高场磁共振全身扩散成像图像质量评估与优化研究

金伟，陈宏伟，陈静雯

无锡市人民医院 a.医学工程处；b.医学影像科，江苏 无锡 214023

0 前言

背景抑制磁共振扩散成像技术（diffusion weighted imaging with background body signal suppression , DWIBS）是体部磁共振扩散加权成像一种新的技术，它可以在自由呼吸状态下完成大范围(胸部、腹部及盆腔)、薄层扫描，经最大密度投影重建（MIP）得到高信噪比、高分辨率的图像；通过背景抑制及黑白翻转技术，对病变的显示达到同PET相媲美的效果，直观、立体地显示病变部位、形态、大小及范围，并可行ADC值和体积的定量测量[1]。Komori和Mürtz[2]等人在全身磁共振弥散加权成像（DWI）技术与PET的对比研究中发现，全身DWI技术与PET技术对肿瘤的检出率相当，这为全身DWI技术开辟了新的领域，拓展了其临床应用范围。但就目前而言，全身DWI技术还处于临床初步研究阶段，文献报道较少，且各家采用的磁共振设备、场强强度、DWI成像参数等不同，导致了实质脏器表观弥散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）值量化标准的不统一，在全身DWI成像参数的选择、病变的良恶性评价、血液系统肿瘤骨髓的DWI表现等方面仍有很多值得探讨的问题。本文的目的是探讨3.0T磁共振上此项技术在全身应用的可行性，以及图像质量的控制和优化。

1 材料和方法

1.1 临床资料

正常对照组：共15例，年龄21~66岁，平均36.5岁，其中，男10例，女5例。病变组：共21例，年龄27~79岁，平均54岁，男15例，女6例。其中，食道癌2例；胃癌2例；肝转移瘤5例(胃癌3例、胆囊癌1例、淋巴瘤1例)；肝癌6例；肺癌3例；转移性低分化腺癌1例；贲门癌1例；胆囊癌1例。

1.2. 检查方法

1.2.1 设备

使用Sienens Tiro A Tim 3.0T超导型磁共振扫描仪及配备的相应软件（单梯度系统：最大单轴梯度场强是45mT/T，最大单轴切换率200 T/ms），分别使用体线圈和18通道体部相控阵表面线圈。

1.2.2 扫描技术

所有检查均采用并行采集技术（GRRAPA）。患者取仰卧位，双手平放。每例均常规行腹部横断面T1WI和T2WI，冠状面T2WI以及横断面DWIBS。

（1）常规 MRI。T1WI：TR/TE（206ms/2.45ms）；T2WI：TR/TE（2000 ms /102ms），层厚5mm，层间距1mm；FOV为380mm，矩阵256×256。

（2）DWIBS。DWI序列均分别使用STIR-EPI与SPAIREPI技 术。STIR-EPI：TR/TE(8500ms/67ms)， 层 厚 5mm， 层间 距 0mm；STIR：T1=250ms，TR/时 间（8500ms/3.85min）；SPAIR-EPI：TI/ TR（75 ms/242 ms），TR/时间（10100ms/ 4.23min）。GRRAPA加速因子2~3.5，平均次数为4，EPI因子=128，b=800s/mm2。根据患者身高分为4~5段扫描，每段采集40层；矩阵=190×256，每段扫描时间为3~5min。MPR及3D MIP重建图像后黑白翻转技术显示。

1.3 图像质量评价

如果图像出现了严重的扭曲、变形、缺失，正常组织不能辨认等，则认为扫描失败，否则认为图像是可读的。对于可读的图像，将轴位图像采用Composing 软件技术连接，然后进行三维重建得到大范围MIP图像。

1.3.1 图像质量的评价

图像质量评价由2位医师一起对图像质量进行评估，分为好；中、可、差4个等级。好：伪影较轻，病灶清楚显示；中：伪影较重，病灶未被遮盖，可进行信号值测量；可，伪影较重，信号衰减明显，部分脏器或病灶可进行信号值测量；差：伪影严重，遮盖病灶，无法进行信号测量。

1.3.2 图像定量评价

分别用表观扩散系数ADC值、信噪比（signal-noise ratio , SNR)、表观对比度噪声比（apparent contrast-to noise ratio, AppCNR）3个指标，来比较与评价不同参数的图像质量及组间差异。

（1）应用软件测量轴位图像上部分有代表性的正常组织的ADC 值。

（2）SNR量化标准。0分：SNR<5；1分：5 50。

（3）AppCNR = (SI1-SI2)/SD2，其中SI1、SI2分别为病灶及病灶相同层面腹壁肌肉的信号强度，SD2为腹壁肌肉的标准差。

1.4 统计学分析

利用Microsoft Excel建立数据库，用SPSS 11.5软件包进行统计分析；计量资料以平均值±标准差表示；对不同处理组间进行随机区组方差分析或配对t检验；以P<0.05作为有统计学意义。

