人工智能-壓縮感知與壓縮感知在膝關(guān)節(jié)MRI中的加速效率及圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

潘珂，劉倩倩，唐玲玲，胡云濤，黃小華

膝關(guān)節(jié)是人體重要的負(fù)重關(guān)節(jié)，骨關(guān)節(jié)炎[1-2]、急慢性損傷所致的半月板[3]及韌帶損傷[4-5]等因素導(dǎo)致的患肢疼痛、畸形及功能障礙降低患者勞動(dòng)能力，嚴(yán)重影響本人及家庭生活質(zhì)量；若能早期診斷，及時(shí)地進(jìn)行個(gè)體化治療有利于減輕疼痛、延緩病情進(jìn)展、改善關(guān)節(jié)功能、提高患者生活質(zhì)量[6-7]。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)具有非侵入性、多參數(shù)多對(duì)比等優(yōu)點(diǎn)，在此類疾病早期診斷中具有重要價(jià)值，已成為不可替代的檢查方法[8-9]。MRI 的一個(gè)重要特點(diǎn)是檢查時(shí)間長(zhǎng)，在檢查過程中受檢部位須完全制動(dòng)。但在骨關(guān)節(jié)炎或急慢性損傷等情況下，受檢者因患肢疼痛不適難以全程制動(dòng)，圖像出現(xiàn)嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)偽影，導(dǎo)致檢查失敗。因此膝關(guān)節(jié)MRI 加速采集技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。

目前廣泛應(yīng)用的加速采集技術(shù)包括并行采集(parallel imaging，PI)[10]與壓縮感知(compressed sensing，CS)[11-12]。近來(lái)有學(xué)者提出一項(xiàng)新的加速采集技術(shù)，人工智能-壓縮感知(artificial intelligence compressed sensing，ACS)[13-15]。在ACS中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先從大量全采樣的圖像中學(xué)習(xí)圖像結(jié)構(gòu)與內(nèi)容信息，然后將此類先驗(yàn)信息應(yīng)用到亞采樣圖像重建中，減少圖像重建所需的采樣點(diǎn)數(shù)目，從而縮短采集時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于ACS在磁共振加速采集中的研究多為算法理論研究[16-18]，國(guó)外已有少量臨床應(yīng)用研究，目前局限在顱腦、肝臟、前列腺圖像采集[19-22]，且為單一加速因子的ACS序列的研究，至今國(guó)內(nèi)外未見關(guān)于加速因子對(duì)圖像質(zhì)量影響的研究報(bào)道。本研究將應(yīng)用不同加速因子的CS、ACS的質(zhì)子密度加權(quán)序列圖像分別與經(jīng)典加速采集技術(shù)PI進(jìn)行比較，探討加速因子對(duì)采集時(shí)間與圖像質(zhì)量的影響，在ACS臨床應(yīng)用中具有很高的指導(dǎo)意義。本研究將對(duì)CS、ACS對(duì)圖像質(zhì)量、噪聲、偽影及與圖像信噪比(signal noise ratio，SNR)等方面的影響進(jìn)行深入分析。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究為前瞻性研究，通過川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：2021ER162-1)，全體受試者均已簽署知情同意書。本研究連續(xù)納入2021 年7 月至2021 年8 月因膝關(guān)節(jié)疼痛進(jìn)行MRI 檢查的受檢者67 名，其中男31 名，女36 名，年齡21～67 (42.6±12.0)歲。受檢者納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)無(wú)磁共振檢查禁忌證；(2)年齡大于18 歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)近六個(gè)月內(nèi)接受膝關(guān)節(jié)手術(shù)；(2)膝關(guān)節(jié)手術(shù)后存在金屬植入物；(3)股骨外側(cè)髁骨髓、股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨及髕下脂肪墊信號(hào)異常影響數(shù)據(jù)測(cè)量；(4)無(wú)法完成全部掃描序列。

1.2 研究?jī)x器、掃描方法及技術(shù)參數(shù)

本研究采用3.0 T 超導(dǎo)磁共振成像儀(uMR790，上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，中國(guó))與膝關(guān)節(jié)專用12 通道相控陣線圈(上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，中國(guó))。所有受檢者采用仰臥位，足先進(jìn)。掃描方位及序列為矢狀面質(zhì)子密度加權(quán)序列，分別采用PI、CS及ACS 進(jìn)行加速采集，各序列幾何參數(shù)與對(duì)比參數(shù)保持一致：FOV 160 mm×160 mm，采集矩陣304×259，重建矩陣456×387，層厚3 mm，層間隔 0，層數(shù)24；TR 3000 ms，TE 32 ms。設(shè)置PI 序列加速因子為2.0?；谠O(shè)備序列模型，設(shè)置加速因子分別為2.0、2.5、3.0 的CS 序列與加速因子分別為2.5、3.0、3.5、4.0 的ACS 序列，掃描結(jié)束后在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)圖像重建。

