压缩感知不同加速因子对肝脏3D-mDixon序列成像质量的影响

王诗瑜，刘爱连，王家正，宋清伟，肖晓啸，王楠，高冰冰

磁共振成像是临床常用的影像学检查方法，具有多参数、多序列、多方位成像和软组织分辨率高等特点，在肝脏疾病的诊断中具有不可替代的优势。肝脏3D mDixon序列扫描效率高，一次扫描可获得4种对比度图像(同相位、反相位、水相、脂相)，且脂肪抑制效果稳定，但亦有一定的缺点，包括扫描时间长及对运动较敏感，肝脏位于膈肌下方易受呼吸伪影影响，并且邻近肠道，肠蠕动伪影也会对其产生一定影响，因此如何提高肝脏3D mDixon序列扫描成功率至关重要。

压缩感知(compressed sensing, CS)技术是基于应用数学的一种创新性的信号采集和处理的前沿技术，可以显著提升磁共振扫描速度和空间分辨率。在k空间欠采样情况下，利用信号处理的优化算法，得到MR图像[1]，与常规方法比较可缩短信号采集时间，此技术近年来已成为MR技术领域的研究热点[2]。国外已有CS在MR成像中的应用报道，如对比增强MRA、心脏电影成像等[3-4]，国内有学者将其应用于肝脏多动脉期(16倍加速连续获得8期相图像，其中1～4期为动脉早、中期，5～8期为动脉晚期)增强扫描[5]。目前研究者在各个领域开展了CS相关实验和临床研究，结果不尽相同，共同的观点是在开展CS的临床应用之前，必须在不同的临床场景下进行测试，以验证其可行性及诊断效能。目前国内关于CS临床研究的报道尚少，本研究拟探讨压缩感知技术的不同加速因子对肝脏3D mDixon序列图像质量的影响。

材料与方法

1.一般材料

于我院招募10例健康志愿者进行肝脏磁共振扫描。其中，男4例，女6例；年龄22～34岁，平均(25±4)岁；体质指数(20.7±2.5)kg/m2。排除标准：a)肝脏局灶性或弥漫性病变者；b)检查过程中呼吸配合不佳，影响数据测量者。

2.MRI检查方法

使用Philips Ingenia CX 3.0T磁共振扫描仪和16通道腹部专用表面线圈。各受检者明确无MRI检查禁忌证，检查前4 h禁食，以减少胃内容物对肝左叶信号的影响。受检者取仰卧位、头先进、双手自然下垂置于身体两侧，人体正中矢状面与检查床中线重合，定位于剑突所在平面。对受检者进行呼吸训练，于深呼气末屏气，同时加戴呼吸门控监测受检者呼吸情况。采用3D mDixon序列对每例被试行肝脏MRI扫描，设计6组扫描方案(A～F)，分别使用SENSE2(S2)和加速因子2～6的CS技术(记为CS2～CS6)，扫描时间分别为20.5、18.7、12.9、10.0、8.5和7.1 s。各组间除加速因子外其它扫描参数的设置保持一致，扫描参数：TR 3.40 ms，TE 1.05 ms，翻转角15°，视野400 mm×320 mm×160 mm，矩阵184×136，层数80，层厚4.0 mm，层间距-2.0 mm，信号平均次数1，体素大小1.64 mm×1.56 mm×4.00 mm。

3.图像分析和数据测量

将图像传至飞利浦后处理工作站(IntelliSpace Portal，ISP)，由两位医师(均具有5年以上腹部MRI诊断经验)独立进行ROI的选取和参数值的测量。在各序列图像中均选取第一肝门水平(保证测量ROI在同一层面)，分别在肝脏的左外叶、左内叶、右前叶和右后叶内勾画长椭圆形ROI，其长轴方向与肝内胆管走向一致，大小约200 mm2，距离肝包膜约1 cm, 注意避开血管和胆管；在相同层面同一相位方向于右侧竖脊肌内勾画ROI，大小约90 mm2，注意避开脂肪间隙。分别测量肝脏和竖脊肌的信号强度(signal intensity,SI)和标准差(standard deviation,SD)，所测数据分别取均值。按照公式(1)和(2)计算肝脏各叶的信噪比(signal to noise ratio,SNR)和对比噪声比(contrast to noise ratio,CNR)：

(1)

(2)

由两位观察者分别从影像整体质量、脂肪抑制效果、伪影、肝脏边缘的锐利度和血管清晰度等方面对6组图像进行评分(表1)，采用5级评分，≥3分为满足诊断需求。

表1 图像质量主观评价标准

4.统计分析

使用SPSS 22.0统计软件进行数据分析。对两位观察者所测数据及主观评分的一致性采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)进行检验，ICC<0.40为一致性差，0.40～0.75为一致性一般，>0.75为一致性良好。若一致性良好，选择高年资医师的测量数据进行后续统计学分析。计量资料采用均数±标准差的形式表示。采用Kolmogorov-Smirnov检验对两位观察者测量数据及图像质量主观评分进行正态性检验。符合正态分布的数据采用单因素方差分析，并以LSD法进行组间两两比较；非正态分布的数据采用Kruskal-WallisH检验，进行6组间总体差异的分析及组间两两比较。以P<0.05为差异具有统计学意义。