2 结果

2.1 使用STIR-EPI时体线圈与体部表面线圈扫描的比较

表1 STIR-EPI下体线圈/体部表面线圈表观扩散系数值ADC

使用STIR-EPI序列时，体线圈与体部表面线圈的ADC值之间有显著性差异（P=0.000<0.05）。体部表面线圈的SNR、AppCNR均不同程度优于体线圈（P=0.000<0.05），原始数据见表1~3。通过汇总数据见表4，可说明应用体部表面线圈扫描技术可以获得良好的信噪比以及优质的图像质量。

表2 STIR-EPI下体线圈/体部表面线圈信噪比SNR

表3 STIR-EPI下体线圈/体部表面线圈表观对比度噪声比AppCNR

表4 STIR-EPI下体线圈/体部表面线圈成像比较

2.2 使用SPAIR-EPI时体线圈与体部表面线圈扫描的比较

使用SPAIR-EPI序列时，体线圈与体部表面线圈的ADC值之间有统计学意义（P=0.000<0.05）。体部表面线圈的SNR高于体线圈的SNR（P=0.001<0.05）。体部表面线圈的AppCNR明显高于体线圈图像（P=0.000<0.05）。说明应用体部表面线圈扫描技术可以获得良好的信噪比以及优质的图像质量，见表5。

表5 SPAIR-EPI下体线圈/体部表面线圈成像比较

2.3 使用体部表面线圈SPAIR-EPI序列与STIR-EPI序列的图像质量比较

在使用体部表面线圈下，同时使用SPAIR-EPI序列与STIR-EPI序列行背景抑制的共20处病灶，其信号-噪声比（SNR）及表观对比度噪声比（AppCNR）比较结果见表6。由表6可以看出，两者的ADC值不同（t=-6.982，P<0.05），SPAIR序列上ADC值较大；SPAIR的SNR优于STIR（t=-9.442，P<0.05）；但STIR的AppCNR优于SPAIR（t=14.550，P<0.05）。

表6 体部表面线圈SPAIR-EPI 序列与STIR-EPI 序列成像比较

2.4 使用体线圈SPAIR-EPI序列与STIR-EPI序列的图像质量比较

表7 体线圈SPAIR-EPI 序列与STIR-EPI 序列成像比较

使用体线圈下，同时使用SPAIR-EPI序列与STIR-EPI序列行背景抑制的共20处病灶，其信号-噪声比（SNR）及表观对比度噪声比（AppCNR）比较结果见表7。由表7可以同样看出两者在ADC值、SNR以及AppCNR的不同与体部表面线圈结果基本一致。

2.5 MPR及3D MIP成像方法

应用自由呼吸，b值800s/mm2，层厚5mm，STIR脂肪抑制以及合适的TR值（6000ms以上)对15位健康志愿者和21例病灶的DWIBS扫描均获得高质量的DWI图像。MIP图像评价为“良好”、“一般”及“较差”者，分别为33例、2例及1例，91.7%（33/36）为具有诊断价值的优质图像。

3 讨论

3.1 全身磁共振扩散加权成像的技术要点

全身磁共振扩散加权成像是新发展起来的磁共振成像技术，初步研究结果认为这种成像技术对于恶性肿瘤的分期有帮助，但大多数检查是在1.5T MR上完成的，而在3.0T的超高场磁共振上的研究报告却很少，主要原因是在3.0T MR上行全身DWI的技术困难更多。

由于场强越高，磁敏感性越强，化学位移效应越明显，所以与1.5T MR相比，在3.0T MR上行全身DWI检查，磁敏感伪影、化学位移伪影、流动伪影都会严重影响图像质量，尤其在各部位交接或与空气接触范围大的组织，图像就越容易变形、扭曲，而且全身DWI扫描要求范围大，压脂效果好，扫描时间又不能很长，且不能反复更换不同部位的线圈。

Takahara等[1]开发了一种新的成像方法（DWIBS）来获得薄层DWI，使用自由呼吸，可以在稍长的时间内提供多层面激励和信号平均次数，利用短TI翻转回复（STIR-EPI）序列能够有效地抑制脂肪，这提高了全身成像3D重建图像的质量。一般常规2D图像用SPAIR进行脂肪抑制已足够，但3D成像时目标区外周残余的脂肪信号将叠加在躯体的中心部位, 这就可能会使体内需要重点观察的病变区变得模糊。Takahara等人[1]比较了颈胸部DWI图像SPAIR-EPI技术与STIR-EPI技术的背景抑制效果，发现应用STIR-EPI的所有病例均获得“好”的脂肪抑制效果。然而，应用SPAIR-EPI技术检查的5例患者中，只有1例为“一般”，另外4例为“差”。本研究比较了STIR-EPI和SPAIR-EPI 2种方法的背景抑制效果, 同样发现STIR-EPI有较好的背景抑制效果，两者的图像对比度相仿，但SPAIR的信噪比高于STIR。

