ACS技術(shù)在肩關(guān)節(jié)磁共振軸位上的可行性研究

陳興艷,查福祥,秦秀鳳,萬維佳,聶鴻雁

肩關(guān)節(jié)作為人體最靈活的關(guān)節(jié),也是損傷的好發(fā)部位。磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)由于其無輻射、多參數(shù)成像、軟組織對比度高的特點,能清晰地展示肩關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu),成為肩關(guān)節(jié)損傷的重要影像學(xué)檢查方法[1-3]。肩關(guān)節(jié)常規(guī)磁共振序列采集時間過長,尤其是肩關(guān)節(jié)損傷的患者由于被迫體位和疼痛,導(dǎo)致其檢查期間耐受性以及配合度降低而容易產(chǎn)生運動偽影[4,5]。因此,保證圖像質(zhì)量的同時盡可能縮短檢查時間成為優(yōu)化肩關(guān)節(jié)磁共振掃描方案的首要問題之一。

目前縮短磁共振檢查時間的方法包括:壓縮感知技術(shù)、并行采集技術(shù)和半波長傅立葉算法。但這些方法在有效縮短成像時間的同時,降低了圖像質(zhì)量。聯(lián)影公司開發(fā)出一種新型的MR加速解決方案——AI輔助下的壓縮感知(AI-assisted compressed sensing,ACS),該技術(shù)在保證圖像質(zhì)量的同時,可明顯降低圖像的采集時間,這一創(chuàng)新性的技術(shù)目前在肩關(guān)節(jié)的應(yīng)用上未有相關(guān)文獻(xiàn)報道。本文通過對比肩關(guān)節(jié)在3.0T聯(lián)影U790行常規(guī)T2WI和ACS T2WI掃描的圖像和掃描時間,探討ACS技術(shù)在肩關(guān)節(jié)磁共振掃描方案的可行性。

材料與方法

1．患者資料

前瞻性納入華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院光谷院區(qū)放射科2021年5月-2021年6月接受3.0T聯(lián)影U790肩關(guān)節(jié)MR掃描的患者32例,患者同時接受常規(guī)T2WI序列掃描和ACS T2WI序列掃描。排除標(biāo)準(zhǔn):①MRI檢查禁忌癥者;②檢查不配合者;③圖像質(zhì)量不達(dá)標(biāo),無法滿足診斷要求者。入組患者男16例,女16例,平均年齡45.19 歲。本研究經(jīng)同濟(jì)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會授權(quán),所有受檢者均知情并簽署知情同意書。

2．檢查方法

采用聯(lián)影3.0T uMR 790磁共振掃描儀,聯(lián)合使用12通道關(guān)節(jié)陣列表面線圈(肩關(guān)節(jié)專用線圈)。掃描采用仰臥位、頭先進(jìn)。分別采集所有受試者肩關(guān)節(jié)常規(guī)軸位FSE T2WI以及ACS軸位 FSE T2WI圖像。常規(guī)軸位FSE T2WI序列參數(shù):層厚3 mm,層間距0.6 mm,回波鏈長度(ETL)11,激勵次數(shù)(NEX)2,帶寬180 Hz/Pixel,TR 3912 ms,TE 72.24 ms,視野180 mm×180 mm,采集矩陣224×100,掃描時間114 s。ACS軸位FSE T2WI序列參數(shù):層厚3 mm,層間距0.6 mm,ETL 27,NEX 1,帶寬340 Hz/Pixel,TR 2800 ms,TE 95.16 ms,視野180 mm×180 mm,采集矩陣224×100,掃描時間45 s。

3．圖像分析

所有圖像均在后處理工作站上進(jìn)行處理分析。采用盲法分別對常規(guī)T2WI和ACS T2WI圖像中三角肌的信號強(qiáng)度(signal intensity,SI)、肱骨頭髓腔的信號強(qiáng)度和同層面肩關(guān)節(jié)前外側(cè)背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)進(jìn)行測量,并計算對比信噪比(contrast to noise ratio,CNR),計算公式:

(1)

選取感興趣區(qū)(region of interest,ROI)時盡量選取信號均勻、無偽影、無形變的區(qū)域,每個部位重復(fù)測量三次,取均值。空間分辨率均在常規(guī)軸位T2WI和ACS軸位T2WI序列掃描參數(shù)中可見。

