头颅三维时间飞跃法磁共振血管成像常见序列的临床图像质量评价研究*

杨琰昭 翟 晶 王思敏 张 欢 宋 琦* 严福华

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)具有软组织分辨率高、成像参数多、提供信息量大、多方位直接成像及无电离辐射等优点,一次检查可获得解剖、生理、病理、器官运动、组织灌注等多种信息,实现"一站式"检查,在临床疾病定位、定性诊断以及科学研究中承担着越来越重要的作用[1].截止2017年,全国MRI设备市场保有量在10 000台左右,除西门子、飞利浦、GE等主流品牌外,本土MRI设备发展迅速、生产厂商众多,占有量逐步增加[2].然而,在医用MRI设备临床应用评价方面尚无相应的规范和标准,同时缺乏横向比较国内外不同品牌及机型MRI设备临床图像质量的量化评价数据[3-4].为此,本研究以头颅三维时间飞跃法磁共振血管成像(three-dimensional time-of-flight magnetic resonance angiography,3D-TOF MRA)图像为切入点,旨在对国内外不同品牌及机型的医用MRI成像设备在头颅3D-TOF MRA成像中的临床图像质量进行评价与对比研究.

1 材料与方法

1.1 图像资料

选取2017年5月至2018年8月上海交通大学医学院附属瑞金医院数据处理中心所收集的来自全国24家不同级别医疗机构317例头颅3D-TOF MRA图像资料.

1.2 合作单位与设备

本研究由上海交通大学医学院附属瑞金医院与涉及我国东北、华东、华南、华北、西北以及西南6个地区的14个省及直辖市25家不同级别医疗单位合作完成,项目启动前均与各合作单位签订科研项目合作协议.选取的MRI设备基于"覆盖不同区域、不同级别医疗单位、国内外品牌代表产品、使用年限不同、具有一定市场占有率"四大原则,最终确定西门子、飞利浦、GE、联影、朗润和奥泰共6个国内外品牌、1.5T和3.0T两种不同场强的9种机型磁共振设备.

1.3 扫描方案与图像采集和数据处理

(1)扫描方案.基于美国放射学会(American College of Radiology,ACR)2013年颁布的MRI图像质量认证指南[5]并结合我国MRI临床扫描实际情况,召集专家组对该指南进行优化及整理.对头颅3D-T0F MRA检查的必需序列、脉冲序列和图像对比度、扫描范围及成像平面和空间分辨率4项指标进行统一化规范.①必需序列:最长检查时间≤20 min,3D-TOF横断面图像,重建血管造影图像;②脉冲序列和图像对比度:动脉与背景组织必须对比良好,静脉必须仅轻度或无强化,动脉信号一致;③扫描范围及成像平面:需包含的解剖结构和所需影像平面,必须包括整个颈内动脉虹吸段M1和A1段、大脑中动脉三支分叉和M2分支、小脑后下动脉(posterior inferior cerebellar artery,PICA)、PICA发出水平的椎动脉、基底动脉及大脑后动脉P1和P2段;④空间分辨率:层厚≤1.5 mm,平面像素(读取)≤0.9 mm,平面像素(相位)≤0.9 mm,体素量≤1.2 mm3.

(2)图像采集.所有上传图像需包含部分患者基本信息及扫描参数,该规范对扫描时应用的线圈类别、序列种类以及序列参数均不做硬性要求,仅提供指导性意见,目的是保证不同诊疗机构能够在满足规范要求的前提下尽量发挥出所用设备的性能.

(3)图像数据处理.各合作单位在临床中根据以上要求进行头颅3D-TOF MRA扫描:必需序列包括3D-TOF源图像和血管重建图像,并通过锐达网络平台®、百度云盘®或光盘等形式上传医学数字成像与通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)格式图像至上海交通大学医学院附属瑞金医院数据处理中心进行统一分析.

1.4 图像整理及数据排除与质量评价

(1)图像整理.将各合作单位上传图像汇总至锐达医疗®"医用磁共振图像质量评价"平台进行统一图像评价.所有图像均生成随机序列号并隐藏医疗单位名称、扫描设备信息、患者个人信息,仅保留扫描序列名称及部分扫描参数,包括重复时间(repetition time,TR)、回波时间(echo time,TE)、成像野(field of view,FOV)、像素、层厚以及层间距.

