运动解析压缩感知重建的自由呼吸XD-VIBE在肝脏富血供病变动态增强MRI中的应用

赵香田, 黄梦月, 朱锦霞, 车英玉, 高雪梅， 程敬亮

肝脏动态增强MRI对于肝脏局灶性病变的检出和鉴别至关重要。目前，常规通过三维容积内插屏气检查(three-dimensional volumetric interpolated breath-hold examination，BH-VIBE)进行，具有空间分辨率及信噪比高等优点[1-2]。但在临床实际工作中，多次反复屏气导致患者检查舒适性降低，而缩短屏气时间可使图像空间分辨率和容积覆盖受限，且部分患者可因不能耐受或配合屏气而导致图像质量差或无法实现动态增强扫描，如腹痛、幼儿、年老体弱、听力丧失和昏迷等患者。因此，本研究拟采用一种新型笛卡尔采样、额外维度VIBE(eXtra-dimensional VIBE，XD-VIBE)序列，其结合压缩感知(compressed sensing，CS)及自门控技术，在连续采集肝脏动态数据的同时收集自导航信号，再将自导航信号进行运动状态解析重建以降低呼吸伪影[3]，从而实现自由呼吸肝脏动态增强MRI；并与常规BH-VIBE的图像质量及对肝脏富血供病变(hypervascular liver lesions,HLLs)的检出能力进行对比，初步验证其临床应用价值。

材料与方法

1.一般资料

本研究为前瞻性研究。经医院伦理委员会批准，所有患者均于检查前签署知情同意书。搜集郑州大学第一附属医院2017年12月-2018年4月经CT或超声检查(4周内)提示肝脏HLL且未针对病变做过任何治疗的成年患者。排除标准：①有>5个HLLs；②广泛门静脉血栓或癌栓形成；③有磁共振检查禁忌症和/或既往含钆对比剂过敏史；④肝肾功能异常。入组患者7 d内均进行BH-VIBE及XD-VIBE肝脏动态增强MRI(扫描次序由随机数字表确定)。最终共纳入21例受试者，男18例，女3例，年龄33～75岁，平均(54.6±9.4)岁。共含由手术病理、临床及影像、随访结果明确诊断的40个HLLs，直径6～69 mm，平均(23.4±18.2) mm。恶性患者15例，良性患者6例。恶性HLLs含肝细胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)22个和转移瘤3个，良性HLLs含肝血管瘤11个和局灶性结节增生(focal nodular hyperplasia，FNH)4个。21例患者中，9例经手术病理证实，含HCC 10个、FNH 1个；余12例中HLLs经临床及影像或随访明确诊断，具体标准为[4]：HCC结合慢性肝病史、甲胎蛋白、影像及随访结果诊断；转移瘤根据原发恶性肿瘤病史、影像及病灶随访12个月后最大径增长超过30%诊断；肝血管瘤根据典型影像学表现(T2WI明显高信号、增强早期边缘结节状强化且持续向心性强化)并随访12个月以上无变化作出诊断；FNH根据无慢性肝病史、影像(包括随访期内普美显增强MRI肝胆期病变摄取对比剂)观察12个月以上无变化作出诊断。

2.仪器与方法

采用Siemens Prisma 3.0T MR仪和体部18通道相控阵表面线圈。两次动态增强扫描均以0.2 mL/kg剂量、2.0 mL/s流率经肘前静脉团注对比剂钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)，0.9%氯化钠注射液20 mL以同样流率冲管。常规BH-VIBE采集四期，含平扫、动脉期(Care Bolus实时监测)、门静脉期(动脉期后40 s)和平衡期(180 s)，各期屏气时间16 s。自由呼吸XD-VIBE在注射对比剂同时启动扫描，连续采集184 s。扫描结束后主机基于GPU自动对获得的笛卡尔欠采样k空间数据进行迭代重建，以9.4 s的时间分辨率等距划分为20个时间点，每个时间点图像重建为6个运动状态，约需10 min。两个序列均扫描横轴面，主要扫描参数保持一致：TE 1.4 ms，TR 4.3 ms，FOV 380 mm×320 mm，矩阵320×240，翻转角10°，层厚3.0 mm。