所有圖像采用盲法由本院兩名有7年骨骼肌肉放射診斷經(jīng)驗的醫(yī)師獨立評價,參考Dietrich[6]分級方法,內(nèi)容包括圖像偽影、岡上肌邊緣的清晰和銳利度、圖像的整體質(zhì)量。評分標(biāo)準(zhǔn)如下:①圖像偽影:0分,嚴(yán)重的偽影(不能確診);1分,介于中度和嚴(yán)重偽影之間(圖像尚可用于確診);2分,中度偽影;3分,輕度偽影;4分,沒有偽影。②岡上肌邊緣的清晰和銳利度:0分,極度模糊,無法區(qū)分;1 分,模糊;2分,稍模糊;3分,清晰但不銳利;4分,清晰且銳利。③圖像的整體質(zhì)量:0分,不能診斷;1分,差;2分,中等;3 好;4 極好。

4．統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。不同醫(yī)師對圖像的主觀評價采用Weighted Kappa檢驗評估一致性。Kappa值0.0～0.20為極低的一致性,0.21～0.40為一般的一致性,0.41～0.60為中等的一致性,0.61～0.80為高度的一致性,0.81～1為幾乎完全一致。常規(guī)T2WI和ACS T2WI兩組間圖像質(zhì)量主觀評分(包括偽影、崗上肌邊緣的清晰和銳利度、整體圖像質(zhì)量)和兩組間圖像質(zhì)量客觀評價(CNR)采用配對t檢驗進(jìn)行分析。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

（1）根據(jù)變頻器所處的實際環(huán)境情況，對變頻器進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)。首先要保持變頻器的清潔，定期對其做防腐處理，并且

結(jié) 果

1．一致性分析

采用Weighted Kappa檢驗來分析兩名醫(yī)師的主觀數(shù)據(jù)一致性。Kappa值越高,兩組數(shù)據(jù)的一致性越好,其可信程度越高。分析表明兩名醫(yī)師的主觀評分一致性良好(表1)。

表1 兩名醫(yī)師主觀評分結(jié)果一致性分析

2．計量資料的圖像分析結(jié)果

32例肩關(guān)節(jié)MRI檢查中,ACS組圖像的對比噪聲比高于常規(guī)組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義。兩組圖像的空間分辨率均為0.80 mm×0.80 mm×3.00 mm,差異無統(tǒng)計學(xué)意義;但ACS T2WI掃描時間45 s,小于常規(guī)T2WI掃描時間114 s(表2)。

表2 兩組T2WI圖像的客觀評價比較

3．圖像整體質(zhì)量評估結(jié)果

放射科醫(yī)師2對兩組圖像的邊緣清晰銳利度、偽影和圖像整體質(zhì)量進(jìn)行主觀評分(表3)。ACS 組的圖像整體質(zhì)量評分高于常規(guī)掃描組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);其中,ACS掃描圖像的偽影評分高于常規(guī)掃描組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);兩組圖像的邊緣銳利度評分,ACS組更高,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表3 醫(yī)師2對兩組T2WI的主觀圖像質(zhì)量評分表

同一患者ACS技術(shù)掃描的軸位T2WI圖像比常規(guī)技術(shù)掃描的軸位T2WI圖像整體質(zhì)量更好,圖像更清晰,偽影更少(圖1～3)。

圖1 女,51歲,肩關(guān)節(jié)疼痛數(shù)年。a)肩關(guān)節(jié)磁共振常規(guī)軸位T2WI圖像;b)肩關(guān)節(jié)磁共振ACS T2WI圖像。 圖2 男,33歲,電擊傷致右肩疼痛伴活動受限。a)肩關(guān)節(jié)磁共振常規(guī)軸位T2WI圖像;b)肩關(guān)節(jié)磁共振ACS T2WI圖像。圖3 男,50歲,肩關(guān)節(jié)疼痛,活動受限。a)肩關(guān)節(jié)磁共振常規(guī)軸位T2WI圖像;b)肩關(guān)節(jié)磁共振ACS T2WI圖像。