(2)图像质量评价.由2名具有5年以上影像诊断经验的放射科医师根据ACR指南采用双人盲态评价方式分别对研究期间抽取的每例扫描图像进行打分.评价内容包括4项指标,对4项指标中"脉冲序列和图像对比"指标依据李克特量表(Likert Scale)5分法对图像质量进行分级[5]:①5分,图像质量优秀,可用于诊断,非常满意;②4分,图像质量良好,可用于诊断,满意;③3分,图像质量有瑕疵,不影响诊断,一般;④2分,图像质量欠佳,影响诊断,欠满意;⑤1分,图像质量差,不能诊断,不满意.将2名医师的分别评分结果均值作为最终结果进行后续分析.对4项指标中"必需序列、扫描范围及成像平面、空间分辨率"3个指标进行是否符合要求的评价.

(3)图像数据排除标准.数据排除包括:①扫描部位不符合要求;②必需序列缺失;③必需序列的总采集时间超过本规范所载最大采集时间;④扫描范围及成像平面不符合要求;⑤空间分辨率不符合要求;⑥扫描设备型号与入组设备型号不符;⑦所需患者基本信息或扫描参数缺失;⑧图像质量极差,无法进行评估、分析;⑨上传图像为非DICOM格式图像.

1.5 统计学方法

采用SPSS21.0软件进行统计学分析.用K-S检验(Kolmogorov-Smirnov test)对计量资料进行正态分布检验;非正态分布的计量资料用中位数(四分位数)及均值±标准差(±s))表示,计数资料用个数百分比(%)表示.多组资料数据间比较采用单因素非参数Kruskal-Wallis H检验,Nemenyi检验用于两两组间比较,以P<0.05为差异有统计学意义.

2 结果

2.1 有效病例资料

根据排除标准对317例头颅3D-TOF MRA图像资料进行数据筛选后,排除数据包括32例"扫描范围"未包括"小脑后下动脉(PICA)和PICA水平椎动脉"及25例系图像传输及其他原因所致"3D-TOF横断面图像或重建血管造影图像缺失"的图像资料,最终纳入260例有效头颅3D-TOF MRA图像数据进行分析.有效数据分布于6种品牌、9种型号MRI设备,其中包括国产设备样本64例,进口设备样本196例;1.5T设备样本114例,3.0T设备样本146例;其分布见图1.

图1 不同品牌及机型MRI设备头颅3D-TOF MRA病例资料分布

2.2 两种场强MRI设备图像质量比较

(1)根据MRI设备1.5T及3.0T场强,将所有样本对不同场强MRI设备3D-TOF MRA图像"脉冲序列和图像对比"5项评分指标,两种场强分别进行统计描述及对比.其中所有样本3D-TOF横断面图像及血管重建图像中"静脉仅轻度或无强化"指标李克特评分均为5分,差异无统计学意义.

(2)1.5T场强样本的3D-TOF横断面图像动脉与背景组织对比良好、动脉信号一致和血管重建图像动脉信号一致3项指标分别为(4.82±0.38)分、(4.96±0.21)分和(4.35±0.73)分;3.0T场强样本分别为(4.99±0.08)分、(4.99±0.07)分和(4.55±0.59)分;3.0T样本优于1.5T样本,差异有统计学意义(Z=-4.356,Z=-1.968,Z=-2.391;P<0.05),见表1.

表1 两种场强MRI设备3D-TOF MRA脉冲序列与图像对比指标比较(分,±s)

表1 两种场强MRI设备3D-TOF MRA脉冲序列与图像对比指标比较(分,±s)

场强 病例数 3D-TOF横断面图像 血管重建图像动脉与背景组织对比良好 静脉仅轻度或无强化 动脉信号一致 动脉信号一致 静脉仅轻度或无强化1.5T 114 4.82±0.38 5.00±0.00 4.96±0.21 4.35±0.73 5.00±0.00 3.0T 146 4.99±0.08 5.00±0.00 4.99±0.07 4.55±0.59 5.00±0.00 Z值 -4.356 - -1.968 -2.391 -P值 <0.001 - 0.049 0.017 -

2.3 两种场强不同品牌MRI设备脉冲序列和图像对比

(1)1.5T场强.在1.5T场强样本中,3D-TOF横断面图像的动脉与背景组织对比良好指标和血管重建图像的动脉信号一致指标(见表2),4种机型比较差异有统计学意义(x2=75.082,x2=27.755;P<0.05),3D-TOF源图像"动脉信号一致"指标4种机型组间差异无统计学意义(x2=4.354,P>0.05).

