頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA人工智能輔助壓縮感知序列的優(yōu)化

袁暢，張煜堃，曹家駿，宋清偉，苗延巍

作者單位 大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科,大連 116011

0 引言

顱內(nèi)外動(dòng)脈粥樣硬化性狹窄及閉塞是缺血性卒中的重要病因[1-2]，準(zhǔn)確評(píng)估血管狹窄程度對(duì)于該疾病的治療和患者的預(yù)后具有重要意義[3-5]。數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography, DSA）是評(píng)價(jià)頭頸動(dòng)脈狹窄的金標(biāo)準(zhǔn)，但有創(chuàng)性限制了其在臨床中的廣泛應(yīng)用[6-7]。為此，非侵入性的血管成像方法，如計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影（computed tomography angiography, CTA）和頭頸聯(lián)合三維時(shí)間飛躍法磁共振血管成像（three-dimensional time-of-flight magnetic resonance angiography, 3D-TOF-MRA）成為備受關(guān)注的替代選擇。CTA 通過靜脈注入碘對(duì)比劑顯示頸動(dòng)脈狹窄，但碘對(duì)比劑有過敏風(fēng)險(xiǎn)并可能對(duì)腎臟功能產(chǎn)生影響[8]。磁共振3D-TOF-MRA檢查是一種無創(chuàng)性血管成像方法，避免了對(duì)比劑的使用和輻射暴露，具有較好的安全性和患者接受性，可用于頭部和頸部血管的評(píng)估[9-10]。頭頸部聯(lián)合3D-TOF-MRA提供了更豐富和完整的顱內(nèi)外動(dòng)脈的診斷信息，臨床應(yīng)用日益增多。然而，由于頭頸部聯(lián)合3D-TOF-MRA 的掃描范圍較大，導(dǎo)致掃描時(shí)間相對(duì)較長，限制了其在臨床中的應(yīng)用。近年來磁共振成像加速技術(shù)的發(fā)展為縮短掃描時(shí)間提供了新的方法，包括并行采集（parallel imaging,PI）[11]及壓縮感知（compressed sensing, CS）[12]技術(shù)等，它們通過改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和圖像重建過程，實(shí)現(xiàn)了掃描時(shí)間的顯著縮短，以應(yīng)用于頭頸部血管磁共振成像（magnetic resonance angiography, MRA）[13-14]。最近，人工智能（artificial intelligence, AI）的引入為加速圖像處理過程提供了新的可能性。AI 輔助CS（artificial intelligence compressed sensing, ACS）技術(shù)結(jié)合了CS 和AI，旨在保證圖像質(zhì)量的前提下進(jìn)一步縮短掃描時(shí)間[15]。然而，目前僅存在CS技術(shù)加速3D-TOF-MRA應(yīng)用于頭顱血管的報(bào)道[16]，尚缺乏PI、CS、ACS 同時(shí)應(yīng)用于頭頸部動(dòng)脈3D-TOF-MRA 的詳盡報(bào)道。因此，本研究擴(kuò)大掃描范圍，擬通過對(duì)比施加不同加速因子（acceleration factors, AF）的PI、CS 和ACS 的頭頸部聯(lián)合3D-TOF-MRA 圖像質(zhì)量，尋找掃描時(shí)間與圖像質(zhì)量最優(yōu)搭配的序列。從而在短時(shí)間內(nèi)提供更豐富的頭頸部動(dòng)脈影像學(xué)信息，并提高患者磁共振成像檢查的舒適性，減少運(yùn)動(dòng)偽影。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究于2023 年6 月至8 月在大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院招募24 例健康志愿者，進(jìn)行頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA 檢查。其中男8 例，女16 例，年齡21～69 歲，中位年齡38.5 歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）成年人，年齡20～70 歲之間；（2）能配合完成全部序列檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）磁共振成像檢查禁忌證；（2）中樞神經(jīng)系統(tǒng)及心血管、代謝等疾?。唬?）圖像存在偽影。本研究遵守《赫爾辛基宣言》，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)，批文號(hào)：PJ-KS-KY-2022-274，全體受試者均簽署了知情同意書。

