心臟磁共振自由呼吸運(yùn)動(dòng)校正人工智能電影序列在心力衰竭患者中的臨床應(yīng)用

冉玲平，黃璐，嚴(yán)祥虎，趙赟，楊朝霞，周舒暢，夏黎明

作者單位 華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院放射科，武漢 430030

0 引言

心力衰竭是多種心血管疾病的終末期表現(xiàn)，具有較高的患病率和發(fā)病率[1-2]。心臟磁共振（cardiac magnetic resonance, CMR）成像在各類心臟疾病的診斷中發(fā)揮著重要作用，可以準(zhǔn)確、全面地評(píng)估心臟形態(tài)和功能[3]，常用于心衰的診斷及功能評(píng)估[4]。傳統(tǒng)的屏氣平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)（balanced steady state free precession, bSSFP）電影序列被認(rèn)為是CMR 中用于心室容積和功能評(píng)估的常規(guī)方法[5-6]。然而，它需要多次屏氣來進(jìn)行掃描，以避免呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致圖像偽影，尤其是大多數(shù)心力衰竭患者很難配合多次長(zhǎng)時(shí)間的屏氣，經(jīng)常導(dǎo)致電影圖像偽影很重或患者難以堅(jiān)持完成完整的檢查。因此，以自由呼吸狀態(tài)下加速采集技術(shù)完成CMR電影掃描對(duì)心衰患者非常有益。

雖然以往的加速采集技術(shù)，比如壓縮感知（compressed sensing, CS）、實(shí)時(shí)（real-time）電影成像等[7-10]，采集時(shí)間短于常規(guī)電影，能明顯縮短屏氣時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)自由呼吸狀態(tài)下掃描，但部分研究顯示圖像質(zhì)量相較于常規(guī)電影會(huì)有所降低[11-13]。近年來，人工智能（artificial intelligence, AI）技術(shù)在加速M(fèi)RI 方面展現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)重建方法的優(yōu)勢(shì)，具有更快的重建速度[14-17]。最近的發(fā)展趨勢(shì)表明，AI在心臟電影圖像重建方面具有巨大潛力，可以減少掃描時(shí)間和/或提高圖像質(zhì)量[18-20]。然而，當(dāng)前大部分AI 用于CMR電影成像的技術(shù)需要在屏氣狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)[21-22]。本研究應(yīng)用了一種新的帶有運(yùn)動(dòng)校正的自由呼吸（free-breathing with motion correction, FB-MOCO）AI電影成像技術(shù)，該技術(shù)可以在自由呼吸狀態(tài)下完成CMR 電影掃描，同時(shí)利用AI重建和運(yùn)動(dòng)校正方法對(duì)圖像進(jìn)行校正，以消除呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)圖像質(zhì)量的影響。本研究旨在評(píng)價(jià)FB-MOCO AI 電影技術(shù)的圖像質(zhì)量、雙心室容積和功能參數(shù)，并與常規(guī)bSSFP 屏氣電影序列進(jìn)行比較，以探討其在心力衰竭患者CMR 檢查中應(yīng)用的可行性。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，獲得華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批準(zhǔn)文號(hào)：2020 倫審字S155 號(hào)），所有患者檢查前簽署知情同意書。前瞻性連續(xù)納入2022 年8 月至2023 年5 月期間來我院進(jìn)行CMR 檢查的心力衰竭患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：臨床診斷心力衰竭患者，左心室射血分?jǐn)?shù)（left ventricular ejection fraction, LVEF）＜50%。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）未成功完成常規(guī)屏氣電影和FB-MOCO AI電影序列CMR 檢查；（2）圖像質(zhì)量較差，難以滿足臨床診斷要求。

1.2 圖像掃描

所有CMR 掃描均在3 T MR 掃描儀（uMR 790,United Imaging Healthcare，上海，中國(guó)）上進(jìn)行，使用專用的24通道心臟線圈。首先進(jìn)行常規(guī)bSSFP屏氣電影序列的掃描，隨后掃描層面位置相匹配的FB-MOCO AI 電影序列，兩個(gè)序列均掃描從基底部到心尖9 個(gè)連續(xù)的短軸層面，以覆蓋整個(gè)心室，每一層均有25 個(gè)期相的圖像。FB-MOCO AI電影序列由聯(lián)影公司（中國(guó)，上海）提供并直接安裝在MRI 掃描儀上，該序列使用bSSFP 序列欠采樣模式在自由呼吸狀態(tài)下采集，通過使用AI 進(jìn)行重建，MOCO 方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正。掃描序列的詳細(xì)成像參數(shù)見表1。

