不同壓縮感知加速因子對頭部3D-T1WI成像質(zhì)量及基于體素的形態(tài)測量定量參數(shù)的影響

李貝貝，張浩南，方 鑫，胡 帥，苗延巍，宋清偉，浦仁旺，劉義軍

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

3D-T1WI可顯示顱腦細微解剖結(jié)構(gòu)，有助于檢出微小病灶[1]；結(jié)合基于體素的形態(tài)測量(voxel-based morphometry, VBM)，能在體素水平顯示全腦結(jié)構(gòu)，檢測灰、白質(zhì)結(jié)構(gòu)細微改變[2]，但掃描時間較長、噪聲大，使其臨床應用受限。以壓縮感知(compressed sensing, CS)技術(shù)[3]結(jié)合非線性重建算法，可利用較少的采樣數(shù)據(jù)重建原始信號，在保證圖像質(zhì)量的前提下顯著縮短掃描時間。本研究觀察不同CS加速因子對頭部3D-T1WI成像質(zhì)量及VBM分析結(jié)果的影響，并以滿足臨床診斷要求及精確VBM結(jié)果為前提，篩選CS最佳加速因子。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2022年4月—6月對大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院25名無MR檢查禁忌證的健康成年志愿者行頭部MR掃描，其中男16名、女9名，年齡20～75歲，中位年齡24.0歲。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(批準號：PJ-KS-KY-2021-121)，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通道頭部線圈采集頭部MRI。分別以常規(guī)敏感性編碼(sensitivity encoding, SENSE)技術(shù)(相位加速因子3)及CS技術(shù)(加速因子為4、6、8、10)采集頭部矢狀位3D快速梯度回波T1WI，TR 8.1 ms，TE 3.7 ms，F(xiàn)A 8°，層厚1 mm，層間距1 mm，F(xiàn)OV 180 mm×219 mm×180 mm，體素1 mm×1 mm×1 mm，NEX 1，矩陣180×199×180，獲得3D-T1WISENSE3和3D-T1WICS4、3D-T1WICS6、3D-T1WICS8及3D-T1WICS10，掃描時間分別為380、280、181、136及109 s。

1.3 圖像質(zhì)量分析

1.3.1 客觀評價 將圖像導入Philips后處理工作站(IntelliSpace Portal, ISP)行軸位及冠狀位重建，分別于軸位圖像同層面雙側(cè)尾狀核灰質(zhì)及胼胝體膝、壓部和顱腦頂部白質(zhì)信號均勻處放置面積20～30 mm2的圓形ROI，測量其信號強度(signal intensity, SI)及標準差(standard deviation, SD)，連續(xù)測量3層，取平均值，將胼胝體白質(zhì)SI記作SIWM，尾狀核灰質(zhì)SI記為SIGM；以顱腦頂部白質(zhì)SD為噪聲信號強度(noise signal intensity, NSI)，計算圖像信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)和對比噪聲比(contrast-to-noise ratio, CNR)：SNR=SIWM/NSI；CNR=(SIWM-SIGM)/NSI。

1.3.2 主觀評價 由2名具有5年以上頭部影像學診斷經(jīng)驗的副主任醫(yī)師以盲法采用5分法[4]進行主觀評價：1分，灰、白質(zhì)完全顯示不清，腦溝、腦回邊緣難以分辨，偽影及噪聲極明顯，細節(jié)無法辨認，無法診斷；2分，灰、白質(zhì)顯示不清，腦溝、腦回邊界模糊，偽影明顯，噪聲較大，細節(jié)較難辨認，無法診斷；3分，灰、白質(zhì)顯示較清晰，腦溝、腦回邊界尚銳利，圖像略有偽影，噪聲一般，大部分細節(jié)可辨認，能滿足診斷需求，極少數(shù)圖像無法評價；4分，灰、白質(zhì)顯示較清晰，腦溝、腦回邊界較銳利，無偽影，噪聲較小，圖像均能評價；5分，灰、白質(zhì)及細節(jié)顯示清晰，腦溝、腦回邊界銳利，無偽影及噪聲，解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)清楚，能準確評價。

1.4 VBM分析 采用MRIcorn軟件(https://people.cas.sc.edu/rorden/mricron/dcm2nii.html)dcm2nii工具將圖像由DICOM格式轉(zhuǎn)換為NIfTI格式。于Matlab R2018b平臺上采用統(tǒng)計參數(shù)圖軟件包(statistical parametric mapping software, SPM12)(https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)中的計算解剖學工具箱(computational anatomy toolbox, CAT12)(http://dbm.neuro.uni-jena.de/catl2/)對圖像進行預處理[5]：①以胼胝體前后聯(lián)合為原點，行手動AC校正；②以蒙特利爾神經(jīng)研究所(Montreal neurological institute, MNI)為標準模板進行配準；③校正偏置場；④設(shè)置體素重采樣大小為1.5 mm3；⑤將平滑參數(shù)半高全寬設(shè)置為8 mm；⑥檢查圖像質(zhì)量。之后進行VBM分析，獲得全腦體積(total intracranial volume, TIV)、灰質(zhì)體積(gray matter volume, GMV)、白質(zhì)體積(white matter volume, WMV)及腦脊液體積(cerebrospinal fluid volume, CSFV)。