1.2 儀器與掃描方法

采用聯(lián)影Omega 3.0 T 磁共振掃描儀，48 通道頭頸聯(lián)合相控陣線圈采集3D-TOF-MRA 圖像。志愿者取仰臥位，頭先進(jìn)，身體與床體保持一致，雙手置于身體兩側(cè)。3D-TOF-MRA 采用AF 為3 的PI 技術(shù)（PI 3）[17]；AF 分別為4、6 的CS 技術(shù)（CS 4、CS 6）；AF 分別為4、6、8、10的ACS技術(shù)（ACS 4、ACS 6、ACS 8、ACS 10）進(jìn)行掃描。除了AF不同以外，各序列的其他掃描參數(shù)均相同：TR 20.1 ms，TE 4.4 ms，F(xiàn)OV 220 mm×200 mm，翻轉(zhuǎn)角18°，體素大小0.60 mm×0.60 mm×1.60 mm。掃描時(shí)間：PI 3=8 min 40 s；CS 4=6 min 38 s；CS 6=4 min 9 s；ACS 4=5 min 24 s；ACS 6=4 min 30 s；ACS 8=4 min 13 s；ACS 10=3 min 24 s。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.3.1 客觀評(píng)價(jià)

由一名具有5年診斷經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師（醫(yī)師1）以及一名具有10 年診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師（醫(yī)師2）完成圖像主客觀評(píng)分，間隔1 個(gè)月由醫(yī)師2 再次重復(fù)測(cè)量。在頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA 的原始圖像上分別于雙側(cè)大腦中動(dòng)脈（middle cerebral artery, MCA）M1 段、雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈（internal carotid artery, ICA）C4 段、頸動(dòng)脈分叉處下5 個(gè)層面的雙側(cè)頸總動(dòng)脈（common carotid artery, CCA）以及MCA 及ICA 同一層面的顳葉白質(zhì)，CCA同一層面的胸鎖乳突肌作為背景區(qū)域勾畫感興趣區(qū)（region of interest, ROI），血管處勾畫大小為10～15 mm2的ROI，背景區(qū)域處勾畫大小為30 mm2的ROI，見圖1。測(cè)量各ROI 信號(hào)強(qiáng)度（signal intensity, SI）和標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation, SD），計(jì)算信噪比（signal-to-noise ratio, SNR），對(duì)比度噪聲比（contrast-to-noise ratio, CNR）[16]，見公式（1）～（2）。

圖1 三維時(shí)間飛躍法磁共振血管成像（3D-TOF-MRA）原始圖像中感興趣區(qū)（ROI）勾畫示意圖。1A：大腦中動(dòng)脈；1B：頸內(nèi)動(dòng)脈；1C：頸總動(dòng)脈。Fig.1 Schematic diagram of region of interest (ROI) delineation in raw three-dimensional time-of-flight magnetic resonance angiography (3D-TOF-MRA)images.1A: Middle cerebral artery; 1B:Internal carotid artery; 1C: Common carotid artery.

1.3.2 主觀評(píng)價(jià)

