3D SPACE與屏氣壓縮感知技術(shù)在MRCP成像中的對(duì)比研究

李青，王傳兵，徐露露，劉波，孫濤

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放射科，江蘇 南京 210029

引言

磁共振胰膽管造影（Magnetic Resonance Cholangiopancreatography，MRCP）是臨床診斷肝外膽管結(jié)石、膽道梗阻和胰腺疾病的常用檢查方法，其診斷效能和準(zhǔn)確性得到了一致的肯定[1]。當(dāng)前MRCP掃描多使用膈肌導(dǎo)航T2加權(quán)可變反轉(zhuǎn)角三維快速自旋回波（Sampling Perfection with Application-Optimized Contrast Using Different Flip-angle Evolutions，SPACE）序列，可在自由呼吸的情況下得到較好的圖像，但對(duì)于呼吸頻率不規(guī)則、呼吸淺的患者，需延長(zhǎng)采集時(shí)間[2]。壓縮感知技術(shù)（Compressed Sensing，CS）是近年來出現(xiàn)的新型快速成像技術(shù)，其利用變換空間描述信號(hào)，隨機(jī)采樣少量K空間數(shù)據(jù)，再運(yùn)用非線性迭代算法重建出圖像，縮短了采樣時(shí)間，使得在低采樣率下恢復(fù)高分辨信號(hào)成為可能[3]。Furlan等[4]將CS與MRCP呼吸導(dǎo)航SPACE序列相結(jié)合，在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)使掃描時(shí)間縮短至2 min以內(nèi)。該研究盡管減少了患者的檢查時(shí)間，但其仍屬于多個(gè)呼吸周期觸發(fā)采集，仍然存在圖像模糊或者運(yùn)動(dòng)偽影的可能。另外，Kromrey等[5]證實(shí)了屏氣壓縮感知MRCP技術(shù)的可行性，掃描時(shí)間為23 s。但單次屏氣超過20 s，增加了患者的配合難度，圖像質(zhì)量仍然無法得到保證。本文對(duì)屏氣壓縮感知MRCP序列進(jìn)行優(yōu)化，將其欠采樣率降低到3.6%，進(jìn)一步縮短掃描時(shí)間，并與常規(guī)膈肌導(dǎo)航3D SPACE序列進(jìn)行比較，分析其圖像質(zhì)量和臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2019年5月至2020年11月間在我院行MRCP檢查的患者40例，其中男13例、女27例，年齡21～82歲，平均（54.60±14.39）歲，其中包括正常患者8例，膽囊、膽管結(jié)石患者13例，胰腺導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀黏液瘤患者15例，膽囊術(shù)后患者2例，膽囊息肉患者2例，十二指腸乳頭占位患者1例（其中1例患者同時(shí)患有膽囊息肉和胰導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀黏液瘤）。根據(jù)掃描序列不同，分為SPACE-MRCP組和CS-MRCP組。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)同意批準(zhǔn)（2018-SR-043），由于本研究為回顧性分析豁免受試者知情同意。

納入標(biāo)準(zhǔn)：① 臨床懷疑胰膽管病變的患者；② MRI檢查行SPACE-MRCP和CS-MRCP序列掃描患者；③ 患者空腹、檢查時(shí)配合良好，無明顯運(yùn)動(dòng)或金屬植入物等偽影干擾。

