基于光梭成像的新型加速技術(shù)在顱腦MRI中的應(yīng)用價(jià)值研究

張雪坤，李 彥，嚴(yán)福華，趙洪飛，宋 琦

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院放射科，上海 200025）

顱腦MRI 檢查對(duì)于評(píng)價(jià)各種疾病，如多發(fā)性 硬化癥、顱內(nèi)腫瘤和腦卒中至關(guān)重要[1]。MRI 具有較高的軟組織對(duì)比度分辨率和針對(duì)不同病理、生理學(xué)方面的特殊序列，使其成為研究大腦不可或缺的檢查方法。與CT 相比，MRI 圖像信息的獲取是一個(gè)非常耗時(shí)的過程。近年來，隨著接受腦部MRI 檢查者數(shù)量的增加[2]，圖像采集的時(shí)長(zhǎng)限制了MRI 的臨床應(yīng)用，尤其是在急診和兒童患者中的應(yīng)用。

近年來，一些新的快速成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。2017年，國際醫(yī)學(xué)磁共振學(xué)會(huì)第25 屆年會(huì)上首次發(fā)布了光梭成像 （constellation shuttling imaging，uCS）技術(shù)。uCS 是序列掃描技術(shù)與重建后處理結(jié)合的一種綜合應(yīng)用技術(shù)，其以壓縮感知（compressed sensing，CS）技術(shù)為核心，融合了另外2 種（并行成像及半傅里葉采集）主流技術(shù)[3]，充分利用MRI 掃描過程中由于K 空間共軛對(duì)稱性、多通道并行采集等產(chǎn)生的信息冗余，以及圖像CS 等特點(diǎn)，通過對(duì)重建模型及掃描序列K 空間填充的優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)高倍加速成像的同時(shí)保證了圖像質(zhì)量。uCS 雖然在加速M(fèi)RI 采集和圖像重建方面取得了明顯進(jìn)步，但評(píng)估其在臨床實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值仍然十分必要。目前，CS 作為技術(shù)核心，用于顱腦成像，尤其針對(duì)二維序列分析的數(shù)據(jù)很少[4]，或者沒有專門研究比較其圖像質(zhì)量[5]。最近，有研究報(bào)道了CS 技術(shù)在多發(fā)性硬化癥和腦瘤患者中的應(yīng)用[6]，其利用并行MRI 與CS 相結(jié)合的方法，得到了與相應(yīng)常規(guī)MRI 質(zhì)量相當(dāng)?shù)膱D像，并縮短了掃描時(shí)間，為多種成像方法聯(lián)合應(yīng)用提供了依據(jù)。本研究目的是評(píng)估基于uCS 技術(shù)的腦MRI采集速度和圖像質(zhì)量，并與臨床常規(guī)腦MRI 進(jìn)行比較，為uCS 的臨床應(yīng)用提供依據(jù)。

資料與方法

一、一般資料

2020年7月至2020年8月期間，收集20 名成年（18 歲或以上） 健康志愿者進(jìn)行顱腦MRI 掃描，其中男性10 名，女性10 名，年齡為22～69 歲，平均年齡為（40.2±13.3）歲。本研究納入的研究對(duì)象及MRI 圖像同時(shí)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)。①健康成年人；②同時(shí)行uCS 和常規(guī)掃描；③圖像無嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)偽影。同時(shí)排除具有MRI 檢查禁忌證者。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有研究對(duì)象均簽署知情同意書。

二、方法

采用聯(lián)影uMR7803.0T 超導(dǎo)型MRI 掃描儀和24 通道的相控陣線圈組，掃描體位為仰臥位（頭先進(jìn)）。所有研究對(duì)象均接受包括常規(guī)序列和相應(yīng)的uCS 加速采集序列掃描。uCS 加速采集是在相應(yīng)的常規(guī)采集前后以交替順序進(jìn)行（以減輕排序效應(yīng)的潛在偏差），序列包括快速自旋回波軸位T1 加權(quán)成像(T1-weighted imaging,T1WI)、T2-液體抑制反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（fluid attenuated inversion recovery sequence，F(xiàn)LAIR）、矢狀位T1WI 及梯度回波矢狀位3D-T1WI。常規(guī)序列和uCS 加速序列的掃描參數(shù)見表1。2 種掃描方法的各序列間僅存在加速因子的差異，其余參數(shù)均保持一致。

