壓縮感知-mDIXON、精準頻率反轉恢復與短時反轉恢復技術在腰椎MR掃描中的應用

摘要：目的 "研究壓縮感知（CS）聯(lián)合mDIXON技術、精準頻率反轉恢復（SPAIR）技術與短時反轉恢復（STIR）技術在腰椎MR抑制脂肪效果的應用價值。方法 "選取2023年9月7日～2024年1月9日在阜陽市人民醫(yī)院因腰椎疾病行MR檢查的60例患者，分別進行CS-mDIXON、SPAIR與STIR技術的矢狀位T2WI掃描。由2名醫(yī)師采用5分制對3組圖像質量進行主觀評價；定量對比測量時在L2、L5椎體及L1/2、L5/S1椎間盤4組圖像層面正中及相關空氣區(qū)域放置感興趣區(qū)，分別測量信號強度及噪聲強度標準差，計算信噪比（SNR）及對比噪聲比（CNR）。結果 "主觀評分一致性良好（Kappa系數(shù)值gt;0.75）。CS-mDIXON技術在多種評價方面的分值均優(yōu)于SPAIR技術與STIR技術（Plt;0.05）。在L2、L5椎體層面中，3組技術信號值、噪聲值依次增大，差異有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001），CS-mDIXON的SNR值及CNR值大于SPAIR和STIR技術，差異有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001）；在L1/2、L5/S1椎間盤層面中，CS-mDIXON技術的信號強度分別小于后兩組，差異有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001）。3組噪聲值依次增大，SNR值、CNR值依次減小，差異有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001）。結論 "腰椎MR掃描中，CS-mDIXON技術抑制脂肪的效果更好，同時又可減少掃描時間，可以成為腰椎MR抑脂序列掃描中最好的選擇。

關鍵詞：腰椎；脂肪抑制；壓縮感知；圖像質量；磁共振成像

Application of compressed sensing-mDIXON， spectrally attenuated inversion recovery and short-time of inversion recovery techniques in lumbar MR scanning

LIU Peng1， NIU Meichen2， LIU Hong3

1Department of CT/MR， Fuyang People's Hospital， Fuyang 236000， China; 2Thirteenth Ward， the Third People's Hospital of Fuyang， Fuyang 236000， China; 3Department of Rehabilitation， the Fifth People's Hospital of Fuyang， Fuyang 236000， China

Abstract： Objective To study the application value of compressed sensing （CS） combined with mDIXON technique，spectrally attenuated inversion recovery （SPAIR） technique and short-time of inversion recovery （STIR） technique in lumbar MR by suppressing fat. Methods A total of 60 patients with lumbar diseases who underwent MR examination in Fuyang People's Hospital from September 7， 2023 to January 9， 2024 were selected for sagittal T2WI scans with techniques of CS-mDIXON， SPAIR and STIR. The image quality of the three groups were subjectively evaluated by two doctors using 5-point system. A region of interest was placed in the median position and relevant air area of the L2 and L5 vertebral bodies and L1/2 and L5/S1 intervertebral discs. The signal-to-noise ratio （SNR） and contrast-to-noise ratio （CNR） were calculated. Results The subjective scores were consistent （Kappagt;0.75）. CS-mDIXON technique has better scores than SPAIR technique and STIR technique （Plt;0.05）; At the level of L2 and L5， the signal value and noise value of the three groups increased in turn， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）. The SNR and CNR values of CS-mDIXON technique were higher than those of SPAIR and STIR technique， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）; At the level of L1/2 and L5/S1， the signal intensity values of CS-mDIXON technique were lower than those of the latter two groups， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）. The noise values of the three groups increased in turn， while the SNR and CNR values of the three groups decreased in turn， and the differences were statistically significant （Plt;0.001）. Conclusion In lumbar MR Scanning， CS-mDIXON technique has a better effect on fat suppression and reduces the scanning time， and it can be the best choice for the scan of lumbar MR by fat suppressing sequence.

