多次激發(fā)平面回波擴(kuò)散加權(quán)成像在顱底成像中的應(yīng)用

羅賀丹，張浩南，胡帥，盧緒論，王楠，苗延巍，劉愛連，林良杰，宋清偉*

擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging,DWI）能夠無(wú)創(chuàng)地將水分子的擴(kuò)散特性量化為表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient, ADC），在評(píng)估顱腦病變方面有非常重要的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。常規(guī)DWI 采用單次激發(fā)平面回波成像（single shot-echo planar imaging, SS-EPI）技術(shù)，可以檢測(cè)急性腦梗塞、腫瘤、炎癥等多種病變[4-6]。然而，傳統(tǒng)SS-EPI DWI 沿相位編碼方向額外的相位累積會(huì)導(dǎo)致圖像幾何失真，尤其在顱底巖骨周圍、額竇、顳葉、腦橋腦干等組織交界處，受磁場(chǎng)不均勻的影響，幾何畸變更加明顯。另外，由于相對(duì)較長(zhǎng)的讀出時(shí)間，使信號(hào)衰減而容易出現(xiàn)模糊偽影，影響顱底部病變的檢出[7-9]。多次激發(fā)平面回波擴(kuò)散加權(quán)成像（multi-shot echo planar imaging diffusion weighted imaging,MS-EPI DWI）通過(guò)激發(fā)次數(shù)的增加提高了圖像分辨率，并減少了幾何失真，對(duì)病變更加敏感。目前MS-EPI DWI 已在神經(jīng)系統(tǒng)、乳腺、盆腔等部位的應(yīng)用中取得了較好的效果[10-12]，并對(duì)頭頸部鱗狀細(xì)胞癌的結(jié)節(jié)轉(zhuǎn)移[13]、中耳膽脂瘤等病變具有較高敏感度[14]。然而，MS-EPI DWI 序列受到掃描設(shè)備硬件和軟件的制約掃描時(shí)間比較長(zhǎng)[11]，無(wú)法配合的老人、小孩和危重患者難以耐受長(zhǎng)時(shí)間檢查，臨床應(yīng)用受限，國(guó)外主要集中于單一MS-EPI DWI 和單激發(fā)平面回波擴(kuò)散加權(quán)成像（single-shot echo planar imaging diffusion weighted imaging, SS-EPI DWI）的對(duì)比研究，而并未對(duì)MS-EPI DWI的不同激發(fā)次數(shù)進(jìn)行比較研究。因此，本研究通過(guò)對(duì)SS-EPI DWI 和不同激發(fā)次數(shù)（8、6、4、2）的MS-EPI DWI 圖像進(jìn)行主觀評(píng)分和客觀評(píng)估，擬探討MS-EPI DWI 對(duì)顱底區(qū)域DWI 圖像質(zhì)量的影響，并尋找適用于臨床最佳的激發(fā)次數(shù)，有效縮短MS-EPI DWI掃描時(shí)間，提高檢查成功率。

1 材料與方法

1.1 一般資料

前瞻性招募2021年12月至2022年5月在大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院行頭部磁共振檢查的健康志愿者49 例，其中男30 例，女19 例，年齡13～77（42.00±19.39）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）無(wú)顱腦部手術(shù)史；（2）顱腦部無(wú)金屬植入物。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）MR 禁忌證；（2）無(wú)法配合MR檢查。本研究經(jīng)大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（審批文號(hào)：PJ-KS-KY-2022-169），全體受試者均簽署了知情同意書。

1.2 檢查方法

所有受試者均使用Philips Ingenia CX 3.0 T MRI掃描儀（Philips Healthcare，Best，the Netherlands），配備32 通道相控陣頭部線圈。掃描序列包括常規(guī)SS-EPI DWI序列和基于圖像空間采樣重建算法（image reconstruction using image-space sampling, IRIS）的MS-EPI DWI 序列（激發(fā)次數(shù)分別為8、6、4、2）。掃描同時(shí)完成b=0 s/mm2和b=1000 s/mm2的圖像重建，ADC 圖為自動(dòng)生成，其他所有參數(shù)保持不變，F(xiàn)OV 184 mm×226 mm，分辨率1.6 mm×2.04 mm×6.5 mm，掃描參數(shù)見表1。