1.3 圖像分析

所有的定性和定量圖像分析均由兩名分別具有2 年和8 年CMR 診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科住院醫(yī)師和主治醫(yī)師獨(dú)立進(jìn)行。采用5分法評(píng)分量表[23-24]對(duì)短軸圖像的整體圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估：1 分，非診斷性，無臨床意義；2 分，差，有明顯的運(yùn)動(dòng)相關(guān)偽影或圖像失真，但具有部分診斷意義；3 分，中等，有中度運(yùn)動(dòng)相關(guān)偽影或圖像失真，但能充分識(shí)別心室輪廓；4 分，良好，輕度運(yùn)動(dòng)相關(guān)偽影或圖像失真；5 分，優(yōu)，無或輕微運(yùn)動(dòng)相關(guān)偽影或圖像失真。圖1 為圖像質(zhì)量5 分法評(píng)分示意圖。

圖1 圖像質(zhì)量5分法評(píng)分示意圖。圖1A～1E分別代表1～5分。Fig.1 Illustration of the 5-point scoring method for image quality.1A-1E show 1-5 point, respectively.

使用軟件CVI42，v.5.3（Circle Cardiovascular Imaging,Calgary, Canada）進(jìn)行定量功能分析，人工智能自動(dòng)識(shí)別心室腔容積最大的期相為舒張末期，心室腔容積最小的期相為收縮末期，自動(dòng)識(shí)別勾畫舒張末期和收縮末期的左心室（left ventricle, LV）心內(nèi)膜和心外膜輪廓以及右心室（right ventricle, RV）心內(nèi)膜輪廓，分別由兩名醫(yī)師逐層查看，輪廓識(shí)別不準(zhǔn)確時(shí)進(jìn)行人工調(diào)整。心室腔容積包含心內(nèi)膜肌小梁和心室乳頭肌。然后計(jì)算雙心室容積和功能參數(shù)，包括舒張末期容積（end-diastolic volume, EDV）、收縮末期容積（end-systolic volume, ESV）、每搏輸出量（stroke volume, SV）、射血分?jǐn)?shù)（ejection fraction, EF）和左心室舒張末期質(zhì)量（LV end-diastolic mass, LVEDM）。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。連續(xù)數(shù)據(jù)描述為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差或中位數(shù)（P25，P75）。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析前，對(duì)兩名放射科醫(yī)師的圖像質(zhì)量評(píng)分和定量參數(shù)進(jìn)行平均分析。Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布。采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)來評(píng)估兩種序列之間正態(tài)分布定量數(shù)據(jù)的差異。對(duì)非正態(tài)分布的定量數(shù)據(jù)和定性評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)采用配對(duì)Wilcoxon 符號(hào)秩檢驗(yàn)。采用Pearson（正態(tài)分布）或 Spearman（非正態(tài)分布）相關(guān)分析評(píng)估兩種序列間定量參數(shù)的相關(guān)性。通過Bland-Altman 分析來評(píng)估從不同序列中獲得的定量參數(shù)的一致性。分別采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intra-class correlation coefficient, ICC）和加權(quán)Kappa評(píng)估測(cè)量的定量參數(shù)和評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)的觀察者間一致性。ICC 一致性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：＜0.50 為一致性較差，0.50～0.75 為 一 致 性 中 等，＞0.75～0.90 為 一 致 性 較好，＞0.90 為一致性很好。加權(quán)Kappa 一致性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：≤0.20 為 一 致 性 較 差，＞0.20～0.40 為 一 致 性 一般，＞0.40～0.60為一致性中等，＞0.60～0.80為一致性較好，＞0.80為一致性好。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 患者基本情況

本研究最終納入了29 例心力衰竭患者，男18 例，女11 例，年齡17～75（42±16）歲，身高（166.2±10.5）cm，體質(zhì)量（67.7±15.2） kg，體質(zhì)量指數(shù)（24.3±4.0） kg/m2，體表面積（1.8±0.2） m2，體表面積計(jì)算公式為：0.006 1×身高（cm）＋0.012 4×體質(zhì)量（kg）-0.009 9[25]，心率77±12 次/分，氨基末端腦鈉肽前體569.0（108.5,1 536.5） pg/mL，高 敏 心 肌 肌 鈣 蛋 白I 22.5（10.5,110.4） pg/mL，肌酸激酶93.0（46.5, 150.0） U/L，超敏C 反應(yīng)蛋白2.4（0.9, 5.1） mg/L。心衰患者的臨床診斷包括8 例擴(kuò)張型心肌病、5 例高血壓心臟病、3 例肥厚型心肌病、3例心肌梗死、3例心肌炎、1例心肌淀粉樣變性、1例心肌致密化不全和5例其他心血管疾病，患者臨床癥狀表現(xiàn)為胸痛、胸悶、氣促、呼吸困難、雙下肢水腫等，CMR 表現(xiàn)包括心臟擴(kuò)大、心功能減低、二尖瓣/主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全、心包積液等。