將圖像導(dǎo)入工作站，對(duì)頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA以最大密度投影（maximal intensity projection, MIP）進(jìn)行重建。由上述醫(yī)師1和醫(yī)師2以四分法[18]對(duì)整體圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)：4 分，圖像優(yōu)異，血管邊緣顯示銳利，血流信號(hào)均勻無流動(dòng)偽影；3 分，圖像良好，管腔顯示良好，可有輕微不光滑，血管信號(hào)均勻，有輕微流動(dòng)偽影；2 分，圖像可接受，管壁欠光滑，血流信號(hào)不均勻；1 分，圖像無法診斷，血管未顯示。以五分制量表[19]分別對(duì)雙側(cè)頸總動(dòng)脈（common carotid artery,LR-CCA）、雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈（internal carotid artery,LR-ICA）、雙側(cè)椎動(dòng)脈（vertebral artery, LR-VA）、基底動(dòng)脈（basilar artery, BA）雙側(cè)大腦前動(dòng)脈（anterior cerebral artery, LR-ACA）、雙側(cè)大腦中動(dòng)脈（middle cerebral artery, LR-MCA）、雙側(cè)大腦后動(dòng)脈（posterior cerebral artery, LR-PCA）進(jìn)行評(píng)價(jià)：4 分，血管連續(xù)明顯可視；3分，血管連續(xù)較弱可視；2分，血管具有小間隙，非連續(xù)可視；1 分，血管具有較大間隙，非連續(xù)可視；0分，非可視。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件。為評(píng)估兩名放射醫(yī)師之間及醫(yī)師2兩次測(cè)量之間客觀評(píng)分和主觀評(píng)分結(jié)果的一致性，使用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient, ICC）和Kappa 檢驗(yàn)，即ICC/Kappa≤0.20 為一致性極差，0.20＜ICC/Kappa≤0.40 為一致性較差，0.40＜ICC/Kappa≤0.60 為一致性一般，0.60＜ICC/Kappa≤0.80為一致性較好，而ICC/Kappa＞0.80則表示一致性好。采用Shapiro-Wilkin對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性分析。采用單因素方差分析或Kruskal-Wallis檢驗(yàn)對(duì)客觀評(píng)分和主觀評(píng)分進(jìn)行總體差異比較，若差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，將進(jìn)行組間兩兩比較。符合正態(tài)性的數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示；不符合正態(tài)性的數(shù)據(jù)以中位數(shù)（上下四分位數(shù)）表示。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，兩名放射醫(yī)師之間圖像客觀評(píng)分ICC 為0.827～0.887，圖像主觀評(píng)分Kappa為0.700～0.942，一致性較好（P＜0.05）。醫(yī)師2兩次測(cè)量結(jié)果客觀評(píng)分ICC 為0.876～0.953，圖像主觀評(píng)分Kappa 為0.872～0.979，一致性好（P＜0.05）。以醫(yī)師2 第一次測(cè)量的客觀評(píng)分及主觀評(píng)分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析（表1）。

表1 兩名醫(yī)師客觀評(píng)分及主觀評(píng)分一致性比較Tab.1 Comparison of objective and subjective scores between the two physicians

2.2 客觀評(píng)價(jià)

除CNRR-ICA外，各血管原始圖像SNR 及CNR 的總體比較差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P均＜0.05）。與PI圖像相比，在雙側(cè)大腦中動(dòng)脈中，ACS 4～ACS 8 的SNRL-MCA，ACS 4～ACS 10 的SNRR-MCA，ACS 8、ACS 10 的CNRL-MCA，ACS 4、ACS 6、ACS 10 的CNRR-MCA與PI 3差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），均高于PI 3；在雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈中，各參數(shù)間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；在雙側(cè)頸總動(dòng)脈中，ACS 4～ACS 10的SNRL-CCA、CNRL-CCA，ACS 6～ACS 10 的SNRR-CCA、CNRR-CCA與PI 3差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。而與CS圖像相比，在雙側(cè)大腦中動(dòng)脈中，ACS 4～ACS 10 的SNRR-MCA、CNRL-MCA及CNRR-MCA，ACS 4～ACS 8 的SNRL-MCA與CS4 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），ACS 4～ACS 10 的SNRL-MCA、SNRR-MCA、CNRL-MCA及CNRR-MCA與CS6 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；在雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈中ACS 4～ACS 10 的SNRL-ICA、SNRR-ICA及CNRL-ICA與CS 6 差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；在雙側(cè)頸總動(dòng)脈中，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），均高于CS 4、CS 6。ACS 之間兩兩比較顯示，ACS 8 的SNRL-MCA高于ACS 10（P＜0.05），ACS 8、ACS 10 的SNRR-CCA、CNRR-CCA均高于ACS 4（P＜0.05），其余差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表2～4。

表2 3D-TOF-MRA大腦中動(dòng)脈客觀評(píng)價(jià)分析Tab.2 Analysis of objective evaluation of middle cerebral artery by 3D-TOF-MRA

表3 3D-TOF-MRA頸內(nèi)動(dòng)脈客觀評(píng)價(jià)分析Tab.3 Analysis of objective evaluation of internal carotid artery by 3D-TOF-MRA

表4 3D-TOF-MRA頸總動(dòng)脈客觀評(píng)價(jià)分析Tab.4 Analysis of objective evaluation of common carotid arteries by 3D-TOF-MRA

2.3 主觀評(píng)價(jià)