排除標(biāo)準(zhǔn)：圖像存在明顯運(yùn)動(dòng)或金屬偽影。

1.2 掃描方法

采用3.0T MR掃描儀（Siemens Skyra，西門子，德國）、18通道腹部線圈和8通道脊柱線圈進(jìn)行掃描。掃描前要求患者禁食6 h并于檢查前對(duì)其行呼氣、屏氣訓(xùn)練。掃描體位采用仰臥位，頭先進(jìn)，雙手上舉，線圈中心置于劍突下3 cm處，并設(shè)為定位中心。SPACE-MRCP掃描參數(shù)為：視野（Field Of View，F(xiàn)OV）為380 mm×380 mm，重復(fù)時(shí)間（Repetition Time，TR）為2200 ms，回波時(shí)間（Echo Time，TE）為700 ms，層厚為1.2 mm，基礎(chǔ)分辨率為384，重建矩陣0.5 mm×0.5 mm×1.2 mm，并行加速因子為3，相位編碼方向?yàn)轭^腳方向，掃描時(shí)間待統(tǒng)計(jì)。CSMRCP掃描參數(shù)為：TR：1700 ms，TE：486 ms，正則化參數(shù)為0.004。FOV、層厚、基礎(chǔ)分辨率、并行加速因子、重建矩陣與SPACE-MRCP相應(yīng)參數(shù)相同，掃描時(shí)間為17 s。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)估

由兩名具有6年腹部閱片經(jīng)驗(yàn)的影像診斷醫(yī)生獨(dú)立對(duì)自動(dòng)重建冠狀位最大密度投影（Maximum Intensity Projection，MIP）圖進(jìn)行雙盲分析。當(dāng)兩者意見不一致時(shí)由另一位高年資的醫(yī)生協(xié)助達(dá)成共識(shí)。

1.3.1 定性評(píng)估

對(duì)圖像整體質(zhì)量、背景抑制效果及胰管顯示能力進(jìn)行評(píng)估，分?jǐn)?shù)越高表示圖像質(zhì)量越好。具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[5]：① 圖像整體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分：1分為圖像模糊，膽管結(jié)構(gòu)難以辨認(rèn)，無法診斷；2分為圖像稍模糊，膽管結(jié)構(gòu)顯示不全，質(zhì)量較差；3分為圖像較清晰，膽管結(jié)構(gòu)顯示完全，圖像質(zhì)量尚可；4分為圖像清晰，膽管結(jié)構(gòu)顯示完全，圖像質(zhì)量好。② 背景抑制效果評(píng)分：1分為抑制效果差，無法診斷；2分為存在大量的背景信號(hào)，影響診斷；3分為存在較多的背景信號(hào)，圖像質(zhì)量輕度下降；4分為存在少量背景信號(hào)，背景抑制好。③ 胰管顯示能力評(píng)分：1分為胰管不顯示，無法診斷；2分為顯示部分胰管，影響診斷；3分為胰管顯示良好，基本滿足診斷；4分為胰管顯示清晰，滿足診斷。

1.3.2 定量評(píng)估

① 掃描時(shí)間：對(duì)SPACE-MRCP序列的掃描時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與CS-MRCP的掃描時(shí)間進(jìn)行比較分析。② 圖像信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）分析：同一患者選取同一層面進(jìn)行SNR和CNR測(cè)量，選取膽總管顯示最佳直徑最寬處、同層右側(cè)皮下肌肉最寬處和背景噪聲區(qū)勾畫圓形感興趣區(qū)域（Region Of Interest，ROI）[6]，ROI大小為6 mm2，記錄膽總管和肌肉平均信號(hào)強(qiáng)度、背景噪聲標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD），計(jì)算SNR和CNR。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，兩名閱片者對(duì)資料評(píng)價(jià)的一致性采用Kappa檢驗(yàn)，Kappa 值≤0.2表示一致性差；0.2＜Kappa 值≤0.4表示一致性較差；0.4＜Kappa值≤0.6表示一致性一般；0.6＜Kappa 值≤0.8表示一致性好；Kappa 值＞0.8表示一致性優(yōu)。定性分析采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。定量分析采用配對(duì)樣本非參數(shù)Wilcoxont檢驗(yàn)，計(jì)量資料用[M（P25，P75）]表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量定性評(píng)估

兩位閱片者對(duì)圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)一致性好，SPACEMRCP和CS-MRCP的Kappa值分別為0.71、0.83。SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像整體質(zhì)量評(píng)分和圖像背景抑制效果定性評(píng)分比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。SPACE-MRCP與CS-MRCP胰管顯示能力定性評(píng)分比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表1和圖1。

圖1 SPACE-MRCP與CS-MRCP圖像對(duì)比

表1 SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像質(zhì)量定性評(píng)估（±s，分）

