快速智能磁共振技術(shù)在頸椎磁共振掃描中的應(yīng)用價(jià)值

徐敏，吳瑜，劉鍵，王榮品，徐睿，曾憲春*

0 前言

頸椎病是一種以脊柱退變?yōu)樘卣鞯某Ｒ娂膊1]，常合并神經(jīng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性壓迫，引起疼痛或神經(jīng)功能障礙，嚴(yán)重可致癱瘓[2]。MRI已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診療中重要的檢查技術(shù)，是頸椎退行性變、椎間盤病變以及脊髓損傷等疾病臨床診斷中不可或缺的工具[3-6]。然而高質(zhì)量MR 圖像采集時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)[7]，常導(dǎo)致患者在MRI檢查中耗費(fèi)大量時(shí)間；因此，在保證圖像質(zhì)量情況下縮短掃描時(shí)間已成為目前研究的熱點(diǎn)?？焖僦悄艽殴舱瘢╥ntelligent quick magnetic resonance,IQMR）是一種基于人工智能（artificial intelligence,AI）輔助的圖像迭代重建技術(shù)，原理是將輸入的原始數(shù)據(jù)集分解為3D補(bǔ)丁，通過計(jì)算每個(gè)圖像補(bǔ)丁的特征，對(duì)噪聲和信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)與分離，通過不斷迭代這個(gè)過程，達(dá)到同一MRI中最佳圖像即停止迭代輸出最佳值，實(shí)現(xiàn)不增加成像時(shí)間從而提高圖像質(zhì)量[8]。然而IQMR 技術(shù)作為一種新興AI 重建技術(shù)，目前僅有KANEMARU等[9]在其研究中使用IQMR技術(shù)提升顱腦MRI圖像質(zhì)量，雖然已取得不錯(cuò)的表現(xiàn)，但其側(cè)重于探討IQMR技術(shù)在顱腦T1WI結(jié)構(gòu)像中形態(tài)計(jì)量學(xué)分析的準(zhǔn)確度，而針對(duì)不同序列、不同部位，IQMR技術(shù)是否能改善MR圖像質(zhì)量需進(jìn)一步探索。本研究旨在對(duì)比頸椎矢狀位T2WI 常規(guī)圖像與IQMR 技術(shù)掃描圖像，探討IQMR技術(shù)在頸椎MRI檢查中的應(yīng)用價(jià)值，為臨床提高M(jìn)RI掃描效率、加快診療速度提供有力的支持。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，并獲貴州省人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像臨床研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，免除受試者知情同意，批準(zhǔn)文號(hào)：（2022）045 號(hào)。回顧性分析本院2022 年3 月至2022 年5 月臨床懷疑頸椎病變行MRI 檢查的患者資料50 例，男31 例，女19 例，年齡26～81（50.76±11.86）歲。

1.2 掃描及后處理方案

采用西門子MAGNETOM Aera 1.5 T超導(dǎo)MR掃描儀行頸椎矢狀位平掃，采用8通道頭相控陣線圈。常規(guī)頸椎矢狀位T2WI，參數(shù)如下：TR 2800 ms，TE 108 ms，層厚3 mm，層間距0.6 mm，矩陣384×384，視野300 mm×300 mm，分辨率0.6 mm×0.6 mm×3.0 mm，層數(shù)11，掃描時(shí)間3 min 1 s；IQMR原始頸椎矢狀位T2WI，參數(shù)如下：TR 3000 ms，TE 81 ms，層厚3 mm，層間距0.6 mm，矩陣300×100，視野260 mm×260 mm，分辨率0.3 mm×0.3 mm×3.0 mm，層數(shù)11，掃描時(shí)間1 min 17 s，掃描后獲得原始圖像，并將原始圖像數(shù)據(jù)傳入后處理工作站（Medic Vision Imaging Solutions, Tirat Carmel, Israel 13）行IQMR重建獲取IQMR重建圖像。

1.3 圖像分析

主觀評(píng)分：由兩名5年以上影像診斷經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師分別對(duì)兩組圖像使用雙盲法評(píng)判分析，取兩者平均值。根據(jù)椎體、椎間盤、脊髓結(jié)構(gòu)顯示情況進(jìn)行評(píng)分，具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：1 分，圖像偽影多，病灶及解剖結(jié)構(gòu)顯示不清，不能診斷；2 分，圖像中度偽影，病灶及解剖結(jié)構(gòu)顯示模糊，診斷可能出現(xiàn)誤差；3 分，圖像中度偽影，病灶及解剖結(jié)構(gòu)顯示欠清，但對(duì)診斷影響不大；4 分，圖像輕微偽影，病灶及解剖結(jié)構(gòu)顯示可，可明確診斷；5 分，無偽影圖像，病灶及解剖細(xì)節(jié)顯示清，可明確診斷。