1.3 圖像分析

1.3.1 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)

本研究采用醫(yī)學(xué)影像處理軟件(uWS-MR，上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，中國(guó))進(jìn)行圖像評(píng)價(jià)與數(shù)據(jù)測(cè)量。分別由一名具有12 年骨關(guān)節(jié)影像診斷經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師與一名具有5 年骨關(guān)節(jié)影像診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師在對(duì)成像參數(shù)不知情的情況下獨(dú)立對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，采用四級(jí)評(píng)分法：1 分為圖像質(zhì)量好，無(wú)偽影及噪聲，組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)清晰；2 分為圖像質(zhì)量較好，存在少量噪聲或偽影，組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)清晰；3 分為圖像存在噪聲或偽影，組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)較清晰；4 分為圖像存在明顯噪聲或偽影，組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)模糊。

1.3.2 多處組織SNR測(cè)量

另一名醫(yī)師在對(duì)成像參數(shù)不知情的情況下對(duì)圖像進(jìn)行定量分析，在相同層面的股骨內(nèi)側(cè)髁、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、髁間窩積液、髕下脂肪墊與股骨外側(cè)髁軟骨前部[23]放置面積分別約40、50、1.5～4、20、1.5 mm2的橢圓形感興趣區(qū)，測(cè)量組織信號(hào)強(qiáng)度及噪聲，計(jì)算SNR。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用Cohen κ 檢驗(yàn)對(duì)2 名醫(yī)師的圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。κ≤0.20 認(rèn)為一致性較差，0.21＜κ≤0.40 認(rèn)為一致性一般，0.41＜κ≤0.60 認(rèn)為一致性中等，0.61＜κ≤0.80認(rèn)為一致性較強(qiáng)，0.81＜κ≤1.00 認(rèn)為一致性強(qiáng)。若一致性超過中等，選擇高年資醫(yī)師(具有12 年骨關(guān)節(jié)影像診斷經(jīng)驗(yàn))主觀評(píng)分結(jié)果進(jìn)一步分析。采用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)進(jìn)行8 組序列的圖像質(zhì)量評(píng)分與各部位SNR 整體差異分析。若差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，進(jìn)一步采用Wilcoxon 符號(hào)秩和檢驗(yàn)將CS、ACS 各序列與PI 2.0 進(jìn)行兩兩比較。各數(shù)據(jù)均采用±s表示，P＜0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 序列采集時(shí)間比較

PI 2.0 采集時(shí)間152 s；CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0 采集時(shí)間分別為128、104、86 s，較PI 2.0 分別縮短16%、32%、43%；ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 采集時(shí)間分別為76、65、57、51 s，較PI 2.0 分別縮短50%、57%、63%、66%。

2.2 兩位醫(yī)師圖像質(zhì)量主觀評(píng)分一致性分析

在圖像質(zhì)量主觀評(píng)分中，兩位醫(yī)師對(duì)PI 2.0、CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0、ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 8組序列的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分一致性較強(qiáng)至一致性強(qiáng)(κ分別為0.735、0.765、0.805、0.830、0.785、0.798、0.835、0.869，P均＜0.05)。

2.3 各組序列圖像質(zhì)量比較

8 組序列間醫(yī)師主觀評(píng)分及股骨內(nèi)側(cè)髁SNR、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭SNR、髁間窩積液SNR、髕下脂肪墊SNR、股骨外側(cè)髁軟骨SNR 差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＜0.05) (表1)。

表1 8組序列醫(yī)師主觀評(píng)分及組織SNR分析結(jié)果Tab.1 The scores of subjective image quality evaluation and tissue SNR in eight sequences

進(jìn)一步對(duì)CS 與ACS 各序列的主觀評(píng)分進(jìn)行分析，并將5 處組織SNR 與PI 2.0 進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果見表2。CS 2.0、ACS 2.5、ACS 3.0 圖像質(zhì)量醫(yī)師主觀評(píng)分與PI 2.0 之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，CS 2.5、CS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 評(píng)分顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)。兩位醫(yī)師對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分時(shí)發(fā)現(xiàn)隨加速因子增大，CS 序列圖像噪聲增加；ACS 則表現(xiàn)為圖像模糊(圖1)。