表1 SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像質(zhì)量定性評(píng)估（±s，分）

組別 圖像整體質(zhì)量 背景抑制效果 胰管顯示能力SPACE-MRCP 3.70±0.46 3.43±0.50 3.63±0.49 CS-MRCP 3.90±0.30 3.75±0.44 3.50±0.51 Z值 -2.000 -2.263 -1.667 P值 0.046 0.024 0.960

2.2 圖像質(zhì)量定量評(píng)估

SPACE-MRCP掃描時(shí)間為（260.95±61.70）s，CSMRCP掃描時(shí)間為17 s，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-25.00，P＜0.05）。兩位閱片者測(cè)量的SNR和CNR的一致性優(yōu)（Kappa值分別為0.803、0.901），CS-MRCP的SNR和CNR均優(yōu)于SPACE-MRCP，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001），見表2。

表2 SPACE-MRCP與CS-MRCP的圖像質(zhì)量定量評(píng)估[M（P25，P75）]

3 討論

MRCP檢查由20世紀(jì)90年代Wallner首先應(yīng)用[7]，是磁共振水成像技術(shù)的一種，無須注射對(duì)比劑，利用水的重T2效應(yīng)，采用長(zhǎng)TR和長(zhǎng)TE，突出組織中液體信號(hào)的權(quán)重、弱化其他組織信號(hào)。將MRCP原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建后處理，可全方位、任意角度對(duì)肝內(nèi)外膽管結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，有利于梗阻性病變的判別和診斷[8]。由于其無創(chuàng)、無電離輻射、無需對(duì)比劑注射等優(yōu)點(diǎn)，在臨床胰膽管疾病的篩查和患者復(fù)檢中得到廣泛應(yīng)用。

目前針對(duì)MRCP檢查常規(guī)采用膈肌導(dǎo)航3D SPACE序列，進(jìn)行各向同性掃描[9-10]，圖像空間分辨率高。該序列通過監(jiān)測(cè)膈肌運(yùn)動(dòng)來判別呼吸時(shí)相，于呼氣末采集回波信號(hào)，采集時(shí)間一般長(zhǎng)達(dá)3～6 min。而對(duì)于呼吸幅度較小或者頻率不規(guī)則的患者，采集時(shí)間更長(zhǎng)[2]，導(dǎo)致圖像模糊、運(yùn)動(dòng)偽影增加和圖像質(zhì)量下降[11-12]。本研究中膈肌導(dǎo)航3D SPACE序列掃描時(shí)間最長(zhǎng)為6 min 47 s，嚴(yán)重影響檢查流程。壓縮感知技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用需滿足3個(gè)條件：① 圖像具有稀疏性；② 混疊偽影在變換域中具有不相干性；③ 合適的非線性迭代重建算法[3,13]。CS在頭顱磁共振血管成像、腹部動(dòng)態(tài)成像、三維關(guān)節(jié)成像、冠狀動(dòng)脈MR造影[14-17]等中均得到廣泛的應(yīng)用。MRCP圖像中含液體的胰膽管呈高信號(hào)，其余背景信號(hào)大多被抑制，圖像特征符合稀疏性的要求，加速潛力較大。Furlan等[4]將CS與呼吸導(dǎo)航MRCP序列相結(jié)合，掃描時(shí)間為（150±63）s，與常規(guī)（317±104）s相比掃描時(shí)間明顯減少。但是呼吸導(dǎo)航或膈肌導(dǎo)航技術(shù)采集時(shí)間仍由患者的呼吸節(jié)律決定，為了進(jìn)一步減少掃描時(shí)間，Kromrey等[5]提出將壓縮感知技術(shù)與單次屏氣MRCP結(jié)合，其圖像質(zhì)量與常規(guī)MRCP相當(dāng)，但屏氣時(shí)間較長(zhǎng)，不利于老年患者使用。