討 論

隨著生活水平的提高,運動成為人們追求健康生活的主要方式。隨著運動量的增加及運動形式多樣化的發(fā)展,四肢骨關(guān)節(jié)及肌肉系統(tǒng)的損傷也越來越常見,運動醫(yī)學(xué)因此成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中備受關(guān)注的學(xué)科。磁共振成像是肩關(guān)節(jié)運動損傷的重要影像學(xué)檢查,但檢查時間長是其最大的弊端。目前常規(guī)肩關(guān)節(jié)MR掃描方案常因掃描時間過長造成部分患者難以耐受,尤其是兒童和損傷嚴(yán)重患者,他們?nèi)菀装l(fā)生移動而產(chǎn)生明顯的運動偽影[7,8]。因此,盡量縮短檢查時間而又能獲得滿意的圖像質(zhì)量成為優(yōu)化肩關(guān)節(jié)MR掃描方案的首要問題。同時,在臨床檢查量日益增長的情況下,迫切需要創(chuàng)新性的加速成像技術(shù)[9]。

縮短掃描時間同時獲得好的圖像質(zhì)量是磁共振成像技術(shù)的難點。傳統(tǒng)的用于磁共振掃描加速的方式有部分傅里葉變換、并行采集和最新的壓縮感知技術(shù)[10-12],其中前兩者基于線性數(shù)學(xué)模型,加速倍數(shù)有限,高加速倍數(shù)下,常常產(chǎn)生局部噪聲帶,殘余混疊偽影[13-15];壓縮感知則采用非線性數(shù)學(xué)模型,可有效抑制加速引起的噪聲帶及混雜偽影[16,17]。但這些技術(shù)在有效縮短成像時間的同時,不同程度降低了圖像質(zhì)量?；诖?一種被命名為ACS的全新加速成像技術(shù)被提出。該技術(shù)將人工智能、壓縮感知、并行采集和半傅里葉變換多種技術(shù)相結(jié)合,ACS沿用了壓縮感知的原理,加入了AI模塊的學(xué)習(xí)能力[18],在保證圖像質(zhì)量的同時,可明顯降低圖像的采集時間。

本研究通過對比常規(guī)T2WI和ACS T2WI圖像質(zhì)量,結(jié)果顯示ACS在CNR、抑制偽影和清晰銳利度方面方面優(yōu)于常規(guī)T2WI且有統(tǒng)計學(xué)差異,兩組圖像空間分辨率一致無顯著差異。常規(guī)T2WI加速方式是并行采集,其產(chǎn)生偽影的原因主要來自兩個方面:殘余混疊和噪聲增多[19]。產(chǎn)生這兩種偽影的原因都是因為加速因子過高,但是線圈范圍通道有限,沒法承載這么多的信號,多的像素彼此之間無法展開,感興趣區(qū)內(nèi)部或外部產(chǎn)生重影,或者圖像的解剖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻的顆粒感導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生。ACS中AI模塊的目標(biāo)是學(xué)習(xí)沒有重建偽影的全采樣高質(zhì)量圖像,獲取的全k空間數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換為圖像域并作為目標(biāo)輸出,因此ACS中的AI模塊能在高加速水平下,減輕傳統(tǒng)方法重建偽影[20],ACS圖像相較于常規(guī)T2WI偽影抑制方面表現(xiàn)更優(yōu),相應(yīng)的圖像的對比噪聲比更高,圖像的邊緣更清晰銳利,圖像質(zhì)量看起來更清晰,但是壓縮感知并非采集整個k空間的數(shù)據(jù),而是只采集了必要的部分,將數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮,對于一些微小病兆存在漏診。

本研究存在一定的不足,樣本量較少,可能會造成數(shù)據(jù)的選擇偏倚,同時,本研究涉及的肩關(guān)節(jié)平掃其它序列也未納入研究范圍。在未來的研究中,筆者擬將該技術(shù)應(yīng)用于其它關(guān)節(jié),并擴(kuò)大病例樣本,同時納入其他序列一同分析。

綜上所述,ACS應(yīng)用于肩關(guān)節(jié)磁共振平掃中,實現(xiàn)了肩關(guān)節(jié)的快速磁共振成像。在獲得更高圖像質(zhì)量的同時,其掃描時間明顯縮短,由傳統(tǒng)技術(shù)的114 s縮短至45 s,對于不同耐受程度的患者都具有更高的時間分辨率的優(yōu)勢,同時明顯提高放射科技術(shù)員的工作效率,該項快速掃描方法值得臨床廣泛推廣。