客觀評(píng)價(jià)：于頸椎T2WI正中矢狀位圖像，選擇第2 頸椎層面脊髓及枕大池腦脊液處分別勾畫面積約2 mm2的ROI，并在圖像同層面背景后方上下兩角無結(jié)構(gòu)組織區(qū)域勾畫兩個(gè)2 mm2的ROI，取二者平均值為平均背景噪聲（standard deviation, SD）（圖1），計(jì)算兩組圖像ROI 的信號(hào)強(qiáng)度（signal strength, SI）、SD、信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）、對(duì)比噪聲比（contrast-to-noise ratio, CNR）并進(jìn)行比較。SNR與CNR計(jì)算公式見式（1）～（2）。

圖1 ROI的選擇。選擇頸椎T2WI 正中矢狀位，于頸2 頸椎層面脊髓及大枕大池腦脊液處勾畫ROI，勾畫面積約2 mm2，并于同層面頸2、頸7棘突平面皮下30 mm處勾畫測(cè)量背景ROI。圖2 常規(guī)頸椎T2WI矢狀位（2A）、IQMR原始頸椎T2WI矢狀位（2B）、IQMR重建T2WI矢狀位（2C）圖像。三組圖像對(duì)于病灶的檢出數(shù)量相同，但對(duì)于同一病灶的顯示不同；紅色箭頭所指延髓及脊髓高信號(hào)病灶在2B、2C 兩圖的顯示范圍更大；白色箭頭所指小腦下后動(dòng)脈的顯示在2B、2C兩圖中邊緣更清晰。IQMR：快速智能磁共振。Fig.1 Selection of ROI.The median sagittal position of T2WI of cervical vertebra is selected.The spinal cord and cerebrospinal fluid of cisterna magna are defined as ROI at the level of cervical vertebra, and the area is about 2 mm2.The background ROI is delineated at the subcutaneous 30 mm of C2 and C7 spinous process plane at the same level.Fig.2 Images of conventional cervical T2WI sagittal images (2A), IQMR original cervical T2WI sagittal images (2B) and IQMR reconstructed T2WI sagittal images (2C), respectively.The number of lesions detected by the three images is the same, but the display of the same focus is different;The display range of the high signal lesions of the medulla oblongata and spinal cord indicated by the red arrow is larger in images 2B and 2C; The edge of the posterior inferior cerebellar artery pointed to by the white arrow is clearer in images 2B and 2C.IQMR: intelligent quick magnetic resonance.

SNR=SI脊髓／SD背景（1）

CNR=（SI脊髓-SI腦脊液）／SD背景（2）

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示；等級(jí)資料以中位數(shù)（上、下四分位數(shù)）表示。三組掃描圖像SI、SD、SNR及CNR的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異采用ANOVA檢驗(yàn)；采用Kappa檢驗(yàn)評(píng)估2名影像診斷醫(yī)師評(píng)價(jià)頸椎MRI主要解剖結(jié)構(gòu)評(píng)分的一致性：Kappa≤0.40時(shí)一致性差，0.40＜Kappa≤0.60時(shí)一致性中等，0.60＜Kappa≤0.80 時(shí)一致性較好，Kappa＞0.8 時(shí)一致性好。采用多樣本秩和（Kruskal-WallisH）檢驗(yàn)比較三種掃描圖像頸椎圖像的整體主觀評(píng)分差異。以P＜0.05時(shí)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組圖像客觀評(píng)價(jià)的比較

經(jīng)過IQMR 重建所得圖像的SI脊髓、SI腦脊液、SD背景、SNR 和CNR（205.31±20.48, 628.13±83.26, 1.02±0.26, 210.99±44.21, 429.58±91.16）與IQMR原始圖像相比，經(jīng)過IQMR重建所得圖像SD下降21%，SNR提升28%、CNR提升30%；與常規(guī)圖像相比，經(jīng)過IQMR重建所得圖像SD下降43%，SNR提升50%、CNR提升68%；三組圖像之間SI脊髓差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；三組圖像之間SI腦脊液差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），且常規(guī)圖像SI腦脊液低于IQMR原始圖像及IQMR重建圖像（表1）。

表1 三組圖像SI、SD、SNR及CNR的差異性比較Tab.1 Comparison of the differences of SI, SD, SNR and CNR among three groups of images