表2 1.5T场强不同品牌MRI设备3D-TOF MRA脉冲序列和图像对比(分,±s)

表2 1.5T场强不同品牌MRI设备3D-TOF MRA脉冲序列和图像对比(分,±s)

注:①表中"-"为数据未做统计学分析;②两两比较,3D-TOF横断面图像"动脉与背景组织对比良好":联影uMR 560、奥泰Centauri/Echo Star与GE HDx组间对比有统计学差异(P<0.05),与西门子MAGNETOM Avanto组间对比无统计学差异(P>0.05);③血管重建图像"动脉信号一致":联影uMR 560与GE HDx、西门子MAGNETOM Avanto组间对比无统计学差异(P>0.05),奥泰Centauri/ Echo Star与西门子MAGNETOM Avanto组间对比有统计学差异(P<0.05),与GE HDx组间对比无统计学差异(P>0.05)

品牌 病例数 3D-TOF横断面图像 血管重建图像动脉与背景组织对比良好 静脉仅轻度或无强化 动脉信号一致 动脉信号一致静脉仅轻度或无强化西门子MAGNETOM Avanto 38 4.97±0.16 5.00±0.00 4.92±0.27 4.05±0.57 5.00±0.00联影uMR 560 22 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 4.55±1.10 5.00±0.00奥泰Centauri/ Echo Star 24 5.00±0.00 5.00±0.00 4.92±0.28 4.58±0.58 5.00±0.00 GE HDx 25 4.24±0.44 5.00±0.00 5.00±0.00 4.28±0.54 5.00±0.00 x2值 75.082 - 4.354 27.755 -P值 <0.001 - 0.36 <0.001 -

(2)3.0T场强.在3.0T场强样本中,3D-TOF横断面图像"动脉与背景组织对比良好"指标和血管重建图像"动脉信号一致"指标,4种机型比较差异有统计学意义(x2=23.083,x2=12.909;P<0.05),3D-TOF横断面图像"动脉信号一致"指标4种机型组间差异无统计学意义(x2=0.505,P>0.05),见表3.

表3 3.0T场强不同品牌MRI设备3D-TOF MRA脉冲序列和图像对比指标组间对比(分,±s))

表3 3.0T场强不同品牌MRI设备3D-TOF MRA脉冲序列和图像对比指标组间对比(分,±s))

注:①表中"-"为数据未做统计学分析;②组内两两比较,3D-TOF 横断面图像"动脉与背景组织对比良好"联影uMR770与GE HDxt组间对比有统计学差异(P<0.05),与西门子MAGNETOM Verio、飞利浦Ingenia组间对比无统计学差异(P>0.05).血管重建图像"动脉信号一致":联影uMR 770与GE HDxt、西门子MAGNETOM Verio、飞利浦Ingenia组间对比均有统计学差异(P<0.05)

品牌 病例数 3D-TOF横断面图像 血管重建图像动脉与背景组织对比良好 静脉仅轻度或无强化 动脉信号一致 动脉信号一致静脉仅轻度或无强化西门子MAGNETOM Verio 97 5.00±0.00 5.00±0.00 4.99±0.10 4.55±0.58 5.00±0.00联影uMR 770 13 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00飞利浦Ingenia 19 5.00±0.00 5.00±0.00 5.00±0.00 4.26±0.65 5.00±0.00 GE HDxt 17 4.82±0.39 5.00±0.00 5.00±0.00 4.53±0.62 5.00±0.00 x2值 23.083 - 0.505 12.909 -P值 <0.001 - 0.92 <0.005 -

2.4 3.0T场强4种机型影像学表现

(1)横断面图像.3.0T飞利浦Ingenia、西门子MAGNETOM Verio、GE HDxt和联影uMR770的4种机型患者头颅3D-TOF MRA横断面图像见图2.

图2 头颅3D-TOF MRA横断面图像

(2)血管重建图像.3.0T飞利浦Ingenia、西门子MAGNETOM Verio、GE HDxt和联影uMR 770的4种机型患者头颅3D-TOF MRA血管重建图像见图3.