7 組不同AF 的顱內(nèi)動(dòng)脈圖像以及圖像總體質(zhì)量的主觀評(píng)分總體差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），頸部大動(dòng)脈圖像質(zhì)量的主觀評(píng)分總體差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；顱內(nèi)動(dòng)脈圖像以及整體圖像質(zhì)量兩兩比較結(jié)果均為CS 6 與ACS 4、ACS 6、ACS 8、ACS 10差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），具體見表5、圖2。

表5 3D-TOF-MRA主觀評(píng)分Tab.5 Subjective scoring for 3D-TOF-MRA

圖2 女，23歲，健康志愿者。冠狀位頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA MIP 圖像。2A～2G 分別為PI 3、CS 4、CS 6、ACS 4、ACS 6、ACS 8、ACS 10圖像，圖像整體評(píng)分分別為4、3、3、4、4、4、4 分。3D-TOF-MRA：三維時(shí)間飛躍法磁共振血管成像；PI：并行采集；CS：壓縮感知；ACS：人工智能輔助壓縮感知。Fig.2 Female, 23 years old, healthy volunteer.Coronal 3D-TOF-MRA MIP images of the cerebral and carotid junction.2A-2G represent PI 3,CS 4, CS 6, ACS 4, ACS 6, ACS 8, ACS 10 images, with overall image scores of 4, 3, 3, 4, 4, 4, and 4, respectively.3D-TOF-MRA: three-dimensional time-of-flight magnetic resonance angiography; PI: parallel imaging; CS: compressed sensing; ACS: artificial intelligence-assisted compressed sensing.

3 討論

由于受到時(shí)間限制，3D-TOF-MRA 的掃描范圍較小。頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA 擴(kuò)大了掃描范圍，可以同時(shí)顯示頭頸動(dòng)脈血管，并且與DSA 相比具有良好的一致性[20]。然而，頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA 掃描時(shí)間長，使患者難以配合，加大掃描風(fēng)險(xiǎn)和圖像偽影的出現(xiàn)概率。本研究首次將ACS技術(shù)應(yīng)用于頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA 中提高掃描速度，并與PI技術(shù)和CS技術(shù)進(jìn)行了全面比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在客觀評(píng)價(jià)中ACS 技術(shù)大部分圖像的SNR、CNR 高于PI 和CS，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。ACS 8 的SNRL-MCA顯著高于ACS 10，ACS 8、ACS 10 的SNRR-CCA、CNRR-CCA均顯著高于ACS 4；主觀評(píng)價(jià)中，ACS 4～ACS 10的整體圖像質(zhì)量、顱內(nèi)動(dòng)脈圖像評(píng)分均顯著高于CS 6。因此，3D-TOF-MRA ACS 8 為最優(yōu)序列。掃描時(shí)間的減少不僅能夠減緩患者的不適感和焦慮情緒，還能提高醫(yī)院資源利用效率，在醫(yī)療資源優(yōu)化利用和經(jīng)濟(jì)效益提升方面顯現(xiàn)出積極的前景。

3.1 與現(xiàn)有基于PI 技術(shù)及CS 技術(shù)的3D-TOF-MRA相比

PI技術(shù)是一種通過增加相控陣線圈的數(shù)量來減少掃描時(shí)間的方法。然而，PI技術(shù)隨著AF的增大，SNR逐漸下降，并常會(huì)出現(xiàn)重建偽影及卷褶偽影等問題[21-22]。近年來，CS技術(shù)廣泛用于顱腦磁共振檢查中，并且相較于PI 技術(shù)，CS 技術(shù)在顱腦及頸部3D-TOF MRA中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括提高圖像采集速度、降低圖像偽影，更好的可視性[14,23]。REN 等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，在評(píng)估手術(shù)血運(yùn)重建后的煙霧病患者中，CS TOF-MRA 相較于CTA 表現(xiàn)更為優(yōu)越，能更清晰地顯示新生血管。另一項(xiàng)研究[25]以DSA為診斷標(biāo)準(zhǔn)，證實(shí)了CS TOF-MRA 作為檢查頭頸部動(dòng)脈狹窄閉塞性疾病的可靠性。本研究亦發(fā)現(xiàn)，CS 4和CS 6在與PI 3的主客觀評(píng)分比較中差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并且掃描時(shí)間更短。然而，CS技術(shù)雖然縮短了掃描時(shí)間，但其客觀測(cè)量值均小于PI 3。這可以解釋為CS技術(shù)通過對(duì)K空間進(jìn)行大量且隨機(jī)的欠采樣，并利用迭代算法來尋找最優(yōu)解來縮短掃描時(shí)間，而當(dāng)CS的AF較大時(shí)，迭代重建效率受到影響，從而降低了圖像質(zhì)量[26]。