3.图像分析

由1名主任医师在XD-VIBE连续图像中选出与BH-VIBE 四期图像最为匹配的4个时间点，并确定每期最佳运动状态；将XD-VIBE第一个时间点图像作为“平扫”与常规BH-VIBE平扫进行比较。随后两组VIBE图像随机分配给另外3名高年资医师进行双盲法阅片，每位医师每次完成一组，至少2周后完成另一组；每位医师以5分制对图像质量(包括总体图像质量、肝脏边缘锐度、呼吸伪影及肿块显著性)进行主观评分[5]，评分1～5分，总体图像质量≥3分视为满足诊断要求；同时详细记录动脉期观察到的>5 mm的HLLs数目、肝段定位及横轴面最大直径。

4.统计学方法

图1 女，57岁，血管瘤(箭)，a～d为常规BH-VIBE序列，e～h为自由呼吸XD-VIBE序列。a、e)平扫；b、f)动脉期；c、g)门静脉期；d、h)平衡期。同时存在肝外胆管癌而导致的肝内胆管扩张(箭头)。

表1 BH-VIBE和XD-VIBE组间四期图像质量评分及比较

注：数据为平均值±标准差(范围)，使用Wilcoxon符号秩检验，*P<0.05。

结 果

XD-VIBE自导航信号呈周期性正弦曲线，运动状态1对应于呼气末位置，自运动状态1～6呼吸伪影增加、图像质量下降，因此运动状态1被用于后续图像质量分析。3名医师所有图像质量评分均为一致性中等或良好(0.68～0.97)。

XD-VIBE和BH-VIBE间四期图像质量比较见表1。平扫BH-VIBE图像质量评分优于XD-VIBE(P均<0.05)；动脉期、门静脉期及平衡期的两组序列图像质量评分相当(P均>0.05，图1)。

XD-VIBE中，20例(20/21，95.2%)均获得晚动脉期图像且增强后三期图像质量均符合诊断要求，其中动脉期成像时间点确定为注射对比剂后33.3 s 19例、23.6 s 1例；1例(1/21，4.8%)呈动脉期扫描过早。BH-VIBE中，16例(16/21，76.2%)各期图像质量均符合诊断要求；5例(5/21，23.8%)因患者屏气能力不稳定导致部分期相图像呼吸伪影明显而未达到诊断要求，但其相应的XD-VIBE图像质量均达到了诊断要求(图2)。

图2 男，54岁，早期HCC(箭)，a～d为常规BH-VIBE序列，e～h为自由呼吸XD-VIBE序列。a、e)平扫；b、f)动脉期；c、g)门静脉期；d、h)平衡期，XD-VIBE平衡期HCC的“廓清”和“包膜征”(箭头)显示较BH-VIBE更清晰。因患者屏气能力不稳定，自由呼吸XD-VIBE增强三期较相应BH-VIBE图像质量评分高。

表2 XD-VIBE和BH-VIBE组内四期图像质量评分比较

注：*指差异具有统计学意义，其中两两比较的P值进行Bonferroni校正、以0.05/6作为阈值。A为平扫；B为动脉期；C为门静脉期；D为平衡期。

XD-VIBE和BH-VIBE各自四期图像质量比较见表2。在XD-VIBE，总体图像质量及肝边缘锐度以平扫最差(P均<0.05)，动脉期较门静脉期差(P均<0.05)、与平衡期相当(P均>0.05)，门静脉期较平衡期相当(P均>0.05)；呼吸伪影以平扫时最明显(P均<0.05)，门静脉期最小(P均<0.05)；肿块显著性以平扫时最差(P均<0.05)，增强后三期相当(P均>0.05)。在BH-VIBE，总体图像质量、呼吸伪影各期相当(P均>0.05)；肝边缘锐度平扫优于动脉期(P<0.05)、余各期相当(P均>0.05)；肿块显著性以动脉期最佳(P均<0.05)。