圖1 男，39歲，外側(cè)半月板前角撕裂。PI 2.0與不同加速因子的CS、ACS膝關(guān)節(jié)矢狀面脂肪抑制質(zhì)子密度加權(quán)序列對(duì)比。1A～1H分別為PI 2.0、CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0、ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0。在CS 序列中，隨加速因子增大，圖像噪聲增多（1C、1D）；在ACS 序列中，加速因子增大，圖像模糊增加，組織細(xì)節(jié)顯示不清（1G、1H）。PI：并行采集；CS：壓縮感知；ACS：人工智能-壓縮感知。Fig. 1 Male, 39 years old, with a tear of the anterior horn of the lateral meniscus. Comparison of the reference parallel imaging (PI) 2.0 with the compressed sensing(CS)and Artificial intelligence compressed sensing(ACS)with different acceleration factors in the sagittal fat-saturated proton density weighted imaging of the knee.1A-1H were PI 2.0,CS 2.0,CS 2.5,CS 3.0,ACS 2.5,ACS 3.0,ACS 3.5 and ACS 4.0 respectively.A noise enhancement can be observed in the sequences with increased acceleration factor in CS(1C,1D).In ACS,with acceleration factor increasing,the images became blurrier(1G,1H).

7 組序列組織SNR 與PI 2.0 進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果顯示：ACS 2.5 股骨內(nèi)側(cè)髁SNR 高于PI 2.0，CS 3.0 股骨內(nèi)側(cè)髁SNR 低于PI 2.0，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；CS 3.0、ACS 4.0 腓腸肌內(nèi)側(cè)頭SNR 顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；CS 2.5、CS 3.0、ACS 3.5 髁間窩積液SNR 顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；CS 3.0 髕下脂肪墊SNR 顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；CS 3.0 與ACS 3.5、ACS .0 股骨外側(cè)髁軟骨SNR顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。

表2 CS、ACS組序列醫(yī)師主觀評(píng)分級(jí)組織SNR與PI 2.0比較Tab.2 The statistical analysis results for the scores of subjective image quality evaluation and tissue SNR of CSs and ACSs compared with PI 2.0

3 討論

本研究采用不同加速因子的CS (CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0)、ACS (ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0)對(duì)膝關(guān)節(jié)矢狀位二維質(zhì)子密度加權(quán)序列進(jìn)行加速采集，就圖像質(zhì)量定量分析指標(biāo)SNR及醫(yī)師主觀評(píng)分將其與目前已實(shí)現(xiàn)廣泛臨床應(yīng)用的PI 進(jìn)行比較。研究結(jié)果顯示在保證組織SNR與圖像質(zhì)量的前提下，CS 2.0 可將掃描時(shí)間縮短16%；ACS 能夠進(jìn)一步縮短掃描時(shí)間，最大可應(yīng)用加速因子ACS 3.0可將掃描時(shí)間縮短57%。本研究是目前國(guó)內(nèi)外首次聯(lián)合多個(gè)加速因子的CS 及ACS 加速序列圖像與經(jīng)典加速采集技術(shù)PI 進(jìn)行比較，分析CS 及ACS 中加速因子對(duì)采集時(shí)間與圖像質(zhì)量的影響，對(duì)ACS的臨床應(yīng)用有很高的指導(dǎo)意義，為臨床常規(guī)檢查應(yīng)用中ACS加速因子的選擇提供重要參考。

3.1 與既往CS技術(shù)相關(guān)研究比較

本研究結(jié)果顯示，在保證圖像質(zhì)量的前提下，CS在二維成像中可應(yīng)用的最大加速因子為CS 2.0 (掃描時(shí)間縮短16%)。若增大加速因子，則隨著加速因子的增大，CS 2.5 (掃描時(shí)間縮短32%)與CS 3.0 (掃描時(shí)間縮短43%)圖像質(zhì)量及多處組織SNR 顯著低于PI 2.0。Iuga 等[24]研究結(jié)果顯示在膝關(guān)節(jié)二維成像中CS 可應(yīng)用最大加速因子為CS 2.0，與本文研究結(jié)果相符。在Bratke 等[25]關(guān)于腰椎成像的研究中，三維矢狀位CS相較于二維橫斷面與矢狀面的組合可將成像時(shí)間縮短45%；王詩(shī)瑜等[26]研究結(jié)果顯示在肝臟容積成像中，三維CS可將采集時(shí)間縮短51%。分析發(fā)現(xiàn)，本研究采用二維成像，圖像僅在一個(gè)維度上具有可壓縮性，CS 加速效率有限；在三維或動(dòng)態(tài)成像中，圖像在多個(gè)維度具有稀疏性，CS 可具有更高的加速效率，因此在三維成像中，CS 可更大幅度提高采集速度。