3.2 基于ACS 技術(shù)的3D-TOF-MRA 的臨床價(jià)值及可行性

ACS 技術(shù)對(duì)CS 技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合了CS、PI和半傅立葉采集技術(shù)，并引入基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI模塊，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以不同AF下取得的欠采樣數(shù)據(jù)作為輸入，以相應(yīng)的全采樣數(shù)據(jù)作為金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訓(xùn)練。將壓縮的AI 模塊集成到CS 框架的迭代重建程序中，實(shí)現(xiàn)加速掃描并獲得更好的圖像質(zhì)量[27-29]。近幾年，ACS 逐漸應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)磁共振成像中，ZHAO 等[30]的研究表明，與PI 及CS 相比，ACS 可顯著加速踝關(guān)節(jié)掃描速度，將T1、T2 和質(zhì)子加權(quán)序列的采集時(shí)間縮短了32%～43%，同時(shí)保持了診斷圖像的高質(zhì)量。此外，在三維磁共振序列的應(yīng)用中，ACS 有助于優(yōu)化膝關(guān)節(jié)磁共振成像，顯示出代替?zhèn)鹘y(tǒng)CS 技術(shù)的巨大的潛力[31-32]。本研究同樣對(duì)PI、CS、ACS三種加速技術(shù)在頭頸聯(lián)合3D-TOF-MRA中的應(yīng)用進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，ACS 4、ACS 6、ACS 8 的SNR 和CNR 均顯著高于與PI 3，而與CS 技術(shù)相比，ACS 4、ACS 6、ACS 8、ACS 10 的SNR、CNR以及圖像主觀評(píng)分均顯著優(yōu)于CS 技術(shù)所對(duì)應(yīng)的圖像。ACS 8 具有相對(duì)清晰的頭頸部血管的可視化和較短的掃描時(shí)間，相對(duì)于PI 3 縮短了51%，可作為臨床常規(guī)掃描的一種實(shí)用設(shè)置。

3.3 本研究的局限性

本研究也具有一定局限性：（1）只對(duì)健康志愿者進(jìn)行掃描，未納入腦血管疾病患者，對(duì)于疾病患者的適用性有待考察；（2）樣本量相對(duì)少，存在一定的偶然性，需要進(jìn)一步開展基于多中心前瞻性研究，擴(kuò)大樣本量；（3）手動(dòng)勾畫ROI，可能具有一定偏差；（4）ACS技術(shù)具有一定不穩(wěn)定性，我們發(fā)現(xiàn)隨著ACS 技術(shù)AF的增大，部分血管的SNR、CNR 反而逐漸增加，這可能主要由于數(shù)據(jù)的規(guī)模將影響ACS 技術(shù)的準(zhǔn)確性[33]，其次無法完全避免由于采樣不足或稀疏度不足而導(dǎo)致的混疊偽像[34]。

4 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)比PI、CS 和ACS 技術(shù)在頭頸部3D-TOF-MRA中的應(yīng)用，本研究發(fā)現(xiàn)ACS技術(shù)在客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)中表現(xiàn)更出色，具有較高的圖像質(zhì)量和較短的掃描時(shí)間。此外，在選擇不同ACS AF 時(shí)，ACS 8在SNR、CNR、掃描時(shí)間等方面顯示出相對(duì)較好的性能。因此，推薦ACS技術(shù)在頭頸部3D-TOF-MRA中的應(yīng)用，特別是在ACS 8 AF 下，可在4 min 13 s 內(nèi)獲得良好的圖像質(zhì)量。這為磁共振血管成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路和方向。

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：袁暢起草和撰寫稿件，獲取、分析并解釋本研究數(shù)據(jù)；苗延巍設(shè)計(jì)本研究的方案，對(duì)稿件重要內(nèi)容進(jìn)行修改；張煜堃、曹家駿、宋清偉分析或解釋本研究數(shù)據(jù)，對(duì)稿件重要內(nèi)容進(jìn)行修改；宋清偉獲得遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助。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)確性和誠信。