不同加速因子壓縮感知技術(shù)對(duì)大腦磁敏感加權(quán)成像質(zhì)量及核團(tuán)相位值的影響

楊 婧，苗延巍，高冰冰，劉楊穎秋，劉 娜，張 楠，邴 雨

(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 大連 116011)

磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging， SWI)基于組織磁敏感性差異進(jìn)行成像，對(duì)磁場均勻性的細(xì)微變化高度敏感，可用于定量分析腦鐵含量，已廣泛用于診斷中樞神經(jīng)系統(tǒng)出血性病變、異常靜脈病變及腫瘤等[1-2]，但所需時(shí)間相對(duì)較長，易受運(yùn)動(dòng)偽影干擾導(dǎo)致圖像分辨率及質(zhì)量下降。壓縮感知(compressed sensing， CS)技術(shù)采用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)采樣定律要求的采樣點(diǎn)進(jìn)行重建并加以恢復(fù)，可縮短信號(hào)采集時(shí)間[3]。本研究觀察不同加速因子(acceleration factor， AF)對(duì)腦CS-SWI圖像質(zhì)量及腦灰質(zhì)核團(tuán)相位值(phase value， PV)測量結(jié)果的影響。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 于2020年7月—2021年3月招募40名健康志愿者，男11名，女29名，年齡13～84歲，平均(38.6±17.3)歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：①嚴(yán)重酒精依賴及精神活性物質(zhì)濫用；②SWI質(zhì)量不佳，存在不可去除的偽影。本研究獲大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(編號(hào)：PJ-KSKY-2018-56)。檢查前受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Philips Ingenia CX 3.0T MR掃描儀，32通道頭部線圈，結(jié)合CS技術(shù)行頭部3D梯度回波序列軸位SWI，包括AF為0的常規(guī)SWI及AF分別為2、4、6、8及10的CS-SWI；其余掃描參數(shù)：TR 28 ms，TE 5.6 ms，層厚2.5 mm，層間距-1.25 mm，F(xiàn)OV 230 mm×187 mm×149 mm，體素0.60 mm×0.90 mm；AF 0、2、4、6、8及10對(duì)應(yīng)掃描時(shí)間分別為5 min 52 s、3 min 25 s、1 min 43 s、1 min 9 s、52 s及42 s。

1.3 圖像分析 導(dǎo)入DICOM格式圖像，采用MR信號(hào)處理(signal processing in nuclear MR， SPIN)軟件觀察SWI相位圖，并測量數(shù)據(jù)。由2名具有1年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師對(duì)相位圖質(zhì)量進(jìn)行主觀評(píng)分，觀察殼核(putamen， PUT)和蒼白球(globus pallidus， GP)間分界線及各核團(tuán)解剖結(jié)構(gòu)是否清晰：以分界線及核團(tuán)結(jié)構(gòu)清晰為0級(jí)，各核團(tuán)解剖結(jié)構(gòu)顯示較好、界限較清晰為1級(jí)，各核團(tuán)解剖結(jié)構(gòu)顯示不佳、界限模糊為2級(jí)；意見不一致時(shí)經(jīng)討論達(dá)成共識(shí)。由其中1名醫(yī)師沿核團(tuán)邊緣手動(dòng)勾畫雙側(cè)尾狀核頭(head of caudate nucleus， HCN)、PUT、GP、丘腦枕(pulvinar， PUL)、紅核(red nucleus， RN)、黑質(zhì)(substantia nigra， SN)及齒狀核(dentate nucleus， DN)ROI(圖1)，并測量頂葉白質(zhì)(parietal white matter， PWM)PV作為對(duì)照，勾畫3次，測量并計(jì)算PV平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，計(jì)算各組信噪比(signal-to-noise ratio， SNR)和對(duì)比噪聲比(contrast-to-noise ratio， CNR)，SNR核團(tuán)-白質(zhì)=PV核團(tuán)/SD白質(zhì)，CNR核團(tuán)-白質(zhì)=(PV核團(tuán)-SD白質(zhì))/SD白質(zhì)；并于2個(gè)月后重復(fù)上述操作。

圖1 受試者男，34歲 A～D.于AF為0的不同層面SWI中分別勾畫HCN(紅色)、PUT(淺綠色)、GP(黃色)、PUL(深綠色)、RN(橙色)、SN(藍(lán)色)及DN(紫色)ROI

