不同壓縮感知因子對腦SWI“燕尾征”分析的影響

楊婧，劉楊穎秋，劉娜，高冰冰，宋清偉，張浩南，苗延巍

CS技術(shù)采用遠低于傳統(tǒng)采樣定律要求的采樣點進行重建并加以恢復，以縮短信號采集的掃描時間[8]。但是，一味地縮短掃描時間可能會造成圖像質(zhì)量下降，對細微結(jié)構(gòu)顯示能力下降，如PD的STS。因此，本研究擬主觀和客觀分析CS-SWI的不同加速因子(acceleration factor，AF)對STS的影響，尋找其最佳AF。

1 材料和方法

1.1 一般資料

于2020 年7 月至2021 年3 月前瞻性招募40 名健康志愿者，男11名，女29名，年齡13～84 (38.6±17.3)歲。納入標準：(1)經(jīng)MRI檢查證實身體無異常；(2) SWI圖像質(zhì)量滿足臨床診斷要求；(3)右利手。排除標準：(1) PD及其他神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病的癥狀、體征及家族史；(2)合并重大腦部疾病，包括顱腦外傷、顱內(nèi)腫瘤、顱內(nèi)感染等。本研究獲得大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院倫理委員會批準(編號：PJ-KSKY-2021-121)。檢查前所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

采用荷蘭Phillip Ingenia CX 3.0 T 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，包括無AF 的常規(guī)SWI 序列(AF=0)和不同AF 的CS-SWI 序列(AF=CS2、CS4、CS6、CS8、CS10)，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，體素0.60 mm×0.90 mm×2.5 mm；AF 從0 至10 對應的掃描時間分別為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

首先將SWI及CS-SWI的醫(yī)學數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式圖像拷貝進個人電腦。利用磁共振信號處理(signal processing in nuclear，SPIN)軟件對SWI的相位圖進行觀察和測量。首先由2位具有1年以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師對SN和STS的圖像質(zhì)量進行主觀評估，并進行3級評分(0級：SN和STS結(jié)構(gòu)顯示佳，界限清晰；1級：SN和STS結(jié)構(gòu)顯示較好，界限較清晰；2級：SN和STS結(jié)構(gòu)顯示不佳，界限模糊)，意見不一致時經(jīng)討論達成共識。計數(shù)不同AF中STS的顯示數(shù)量。沿核團邊緣手動勾畫雙側(cè)SN和STS作為感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，如圖1所示。ROIs均測量三次，記錄并計算相位值(phase value，PV)和標準差(standard deviation，SD)的平均值，同時測量頂葉白質(zhì)的PV值作為對照值。其中1位醫(yī)師間隔2個月再次對上述結(jié)構(gòu)進行主觀評分和客觀測量。計算SN 和STS 的信噪比(signal to noise ratio，SNR)和對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)：SNR核團-白質(zhì)=PV核團/SD白質(zhì)，CNR核團-白質(zhì)=(PV核團-SD白質(zhì))/SD白質(zhì)。

圖1 女，25歲，ROI的勾畫示意圖。1A、1B：SN整體ROI勾畫；1C、1D：紫色部分表示STS。注：SN：黑質(zhì)；STS：燕尾征。Fig.1 Female,25 years,the manual diagram of ROI.1A,1B:The ROI is whole SN.1C,1D:the purple is STS.Note:SN:substantia nigra;STS:swallow tail sign.

1.4 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 26.0 統(tǒng)計分析軟件處理數(shù)據(jù)。采用Cohen's Kappa 檢驗評價觀察者間主觀評價的一致性(一致性極好：Kappa＞0.80)；通過計算組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(interclass correlation cofficient，ICC)，驗證觀察者內(nèi)主觀評分和客觀測量的一致性(一致性極好：ICC＞0.80)。運用Fisher 確切概率法分析不同AF 下STS顯示率的差異；使用單因素方差分析(analysis of variance，ANOVA)中最小顯著性差異法(least-significant difference，LSD)對比不同AF的圖像質(zhì)量差異。P值經(jīng)Benjamini-Hochberg 的錯誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate，F(xiàn)DR)方法校正，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 一致性評價