2.2 兩組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分的比較

兩名醫(yī)師對(duì)常規(guī)圖像顯示椎體、椎間盤、脊髓的主觀評(píng)分結(jié)果一致性為較好至好，Kappa 值為0.61～0.92，P＜0.05（表2）。三組圖像整體質(zhì)量主觀評(píng)分差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（H=19.25,P＜0.001）（表3）；經(jīng)過事后兩兩比較顯示，IQMR原始圖像與IQMR重建圖像之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.313）；常規(guī)圖像與IQMR 重建圖像（P＜0.001）及原始圖像（P=0.001）之間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05, Bonferroni校正）。

表2 兩名醫(yī)師對(duì)頸椎各解剖結(jié)構(gòu)主觀評(píng)分的Kappa值Tab.2 Kappa values of image quality between two Radiologists in each anatomical structure of cervical vertebra

表3 三組圖像整體質(zhì)量主觀評(píng)分的比較Tab.3 Comparison of subjective score of overall image quality among three groups

2.3 兩組圖像疾病檢出的主觀比較

使用雙盲法對(duì)三組圖像進(jìn)行疾病檢出的主觀比較，疾病類型包括椎間盤突出、椎體壓縮性改變、椎體骨質(zhì)增生、椎管狹窄、脊髓變性（表4）。結(jié)果顯示，三組圖像對(duì)病灶檢出情況一致但對(duì)于病灶細(xì)節(jié)顯示出現(xiàn)不同，與常規(guī)圖像相比，IQMR 原始圖像與重建圖像對(duì)于病灶范圍顯示更準(zhǔn)確，對(duì)于搏動(dòng)的小動(dòng)脈顯示邊緣更清晰（圖2）。

表4 三組圖像對(duì)病灶顯示情況的比較Tab.4 Comparison of the display of lesions among images

3 討論

本研究對(duì)頸椎行常規(guī)、IQMR 矢狀位T2WI 序列掃描，得到常規(guī)圖像、IQMR 原始圖像及IQMR 重建圖像，并將三組圖像進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過IQMR 重建能夠提高圖像的SNR 以及CNR，并降低SD，改善圖像質(zhì)量。本研究為國(guó)內(nèi)首次利用IQMR技術(shù)將機(jī)器學(xué)習(xí)及迭代重建相聯(lián)合應(yīng)用于頸椎MRI，不僅實(shí)現(xiàn)了縮短MRI 掃描時(shí)間，且能提高圖像質(zhì)量，提高臨床MRI檢查效率、加快疾病的診療過程。

3.1 掃描時(shí)間

MRI 檢查由于其軟組織對(duì)比分辨率高，尤其對(duì)脊髓、椎間盤等軟組織的清晰顯示已成為診斷頸椎疾病的首選技術(shù)[10-12]，但其成像時(shí)間受k 空間數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量、采樣方式以及圖像重建方式等因素影響[7,13]，獲得高質(zhì)量的MR 圖像會(huì)導(dǎo)致檢查時(shí)間過長(zhǎng)，嚴(yán)重影響患者的檢查頻次及特殊人群的檢查。目前臨床使用的頸椎矢狀位T2WI 序列掃描時(shí)間平均在3 min 左右，而使用IQMR重建技術(shù)掃描時(shí)間約1 min 17 s，與常規(guī)序列相比掃描時(shí)間縮短了57%?？s短掃描時(shí)間可獲得更高的患者配合度，降低運(yùn)動(dòng)偽影，便于獲取更精準(zhǔn)的圖像。