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以Cohen'sKappa檢驗(yàn)評(píng)價(jià)觀察者間對(duì)圖像主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性；以組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation coefficient， ICC)評(píng)價(jià)觀察者內(nèi)測量各PV結(jié)果的一致性：Kappa/ICC≤0.4為一致性差，0.40.8為一致性極好。采用Fisher精確概率法分析AF=0時(shí)與AF取其他值時(shí)圖像主觀評(píng)分的差異。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料，采用單因素方差分析比較第2次勾畫測量結(jié)果，采用LSD法比較AF=0時(shí)與其他條件下各參數(shù)的差異。對(duì)P值行FDR校正，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 主觀評(píng)價(jià)圖像 觀察者間對(duì)PUT和GP之間分界線的評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性均較好(Kappa：0.63～0.80，P均<0.05)。隨AF增加，PUT與GP間分界線逐漸模糊，以AF=10為著，見表1及圖2。

圖2 受試者男，34歲 A～F.AF分別為0、2、4、6、8及10條件下的SWI，隨AF增加，GP與PUT的分界線逐漸模糊

表1 不同AF條件下2名醫(yī)師對(duì)雙側(cè)PUT與GP間分界線的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果比較(n=40，名)

觀察者內(nèi)測量各PV結(jié)果的一致性均極好(ICC：0.82～0.98，P均<0.05)。AF≥4時(shí)，雙側(cè)SN及雙側(cè)DN的SNR及CNR較AF=0出現(xiàn)差異(P均<0.05)；AF≥6時(shí)，雙側(cè)HCN、雙側(cè)GP、雙側(cè)PUL及雙側(cè)RN各參數(shù)出現(xiàn)差異(P均<0.05)；AF≥8時(shí)，雙側(cè)PUT出現(xiàn)差異(P均<0.05)。見表2、3。

表2 不同AF條件下各核團(tuán)SNR差異(n=40)

表3 不同AF條件下各核團(tuán)CNR差異(n=40)

2.2 各核團(tuán)PV 與AF=0時(shí)相比，AF=10時(shí)，右側(cè)GP、右側(cè)PUL及雙側(cè)RN的PV均增高(P均<0.05)；雙側(cè)SN和雙側(cè)DN的PV于不同AF條件下均存在明顯差異(P均<0.05)。不同AF條件下，雙側(cè)HCN、雙側(cè)PUT、左側(cè)GP及左側(cè)PUL的PV均無顯著差異(P均>0.05)。見表4。

表4 不同AF條件下各核團(tuán)PV差異(n=40)

3 討論

SWI為3D梯度回波成像，采集時(shí)間多大于5 min。在其余條件固定的情況下，MRI的SNR、空間分辨率及掃描時(shí)間相互制約。CS技術(shù)能夠明顯縮短掃描時(shí)間，但掃描速度達(dá)到一定程度時(shí)，可能影響圖像質(zhì)量。DELATTRE等[4]的研究結(jié)果表明，CS技術(shù)可縮短掃描時(shí)間30%以上，圖像質(zhì)量僅較輕微受損，對(duì)診斷結(jié)果無明顯影響。M?NCH等[3]報(bào)道，CS技術(shù)可減少腦部MR掃描時(shí)間，甚至能提高圖像質(zhì)量。目前CS技術(shù)僅初步用于腹部、心臟、中樞神經(jīng)、骨關(guān)節(jié)及乳腺[5-9]。

選擇AF是CS的關(guān)鍵，高AF會(huì)明顯縮短掃描時(shí)間，但可能影響圖像質(zhì)量及量化分析。本研究共設(shè)計(jì)6個(gè)AF，結(jié)果顯示AF=10時(shí)圖像清晰度明顯降低、核團(tuán)界限不清楚；通過計(jì)算圖像SNR和CNR進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，AF=2時(shí)，掃描時(shí)間減少2 min 27 s，而圖像質(zhì)量未受到明顯影響，能夠滿足臨床需要?？s短掃描時(shí)間可減輕患者檢查時(shí)的焦慮感，有助于腦血管病及帕金森病等配合欠佳的患者順利完成檢查。

SWI的PV可反映不同組織間磁敏感性的差異，與腦鐵沉積呈負(fù)相關(guān)[10]，有助于理解鐵沉積所致相關(guān)代謝性腦疾病的病理機(jī)制。本研究發(fā)現(xiàn)，AF=8時(shí)，對(duì)幕上核團(tuán)(HCN、PUT、GP及PUL等)的鐵定量均無明顯影響，但幕下核團(tuán)中SN和DN的PV在AF=2時(shí)即出現(xiàn)明顯差異；分析原因，可能在于相對(duì)于幕上核團(tuán)，幕下核團(tuán)PV受顱后窩偽影影響較為明顯，還可能與灰質(zhì)核團(tuán)鈣、鐵等礦物質(zhì)沉積部位及年齡等異質(zhì)性相關(guān)。

綜上所述，利用CS技術(shù)可有效縮短腦SWI掃描時(shí)間，AF=2時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量無明顯影響，但對(duì)部分核團(tuán)、尤其幕下核團(tuán)的PV存在一定影響。本研究的主要局限性在于樣本量小，勾畫ROI方式可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏倚，有待進(jìn)一步完善。