Keywords： lumbar; fat suppression; compressed sensing; image quality; magnetic resonance imaging

腰椎病變在臨床上較常見，其發(fā)病率呈顯著上升趨勢。X線和CT檢查局限性很大，而MRI因其優(yōu)異的軟組織對比度、良好空間分辨率、多參數(shù)、多序列、無電離輻射等成像優(yōu)勢，能夠清楚地展現(xiàn)腰椎骨質及脊髓、軟組織等形態(tài)表現(xiàn)及信號差異，是首選影像學檢查［1-3］，但大部分炎癥、腫瘤、外傷及水腫等在磁共振多個序列尤其T2WI上可顯示為高信號，而腰部脂肪組織的高信號與其顯示相近，對病變研究形成干擾，且脂肪組織可引起圖像的化學位移偽影［4］。為了排除脂肪信號以及減少化學位移偽影的干擾，將對水信號的影響降到最低，增強靶區(qū)部位和周圍組織圖像的對比度、清晰度，明顯提高病變檢測率、準確率及減少誤診、漏診等因素，在MR掃描中使用脂肪抑制技術至關重要［5］，比如水脂分離成像（Dixon）技術、精準頻率反轉恢復（SPAIR）技術、頻率選擇飽和法抑脂（SPIR）技術、短時反轉恢復（STIR）技術等［6］。傳統(tǒng)的Dixon技術采用梯度回波序列，達到把脂肪和水分離的目的［7］。STIR技術利用水和脂肪的T1弛豫時間差別可有效抑制皮下脂肪、正常骨髓的高信號，在抑脂方面具有一定優(yōu)勢［8］。SPIR技術利用水和脂肪的進動頻率差異針對脂肪施加選擇性的脈沖［9］。SPAIR技術相當于同時結合了STIR和SPIR技術［10］。壓縮感知（CS）技術則是通過數(shù)字化隨機稀疏性進行K空間數(shù)據(jù)欠采樣的方式，使得采樣頻率遠小于奈奎斯特采樣技術，可以縮短掃描時間［11］。mDIXON技術是改良后的DIXON技術，無需在同反相位采集數(shù)據(jù)，在其他角度同樣可以采集，具有高空間分辨率，但其掃描時間較長；CS技術和mDIXON聯(lián)合可以較大程度地提高圖像的空間分辨率和時間分辨率，是近些年研究的熱點［12］。腰椎病變患者數(shù)量巨大，理論上應用CS-mDIXON技術可以提高MR圖像質量，并且縮短掃描時間［13］，但暫沒有得到具體驗證，尚無研究同時將CS-mDIXON與常用的SPAIR、STIR技術在腰椎上進行量化比較，CS-mDIXON技術能否在臨床上真正實現(xiàn)比常用技術更有效、更快的壓脂效果，能否得出數(shù)量化的統(tǒng)計學差異亟需探究。本研究旨在通過對CS-mDIXON技術進行腰椎MR掃描，并與SPAIR技術及STIR技術以相同層厚、層間距進行對比，驗證其在腰椎MR掃描中的臨床應用價值。

1 "資料與方法

1.1 " 一般資料

回顧性選取2023年9月7日～2024年1月9日因腰椎有關疾病在阜陽市人民醫(yī)院檢查的60例患者，其中男30例，女30例，年齡20～80歲，均行具有CS-mDIXON、SPAIR和STIR技術的MR平掃檢查。患者本人或監(jiān)護人均簽署知情同意書。納入標準：出現(xiàn)腰椎相關癥狀來我院就診，需進行MR腰椎平掃排查病變；確診為腰椎及相關病變的患者；確診為脊髓性病變患者；腰椎無急性骨折、創(chuàng)傷患者。排除標準：體內有金屬植入物、起搏器或其他異物；患有幽閉恐懼癥或精神疾病等無法配合MR檢查者；脊柱后突嚴重，無法仰臥者；其他MR掃描禁忌證者。

1.2 "儀器設備

MRl掃描儀為Philips Ingenia CX 3.0 T（飛利浦），使用ds Total Spine線圈。

1.3 "檢查方法

患者體位為仰臥位頭先進，腰椎位于線圈左右的中心，頭部正對前方，定位中心位于臍上兩指，使用楔形墊支撐患者雙腿。進行CS-mDIXON、SPAIR和STIR技術的T2WI矢狀位序列掃描，其掃描參數(shù)（表1）。