3.2 圖像質(zhì)量

通過減少激勵(lì)次數(shù)、并行采集技術(shù)以及壓縮感知等技術(shù)可改善圖像質(zhì)量從而提高掃描速度[14-15]，但大部分技術(shù)在縮短掃描時(shí)間的同時(shí)都存在降低圖像質(zhì)量的缺陷。IQMR 重建技術(shù)與壓縮感知技術(shù)相似[16-19]，均能通過提高SNR、CNR 保證縮短掃描時(shí)間后的圖像質(zhì)量[20]，然而壓縮感知技術(shù)采用的欠采樣數(shù)據(jù)、非線性重建以及降噪特性可能會(huì)遺漏一些細(xì)微的診斷信息[21]，且對(duì)于壓縮因子的選擇，不同組織結(jié)構(gòu)可能存在不同的最佳值[22]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，AI與影像技術(shù)的緊密結(jié)合，表現(xiàn)出對(duì)于圖像去噪、數(shù)據(jù)恢復(fù)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[23-25]，目前許多研究也嘗試使用深度學(xué)習(xí)重建等AI結(jié)合的方法輔助壓縮感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)在保證圖像質(zhì)量的前提下使用更合適的加速因子[26]。此外，并行成像也是一類可用于減少掃描時(shí)間的圖像重建方法[27-30]，在并行采集使用過程中，可通過縮短重復(fù)時(shí)間縮短掃描時(shí)間，但會(huì)對(duì)圖像對(duì)比度有影響；若減少在相位編碼方向上收集的行數(shù)，則會(huì)降低圖像空間分辨率；同時(shí)欠采樣技術(shù)也會(huì)增加相鄰k 空間線之間的間距，從而降低視野，導(dǎo)致圖像混疊偽影，可能會(huì)對(duì)臨床診斷造成一定的影響[29]。基于以上問題，IQMR 技術(shù)首次將3D（GiRR3D, Medic Vision）技術(shù)中通用迭代反向重建的Safe CT算法應(yīng)用于MR 圖像的處理，將輸入圖像與IQMR 使用期間獲取的高質(zhì)量圖像進(jìn)行比較，通過AI 輔助的方式利用MRI 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)先驗(yàn)知識(shí)以及SNR 改善圖像增強(qiáng)和迭代重建方法來恢復(fù)使用相對(duì)較差的曝光參數(shù)所獲取的MR 圖像細(xì)節(jié)和質(zhì)量[9]。在既往針對(duì)顱腦的研究[9,31]中，IQMR 技術(shù)不僅可以改善MR 圖像質(zhì)量，還可以提高形態(tài)計(jì)量分析的質(zhì)量。本研究結(jié)果顯示IQMR重建圖像與常規(guī)圖像以及IQMR原始圖像相比均能夠降低SD、提高SNR 及CNR 等客觀指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像質(zhì)量的改善[32-33]，并且重建圖像在三組圖像中表現(xiàn)最優(yōu)。不同于其他提速技術(shù)需要在掃描中更改參數(shù)，IQMR 技術(shù)在操作過程中，選入IQMR 原始序列后無須參數(shù)調(diào)節(jié)即可掃描，并自動(dòng)重建，不增加額外的人工操作即可輸出最佳圖像，實(shí)現(xiàn)保證圖像質(zhì)量的前提下縮短掃描時(shí)間。

3.3 疾病檢出能力

本研究中三組圖像具有相同的疾病檢出能力，考慮由于未達(dá)診斷標(biāo)準(zhǔn)的圖像已被臨床自動(dòng)淘汰，納入資料可能存在選擇性偏差；同時(shí)IQMR 設(shè)置原始序列與輸出指令即同期機(jī)器學(xué)習(xí)所獲得的最佳圖像也均能達(dá)到診斷標(biāo)準(zhǔn)，兩名醫(yī)師對(duì)于IQMR 所獲得的兩組圖像整體主觀感受無明顯差異，表示三組圖像疾病檢出能力相同。通過IQMR技術(shù)掃描的兩組圖像各解剖結(jié)構(gòu)的主觀評(píng)分一致性優(yōu)于常規(guī)圖像，表明前者成像質(zhì)量更穩(wěn)定；同時(shí)通過使用IQMR 技術(shù)掃描時(shí)間縮短57%，能夠有效減輕患者因檢查時(shí)間過長(zhǎng)帶來的不適，獲得更高的配合度，有利于捕捉更精準(zhǔn)的圖像。雖然三種序列疾病檢出能力相同，但I(xiàn)QMR 技術(shù)掃描圖像對(duì)病灶范圍的評(píng)估以及搏動(dòng)血管的顯示優(yōu)于常規(guī)圖像，因此IQMR 技術(shù)對(duì)疾病顯示具有更高的診斷價(jià)值。

3.4 局限性

本研究仍存在不足之處：其一，本研究?jī)H針對(duì)T2WI 一個(gè)序列做出研究，對(duì)于一些特殊的功能成像并未進(jìn)行研究；其二，本研究對(duì)于所包含的病種在診斷上并無明顯差異，但考慮本研究納入樣本量較少，針對(duì)頸椎腫瘤等疾病的診斷是否存在差異有待進(jìn)一步研究，以上不足將在課題組后期工作中跟進(jìn)。

4 結(jié)論

綜上所述，IQMR重建技術(shù)不僅可提升頸椎MRI的圖像質(zhì)量，還可縮短掃描時(shí)間，有望提升頸椎MRI 的掃描效率，縮短患者預(yù)約及檢查時(shí)間，值得臨床推廣應(yīng)用。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：曾憲春設(shè)計(jì)本研究的方案，對(duì)稿件重要的智力內(nèi)容進(jìn)行了修改；徐敏起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；吳瑜、劉鍵、徐睿負(fù)責(zé)獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；王榮品對(duì)稿件重要的智力內(nèi)容進(jìn)行了修改；徐睿獲得了貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。曾憲春獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對(duì)本研究的所有方面負(fù)責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠(chéng)信。