表1 各序列掃描參數(shù)Tab.1 Scan parameters of each sequence

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)量及分析

1.3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

將掃描所得圖像傳至ISP（Philips，IntelliSpace Portall Version 9.0）工作站，在b=1000 s/mm2和ADC 圖像小腦最大層面兩側(cè)各劃定三個(gè)感興趣區(qū)（region of interest, ROI），大小10～20 mm2，分別測(cè)量信號(hào)值（signal intensity, SI）和ADC 值，測(cè)量區(qū)域?yàn)樾∧X及腦干腦橋左右兩側(cè)相同位置的腦實(shí)質(zhì)。在齒狀核最大層面兩側(cè)各劃定兩個(gè)ROI，ROI 大小5～8 mm2，測(cè)量齒狀核SI 和噪聲強(qiáng)度（standard deviation, SD）。上述測(cè)量均取平均值，計(jì)算信噪比（signal to noise ratio, SNR）和對(duì)比噪聲比（contrast to noise ratio, CNR）。

1.3.2 主觀評(píng)分

兩位觀察者（從事MR 工作6 年、5 年的副主任醫(yī)師）根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)可見度、圖像噪聲及幾何形變大小以及診斷準(zhǔn)確性采用五分評(píng)分法對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)（表2）[15]，3分及3分以上滿足診斷要求。

表2 主觀評(píng)分表Tab.2 Subjective score criteria system

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用統(tǒng)計(jì)軟件包SPSS 26.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用Kappa檢驗(yàn)兩觀察者評(píng)分的一致性，Kappa≥0.75認(rèn)為一致性良好。若一致性良好，選擇高年資醫(yī)師主觀評(píng)分進(jìn)行后續(xù)分析。使用Friedman檢驗(yàn)MS-EPI DWI組不同激發(fā)次數(shù)序列之間兩側(cè)小腦、腦干腦橋ADC、SNR、CNR及主觀評(píng)分差異性。其中P＜0.05認(rèn)為各組之間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。若Friedman檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在差異性，進(jìn)行后續(xù)多重比較并對(duì)P值做Bonferroni校正。

2 結(jié)果

2.1 主觀評(píng)分一致性檢驗(yàn)

兩觀察者圖像質(zhì)量主觀評(píng)分具有良好的一致性（Kappa=0.795、0.871、0.782、0.880、0.847，表3），選擇觀察者一的主觀評(píng)分進(jìn)行后續(xù)分析。

表3 兩觀察者主觀評(píng)分Tab.3 Subjective scores of two observers

2.2 客觀評(píng)估及主觀評(píng)分差異性檢驗(yàn)

2.2.1 ADC值比較

基于Friedman 檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在MS-EPI DWI 不同激發(fā)次數(shù)之間，兩側(cè)小腦ADC 差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其余數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表4）。兩兩比較結(jié)果表明，當(dāng)激發(fā)次數(shù)為8 時(shí)，MS-EPI DWI 序列左側(cè)腦橋腦干ADC 較SS-EPI DWI 序列差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），當(dāng)激發(fā)次數(shù)為4、2 時(shí)兩側(cè)腦橋腦干ADC 較SS-EPI DWI 序列差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表5）。

2.2.2 SNR、CNR值及主觀評(píng)分比較

SNR、CNR及主觀評(píng)分比較見圖1。Friedman檢驗(yàn)結(jié)果表明，MS-EPI DWI序列不同激發(fā)次數(shù)之間各部位SNR、CNR 差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表4）。與SS-EPI DWI序列相比，當(dāng)激發(fā)次數(shù)為8、6、2時(shí)，MS-EPI DWI 序列SNR、CNR 及主觀評(píng)分均大于SS-EPI DWI 序列；當(dāng)激發(fā)次數(shù)為8時(shí)，右側(cè)小腦CNR和右側(cè)腦橋腦干SNR、CNR及主觀評(píng)分較SS-EPI DWI序列差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表5）；當(dāng)激發(fā)次數(shù)為6時(shí)，各部位SNR、CNR及主觀評(píng)分較SS-EPI DWI序列差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表5）；當(dāng)激發(fā)次數(shù)為4 時(shí)，兩側(cè)腦橋腦干CNR較SS-EPI DWI序列差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其他數(shù)據(jù)及主觀評(píng)分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表5）；當(dāng)激發(fā)次數(shù)為2時(shí)，左側(cè)小腦SNR、CNR和右側(cè)小腦CNR，右側(cè)腦橋腦干SNR 較SS-EPI DWI 序列差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表5）。