2.2 掃描時(shí)間和圖像質(zhì)量評(píng)分

FB-MOCO AI 電影序列的總掃描時(shí)間[（14.3±1.9） s]比常規(guī)屏氣電影[（79.2±11.4） s]明顯縮短（t=36.063，P＜0.001）。FB-MOCO AI 電影[（4.4±0.5）分]的總體圖像質(zhì)量評(píng)分與常規(guī)屏氣電影[（4.3±0.7）分]相當(dāng)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-0.949，P=0.343）。除1 例患者的常規(guī)屏氣電影圖像有明顯的偽影，兩名醫(yī)師都評(píng)為2分外，其余患者兩個(gè)電影序列圖像兩位醫(yī)師的評(píng)分均≥3。其中，常規(guī)屏氣電影評(píng)5 分的14 例（48.3%）、4分12例（41.4%）、3分2例（6.9%）、2分1例（3.4%），F(xiàn)B-MOCO AI電影圖像評(píng)5分的13例（44.9%）、4 分15 例（51.7%）、3 分1 例（3.4%）、2 分0 例（0.0%）。圖2 為兩種電影序列的圖像質(zhì)量評(píng)分分布情況。圖3 為一名擴(kuò)張型心肌病患者兩種電影序列的代表性圖像。

圖2 圖像質(zhì)量評(píng)分的分布情況（患者的百分比）。FB-MOCO AI：自由呼吸運(yùn)動(dòng)校正人工智能。Fig.2 Distribution of image quality scores (percentage of patients).FB-MOCO AI: free-breathing with motion correction artificial intelligence.

圖3 男，34 歲，擴(kuò)張型心肌病患者。3A～3C 分別為常規(guī)屏氣電影的基底段、中間段和心尖段舒張末期短軸電影圖像；3D～3F為FB-MOCO AI電影的相應(yīng)層面。兩位觀察者對(duì)兩個(gè)序列的圖像質(zhì)量評(píng)分均為優(yōu)（5 分）。FB-MOCO AI：自由呼吸運(yùn)動(dòng)校正人工智能。Fig.3 Representative images of a 34 years old male patient diagnosed with dilated cardiomyopathy.3A-3C show end-diastolic short-axis cine images of the basal, middle, and apical segment acquired by conventional breath-hold cine; 3D-3F are the corresponding slice acquired by FB-MOCO AI cine.Both observers rated image quality from two sequences as excellent (score, 5).FB-MOCO AI: free-breathing with motion correction artificial intelligence.

2.3 圖像質(zhì)量評(píng)分和定量參數(shù)測(cè)量的觀察者間一致性

常規(guī)屏氣電影和FB-MOCO AI 電影的圖像質(zhì)量觀察者間一致性較好（加權(quán)Kappa 分別為0.816、0.757，P值均＜0.001）。ICC 分析測(cè)量定量參數(shù)的觀察者間一致性顯示，所有一致性均很好（ICC 均＞0.900）（P值均＜0.001）（表2）。

2.4 定量參數(shù)分析

雙心室定量參數(shù)的比較見表3。兩種序列間所有測(cè)量的雙心室容積和功能參數(shù)以及LVEDM 差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P值均＞0.05）。此外，在相關(guān)性分析中，所有測(cè)量值在FB-MOCO AI 電影序列與常規(guī)屏氣電影之間都有強(qiáng)相關(guān)性（r值均≥0.94，P值均＜0.001）（表3）。Bland-Altman 分析顯示，F(xiàn)B-MOCO AI 電影序列和常規(guī)屏氣電影之間的所有CMR 定量參數(shù)平均差異均接近零，且變異范圍很小，一致性高（圖4）。