2 名醫(yī)師根據(jù)評分等級規(guī)定評價SN 和STS 圖像質(zhì)量，其結(jié)果一致性極好(Kappa＞0.80)，同一醫(yī)師間隔2 個月對SN 和STS 圖像質(zhì)量評分結(jié)果一致性極好(ICC＞0.80)。同一醫(yī)師間隔2 個月對SN 和STS 圖像質(zhì)量定量測量結(jié)果一致性極好(ICC＞0.80)。

2.2 主觀評價

當AF≥6時，STS圖像表現(xiàn)清晰度明顯下降，且表現(xiàn)出STS的數(shù)量也會隨著AF增加而減少，即STS的顯示率逐漸降低，差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。見表1、圖2。

表1 不同AF條件下STS的數(shù)量、顯示率及P值Tab.1 The number of STS,displaying rate and P value with different AFs

2.3 客觀評價

2.3.1 不同AF條件下SN的SNR、CNR變化

綜上所述，老年衰弱患者進行手術(shù)存在發(fā)生短期和長期不良結(jié)局的高風險，術(shù)后不良事件發(fā)生率較非衰弱患者顯著增加。有必要將衰弱納入老年患者的術(shù)前評估中，以明確是否存在衰弱及老年衰弱患者術(shù)中可能出現(xiàn)的問題，并以此為據(jù)進行個體化圍手術(shù)期管理。全過程需要跨學科團隊協(xié)作。目標是手術(shù)可以使老年衰弱患者獲益，減少術(shù)后不良并發(fā)癥和失能，最終能夠回歸社區(qū)生活，改善生活質(zhì)量。

由圖3可見，雙側(cè)SNs的SNR和CNR在AF＞2時差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。

圖3 不同AF條件下兩側(cè)SN 的SNR 和CNR 的差異。當AF＞2時，兩側(cè)SN 的SNR 和CNR 差異有統(tǒng)計學意義。注：AF：加速因子；SN：黑質(zhì)；CS：壓縮感知；SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。 圖4 不同AF 條件下兩側(cè)STS 的SNR 和CNR 的差異。當AF＞4 時，兩側(cè)STS 的SNR 和CNR 差異有統(tǒng)計學意義。注：AF：加速因子；STS：燕尾征；CS：壓縮感知；SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。Fig. 3 The difference of CNR and SNR on the bilateral SNs with different AFs. When AF＞2, the SNR and CNR of bilateral SNs showd significant differences.Note:AF:acceleration factor;CS:compressed sensing;SN:substantia nigra;SNR:signal to noise ratio;CNR:contrast to noise ratio.Fig.4 The difference of CNR and SNR on the bilateral STSs with different AFs. When AF＞4, the SNR and CNR of bilateral SNs showd significant differences. Note:AF: acceleration factor;STS:swallow tail sign;CS:compressed sensing;SNR:signal to noise ratio;CNR:contrast to noise ratio.

2.3.2 不同AF條件下STS的SNR、CNR變化

由圖4 可見，雙側(cè)STSs 的SNR 和CNR 在AF＞4 時差異即具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。

3 討論

本研究旨在將CS 技術(shù)應用到健康志愿者的SWI中探索不同AF 對PD 患者常見診斷特征——STS 的觀察和診斷是否有影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當AF=CS4時，圖像質(zhì)量不受加速技術(shù)的影響，掃描時間減少70.7% (4 min 9 s)。由于PD患者的年齡分布較大及疾病癥狀的特殊性，SWI 較長的掃描時間會使PD 患者依從性降低，進而影響圖像質(zhì)量，目前未發(fā)現(xiàn)將CS技術(shù)應用到STS的研究，故縮短SWI掃描時間并盡可能減少圖像偽影對PD的診斷治療具有一定的臨床意義。