表4 不同激發(fā)次數(shù)客觀評(píng)估以及主觀評(píng)分的差異性比較（Friedman檢驗(yàn)）Tab.4 Comparison of objective measurements and subjective evaluation of among DWI with different shots of excitation by Friedman test

表5 不同激發(fā)次數(shù)客觀評(píng)估以及主觀評(píng)分兩兩比較（P值）Tab.5 Pairwise comparison of objective measurement and subjective scores between DWI with different shots of excitation(P value)

3 討論

既往研究表明[16-17]，MS-EPI DWI 可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)顱底部病灶的形態(tài)和位置。然而，隨著激發(fā)次數(shù)的增加，MS-EPI DWI 掃描時(shí)間顯著增加。本研究將MS-EPI DWI 應(yīng)用于顱底掃描，尋找適用于臨床最佳的激發(fā)次數(shù)。結(jié)果表明，MS-EPI DWI 序列，兩側(cè)小腦ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），腦橋腦干處ADC較常規(guī)DWI 序列差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；當(dāng)MS-EPI DWI 序列的激發(fā)次數(shù)為6 時(shí)，SNR、CNR 和主觀評(píng)分均高于SS-EPI DWI 序列，且圖像的幾何畸變明顯減小。本研究的創(chuàng)新性在于將不同激發(fā)次數(shù)的MS-EPI DWI 與傳統(tǒng)SS-EPI DWI 進(jìn)行評(píng)估與對(duì)比，優(yōu)化適合臨床應(yīng)用的激發(fā)次數(shù)，以在短時(shí)間內(nèi)獲得畸變小、質(zhì)量高的顱底部DWI 圖像，具有較好的臨床應(yīng)用前景。

3.1 MS-EPI DWI序列的相關(guān)研究及優(yōu)越性

DWI序列在常規(guī)MRI序列的基礎(chǔ)上，x、y、z三個(gè)方向施加擴(kuò)散敏感梯度，將水的擴(kuò)散特性量化為ADC，從而反映人體內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)情況[18-20]。Ogawa等[21]證明SS-EPI DWI序列可作為臨床評(píng)估手術(shù)切除顱底侵犯頭頸部腫瘤的重要指標(biāo)。Norri 等[22]和Guler 等[23]發(fā)現(xiàn)SS-EPI DWI 提高了篩查部分頭頸部病變的敏感性和特異性，例如膽脂瘤、表皮樣囊腫、膿腫等。MS-EPI DWI 是DWI 技術(shù)的一項(xiàng)創(chuàng)新，具有圖像分辨率高、T2模糊效應(yīng)少等優(yōu)勢(shì)[10]。也有研究者將多激發(fā)平面回波擴(kuò)散張量成像（multi-shot echo planar imaging diffusion tensor imaging,MS-EPI DTI）應(yīng)用于脊髓可改善線性失真和減小幾何畸變，提高診斷準(zhǔn)確率[24-25]。Zhang等[16]和Steinhoff等[17]研究證明MS-EPI DWI可以減少圖像失真、噪聲水平和信號(hào)損失等，圖像質(zhì)量隨激發(fā)次數(shù)增加而提高[16-17]。本研究MS-EPI DWI采用IRIS 在基于運(yùn)動(dòng)校正整合到并行采集框架的基礎(chǔ)上，運(yùn)用2D 導(dǎo)航應(yīng)用于MS-EPI DWI，在相位編碼方向具有更高的帶寬，可以減少幾何失真，提高空間分辨率，從而為圖像細(xì)節(jié)提供更高的保真度，提高了圖像質(zhì)量。