1.4 "觀察與評價指標

1.4.1 "圖像主觀評價 " 分別由2位具有10年MR診斷經(jīng)驗的醫(yī)師對圖像進行獨立打分。將圖像脊髓與腦脊液對比度、脊髓均勻度及脂肪抑制效果、正常解剖進行五分制評分。5分：腰椎脊髓與腦脊液對比度清晰、脊髓均勻、脂肪抑制顯著、解剖關系明確；4分：腰椎脊髓與腦脊液對比度較清晰、脊髓較均勻、脂肪抑制良好、解剖關系尚明確：3分：腰椎脊髓與腦脊液對比度尚能分辨、脊髓局部欠均勻、脂肪抑制欠佳、大部分解剖關系滿足診斷；2分：腰椎脊髓與腦脊液對比度較差、脊髓較不均勻、脂肪抑制較差、解剖關系局部尚難分辨；1分：腰椎脊髓與腦脊液對比度差、脊髓不均勻、脂肪抑制差、解剖關系不能分辨。

1.4.2 "定量數(shù)據(jù)測量與分析 " 將掃描圖像傳至ISP（IntelliSpace Portal）工作站，隱藏所有圖像上的序列參數(shù)信息，由1名主治醫(yī)師選取感興趣區(qū)（ROI）測量信號強度（SI）、噪聲強度標準差（SD），SI測量層面選擇腰椎正中矢狀位L2、L5椎體水平及L1/2、L5/S1椎間盤層面正中位置（圖1），SD及SI肌肉測量選取分別與上述同一層面FOV內的空氣區(qū)域及肌肉區(qū)域，ROI面積分別約150 mm2和50 mm2，避開視野內血管、偽影等信號不均勻的部分，每個區(qū)域測量兩次，所測數(shù)據(jù)求平均值，按照以下公式計算病灶的信噪比（SNR）和對比噪聲比（CNR）。SNR=SI/N；CNR=（SI-SI肌肉）/ N。其中N為噪音值，N=SD/0.66，0.66為校正因子。

1.5 "統(tǒng)計學分析

采用SPSS23.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。對2位診斷醫(yī)生之間主觀評分采用Kappa系數(shù)進行一致性檢驗，Kappa系數(shù)值gt;0.75為一致性較強。計量數(shù)據(jù)采用K-S法檢驗是否符合正態(tài)分布，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示，組間比較采用t檢驗；不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)使用中位數(shù)（四分位數(shù)）表示，使用非參數(shù)檢驗的獨立樣本秩和檢驗即Kruskal-Walllis單因素ANOVA檢驗（k個樣本）進行比較，以Plt;0.05為差異有統(tǒng)計學意義。客觀評價指標采用單因素ANOVA檢驗（k個樣本）進行方差分析，組間兩兩比較采用 Bonferroni校正調整α水平，檢驗水準α=0.05/3=0.0167，故以 Plt;0.0167為差異有統(tǒng)計學意義。計數(shù)資料以n（%）表示。

2 "結果

2.1 "圖像質量主觀評價

2位診斷醫(yī)生對圖像質量的主觀評價一致性較高（表2），后續(xù)選擇醫(yī)師1的主觀評分進行分析。CS-mDIXON技術在脊髓與腦脊液信號對比是否良好、脊髓信號是否均勻、正常解剖效果方面與SPAIR和STIR技術相比，差異均無統(tǒng)計學意義（P=0.038、0.676、0.620）。CS-mDIXON技術在脂肪抑制方面與SPAIR技術的差異有統(tǒng)計學意義（Plt;0.05），與STIR技術的差異無統(tǒng)計學意義（Pgt;0.999），SPAIR與STIR技術的差異無統(tǒng)計學意義（P=0.122，表3）。

2.2 "各組間客觀數(shù)據(jù)比較

L2及L5椎體層面：CS-mDIXON、SPAIR、STIR 3組的SI值、N值依次增大，差異均有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001）；對于SNR值，CS-mDIXON大于SPAIR和STIR（Plt;0.001），SPAIR和STIR的差異無統(tǒng)計學意義（P=0.572、0.035gt;0.0167）；對于CNR值，CS-mDIXON大于SPAIR和STIR（Plt;0.001），SPAIR和STIR的差異無統(tǒng)計學意義（P=0.499、0.038gt;0.0167）。

L1/2椎間盤及L5/S1椎間盤層面：對于SI值，SPAIR和STIR的差異無統(tǒng)計學意義（P=0.258、0.129gt;0.0167），CS-mDIXON技術小于SPAIR和STIR技術，差異均有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001）。對于N值，CS-mDIXON、SPAIR和STIR技術依次增大，差異均有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001）。對于SNR值和CNR值，CS-mDIXON、SPAIR、STIR 3組依次減小，差異均有統(tǒng)計學意義（Plt;0.001，表4）。