3.1 CS技術(shù)在SWI中應用的可行性

本研究將6 個AF (0 和CS2、CS4、CS6、CS8、CS10)應用到SWI 中，得到6 個不同AF 的CS-SWI 圖像。CS技術(shù)是直接感知壓縮之后的信號，通過有選擇性地采集少量重要數(shù)據(jù)并采用有效的重構(gòu)算法實現(xiàn)原始信號的重構(gòu)，實現(xiàn)縮短信號采集所需時間，減少計算量，并在一定程度上保持了原始信號的重建質(zhì)量要求[9]。Delattre 等[10]在多個常規(guī)MRI 序列的研究表明，CS 技術(shù)可減少30%以上的掃描時間，圖像質(zhì)量僅受較輕影響，對診斷結(jié)果無明顯影響；而且在臨床常規(guī)的特定序列中，至少30%和高達60%的加速是可行的。M?nch 等[11]的研究表明，CS 技術(shù)可大大加速腦部MR 掃描時間，在掃描中增加了空間分辨率，甚至提高了圖像質(zhì)量。Park等[12]認為CS技術(shù)可以縮短掃描時間，增加空間分辨率，同時還可以增加掃描覆蓋率。我們的研究與之前的研究結(jié)果一致，認為運用CS 技術(shù)可以很大程度地縮短掃描時間，對圖像質(zhì)量沒有影響。因此將該技術(shù)應用到與PD疾病相關(guān)的組織學特征STS 上是可行的，可達到既減少掃描時間，又不影響STS的成像以及臨床醫(yī)師的診斷鑒別的目的。

3.2 CS技術(shù)在STS上的應用

3.2.1 STS的命名過程

SNpc的神經(jīng)元在PD早期就會受到影響，在表現(xiàn)出運動癥狀之前有60%～80%的神經(jīng)元丟失[1]。1999 年，Damier等[2]通過尸檢病理在SN 中發(fā)現(xiàn)了一個PD 生物標志物，即黑質(zhì)小體。它是健康SN 中的一種多巴胺能細胞，利用鈣蛋白D28k 的免疫染色，識別了SNpc和黑質(zhì)小體內(nèi)鈣蛋白陰性的5個含多巴胺亞群，其中最大的黑質(zhì)小體被標記為N1，并位于SN 的中部和尾部，它包含了最常受PD 影響的最大比例的神經(jīng)元[3]。2013年，Blazejewska等[13]對健康受試者和PD患者使用7.0 T 和3.0 T MRI 進行研究，發(fā)現(xiàn)健康受試者SN后側(cè)存在橢圓高信號，符合N1 免疫組化特征，而PD患者的橢圓高信號丟失。2014 年，Schwarz 等[6]用3.0 T MRI 在中腦軸位圖像也發(fā)現(xiàn)健康人中腦SN 的背外側(cè)部存在N1，在SWI 像表現(xiàn)為條索狀、逗點狀或楔形的高信號區(qū)，周圍由低信號環(huán)繞，其與前外側(cè)SNpc 和內(nèi)側(cè)丘系共同組成形成“燕尾”樣，命名為“STS”。

3.2.2 STS的主觀評價

本研究通過CS-SWI 觀察STS 的顯示，期望得到能縮短掃描時間又不影響STS 觀察的最佳AF。STS在健康人群中普遍存在。Gramsch 等[14]采用7.0 T MRI 對46 例健康志愿者(19～75 歲)的SWI 進行研究，發(fā)現(xiàn)N1 的整體特異度為94% (43/46 可歸為正常：N1在雙側(cè)或單側(cè)明顯可見)，而且發(fā)現(xiàn)N1的可見性與年齡無關(guān)。STS 的缺失被認為黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元功能異常，常見于退行性疾病。Kim 等[15]研究發(fā)現(xiàn)30 例PD 病例中N1 有100%缺失，而在26 例健康人群中N1均存在。Gao等[16]的研究發(fā)現(xiàn)利用STS有無來鑒別PD 和非PD 的敏感度為100%，特異度為96.08%。Cheng等[7]利用改進的SWI鑒別特發(fā)型PD和非典型PD，其敏感度和特異度分別為91%和79%。Schwarz 等[6]利用HR-T2*/SWI 3D多鏡頭快速場回波-回波平面成像序列，其掃描參數(shù)添加了SENSE 2，掃描時間為2 min 36 s，發(fā)現(xiàn)PD 診斷準確率為96%，敏感度為100%，特異度為95%。由此發(fā)現(xiàn)STS 對于PD 疾病的診斷具有高敏感性和特異性，STS 的缺失被認為是PD 在SWI 的特征表現(xiàn)[17]，所以對STS特征的觀察有助于PD疾病的診斷和鑒別[18]。本研究對STS主觀評分發(fā)現(xiàn)，當AF≥6 時，STS 圖像表現(xiàn)清晰度明顯下降，且STS 的顯示率逐漸降低，差異具有統(tǒng)計學意義。通過主觀評價發(fā)現(xiàn)，顯示STS 的最佳AF 是CS4，掃描時間減少4 min 9 s (70.7%)。由此可見，針對年齡大的PD 患者，通過優(yōu)化的CS-SWI 可以提高檢查效率，緩解PD 患者因掃描時間過長產(chǎn)生的不適感，減少圖像運動偽影。