圖4 FB-MOCO AI電影與常規(guī)屏氣電影在雙心室容積、功能參數(shù)及LVEDM 測(cè)量的差異的Bland-Altman圖。實(shí)線代表差值（FB-MOCO AI 電影-常規(guī)屏氣電影）的平均值；虛線表示一致性界限（平均差值±1.96SD）。FB-MOCO AI電影：自由呼吸運(yùn)動(dòng)校正人工智能電影；LVEDV：左心室舒張末期容積；LVESV：左心室收縮末期容積；LVSV：左心室每搏輸出量；LVEF：左心室射血分?jǐn)?shù)；LVEDM：左心室舒張末期質(zhì)量；RVEDV：右心室舒張末期容積；RVESV：右心室收縮末期容積；RVSV：右心室每搏輸出量；RVEF：右心室射血分?jǐn)?shù)。Fig.4 Bland-Altman plots of the differences in biventricular volume, functional parameters and LVEDM measurements between FB-MOCO AI cine and conventional breath-hold cine imaging.Solid lines represent the mean value of the differences (FB-MOCO AI cine-conventional breath-hold cine); dashed lines show the limits of agreement (mean difference±1.96 standard deviation).FB-MOCO AI: free-breathing with motion correction artificial intelligence; LVEDV: left ventricular end-diastolic volume; LVESV: left ventricular end-systolic volume; LVSV: left ventricular stroke volume; LVEF: left ventricular ejection fraction; LVEDM: left ventricular end-diastolic mass; RVEDV: rightventricular end-diastolic volume; RVESV: right ventricular end-systolic volume; RVSV: right ventricular stroke volume; RVEF: right ventricular ejection fraction.

表3 兩個(gè)序列測(cè)量的定量參數(shù)比較及相關(guān)性分析Tab.3 Comparison and correlation analysis of measured quantitative parameters between the two sequences

3 討論

本研究探討了用于加速成像的FB-MOCO AI 電影技術(shù)在評(píng)估心衰患者雙心室容積和功能中的應(yīng)用價(jià)值，F(xiàn)B-MOCO AI 電影序列可以在自由呼吸狀態(tài)下完成掃描，并且總掃描時(shí)間明顯短于常規(guī)屏氣電影序列。FB-MOCO AI 序列測(cè)量的雙心室功能參數(shù)與常規(guī)屏氣電影序列無明顯差異，表明該序列應(yīng)用于臨床有可行性。在臨床實(shí)踐中，F(xiàn)B-MOCO AI 序列可以提高患者的配合度，減少呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，這對(duì)心衰患者非常有益。

3.1 FB-MOCO AI 電影序列縮短掃描時(shí)間、提高圖像質(zhì)量

人工智能方法在用于CMR 方面越來越有前景，包括快速重建欠采樣的MRI k 空間數(shù)據(jù)[26-28]，以保持或提高臨床診斷圖像質(zhì)量，同時(shí)縮短掃描時(shí)間。ZUCKER 等[23]將高度加速的自由呼吸CMR 序列結(jié)合深度學(xué)習(xí)（deep learning, DL）重建，評(píng)估其圖像質(zhì)量，研究結(jié)果表明與用于心室容積測(cè)量的常規(guī)bSSFP序列相比，深度學(xué)習(xí)重建的圖像質(zhì)量略低，但重建速度明顯加快，因此可以顯著縮短CMR 電影序列的采集時(shí)間。SANDINO 等[29]提出了一種新的結(jié)合并行成像和基于DL 的重建框架，使用高度加速的二維電影CMR 序列和基于模型的DL 重建，直接從稀疏采樣的k 空間數(shù)據(jù)中迭代重建出CMR bSSFP 圖像，結(jié)果表明在健康成人志愿者中，該方法可以比并行成像和壓縮感知更好地顯示圖像質(zhì)量和左心室容積。GHODRATI 等[30]提出了一種用于自由呼吸電影MRI中呼吸運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)纳疃壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)并在志愿者和患者數(shù)據(jù)中進(jìn)行驗(yàn)證，該研究表明運(yùn)動(dòng)校正后的自由呼吸電影序列圖像質(zhì)量與常規(guī)的電影序列間無顯著差異。