2.3 "典型病例

患者男，43歲，腰痛伴左下肢疼痛9年，加重3 d，行走困難，休息無緩解（圖2A～C）；患者女，80歲，腰痛伴左下肢疼痛2月，否認外傷史（圖2D～F）。

3 "討論

隨著老齡化進程和生活方式的改變，腰椎病變如退行性變、脊髓外傷、占位等的發(fā)生率逐年增高，是長期困擾人類的脊柱疾病之一［14］。CT能夠較好顯示腰椎骨質及附件的形態(tài)特征，大范圍用于臨床術前評估和術后隨訪。但患者無可避免要接受電離輻射，而且CT對椎間盤等軟組織分辨率欠佳［15-16］。MRI由于無電離輻射且對軟組織分辨率較高的特點可做為首選，但常規(guī)腰椎MR檢查掃描時間較長，對于部分患者難以保持仰臥狀態(tài)，常產生偽影。確保圖像質量，提高掃描效率，這不僅是我們的目的，還適用于更多患者，提高成功率。本研究以具體數(shù)據(jù)驗證了在腰椎MR上應用CS-mDIXON技術優(yōu)于臨床上常用的SPAIR及STIR技術。

DIXON技術以水和脂肪化學位移為基準，由于兩者進動頻率有差異，隨著時間的不同，水-脂相位差不同，用梯度回波序列便可分別在同、反相位采集水和脂肪兩種圖像［17］。但是TE、TR時間比較固定，缺乏靈活性，而且受主磁場均勻性影響大。mDIXON技術是經(jīng)過多次改良后的DIXON技術，是基于化學位移的具有較高分辨率的水脂分離技術，對于水相的抑脂效果更均勻［18-19］，但其掃描時間較長，不適用于一些年齡較大或無法長時間配合的患者。CS技術通過數(shù)字化稀疏采樣方式，對重建算法迭代重建，達到K空間成像，CS技術與mDIXON技術結合，可以同時保證空間和時間分辨率，且不產生諸如SENSE技術的并行采集相關偽影［18］。臨床上已經(jīng)廣泛應用，如肝臟、心臟、胰膽管等部位的掃描［20-22］，但在腰椎上應用較少，且無充分數(shù)據(jù)論證其優(yōu)勢。STIR技術的反轉脈沖具有非選擇性，將水和脂肪全部反轉，再根據(jù)它們不同的T1弛豫時間，過零時脂肪未產生信號，而水產生信號，從而抑制脂肪。STIR技術敏感度高，大部分組織都可在選擇范圍內，但其特異度差，只要T1值和抑制相同的組織都可以被抑制掉［23］。SPIR技術類似于西門子常規(guī)的Fat sat序列，只針對脂肪的進動頻率發(fā)射小角度（lt;180°）的預飽和脈沖，最終脂肪被飽和不產生信號，水不受影響，從而獲得脂肪抑制的效果，但其對B0、B1磁場均勻度要求較高，不適合用于磁敏感變化較大、偏中心、大視野的部位［24］。SPAIR技術是基于T1弛豫時間的短時反轉與化學位移抑脂結合，利用水分子和脂肪內氫質子進動頻率差異的脂肪抑制技術，采用180°反轉絕熱脈沖，使得僅有脂肪頻率得到反轉，具有與多種掃描方式結合的特點，除了極難壓脂或偏中心的部位有可能壓脂不均外，其應用比較廣泛，但因脈沖為180°，脂肪過零點的時間延長，掃描時間也會延長［22］，故后3種技術均存在局限性。

腰椎形態(tài)比較均勻，幾何形狀較規(guī)整，磁場均勻度相對頸椎、胸椎都比較好，大多情況能得到高質量的抑脂圖像。由于腰椎椎體及椎間盤數(shù)目較多且差別不大，本研究選擇L2、L5椎體及L1/2、L5/S1椎間盤層面作為代表，探究3種技術的應用價值。在上述4個層面中，SI值為CS-mDIXON技術lt;SPAIR技術lt;STIR技術（Plt;0.001），但噪聲大小順序也是如此（Plt;0.001），測得CS-mDIXON技術SI值、N值均最低。SPAIR技術在腰背部后下緣或者胸部后下緣（圖2B、E），可以出現(xiàn)壓脂不均勻的情況，可能是因為其雖然對B1場不敏感，但對B0場的均勻性非常敏感，對磁場有高場高均勻性的要求，加上水、脂進動頻率差別較小，且在邊緣等偏中心的部位局部磁場也會不均勻［25］，故而均可出現(xiàn)上述情況。甚至可出現(xiàn)部分水信號被抑制，如在腰椎上緣及胸椎抑脂時經(jīng)常會出現(xiàn)，大范圍壓脂不如另兩種效果均勻。本研究典型病例顯示STIR壓脂效果比SPAIR干凈，因為反轉脈沖具有非選擇性，但也限制了其不能用于增強檢查的特點，且在分辨是否為脂肪信號時并不可靠［23］。