本研究中CS-MRCP使用可變密度泊松盤隨機(jī)欠采樣屏氣快速掃描，將欠采樣率降低到3.6%，采用具有冗余的Haar小波變換的快速迭代軟閾值算法[18]實(shí)現(xiàn)敏感度編碼重構(gòu)，然后逐一對(duì)線圈數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行評(píng)估，以確保重建圖像與獲取的數(shù)據(jù)兼容，收斂速度較快、計(jì)算負(fù)擔(dān)較低，將掃描時(shí)間降低到17 s，與膈肌導(dǎo)航3D SPACE序列相比掃描時(shí)間縮短近15倍。對(duì)于呼吸頻率低、呼吸較淺、輕度幽閉恐懼無法耐受長(zhǎng)掃描時(shí)間，但可以自主屏氣的患者可優(yōu)先選擇屏氣CS-MRCP序列進(jìn)行掃描；同時(shí)CS-MRCP可在短時(shí)間內(nèi)多次重復(fù)掃描，避免了常規(guī)膈肌導(dǎo)航SPACE-MRCP掃描中因患者意外運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)掃描。但CSMRCP圖像重建需要進(jìn)行多次迭代，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，對(duì)重建計(jì)算機(jī)要求較高，且重建時(shí)間明顯長(zhǎng)于SPACE-MRCP，故建議優(yōu)先掃描該序列，有利于技師及時(shí)查看圖像質(zhì)量。

此外，圖像分析時(shí)發(fā)現(xiàn)SPACE-MRCP自動(dòng)重建冠狀位MIP圖像中心出現(xiàn)橫向波紋狀偽影，此偽影可能與膈肌觸發(fā)有關(guān)，與之前的研究一致[11]。呼吸較淺、頻率不規(guī)則的患者，膈肌監(jiān)測(cè)時(shí)間增加，采集時(shí)間延長(zhǎng)，采集窗內(nèi)偽影增多、背景信號(hào)增多，圖像質(zhì)量下降[19]。圖像整體質(zhì)量評(píng)分結(jié)果表明，CS-MRCP可提供比SPACE-MRCP更好的圖像質(zhì)量和背景抑制。另外，CS-MRCP液體信號(hào)高，背景抑制好，可獲得更優(yōu)的圖像對(duì)比。這得益于MRCP圖像本身所具有的稀疏性，使得包含液體的膽管高信號(hào)在T2WI中更加明顯，而背景或噪聲在經(jīng)過稀疏變換和大量的迭代算法后被過濾。但本研究結(jié)果在胰管顯示能力方面CS-MRCP與SPACE-MRCP相當(dāng)，與以往的報(bào)道一致[5]，其原因可能為胰管直徑較小[20]，且由于部分容積效應(yīng)使得胰管被CS迭代算法中的去噪所過濾。SNR和CNR是圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)，本研究中CS-MRCP的SNR和CNR明顯高于SPACE-MRCP，圖像中的液體信號(hào)相比背景噪聲，具有更高的信號(hào)強(qiáng)度。這一結(jié)果同樣可能源于CS的算法優(yōu)勢(shì)。CS的非相干性加之K空間中心密集采樣而四周少量采樣，符合K空間的能量分布規(guī)律，這一特性導(dǎo)致圖像上的重要信號(hào)（MRCP圖像中液體呈現(xiàn)出的高信號(hào)）和噪聲不相干，從而使液體信號(hào)和噪聲差異更加顯著，易于分離。最后經(jīng)過稀疏變換以及迭代運(yùn)算后，進(jìn)一步減少了噪聲。

本研究的不足之處在于CS重建圖像具有其特殊的紋理，主觀評(píng)價(jià)時(shí)無法做到完全雙盲。測(cè)量SNR時(shí)采用手動(dòng)勾畫圓形ROI，可能存在抽樣誤差。此外本研究?jī)H評(píng)價(jià)了CS-MRCP的主觀和客觀圖像質(zhì)量，未對(duì)不同病變顯示能力和診斷效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，未來仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

屏氣CS-MRCP可明顯縮短檢查時(shí)間、提供比膈肌導(dǎo)航3D SPACE序列更好的圖像質(zhì)量，具有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值。