維體素各向同性快速自旋回波采集序列成像加速系數(shù)

趙紅亮，唐小力，王亞魁，王立學(xué)，鄭卓肇

(清華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院 清華大學(xué)附屬北京清華長庚醫(yī)院放射科，北京 102218)

隨著MR技術(shù)的進(jìn)步，三維快速自旋回波(three dimension fast spin echo, 3D FSE)序列成像已具備用于臨床膝關(guān)節(jié)檢查的潛力[1]，相比常規(guī)多方位2D FSE序列具有信噪比高、部分容積效應(yīng)小、可任意平面重建且容積定量更準(zhǔn)確等優(yōu)勢。臨床研究[2-5]結(jié)果顯示，3D FSE序列成像診斷膝關(guān)節(jié)疾病的能力不低于常規(guī)2D FSE序列圖像，但掃描時(shí)間過長。縮短3D FSE序列掃描時(shí)間的常用方法包括非等體素成像、增大體素、增加回波鏈長及并行采集等，但均可能降低圖像質(zhì)量。壓縮感知(compressed sensing， CS)是一種全新的信號采集和重建方法，可在明顯縮短掃描時(shí)間的同時(shí)保持較好圖像質(zhì)量[6-9]，3D FSE序列聯(lián)合CS是發(fā)展方向。本研究探討3D體素各向同性快速自旋回波采集(volume isotropic turbo spin-echo acquisition, VISTA)中等權(quán)重膝關(guān)節(jié)MRI時(shí)CS加速系數(shù)的最優(yōu)選擇。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2020年5月—6月于北京清華長庚醫(yī)院納入9名健康志愿者，男6名，女3名，年齡21～33歲，平均(26.3±3.9)歲；既往無膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷病史及手術(shù)史，無膝關(guān)節(jié)癥狀，無下肢畸形和先天異常；檢查前均簽署知情同意書。本研究方案經(jīng)院倫理委員會批準(zhǔn)，批準(zhǔn)文號：20273-0-01。

1.2 儀器與方法 采用Philips Ingenia CX 3.0T MR儀，8通道相控陣膝關(guān)節(jié)線圈，行左膝關(guān)節(jié)CS 3D VISTA序列標(biāo)準(zhǔn)矢狀位掃描，TR/TE 1 100 ms/40 ms，F(xiàn)OV 160 mm×160 mm，層厚0.7 mm，層間距-0.3 mm，采集體素0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm，重建體素0.4 mm×0.4 mm×0.4 mm，回波鏈長度16，脂肪抑制采用頻率選擇反轉(zhuǎn)恢復(fù)(spectral attenuated inversion recovery, SPAIR)技術(shù)，CS加速系數(shù)分別取4、6、8、10、12，對應(yīng)掃描時(shí)間分別為9 min 9 s、6 min 7 s、4 min 36 s、3 min 42 s、3 min 5 s，選擇系統(tǒng)默認(rèn)CS降噪強(qiáng)度。于其后1周內(nèi)再行左膝MR掃描，3D VISTA序列及參數(shù)同上，CS加速系數(shù)僅選擇8。

1.3 圖像分析 將圖像傳入后處理工作站Philips IntelliSpace Portal(版本v9.0.4.31010)，測量各部位信噪比(signal to noise ratio， SNR)和對比噪聲比(contrast to noise ratio， CNR)。

由2名放射科住院醫(yī)師獨(dú)立進(jìn)行測量及評分，取二者平均值作為結(jié)果。測量SNR部位包括關(guān)節(jié)液、軟骨、肌肉、半月板、骨髓及后交叉韌帶；測量CNR部位包括關(guān)節(jié)液-軟骨、關(guān)節(jié)液-半月板、關(guān)節(jié)液-韌帶和軟骨-軟骨下骨。采用工作站橢圓工具于信號均勻區(qū)域勾畫ROI，盡量保證ROI位置、面積一致，避開有損傷區(qū)域或信號不均勻區(qū)域。以ROI內(nèi)平均信號強(qiáng)度為組織信號強(qiáng)度(S組織)，圖像背景四角空白區(qū)域信號強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的平均值(SD平均)為圖像噪聲，SNR=S組織/SD平均，CNR=(S組織1-S組織2)/SD平均。根據(jù)圖像顯示各解剖結(jié)構(gòu)的銳利度對髕股關(guān)節(jié)、股脛關(guān)節(jié)、股骨遠(yuǎn)端骨髓及膝后部肌肉解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行評分。評分標(biāo)準(zhǔn)：1分，大部分(超過所觀察結(jié)構(gòu)1/2以上區(qū)域)解剖結(jié)構(gòu)不可分辨；2分，部分(不足所觀察結(jié)構(gòu)1/2區(qū)域)解剖結(jié)構(gòu)不可分辨；3分，解剖結(jié)構(gòu)邊緣模糊但可分辨；4分，解剖結(jié)構(gòu)邊緣清晰但不銳利；5分，解剖結(jié)構(gòu)邊緣光滑銳利。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料均符合正態(tài)分布，以±s表示。采用ANOVA方差分析比較不同CS加速系數(shù)圖像的SNR、CNR和圖像評分；以Wilcoxon檢驗(yàn)比較前后2次掃描(CS加速系數(shù)8)圖像的SNR、CNR。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同CS加速系數(shù)下各指標(biāo) 不同CS加速系數(shù)圖像中，軟骨、關(guān)節(jié)液、肌肉和骨髓的SNR差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，半月板和后交叉韌帶的SNR差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見表1；關(guān)節(jié)液-軟骨、關(guān)節(jié)液-半月板、關(guān)節(jié)液-韌帶和軟骨-軟骨下骨的CNR差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，見表2。 CS加速系數(shù)為10時(shí)，膝關(guān)節(jié)各部位SNR值最高，其間的CNR值亦最高。不同CS加速系數(shù)圖像的股脛關(guān)節(jié)、股骨遠(yuǎn)端骨髓和膝后部肌肉解剖結(jié)構(gòu)評分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001)，髕股關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)評分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。CS加速系數(shù)為4、6時(shí)，各部位圖像解剖結(jié)構(gòu)評分較高；加速系數(shù)為8及以上時(shí)，圖像中的各部位解剖結(jié)構(gòu)評分逐漸降低。見圖1及表3。