表1 uCS 與常規(guī)各序列掃描參數(shù)

三、圖像分析

1.主觀分析：先由1 位經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)師對(duì)各序列常規(guī)和加速后圖像進(jìn)行主觀分析，包括圖像綜合質(zhì)量和圖像偽影。其中，對(duì)圖像綜合質(zhì)量的評(píng)價(jià)是以美國放射學(xué)會(huì)在2013年頒布的MRI 圖像質(zhì)量認(rèn)證指南[7]為基本框架，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括解剖結(jié)構(gòu)清晰度（腦溝、腦回及腦池）、關(guān)鍵部位對(duì)比度（腦實(shí)質(zhì)與腦積液對(duì)比，灰白質(zhì)對(duì)比）、圖像信號(hào)均勻度、水/脂肪抑制程度、偽影評(píng)價(jià)共5 個(gè)方面，并對(duì)其進(jìn)行Likert 5 級(jí)評(píng)分[8]（綜合上述5 項(xiàng)）。圖像模糊，組織間邊緣極度模糊，不能診斷，為0 分；上述解剖結(jié)構(gòu)較模糊，圖像差，計(jì)1 分；上述解剖結(jié)構(gòu)模糊，圖像可接受，計(jì)2 分；上述解剖結(jié)構(gòu)稍模糊，圖像一般，計(jì)3 分；上述解剖結(jié)構(gòu)清晰但不銳利，計(jì)4 分；上述解剖結(jié)構(gòu)清晰而銳利，為5 分。偽影評(píng)價(jià)主要包含設(shè)備偽影及運(yùn)動(dòng)偽影，設(shè)備偽影包括化學(xué)位移偽影、截?cái)鄠斡凹皩娱g干擾；運(yùn)動(dòng)偽影包含隨機(jī)自主運(yùn)動(dòng)偽影及大血管搏動(dòng)偽影。有嚴(yán)重設(shè)備偽影，圖像不能進(jìn)行診斷，為1 分；有明顯的設(shè)備或運(yùn)動(dòng)偽影，圖像尚可以診斷，計(jì)2 分；有輕度設(shè)備或運(yùn)動(dòng)偽影，圖像診斷無影響，計(jì)3 分；有輕微設(shè)備或運(yùn)動(dòng)偽影，可忽略，計(jì)4 分；無偽影，為5 分。2 周后，再從中隨機(jī)選擇一組序列進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)中的Likert評(píng)分復(fù)評(píng)，并計(jì)算2 組數(shù)據(jù)重測(cè)信度。

2.圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)：對(duì)所有序列圖像感興趣區(qū) （region of interest,ROI） 進(jìn)行信噪比（signal-tonoise ratio,SNR）測(cè)量。計(jì)算公式采用AAPM 單幅圖像法[9]，即SNR＝（S-Sb）/SD，其中S 表示ROI 信號(hào)平均值，Sb 表示背景信號(hào)平均值，SD 表示ROI信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差。首先，在圖像掃描野內(nèi)背景四角區(qū)域各畫一個(gè)正圓形區(qū)域，面積均約100 mm3，記錄各區(qū)域信號(hào)平均值，并進(jìn)一步計(jì)算四者平均值（Sb）。選取背景區(qū)域原則為避開掃描部位、偽影區(qū)域及明顯有不規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)偏差區(qū)域。其次，在橫斷位圖像上，從上到下出現(xiàn)側(cè)腦室的第一個(gè)層面的腦白質(zhì)ROI畫一個(gè)正圓形區(qū)域，面積約100 mm3，記錄ROI 信號(hào)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差（見圖1A）。矢狀位圖像是從右到左出現(xiàn)側(cè)腦室的第一個(gè)層面的腦白質(zhì)區(qū)選取ROI（見圖1B）；選取ROI 原則為避開偽影區(qū)域、腦灰質(zhì)及腦脊液區(qū)域，若本層偽影較大則在其上或下一層面選取ROI。根據(jù)以上公式計(jì)算ROI 的SNR，并用相同方法再畫取同一層面其他位置3 個(gè)ROI，分別計(jì)算其SNR，最終取4 個(gè)SNR 的平均值，記為該樣本的SNR。