3.2 MS-EPI DWI與SS-EPI DWI的比較結(jié)果

Kim 等[26]對(duì)比了激發(fā)次數(shù)為2 的MS-EPI DWI 序列與SS-EPI DWI 序列在肝臟部位的圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)MS-EPI DWI 序列的圖像噪聲和失真更少，肝臟輪廓和病變顯示清晰，對(duì)病灶顯示具有較高的敏感性。Zhang 等[27]納入了75 名骶髂關(guān)節(jié)炎的患者，通過(guò)MS-EPI DWI和SS-EPI DWI序列在骶髂關(guān)節(jié)主觀和客觀的比較研究，證明MS-EPI DWI 序列圖像質(zhì)量明顯提高，SNR 和CNR 均高于SS-EPI DWI 序列，可作為骶髂關(guān)節(jié)MRI的常規(guī)掃描序列中使用。本研究通過(guò)主、客觀評(píng)價(jià)對(duì)顱底部不同激發(fā)次數(shù)的MS-EPI DWI序列進(jìn)行研究，兩位獨(dú)立觀察者的主觀評(píng)分kappa值均高于0.75，具有良好的一致性。激發(fā)次數(shù)為8次比激發(fā)次數(shù)為6次的圖像質(zhì)量有所下降（不顯著），可能是掃描時(shí)間加長(zhǎng)，帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)偽影的概率更大。有研究表明，MS-EPI DWI 在相位編碼方向上血液和腦脊液搏動(dòng)可形成偽影[28]。本研究客觀評(píng)估顯示，當(dāng)激發(fā)次數(shù)為8 時(shí)，MS-EPI DWI 序列圖像的SNR、CNR 普遍低于6 次，血液和腦脊液搏動(dòng)偽影較嚴(yán)重，導(dǎo)致噪聲增加，數(shù)據(jù)的組合效果下降，這與既往研究一致。另外，在左側(cè)小腦和腦橋腦干，MS-EPI DWI 序列激發(fā)次數(shù)為2 的CNR 值大于激發(fā)次數(shù)為4 的CNR，激發(fā)次數(shù)為4 時(shí)左腦橋腦干的CNR 小于SS-EPI DWI 序列，可能是測(cè)量的背景齒狀核解剖結(jié)構(gòu)造成ROI 勾畫較小造成的噪聲波動(dòng)；當(dāng)激發(fā)次數(shù)從6 減少到2 時(shí)，與SS-EPI DWI 序列相比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）的部位逐步減少；當(dāng)激發(fā)次數(shù)為6 時(shí)，各部位ADC 值與SS-EPI DWI 相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），SNR、CNR 及主觀評(píng)分均高于SS-EPI DWI 序列且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），該激發(fā)次數(shù)的圖像質(zhì)量較SS-EPI DWI 序列明顯提升；在掃描時(shí)間上，相對(duì)于激發(fā)次數(shù)為8 的時(shí)間縮短了23.8%。本研究表明與SS-EPI DWI 序列相比，MS-EPI DWI 序列具有更好的整體圖像質(zhì)量，提高了圖像清晰度，減少了幾何畸變和圖像失真，可以提供更多的診斷信息，幾何畸變的減少有利于DWI和解剖圖像之間更精準(zhǔn)地匹配，更清楚地定義解剖邊界。也可以為顱底部腫瘤放療計(jì)劃的制定和影像組學(xué)ROI的勾畫提供精準(zhǔn)的定位參考。

3.3 本研究的局限性

MS-EPI DWI 在相位編碼方向上血液和腦脊液搏動(dòng)可形成偽影[28]，有待后續(xù)對(duì)此進(jìn)行研究改進(jìn)。本研究樣本量較小并未對(duì)顱底病變受檢者進(jìn)行分組討論，有待后續(xù)擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步研究。

綜上所述，對(duì)比傳統(tǒng)SS-EPI DWI序列，基于IRIS的MS-EPI DWI技術(shù)可顯著減少顱底部幾何畸變和高信號(hào)偽影，對(duì)于顱底需要重點(diǎn)觀察或懷疑病變時(shí)，可應(yīng)用MS-EPI DWI 序列。綜合時(shí)間和圖像質(zhì)量的平衡，推薦使用激發(fā)次數(shù)為6 的MS-EPI DWI 序列行顱底掃描。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無(wú)利益沖突。