表3 不同CS加速系數(shù)圖像中膝關(guān)節(jié)各解剖結(jié)構(gòu)評分比較(±s)

表3 不同CS加速系數(shù)圖像中膝關(guān)節(jié)各解剖結(jié)構(gòu)評分比較(±s)

CS加速系數(shù)髕股關(guān)節(jié)股脛關(guān)節(jié)股骨遠(yuǎn)端骨髓膝后部肌肉45.00±0.005.00±0.005.00±0.005.00±0.0065.00±0.005.00±0.004.89±0.335.00±0.0085.00±0.004.78±0.444.22±0.444.78±0.44105.00±0.004.11±0.333.78±0.444.44±0.53124.89±0.333.33±0.502.78±0.673.44±0.73F值1.00050.90954.44934.571P值0.422<0.001<0.001<0.001

圖1 健康志愿者，男，28歲，左膝關(guān)節(jié)MRI A～E.分別為CS加速系數(shù)為4、6、8、10及12的3D VISTA MRI，隨加速系數(shù)增加，股骨遠(yuǎn)端骨髓(粗箭)、膝后部肌肉(細(xì)箭)及股脛關(guān)節(jié)內(nèi)的后交叉韌帶(短箭)漸趨模糊

表1 不同CS加速系數(shù)下膝關(guān)節(jié)各部位SNR比較(±s)

表1 不同CS加速系數(shù)下膝關(guān)節(jié)各部位SNR比較(±s)

CS加速系數(shù)軟骨關(guān)節(jié)液肌肉半月板骨髓后交叉韌帶4227.55±49.28837.70±139.56172.52±43.2147.37±11.3097.32±18.6335.36±12.116213.67±54.17799.37±171.11161.44±39.2148.60±16.7488.10±15.8134.67±15.478214.54±90.59789.74±286.39161.73±65.3048.23±20.8990.89±29.4838.20±15.5110264.23±103.92969.49±315.75198.60±65.0362.50±26.96110.38±33.8944.67±14.7912185.11±69.98683.58±219.93139.12±45.0146.38±20.3778.34±21.2934.12±14.39F值4.0315.3354.8282.6284.5831.819P值0.0090.0020.0040.0530.0050.149

表2 不同CS加速系數(shù)下膝關(guān)節(jié)各部位間CNR比較(±s)

表2 不同CS加速系數(shù)下膝關(guān)節(jié)各部位間CNR比較(±s)

CS加速系數(shù)關(guān)節(jié)液-軟骨關(guān)節(jié)液-半月板關(guān)節(jié)液-韌帶軟骨-軟骨下骨4610.15±114.78790.33±136.42802.33±139.27130.23±40.086585.70±128.18750.77±160.30764.69±170.46125.57±43.678575.20±202.69741.51±270.34751.54±280.47123.65±65.1010705.26±229.29906.99±293.40924.82±309.36153.85±76.2512498.47±159.98637.20±202.73649.46±218.93106.77±54.98F值5.4685.5665.4293.070P值0.0020.0020.0020.030

2.2 膝關(guān)節(jié)3D VISTA掃描的可重復(fù)性 前后2次CS加速系數(shù)為8的左膝關(guān)節(jié)矢狀位CS 3D VISTA掃描圖像中，左膝各部位SNR值及其間CNR值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見表4。

表4 2次CS加速系數(shù)為8的CS 3D VISTA序列圖像左膝各部位SNR、CNR比較(±s)

表4 2次CS加速系數(shù)為8的CS 3D VISTA序列圖像左膝各部位SNR、CNR比較(±s)