圖1 圖像SNR 測(cè)量中背景區(qū)域及ROI 的選擇

四、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。用K-S檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov test）對(duì)計(jì)量資料（主觀評(píng)價(jià)的中Likert 5 級(jí)評(píng)分和客觀評(píng)價(jià)中的SNR）進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)；非正態(tài)分布的計(jì)量資料（Likert 5 級(jí)評(píng)分）用中位數(shù)（最大值，最小值）表示，正態(tài)分布的計(jì)量資料（SNR）用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。2 組間圖像SNR 比較采用配對(duì)t 檢驗(yàn)；2 組間Likert 評(píng)分比較采用Wilcoxon 符號(hào)秩和檢驗(yàn)Mann-Whitney U 檢驗(yàn)。重測(cè)信度采用Spearman 相關(guān)分析，信度以0.7～0.8 為信度可接受，0.8～1.0 為信度較好。以上統(tǒng)計(jì)方法均以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

一、掃描時(shí)間

光梭成像掃描時(shí)間均比常規(guī)掃描時(shí)間縮短，每位志愿者采用uCS 的描總時(shí)間為542 s，而常規(guī)掃描時(shí)間長(zhǎng)達(dá)735 s，時(shí)間縮短約26.3%。其中3D 序列時(shí)間縮短尤為明顯，達(dá)39%。此外，uCS-3D 序列重建時(shí)間無明顯延長(zhǎng)，不影響掃描流程，符合檢查要求。各序列uCS 及常規(guī)掃描時(shí)間詳見表2。

表2 各序列uCS 及常規(guī)掃描時(shí)間

二、主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)于T1WI、T2-FLAIR、矢狀位T1WI 及梯度回波矢狀位3D-T1WI，在整體圖像質(zhì)量、偽影程度方面，uCS 與常規(guī)序列之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （見表3～6）。uCS 與常規(guī)序列圖像對(duì)比見圖2。在重測(cè)信度分析中整體圖像質(zhì)量及偽影程度指標(biāo)的信度相關(guān)系數(shù)分別為0.897、0.886，信度較好。

圖2 同一志愿者uCS 與常規(guī)序列的顱腦圖像對(duì)比

表3 uCS-T1WI 與常規(guī)T1WI 掃描的主觀圖像質(zhì)量分析（n）

表4 uCS-T1_sag 與常規(guī)T1_sag 掃描的主觀圖像質(zhì)量分析（n）

表5 uCS-FLAIR 與常規(guī)FLAIR 掃描的主觀圖像質(zhì)量分析（n）

表6 uCS-3D 與常規(guī)3D 掃描的主觀圖像質(zhì)量分析（n）

三、定量評(píng)估

uCS 軸位T1WI 及矢狀位T1WI 序列的SNR 顯著高于常規(guī)軸位T1WI 及矢狀位T1WI 序列。比較uCS 與常規(guī)掃描的FLAIR 及3D-T1WI 序列的SNR，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（見表7）。

表7 uCS 與常規(guī)掃描的圖像SNR 比較

討 論

一、MRI 加速技術(shù)