对40个HLLs，无论肿瘤大小或良恶性，XD-VIBE和BH-VIBE检出能力相当(P均>0.05，表3)。

表3 XD-VIBE和BH-VIBE动脉期对40个HLLs检出率

注：数据为百分比(计算百分比的病变数)。

讨 论

CS是近年来兴起的一种新的信号获取与处理理论[6-7]，其利用信号在特定变换域上的稀疏性及可压缩性在远小于Nyquist采样率条件下采集数据，再从少量稀疏测量数据中通过优质重构算法精确恢复出原始信号，既缩短信号采集时间、减少计算量，也保持了原始信号的重建质量要求，从而显著降低采集时间而不降低图像质量。动态对比增强MRI是应用CS的理想领域，因同一肝脏在不同时刻的系列多幅图像存在广泛时空相关性和平滑的信号改变；同理，呼吸运动也是高度相关的，也具备CS应用的前提——可压缩性。本研究采取的自由呼吸XD-VIBE，连续采集肝脏动态对比增强数据同时收集自导航信号，然后利用对比增强维度和呼吸状态维度的稀疏性，采用CS算法重建运动状态的欠采样数据集，最终在每个对比增强时间点生成多维动态图像集；且由于自导航信号重建是直接从原始k空间数据中提取运动信息，此过程无需使用特定的运动模型，故不受插值误差的影响，可明显减少呼吸伪影。这也解释了XD-VIBE可实现增强后各期图像质量与BH-VIBE相当的原因。鉴于导航信号的均匀性直接决定呼吸伪影程度而影响图像质量，故患者在XD-VIBE采集前均被告知尽量平稳呼吸。尽管如此，部分年老体弱的患者仍呈不规律的呼吸导航信号曲线。但本研究21例XD-VIBE增强后图像质量均达到了诊断要求。甚至在屏气能力不稳定导致BH-VIBE部分期相呼吸伪影大而无法用于诊断的患者，相应XD-VIBE呼吸伪影更小而达到诊断要求，结果进一步验证了这一新型运动补偿方法的优势，与既往研究结果一致[3,8]。此外，XD-VIBE还被证明较硬门控重建可显著改善CS-VIBE动脉期、门静脉期图像质量[5]，也比视图重建等更节省时间，具有较大的临床应用前景。

以往有研究[5]显示XD-VIBE动脉期图像质量较常规BH-VIBE差，与本研究结果不同，推测可能与本研究时间分辨率更高(9.4s vs. 11.57s)及研究对象自身差异有关。此外，本研究中XD-VIBE平扫图像质量显著低于增强、且较BH-VIBE平扫差，推测是因用于分析的XD-VIBE“平扫”图像其实是连续采集的第1个时相，此时突然的对比剂注射可引起患者呼吸急剧变化而导致图像呼吸伪影增大，但这可通过后期优化扫描方案、采用导航回波[9]或自由呼吸放射状采集VIBE序列[10]等来改善。同理，门静脉期患者呼吸趋于稳定，因此其呼吸伪影最小、图像质量优于动脉期；而平衡期患者依从性开始下降，图像质量也趋于下降；到了增强后期，图像质量随时间延长缓慢降低，等距重建时间点的信息可能愈发冗余，此时可通过非等距时间点重建导航信号来避免。

近年来，一种可实现自由呼吸肝脏动态对比增强MRI的黄金角径向稀疏并行采样(golden-angle radial sparse parallel，GRASP)技术成为研究的热点[8,11-12]。此方法可连续采集k空间数据，而无需预定义时间分辨率，可实现与屏气扫描相当的增强后图像质量；但GRASP重建中固有的运动平均效应有时仍然会导致相对较差的图像质量和运动模糊[13]。此外，虽然非笛卡尔采样已显示出独特优势，但与笛卡尔采样相比也带来了一些挑战，比如对失谐效应、梯度延迟和非理想梯度放大器响应不敏感，也可能导致图像失真或模糊[14]。非笛卡尔采样重建过程复杂且耗时，而笛卡尔采样允许对高维数据集进行快速的在线重建。本研究中，包括所有6个运动状态的XD-VIBE重建时间不足10min，更有望整合在日常临床工作中发挥作用。

有研究证实XD-VIBE对于检出肝转移瘤与BH-VIBE能力相当[5]，但尚无有关XD-VIBE检出HLLs能力的报道，鉴于之前对其动脉期图像质量的担忧，其临床价值尚不明确。本研究证实无论大小及良恶性，9.4 s时间分辨率的XD-VIBE可实现与BH-VIBE相当的HLLs检出效能；在无法很好配合屏气的患者，XD-VIBE肿块显著性更佳。因此，对于无法配合屏气的患者，XD-VIBE也许较常规BH-VIBE更有前景，未来值得大样本量的研究进一步证实。

本研究存在一定的局限性。首先，样本量相对较小，无法在目前初步的可行性研究中实现屏气能力较差患者的分层分析，因这类患者也许是XD-VIBE的最大受益人群，这也是本课题组的后续研究方向。其次，仅对呼气末的重建图像进行评估，丢弃了大量潜在有用的数据，而弹性配准等算法也许可组合多个运动状态的数据而实现更好的图像质量。

总之，本研究所提出的笛卡尔采样XD-VIBE结合了CS及自导航信号的运动状态解析重建，可提供与常规BH-VIBE相当的增强后图像质量和动脉期HLLs检出效能；尤其对于屏气能力较差的患者，可能是一种很有前途的替代方案。