结 果

1.一致性分析

两位观察者对肝脏SI的测量值及一致性分析见表2。结果显示，两位医师对肝脏SI及SD的测量结果的ICC均为良好(ICC分别为0.993～0.996和 0.958～0.992)。两位观察者对图像质量主观评分的一致性检验结果见表3。本组结果显示，两位观察者对图像质量主观评分的一致性较好，ICC为0.789～0.899。

表2 两位医师对肝脏SI测量结果的一致性分析

表3 主观评分及一致性检验(n=10)

2.各组间图像质量的比较

6个序列图像上图像质量主观评分和定量指标测量结果见表4和图1。6组间肝脏SD、SNR和主观评分的差异均有统计学意义(P<0.05)，而CNR的差异无统计学意义(P>0.05)。

表4 六组的肝脏SD、SNR和CNR及其比较

进一步对各组的SD、SNR和主观评分进行组间两两比较，P值见表5。结果显示CS2～CS5序列的肝脏SD值均小于SENSE 2和CS 6序列(P<0.05)；SENSE2及CS2～CS4序列各组间SNR的差异均无统计学意义(P>0.05)； CS5和CS6序列的SNR较CS2～CS5序列显著下降(P<0.05)。用两名观察者主观评分的均值进行各组间的比较，结果显示SENSE2及CS2～CS4序列的主观评分高于CS5和CS6序列(P<0.05)。

表5 LSD法进行6组间两两比较的P值

3.各组间扫描时间的比较

上腹部3D mDixon序列扫描CS2～CS6序列的扫描时间分别为20.5、18.7、12.9、10.0、8.5和7.1s，即随着加速因子的增加扫描时间逐渐减少。相较于SENSE2序列20.5s的扫描时间，CS4序列的扫描时间仅为10.0s，降低了51.22%。

讨 论

MRI作为一种无辐射风险、组织分辨力高的成像方法，在腹部的应用越来越广泛，除了反映形态学和血供改变以外，各种功能MR成像技术是量化反映疾病特征的新方法，为腹部疾病诊断和鉴别提供重要的补充信息。但是腹部MRI检查对患者要求较高，在T1WI和动态增强过程中需要患者屏气，有些心肺疾病或者年纪大的患者不能配合进行较长时间的屏气，图像质量易受呼吸频率及幅度的影响。mDixon技术是改进的水脂分离技术，可以在一次扫描中获得同相、反相、水相和脂肪相图像，其中水相的脂肪抑制效果更均匀，压脂成功率更高。另外，此技术联合不同的加速因子可不同程度提高采集速度，应用于肝脏等器官的屏气扫描。因此如何选择加速因子，减少扫描时间，提高扫描功率及图像质量尤为重要。

在压缩感知技术出现之前，临床上多使用并行采集技术，能在一定程度上加快扫描速度、抑制运动伪影，但此技术是以牺牲图像信噪比或空间分辨力为代价的，因此称不上完美解决方案[6]，而且此技术的一大劣势在于加速因子越大，图像信噪比越低，且容易产生卷褶伪影，不能在一次屏气过程中得到理想质量的图像。

压缩感知理论由菲尔茨奖获得者陶哲轩和两位美国科学院院士Emmanuel Candes及David Donoho联合提出，被誉为 21 世纪数学领域最重大的突破之一。压缩感知理论近年来在MRI领域的应用逐渐成为研究热点。通过数字化稀疏采样后进行小波变换，在希尔伯特空间(H空间)上离散降噪后进行小波逆变换[7]。运用此项技术成像不仅具有出色的时间分辨率优势，同时具有满意的空间分辨率。近年来已经有了一些对CS序列的图像质量和诊断效果的进行分析的相关研究[8-12]。CS序列可实现单次屏气全心周期实时电影成像，在心脏及大血管的磁共振成像方面也有所应用[13-15]。CS快速MRI技术能显著缩短扫描时间，受检者更易配合检查，减少了运动伪影。CS技术的应用意味着当今的临床工作流程也将发生转变，从传统的耗时、特定的采集向连续容积采集转变，且此项技术有灵活的重建能力，可根据临床和科研需求进行回顾性重建[6]。但是需要指出的是，虽然使用CS技术可以显著提高扫描速度，但是随着加速因子的增加，图像的信噪比也会有所降低，因此如何在保证图像质量的前提下，选择合适的加速因子是临床中首要关注的问题。

本研究中采用的肝脏3D mDixon序列正是使用的CS技术，根据加速原理，加速因子越高则SNR越低，但是在测量数据过程中发现，CS2～CS4的图像上肝脏的信号强度依次降低，但在CS5和CS6序列上又逐渐增加，随着加速因子增加至4，图像SNR及CNR逐渐增高。分析原因为随着加速因子的增加，可逐渐缩短扫描时间，志愿者检查过程中更容易耐受检查，故图像质量逐步提高；但当加速因子超过5时，图像噪声增加，SNR及CNR明显下降，分析原因为加速因子过高导致采样不足，因此图像质量下降。

本研究存在不足之处：本研究仅纳入健康志愿者，在后续研究中需要纳入肝脏病变(如肿瘤)患者，以验证压缩感知技术是否对病变的检出产生影响。

综上所述，压缩感知技术作为新一代快速磁共振成像方法，有利于减少呼吸伪影。在临床实践中推荐使用加速因子4的CS 3D mDixon序列行肝脏扫描，在保证图像质量满足临床诊断需要的前提下，能够提高扫描速度，显著提高MR检查的成功率。