3.2 與現(xiàn)有ACS技術(shù)相關(guān)研究比較

在本研究中，ACS 在二維成像中可應(yīng)用的最大加速因子為ACS 3.0 (掃描時(shí)間縮短57%)，ACS 3.5 與ACS 4.0雖能更多縮短掃描時(shí)間(分別縮短63%、66%)，但圖像中多處組織SNR及圖像質(zhì)量主觀評(píng)分下降，難以滿足診斷要求。在Ueda 等[27]將ACS 應(yīng)用于在女性盆腔T2 加權(quán)成像及Gassenmaier 等[28]將ACS 應(yīng)用于前列腺T2 加權(quán)成像的研究中，均采用單一加速因子進(jìn)行加速采集，分別將掃描時(shí)間縮短44%與65%，與本研究結(jié)果相似。Kim等[29]將單一加速因子的ACS應(yīng)用于前列腺T2 加權(quán)成像加速采集的研究中，達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)序列相似的圖像質(zhì)量時(shí)可將掃描時(shí)間縮短75%；此研究中，應(yīng)用ACS進(jìn)行加速采集時(shí)降低了圖像空間分辨率，因此可以更大幅度縮短采集時(shí)間。Herrmann等[30]在上腹部T2加權(quán)成像研究中發(fā)現(xiàn)，在圖像質(zhì)量及病灶檢出方面，ACS 序列與常規(guī)序列相當(dāng)，且掃描時(shí)間縮短高達(dá)93%，分析原因?yàn)槌Ｒ?guī)序列為呼吸觸發(fā)掃描的序列，而ACS 加速序列為屏氣采集序列，故而可極大程度降低數(shù)據(jù)采集需要的時(shí)間。在Recht 等[31]有關(guān)膝關(guān)節(jié)多對(duì)比成像的研究中，相比標(biāo)準(zhǔn)PI 2.0，ACS 可實(shí)現(xiàn)1.88 倍加速采集，低于本研究中ACS 3.0(152 s/62 s)的2.3 倍加速；分析發(fā)現(xiàn)，本研究利用設(shè)備配備的序列模板設(shè)置多個(gè)的加速因子進(jìn)行采集，Recht 則是采用研究者獨(dú)立訓(xùn)練的序列模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，前期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的全采樣數(shù)據(jù)樣本量較小，且在采用單一加速的因子的ACS 進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)，可能未完全利用ACS技術(shù)加速數(shù)據(jù)采集的性能。

3.3 CS與ACS圖像質(zhì)量主觀評(píng)分下降的不同表現(xiàn)

本研究還注意到CS 與ACS 隨加速因子增大，掃描時(shí)間縮短的同時(shí)醫(yī)師圖像質(zhì)量主觀評(píng)分逐漸降低，但CS 與ACS 評(píng)分降低的原因不盡相同。CS 序列隨加速因子增大，圖像噪聲增多，在最大加速因子CS 3.0中，噪聲甚至導(dǎo)致部分組織顯示不清。而ACS序列隨加速因子增大，圖像模糊程度增加，組織結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)顯示不清。由于目前有關(guān)ACS 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究較少，本研究進(jìn)行了加速因子對(duì)質(zhì)子密度加權(quán)序列圖像質(zhì)量影響的研究，后續(xù)需要多種對(duì)比度、多中心研究的圖像數(shù)據(jù)對(duì)這一現(xiàn)象及其原因進(jìn)行探討。

3.4 局限性

本研究存在一些局限性，首先本研究對(duì)比了不同加速因子的ACS 與CS 對(duì)膝關(guān)節(jié)質(zhì)子密度加權(quán)序列圖像質(zhì)量的影響，尚未對(duì)ACS 與CS 加速序列在不同病理改變中的診斷效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，在后續(xù)研究中，可擴(kuò)大樣本量，收集存在不同病理改變的受檢者，對(duì)ACS與CS診斷效能進(jìn)行分析。

綜上所述，ACS 與壓縮均能縮短磁共振采集時(shí)間，ACS 與CS 均能縮短磁共振采集時(shí)間。相比CS，ACS 具有更高加速效率，在膝關(guān)節(jié)質(zhì)子密度加權(quán)序列中，在保證圖像質(zhì)量的前提下可將掃描時(shí)間縮短57%，提高檢查效率。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。