1.5 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計量資料，以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示不符合者，組間比較采用單因素方差分析(兩兩比較采用LSD-t法)或Friedman檢驗。以Kappa檢驗分析2名觀察者圖像質(zhì)量主觀評分結(jié)果的一致性：Kappa≤0.20為一致性極差，0.20

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量

2.1.1 客觀評價 3D-T1WISENSE3、3D-T1WICS4、3D-T1WICS6、3D-T1WICS8及3D-T1WICS10的SNR和CNR總體差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.001，表1)。3D-T1WICS4的SNR、CNR均高于3D-T1WISENSE3(P均<0.05)，3D-T1WICS6與3D-T1WISENSE3的SNR、CNR差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)，3D-T1WICS8、3D-T1WICS10的SNR、CNR均較3D-T1WISENSE3降低(P均<0.05)；CS圖像中，SNR及CNR隨加速因子增加而降低(P均<0.05)。見表1。

表1 各3D-T1WI成像質(zhì)量客觀評價和主觀評分結(jié)果比較(n=25)

2.1.2 主觀評價 2名觀察者對3D-T1WISENSE3、3D-T1WICS4、3D-T1WICS6、3D-T1WICS8及3D-T1WICS10的主觀評分的一致性較好(Kappa=0.684、0.719、0.687、0.800、0.734，P均<0.05)，故對其中1名觀察者的評估結(jié)果進行分析；5組圖像主觀評分總體差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，兩兩比較，3D-T1WICS4及3D-T1WICS6的主觀評分與3D-T1WISENSE3差異無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)，3D-T1WICS8及3D-T1WICS10的主觀評分均低于3D-T1WISENSE3(P均<0.05)，CS圖像的主觀評分結(jié)果隨加速因子增加而降低(P均<0.05)。見表1。

2.2 VBM分析 不同3D-T1WI的TIV、GMV、WMV及CSFV差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)，見表2及圖1。

表2 基于不同3D-T1WI的VBM分析結(jié)果比較(cm3，n=25)

3 討論

基于3D-T1WI的VBM能在體素水平分析腦解剖學結(jié)構(gòu)，對診斷及鑒別診斷精神分裂癥、終末期腎病、帕金森病和早期阿爾茲海默病等具有較高臨床價值[6-8]。3D-T1WI多采用容積激發(fā)采集，且至少有兩個方向的相位編碼，掃描時間較長，可致老年人、嬰幼兒及認知功能障礙、意識障礙等患者難以配合完成檢查；提高掃描速度有利于臨床廣泛開展VBM。

利用CS技術(shù)能在保證成像質(zhì)量的前提下縮短掃描時間。針對不同檢查部位及不同掃描序列[9-10]，所用CS加速因子不一；且提高加速因子雖可明顯縮短掃描時間，但可致圖像SNR顯著下降，使得如何適當選擇CS加速因子稱為臨床MR檢查中受到重點關(guān)注的問題[11]，而在頭部3D-T1WI中，還需在滿足診斷要求的同時不影響VBM參數(shù)。

臨床多以相位加速因子為3的常規(guī)SENSE[12]技術(shù)采集3D-T1WI。本研究采用不同加速因子CS技術(shù)(加速因子為4、6、8、10)采集3D-T1WI，發(fā)現(xiàn)隨加速因子增加，圖像SNR、CNR及主觀評分逐漸降低；相比3D-T1WISENSE3，3D-T1WICS4客觀評價更佳，且掃描時間縮短為280 s；3D-T1WICS6客觀評價及主觀評分結(jié)果與3D-T1WISENSE3差異無統(tǒng)計學意義，而掃描時間縮短為181 s；3D-T1WICS8和3D-T1WICS10的客觀評價及主觀評分均低于3D-T1WISENSE3，診斷性能差，可能導致漏診小病灶。以上結(jié)果表明，CS技術(shù)雖可縮短掃描時間，但其基于采樣數(shù)據(jù)稀疏和非線性重建特性可影響圖像的對比度及空間分辨力，故應針對具體部位及序列適當選擇CS加速因子。

本研究基于上述不同3D-T1WI進行VBM分析，TIV、GMV、WMV及CSFV差異均無統(tǒng)計學意義，表明圖像SNR雖隨CS加速因子增加而降低，但對其VBM分析結(jié)果的影響并不顯著[13-14]；利用CS技術(shù)采集3D-T1WI時，CS6為最佳加速因子，可在同時滿足成像質(zhì)量和VBM精準測量的前提下提高掃描速度。

綜上所述，采集頭部3D-T1WI時，應用CS6能在保證圖像質(zhì)量且不影響VBM結(jié)果的前提下縮短掃描時間；CS6為最佳加速因子。本研究的主要局限性：①僅以可重復性較好的CAT-12軟件行VBM分析，缺乏相應對比；②樣本量少，且均為健康志愿者，有待后續(xù)納入中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，針對特定腦結(jié)構(gòu)進一步深入觀察。