3.2.3 STS的客觀評價

STS 是N1 在SWI 上的直接呈現(xiàn)，與腦內(nèi)鐵沉積密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，鐵沉積與SN有顯著關(guān)系[13,19]。PD患者的SNpc中鐵沉積增加[20-22]，也有證據(jù)表明鐵沉積甚至與PD疾病的嚴重程度相關(guān)[21]。PD中神經(jīng)黑色素含量減少和鐵儲存能力的降低會增加游離順磁性鐵含量的水平，從而改變磁敏感性和信號特性[23]。SWI相位圖正可以借助其反映不同組織間磁敏感性細微差異的原理，將其量化為PV 值，通過校正測得的PV值大小與腦鐵沉積呈負相關(guān)，說明PV值越低，鐵水平越高[20]。本研究通過測量健康人群SN 和STS 的PV值，將其鐵沉積間接量化為PV 值發(fā)現(xiàn)，SN 的SNR 和CNR 在AF＞2 時，差異具有統(tǒng)計學意義，而STS 的SNR和CNR 在AF＞4 時差異具有統(tǒng)計學意義，所以富鐵沉積的N1也就是STS的PV值量化會受到黑質(zhì)疏松部的影響；而且Kau等[24]的尸檢研究發(fā)現(xiàn)SNpc內(nèi)的微血管為SWI 測量的混雜因素：在9 例對照組受試者中有8 例，一個或多個微血管位于STS 中間或至少出現(xiàn)在單側(cè)STS 部分，靜脈水平也可能影響鐵定量的PV 值，導致最佳AF 出現(xiàn)變化。并且通過對STS 的主觀評分和顯示率也發(fā)現(xiàn)，在可視化方面，其AF 可達到4。綜合所有結(jié)果發(fā)現(xiàn)，STS 的最佳AF 是CS4，掃描時間減少4 min 9 s (70.7%)。

基于此，可借助對PV值的觀察和分析，定量STS中的鐵沉積變化，為鑒別健康人群和PD患者及PD疾病早期階段的發(fā)現(xiàn)提供更可靠依據(jù)。Martin等[25]采用R2*技術(shù)定量測量SNpc 的鐵含量發(fā)現(xiàn)，PD 早期在SNpc 背外側(cè)有明顯鐵沉積，且該部位鐵含量與PD 運動癥狀的嚴重程度呈正相關(guān)，Huang 等[26]也得出了同樣的結(jié)果，為PD疾病的治療提供更有價值的信息。

3.3 本研究的局限性

本研究還有一些局限性。首先，該研究僅為單中心研究，樣本量偏少，對結(jié)果可能會造成一定偏差，后續(xù)擬進行多中心、大樣本研究；其次，研究中兩位醫(yī)師對SN 和STS 圖像質(zhì)量的主觀評價意見不一致時，對主觀評價的評分及后續(xù)結(jié)果是否有影響可做進一步研究；最后，本研究只是將CS技術(shù)應用到健康人群，來觀察SN 和STS 的變化，未來應將該技術(shù)應用到PD患者，進一步證實結(jié)論是否嚴謹。

綜上所述，由腦SWI圖像定量數(shù)據(jù)結(jié)果可知，對STS結(jié)構(gòu)的觀察可根據(jù)SNR、CNR以及主觀評分和顯示率變化，可考慮CS4，掃描時間減少70.7% (4 min 9 s)。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。