掃描次序SNR軟骨關(guān)節(jié)液肌肉半月板骨髓后交叉韌帶前次214.54±90.59789.74±286.39161.73±65.3048.23±20.9890.89±29.4838.20±15.51后次199.62±99.41803.09±414.20157.15±91.1151.90±29.1982.61±41.4740.60±29.56Z值0.4150.0590.6520.7701.1250.533P值0.6780.9530.5150.4410.2600.594掃描次序CNR關(guān)節(jié)液-軟骨關(guān)節(jié)液-半月板關(guān)節(jié)液-韌帶軟骨-骨髓前次575.20±202.69741.51±270.34751.54±280.47123.65±65.10后次603.47±321.71751.20±410.19762.49±388.33117.01±59.61Z值0.2960.0590.0590.533P值0.7670.9530.9530.594

3 討論

CS是一種全新的MRI信號采樣和圖像重建方式，可在僅采集少量數(shù)據(jù)、明顯縮短采集時(shí)間的同時(shí)保持良好的圖像質(zhì)量[10]。聯(lián)合應(yīng)用CS與3D VISTA序列可兼顧成像時(shí)間與圖像質(zhì)量[11]，具有廣闊應(yīng)用前景。

本研究發(fā)現(xiàn)，利用3D VISTA中等權(quán)重序列對健康志愿者行膝關(guān)節(jié)成像時(shí)，CS加速系數(shù)影響圖像信號、對比和解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。僅以SNR和CNR角度觀察，CS加速系數(shù)為10時(shí)最優(yōu)，其次為4、6、8；而對于顯示解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，CS加速系數(shù)為4、6、8時(shí)均較優(yōu)，8以上則顯示股脛關(guān)節(jié)、股骨遠(yuǎn)端骨髓和膝后部肌肉較模糊。鑒于臨床期望3D VISTA序列能在較短時(shí)間(5 min內(nèi))提供所檢結(jié)構(gòu)的解剖和病變細(xì)節(jié)，設(shè)置CS加速系數(shù)為8是膝關(guān)節(jié)3D VISTA中等權(quán)重序列的較好選擇；且一致性分析顯示CS加速系數(shù)為8時(shí)，左膝3D VISTA序列掃描圖像具有良好的可重復(fù)性。

IUGA等[12]比較加速系數(shù)為6、8、10及15時(shí)的3D VISTA與常規(guī)2D FSE序列圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)加速系數(shù)為8時(shí)3D VISTA圖像質(zhì)量各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)均不低于常規(guī)2D FSE圖像， 超過8時(shí)圖像質(zhì)量開始下降。與常規(guī)2D FSE序列比較，3D序列圖像支持多平面重組，減少以相同序列行不同平面掃描的重復(fù)檢查時(shí)間[13]，且可行任意斜面重建，利于顯示不同解剖結(jié)構(gòu)[14]。

CS的潛在缺點(diǎn)是圖像模糊效應(yīng)，尤其是高空間分辨率和低對比度時(shí)[15-16]，原因可能為K空間中心數(shù)據(jù)采集較多而外圍數(shù)據(jù)采集較少，同時(shí)非線性迭代算法噪聲減小進(jìn)一步導(dǎo)致圖像銳利度下降[17-18]。對于膝關(guān)節(jié)MRI，高空間分辨率成像是基本要求；而半月板撕裂和軟骨早期退變等常見疾病病變對比度較低，對于選擇CS加速系數(shù)構(gòu)成一定限制，本研究中CS加速系數(shù)為10或12時(shí)，股脛關(guān)節(jié)、股骨遠(yuǎn)端骨髓和膝后部肌肉均出現(xiàn)明顯細(xì)節(jié)模糊效應(yīng)。此外，相比傳統(tǒng)2D FSE序列，3D VISTA使用長回波鏈(本研究中回波鏈長度為16)，本身即可能導(dǎo)致圖像模糊[19]；聯(lián)合應(yīng)用CS可能進(jìn)一步加重圖像模糊。

本研究的主要局限性：①僅針對9名年輕健康成人，所獲結(jié)論是否適用于各種膝關(guān)節(jié)病變尚需觀察；②CS加速系數(shù)對SNR、CNR和圖像細(xì)節(jié)的影響在不同設(shè)備、序列和參數(shù)等之間有無差異有待驗(yàn)證；③本研究發(fā)現(xiàn)隨CS加速系數(shù)增大，圖像SNR整體呈下降趨勢，但某個(gè)特定加速系數(shù)值的SNR會反常升高，原因不明，尚需進(jìn)一步觀察。

綜上，行CS 3D VISTA中等權(quán)重序列膝關(guān)節(jié)MRI時(shí)，設(shè)置CS加速系數(shù)為8，可在成像時(shí)間、SNR、CNR及顯示細(xì)節(jié)等方面達(dá)到較好平衡，且可重復(fù)性良好。