本研究顯示，在SNR及CNR值方面，CS-mDIXON技術gt;SPAIR技術gt;STIR技術（Plt;0.001）。DIXON技術抑脂更均勻，具有更高的效率，不僅在腰椎，而且在腹部、肌肉、頭頸、乳房等部位均可獲得優(yōu)秀的圖像質量［26-27］，這也與既往在頸部研究［28-29］結果相近，更加說明腰椎與頸椎在解剖、位置及MR壓脂方面等具有相似性，也進一步支持了本研究的結論。CS-mDIXON技術不僅信噪比及對比噪聲比高，而且大大縮短了mDIXON掃描時間，從而減少了對運動敏感的限制，還可以一次掃描出壓脂與不壓脂的圖像，既往研究顯示，推薦加速因子為3時，CS-mDIXON技術掃描效果最佳［30］，結合本結論，得出3是與后兩種技術差別最大時的加速因子，可以做為其進一步補充。SPAIR技術由于可能出現(xiàn)大范圍抑脂失敗，甚至水信號被抑制，特別是在胸腰椎結合層面，致使部分SNR偏低。STIR技術由于180°反轉脈沖不具有選擇性，當脂肪過零時，非脂肪的縱向磁化矢量沒有過零，也未恢復至100%信號強度，部分水的信號也被飽和掉，在尚未發(fā)射90°射頻脈沖時，自由水質子就已較少，會損失掉SNR值。但SPAIR畢竟是相當于結合了STIR特征的技術，SPAIR相對于STIR來說，因為多數(shù)組織內的氫質子沒有翻轉，從而保留了大部分縱向磁矩，信噪比要稍高。這一點在既往研究［25， 31］均有提及，也恰巧說明了SPAIR信噪比高于STIR不僅在乳腺及胸部脂肪中成立，而且還適用于腰椎組織，這亦是對既往CS-mDIXON技術研究的補充。

在L1/2、L5/S1椎間盤層面，其結果規(guī)律與椎體相近（Plt;0.001）。椎間盤尤其髓核含水量較高，壓脂技術上呈高信號，整體SI值比椎體要高，并且年齡、腰椎病變等使得椎間盤突出等問題不一，甚至部分老年病人椎間盤水分喪失，造成標準差較大。且椎間盤位置越往下，椎間盤脫水、變性及突出等問題越多，標準差越大。

SPAIR技術的預飽和脈沖采用180°翻轉角，掃描時間稍長，SNR值、CNR值與CS-mDIXON相比較低，且要加勻場框，對邊緣部位有壓脂失敗或抑水的風險；STIR的SNR值及CNR值最低，且因為與脂肪弛豫時間相近者均可以被抑制，另外在分辨是否脂肪方面并不準確，如果要提高SNR，一般是增加激勵次數(shù)，但掃描時間會更長。上述兩種技術對于腰椎壓脂掃描適用度均有局限性，特別是對于不能長時間耐受的患者。CS-mDIXON的SNR值及CNR值均較高，壓脂也很均勻，掃描時間（即便加上前期勻場約39 s）已經(jīng)大大縮短，且可一次掃描出來兩種壓脂及不壓脂圖像，此技術不僅可行，而且在充分數(shù)據(jù)支持下與另外兩種相比效果最好，在臨床上確實能適用于更廣泛的腰椎患者，輔助臨床醫(yī)生更早、更好地做出診斷及預后。

本研究存在的局限性：樣本量有限，后續(xù)可進一步擴充樣本量；只分析了矢狀位T2WI的圖像質量對比，未對橫軸位T2WI、矢狀位T1WI圖像質量進行研究；統(tǒng)計學方法有限，在今后的研究中完善上述不足。

綜上，在腰椎MR掃描中，CS-mDIXON技術不僅能提升掃描效率，而且能夠獲得更好的脂肪抑制效果，可以代替SPAIR和STIR技術成為其最優(yōu)選擇。

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（編輯：孫昌朋）