全身DWIBS是一种大范围成像，目前很多研究大多使用体线圈完成，在3.0T MR扫描仪上使用表面线圈的研究报告很少。本研究采用的是Siemens 3.0T MR扫描仪（Siemens TIM），多相控阵表面线圈和接收通道，并与并行采集技术相结合，使得图像质量有较为明显的改善。通过对使用体线圈与体部表面扫描的图像质量进行比较，体部表面线圈的ADC、AppCNR、SNR均优于体线圈扫描, 充分保证了全身DWIBS的需要。

文献报道选用低的b值时，得到的图像稳定性差，易受多种因素的影响[3]。Ichikawa等人[4]认为当b值较大或b值差大时，ADC值稳定性好，且更接近真实扩散系数。本文的研究未对b值的选择进行探讨，一直采用b=800s/mm2作为评价病变扫描的基本参数，图像质量完全满足临床诊断的需要。

3.2 3.0T全身DWI的图像质量分析

3.2.1 表面线圈的优势

以往DWI主要应用于局部的检查诊断中，由于受硬件、软件与呼吸运动等因素影响，全身DWI图像质量一直是限制其应用的关键[5]。而b值、线圈以及背景抑制等因素的合理选择对于提高DWI的图像是极其重要的，其中最关键的是选择能产生最佳覆盖和SNR的线圈。体线圈为圆桶状，用来激励和接受较大容积组织的MR信号；体线圈最重要的是要求在成像范围内其灵敏度大且均匀一致，如果射频场强度不均匀，将对图像质量产生不良影响。表面线圈用于激励和接受小容积组织内部的信号，显示靠近体表或较小的解剖结构，由圆形或矩型组成，该类线圈在成像野内灵敏度不均匀，越靠近线圈灵敏度越高，距线圈越远灵敏度度越低，且有效成像范围通常比体线圈的有效成像范围小[6]。本研究认为，随着自动移床技术的发展，相控阵表面线圈和体线圈一样都可用于全身扩散成像，线圈不同并不会影响ADC值测量，但是体线圈的SNR低于表面线圈。

3.2.2 图像的伪影

SPAIR -EPI固有的特点使图像产生各种各样的伪影[7]。尤其是在活体成像中，脉搏搏动、微循环、患者的运动都会导致假象，引起信号明显衰减和伪影增多。主要包括：运动伪影、化学位移等，影响图像的分辨力及病灶的显示。并行采集是3.0T的最大技术优势，有很高的临床价值。缩短采集时间、降低磁敏感性是并行采集成像的优势体现，由于缩短了采集时间从而最大程度地减少了运动伪影，而且患者无需屏气。又由于降低了磁敏感性，从而有效的降低磁敏感性伪影，在通过选择脂肪抑制序列降低化学位移伪影。通过上述方式可提高图像质量[8]。

3.2.3 全身扩散加权成像的不足

由于体线圈长度的限制和移床的限制，不能无限制地增加扫描长度，FOV 越大，匀场效果越不好。因而，我们采用的FOV为36cm，对于体形较宽的患者不能包括双上肢；3.0T MRI上匀场的时间相对较长,可能会增加患者接受扫描的整体时间。这些不足，相对软、硬件的发展提出了一定的要求，是下一步MRI技术发展要克服的问题之一。

总之, 高场强磁共振类成像的质量控制和质量保证是一项系统工程，需要医生、工程师和技术员多方面的精心准备，合理地设计实验。设备的良好状态，扫描过程各种细节的安排，从线圈的选择到受试者的摆位，呼吸的训练，序列参数的优化选择，受试者的配合, 每一环节都不容失误,才能获得理想的原始数据[9]，从而保证MPR及3D MIP图像的实现。经过黑白翻转技术显示，达到与PET类似的效果，而获得“仿PET”图像或“类PET”图像。

[1]Takahara T,Imai Y,Yamashita T,et al.Diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression(DWIBS):technical improvement using free breathing,STIR and high resolution 3D display[J].Radiation Medicine,2004,22:275-282.

[2]P. Mürtz,C.Krautmacher,F.Traber,et al.Diffusionweighted whole-body MR imaging with background body signal suppression:a feasibility study at 3.0 Tesla[J].Eur Radiol.2007,17:3031-3037.

[3]Tomoaki I,Hiroki H,Junichi H,et al.Diffusionweighted MR imaging with a single-shot echo planar sequence:detection and characterization off ocalheatic lesions [J].AJR,1998,170:397-402.

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[5]Muro I,Takahara I,Horie T, et al.Influence of respiratory motion in body diffusion weighted imaging under free breathing(examination of a moving phantom)[J].Nippon Hoshasen Gijutsu Gakkai Zasshi,2005,61:1551-1558.

[6]Chan JH,Tsui EY,Luk SH,et al.Diffusion-weighted MR imaging of the liver:distinguishing hepatic abscess from cystic or.necrotic tumor[J].Abdominal Imaging,2001,26(2):161-165.

[7]张秀梅,刘新纯.MRI影像质量评价指标及其优化[J].中国医疗设备,2008,23(1):46-49.

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[9]倪萍,陈自谦,钱根年,等.BOLD-fMRI研究过程若干质量控制因素分析[J].医疗设备信息, 2007,22(12):6-9.