MRI 掃描時(shí)間主要受K 空間采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目、采樣方式以及圖像重建方式的影響。一直以來，不斷有新的MRI 技術(shù)被開發(fā)出來，以減少圖像獲取的時(shí)間。如半傅里葉采集，它是利用K 空間數(shù)據(jù)的軸對(duì)稱性，僅采集略多于一半的K 空間數(shù)據(jù)，然后重建出完整圖像，不但極大提高了掃描速度，減少了生理偽影，而且保留了較高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。近年來，并行成像技術(shù)如敏感度編碼（Sensitivity Encoding,SENSE）已經(jīng)進(jìn)入臨床常規(guī)。其原理是通過K 空間相對(duì)規(guī)律欠采樣的方式實(shí)現(xiàn)掃描速度的提升，利用線圈靈敏度信息恢復(fù)完整圖像[10]。最近，CS 技術(shù)的研發(fā)大幅提高了MRI 的速度[11]。作為一種新的加速技術(shù)，CS 的概念于2006年由Donoho DL 提出，2007年由Lustig 等[12]進(jìn)一步最先將CS 理論應(yīng)用于MRI 成像領(lǐng)域（簡(jiǎn)稱CS-MRI），通過K 空間部分?jǐn)?shù)據(jù)成功重構(gòu)出原始圖像，并加快了MRI 的成像速度?；旧?，CS 是在采樣數(shù)據(jù)下減少掃描時(shí)間，其原理是在非線性迭代重建中，利用圖像結(jié)構(gòu)的內(nèi)在稀疏性和欠采樣K 空間數(shù)據(jù)重建獲得接近全采樣的圖像質(zhì)量，從而縮短了數(shù)據(jù)采集時(shí)間。并行采集和CS 技術(shù)，是在不同的重建約束條件下來加速圖像生成[13]，組合這些技術(shù)可使圖像采集加速因子遠(yuǎn)超過并行或僅CS-MRI 可實(shí)現(xiàn)的加速因子[14]。這種組合圖像加速技術(shù)被稱為CSSENSE MRI，并且可能在保持圖像質(zhì)量的前提下，顯著減少整體成像時(shí)間[6]。目前的主流趨勢(shì)是，為了使圖像的采集和重建速度更加快速，將這些新技術(shù)（如CS、并行成像技術(shù)等）結(jié)合起來。由于這些技術(shù)往往依賴于不同的輔助信息來生成圖像，因此這些加速技術(shù)的結(jié)合是協(xié)同的，結(jié)果是在保持圖像噪聲較低的情況下，其成像所獲得的加速度要超過單一技術(shù)成像。Liang 等[15]的研究證實(shí)，與并行成像或單獨(dú)CS 相比，CS-SENSE 在增加加速因子時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。Otazo 等[14]的研究也得出了類似的結(jié)論，證明應(yīng)用CS-SENSE 技術(shù)的掃描速度比單獨(dú)使用CS 技術(shù)時(shí)可提高2 倍。

二、uCS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

本實(shí)驗(yàn)所采用的uCS 技術(shù)掃描時(shí)間均比常規(guī)掃描時(shí)間縮短，每位志愿者采集的時(shí)長(zhǎng)從常規(guī)的735 s 下降至542 s，時(shí)間縮短約26.3%。其中3D 序列時(shí)間縮短尤為明顯，約達(dá)39%。uCS 技術(shù)融合了CS、并行成像及半傅立葉采集3 種主流加速成像技術(shù)，突破了單一技術(shù)的加速極限，極大地縮短了掃描時(shí)間?？紤]到圖像采集時(shí)間對(duì)于患者安全、臨床效率、圖像質(zhì)量和成本的重要性，uCS 在提供成像加速而不顯著影響圖像質(zhì)量方面顯示出了可能的優(yōu)勢(shì)。至今為止，鮮有研究將uCS 和常規(guī)MRI 2 種方法用在同一受檢者的顱腦掃描上，以比較uCS 與相應(yīng)常規(guī)MRI 序列的圖像質(zhì)量。本研究定量評(píng)價(jià)2 種成像方法的SNR 后發(fā)現(xiàn)，uCS 軸位T1WI 及矢狀位T1WI 序列的SNR 顯著高于常規(guī)軸位T1WI及矢狀位T1WI 序列。此外，在uCS 與常規(guī)方法比較FLAIR 及3D-T1WI 序列的SNR，兩者間差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這說明就SNR 而言，uCS 不僅達(dá)到了常規(guī)圖像的質(zhì)量，甚至uCS 在T1WI 序列上的圖像SNR 要超過常規(guī)方法。雖然考慮到uCS 使用了欠采樣算法，但增加的或相似的SNR 被認(rèn)為是CS中去噪算法的結(jié)果[16]。張曉東等[17]將CS 用于3.0T頭顱MRI 血管造影檢查，在縮短掃描時(shí)間的同時(shí)，提高了圖像質(zhì)量。李爽等[18]發(fā)現(xiàn)，CS 技術(shù)極大提高了心臟MRI 的掃描速度，同時(shí)保證不犧牲空間分辨率。Feng 等[19]發(fā)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)CS 的過程中，通過對(duì)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，在有CS 和沒有CS 的協(xié)議中，SNR保持不變。Vranic 等[6]發(fā)現(xiàn)，采用3D T2-FLAIR 和T1-擾相梯度回波序列對(duì)腫瘤進(jìn)行腦部MRI 檢查的患者，加速CS-SENSE MRI 與相應(yīng)的常規(guī)MRI 檢查具有同等的圖像質(zhì)量。相對(duì)于相應(yīng)的常規(guī)采集，組合成像加速技術(shù)似乎不會(huì)對(duì)整體圖像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。本研究的uCS 定量分析結(jié)果較前相似。Ding 等[20]分析了采用不同降噪因子的CS 方法在MRI 重建中的噪聲特性，證明了CS 重構(gòu)的去噪能力。背景噪聲是影響圖像SNR 的主要原因。由公式SNR＝（S-Sb）/SD 可以看出，背景噪聲（Sb）越小，圖像SNR 越大。