图3 头颅3D-TOF MRA血管重建图像

3 讨论

MRI技术与成像系统的临床质量控制是通过各种技术检测以保证每台设备仪器最优性能运行,发挥设备的最大效能,确保临床获得高质量的诊断图像,使图像质量符合诊断标准,保障每一个受检者的生命安全[6].其中,图像质量控制(quality control,QC)是临床影像诊断的先决条件.国际上对MRI设备评价主要包括产品注册、出厂阶段的指标检测和临床图像质量控制两个方面[7].然而,我国目前对MRI设备评价主要集中在产品注册和出厂阶段,对实践过程中的临床图像质量评价尚缺乏科学、统一及可实践的评价标准.

本研究牵头与全国24个省的70余家不同级别的医疗机构合作开展的"医用磁共振临床功能评价项目"子内容,旨在以头颅3D-TOF MRA成像为切入点,对不同品牌及型号的医用MRI设备所采集的头颅MRA 3D-TOF横断面图像及血管重建图像进行临床图像质量综合评价及结果对比.

3.1 图像扫描规范

本研究初期共收集到317例头颅3D-TOF MRA图像资料,按照2013年ACR MRI图像质量认证指南头颅MRA扫描范围及成像平面统一化规范,其中因扫描范围未包括"小脑后下动脉(posterior inferior cerebellar artery,PICA)和PICA水平椎动脉",排除数据32例,约占总数据的10.1%(32/317).该数据显示临床图像质量控制除了关注成像技术及成像系统的质量控制之外,放射科工作者的扫描规范也同样在临床质量控制中起重要作用.

3.2 临床图像质量综合评价

本研究对比了1.5T与3.0T医用MRI设备在头颅3D-TOF MRA成像中的临床图像质量,数据显示在3D-TOF横断面图像"动脉与背景组织对比良好"、"动脉信号一致"与血管重建图像"动脉信号一致"的3项图像质量评价指标中,3.0T样本明显优于1.5T样本.

本研究结果与此前国内外诸多研究报道相一致,3.0T的MRI拥有更高的图像信噪比、在TOF血管成像中图像质量明显高于1.5T[9-12].而在1.5T与3.0T样本中,国内外不同品牌设备对比研究中显示:1.5T样本的4种机型3D-TOF横断面图像"动脉与背景组织对比良好",联影uMR560、奥泰Centauri/Echo Star优于GE HDx有统计学差异,与西门子MAGNETOM Avanto对比无统计学差异.血管重建图像"动脉信号一致":联影uMR560与GE HDx、西门子MAGNETOM Avanto组间对比无统计学差异.在3.0T样本的3D-TOF横断面"动脉与背景组织对比良好":联影uMR 770优于GE HDxt有统计学差异,但与西门子MAGNETOM Verio、飞利浦Ingenia对比无统计学差异.血管重建图像"动脉信号一致":联影uMR 770优于GE HDxt、西门子MAGNETOM Verio及飞利浦Ingenia有统计学差异.数据显示,国产MRI设备在头颅3D-TOF MRA成像中图像质量不低于进口MRI设备,且部分图像评价指标有所优化.其可能的原因还在于,部分国产MRI设备较新,且不断有技术上的突破,而部分进口MRI设备的使用年限较长,且在设置序列方面装机使用的国产MRI设备相较过去引进的进口MRI设备具有一定的优势.但国产MRI设备由于人力成本、运输成本相对低廉,价格上具有明显竞争力,在能保证图像质量的基础上,显示了我国国产MRI设备极大的发展潜力和市场前景[13].

3.3 本研究的局限性

目前国内外医用磁共振临床图像质量系统评价方面尚存空白,本研究首次基于全国不同地区、不同级别医疗机构临床应用的不同品牌及机型MRI设备的临床图像质量横向评价研究.基于国内外认可的ACR指南,并根据我国实际情况对评价体系进行了完善、修改,更贴近我国实际情况进行临床图像质量评价.基于头颅3D-TOF MRA成像为切入点,大幅度避免了呼吸、运动、血管搏动等MRI成像伪影给图像质量评价带来的影响.

本研究尚有不足之处:①研究涉及MRI设备国内外机型尚不够全面,部分机器型号因采集样本量较少未纳入分析统计;②各机型数据分布不均,数据分析可能存在一定偏倚;③本研究主要使用李克特5级主观评分法,尚未纳入客观评价指标.

4 结语

在头颅3D-TOF MRA成像中,3.0T的MRI设备临床图像质量明显优于1.5T设备,而相同场强下联影、奥泰等国产医用MRI设备临床图像质量不低于国外进口品牌,部分指标优于国外进口品牌.