以往的電影序列自由呼吸采集加速技術(shù)多應(yīng)用于兒童[31-33]。本研究中將FB-MOCO AI 電影序列應(yīng)用于心衰患者，使患者在自由呼吸狀態(tài)下完成掃描，節(jié)省了反復(fù)屏氣的時(shí)間，并且使用AI 快速重建欠采樣的k 空間數(shù)據(jù)，因此掃描時(shí)間明顯縮短，同時(shí)使用運(yùn)動(dòng)校正消除了呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，從而提高了圖像質(zhì)量，使其圖像質(zhì)量能與傳統(tǒng)屏氣電影相媲美或者更優(yōu)。心衰患者心功能低下，部分患者伴有呼吸困難，在CMR 檢查過程中很難配合多次反復(fù)的屏氣來完成傳統(tǒng)的電影序列掃描，并且在掃描后期，大多數(shù)患者的屏氣質(zhì)量會(huì)降低，導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，影響診斷及功能評(píng)估。在臨床應(yīng)用中，F(xiàn)B-MOCO AI電影可以節(jié)省訓(xùn)練患者屏氣的時(shí)間，減輕掃描時(shí)的屏氣負(fù)擔(dān)，大大縮短掃描時(shí)間，提高患者檢查時(shí)的合作性和舒適度。隨著患者整體掃描時(shí)間的縮短，可以減少操作者誤差，進(jìn)一步增加MRI 掃描儀掃描的患者數(shù)量，有利于提高醫(yī)院的成本效益。

3.2 FB-MOCO AI電影序列評(píng)估心室容積和功能

以往的一些研究將自由呼吸深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于心臟電影成像，研究結(jié)果顯示在成人患者和兒童中測(cè)量的心室容積和功能參數(shù)與常規(guī)bSSFP 電影有很強(qiáng)的一致性[23,34-35]，這與本研究結(jié)果是一致的。在本研究中測(cè)量的心室容積和功能定量參數(shù)在兩種序列間只有微小差異，但差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而且除LVEDM 外，其余參數(shù)的平均差異值均小于一個(gè)單位。雖然本研究中兩次電影掃描都定位在相同匹配層面的短軸位置，但掃描過程中的呼吸條件稍有不同，常規(guī)的屏氣電影是在呼氣末屏氣狀態(tài)采集的，而FB-MOCO AI 電影是在自由呼吸狀態(tài)下采集的，因此實(shí)際掃描層面受呼吸運(yùn)動(dòng)影響會(huì)略有一點(diǎn)偏差。LVEDM 在兩個(gè)序列間的差異相對(duì)稍大，可能原因是部分患者的圖像中心肌與肺或肝臟等外周結(jié)構(gòu)的對(duì)比較低，導(dǎo)致左心室心外膜輪廓勾畫不準(zhǔn)確[36]。在臨床實(shí)踐中這些微小差異在可接受范圍內(nèi)，基本上不影響診斷以及心室容積和功能的評(píng)價(jià)。因此，對(duì)于不能忍受或配合多次呼吸的心衰患者，F(xiàn)B-MOCO AI電影有潛力作為傳統(tǒng)多次屏氣電影的替代，用于評(píng)估心衰患者的心室容積和功能。

3.3 局限性

本研究存在以下局限性：（1）樣本量小，因?yàn)楸狙芯渴窃摷夹g(shù)的初步臨床應(yīng)用，只納入了單中心的29例心衰患者，尚未對(duì)不同心率和心律失?；颊叩男墓δ軈?shù)做分組分析，未來需要納入更大的樣本量以進(jìn)一步分為亞組進(jìn)行分析研究。此外，還需要進(jìn)行多中心驗(yàn)證，以消除潛在的選擇偏差；（2）本研究?jī)H采集了FB-MOCO AI序列的短軸圖像，今后計(jì)劃將該技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)軸電影圖像的掃描，從而進(jìn)一步縮短患者的整體掃描時(shí)間。盡管如此，本研究仍足以驗(yàn)證所提出的FB-MOCO AI電影序列在臨床應(yīng)用中的潛力。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究證明了自由呼吸、運(yùn)動(dòng)校正AI電影序列在心衰患者中應(yīng)用的可行性，與常規(guī)的多次屏氣電影序列相比，它提供了相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量、心室容積和功能指標(biāo)，掃描時(shí)間明顯更短。顯示了該序列作為一種簡(jiǎn)化掃描過程的臨床應(yīng)用替代方法的潛力，特別是對(duì)于很難忍受多次屏氣或/和長(zhǎng)時(shí)間檢查的心衰患者。

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：夏黎明選題并設(shè)計(jì)了本研究方案，對(duì)稿件的重要內(nèi)容進(jìn)行了修改；冉玲平起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的數(shù)據(jù)；黃璐、嚴(yán)祥虎、趙赟、楊朝霞、周舒暢獲取、分析或解釋本研究數(shù)據(jù)，對(duì)稿件的部分內(nèi)容進(jìn)行了修改；夏黎明、周舒暢獲得了國(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。