三、uCS 技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

圖像的診斷效能并非只由噪聲水平?jīng)Q定，而是多種因素共同作用的結(jié)果。甚至有人提出，CS 圖像的SNR 與傳統(tǒng)SNR 的概念不完全相同，傳統(tǒng)意義的SNR 測(cè)量不適合用于評(píng)估CS 的非線性重建圖像[17]。因此，主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果對(duì)臨床應(yīng)用的指導(dǎo)意義更大。雖然Eichinger 等[21]發(fā)現(xiàn)，CS 的圖像偽影較少，但Sartoretti 等[5]指出，CS 可能由于隨機(jī)K 空間采樣而導(dǎo)致常見偽影的外觀略有不同。本研究結(jié)果表明，在整體圖像質(zhì)量、SNR 方面，uCS 與常規(guī)MRI 序列之間差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但在視覺上，常規(guī)序列圖像灰白界面的清晰度及對(duì)比度優(yōu)于uCS 序列，尤其是T2-FLAIR 序列及3D-T1WI 序列。導(dǎo)致這種情況原因可能是圖像的對(duì)比度源自于K 空間中央?yún)^(qū)域，而清晰度和解剖細(xì)節(jié)源自于K 空間的邊緣區(qū)域，CS 重建時(shí)在K 空間中央?yún)^(qū)域獲得的回波比高于K 空間邊緣，從而導(dǎo)致圖像輕微模糊。但少許的圖像模糊并沒有降低圖像的質(zhì)量。值得注意的是，uCS 有其固有的技術(shù)局限性。K 空間欠采樣是減少圖像采集時(shí)間的關(guān)鍵，但如果采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)太少，則會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，表現(xiàn)為SNR 降低和圖像增強(qiáng)模糊。此外，uCS 技術(shù)在圖像重建過程中也會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)。為了準(zhǔn)確重建uCS 圖像，需要解決一個(gè)具有多個(gè)數(shù)學(xué)約束的優(yōu)化問題。這個(gè)過程證明計(jì)算復(fù)雜且耗時(shí)。這也是uCS技術(shù)臨床應(yīng)用的必要前提條件。

本研究尚存在一些不足。雖然對(duì)uCS 臨床應(yīng)用的初步探索已得到較好的結(jié)果，但本研究的對(duì)象是健康志愿者,今后將進(jìn)一步深入研究其在疾病診斷方面是否有影響。例如，想得到很高的SNR 時(shí)，可將正則化參數(shù)設(shè)為較大的值，但重建結(jié)果可能對(duì)疾病診斷有一定影響。這樣處理的結(jié)果雖然可以得到“干凈”的圖像，但小病灶的細(xì)節(jié)可能不能顯示，圖像對(duì)比變差[17]。因此，在不同的臨床應(yīng)用場(chǎng)景下，uCS 的參數(shù)如何設(shè)定必須由醫(yī)師根據(jù)實(shí)際情況決定。初步驗(yàn)證uCS 技術(shù)的可行性之后，應(yīng)進(jìn)一步研究其診斷效能，理想的方法是進(jìn)行大規(guī)模、多中心臨床試驗(yàn)，在不同疾病情況下，比較uCS 與常規(guī)MRI 掃描對(duì)疾病診斷效能的差異，這也是本研究未來的探索方向。

總之，相較于常規(guī)MRI 掃描，uCS 技術(shù)可以顯著加快顱腦MRI 圖像的采集速度，同時(shí)能保證圖像質(zhì)量，在臨床常規(guī)應(yīng)用方面有很大的潛能。