STAR VIBE序列与TSE_T1WI常规序列在脊柱增强MRI图像质量的对比研究

刘志强，邓义，欧阳中敏，彭艳，罗锦文

1.广州医科大学附属第五医院 医学影像科，广东 广州 510799；2.广州市加速康复腹部外科重点实验室，广东 广州 510799

引言

在脊柱增强MRI扫描过程中，根据其生理解剖特点导致的不足有：① 心脏大血管搏动可能会影响图像质量；② 呼吸运动可造成运动伪影，从而降低MRI图像质量[1-2]。为了降低脊柱增强MRI图像的运动伪影，常规使用快速自旋回波TSE序列。其原理为在一次90°脉冲激发后，利用多个180°聚焦脉冲采集多个自旋回波，就可以填充k空间的多条相位编码线，序列所需要重复执行的次数即TR需要重复的次数将明显减少，从而加快成像速度。这种技术被称为弛豫增强快速采集（Rapid Acquisition with Relaxation Enhancement，RARE），在临床上称为快速自旋回波[3-4]。当相位编码方向取为前后方向和左右方向，受血管搏动和呼吸运动产生的运动伪影极大；相位编码方向取为头足方向，运动伪影可以得到减少，但仍然不能避免。所以TSE_T1WI序列扫描速度虽快，但仍受血管搏动和呼吸运动影响，极易产生运动伪影，尤其是在增强扫描中，运动伪影比较严重[5-6]。

而 STAR VIBE（Stack-of-Stars Volumetric Interpolated Breath-Hold Examination）序列常用于胸腹部MRI扫描，是一种自由呼吸T1加权三维梯度回波采集序列，可以消除血管搏动及呼吸运动引起的伪影[7-8]。本研究将STAR VIBE序列应用于脊柱增强MRI扫描，分别对STAR VIBE序列扫描图像和常规TSE_T1WI序列扫描图像进行客观评价和主观评价，对两组数据进行对比分析和统计学分析，判断STAR VIBE序列在脊柱增强MRI扫描中是否能够消除因血管搏动及呼吸运动伪影，从而为得到高质量的脊柱MRI影像提供新的思路。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析本院2019年7月至2021年5月脊柱增强MRI的病例68例，其中男36例，女32例，年龄9～75岁；其中TSE_T1WI常规序列扫描病例和STAR VIBE序列扫描病例各34例。本研究均对患者进行检查前准备，确认患者身上无铁磁性异物、无MR检查禁忌症、无钆对比剂过敏史等。本研究符合伦理委员会相关审批要求，并签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

所有病例均应用Siemens Magnetom Skyra 3.0T超导性磁共振扫描仪，使用脊柱线圈。先进行MRI平扫，扫描序列为T2_tse_fs-dixon_sag和T1_tse_sag、T2_tse_tra。再进行MRI增强扫描：经肘静脉注入扎喷酸葡甲胺（Gd-DTPA），用量按体重计算0.1 mmol/kg，注射速度2.0 mL/s；相同扫描序列为T1_tse_sag+C及T1_tse_fs_cor+C，一组行TSE_T1WI常规序列横断面扫描，另一组行STAR VIBE序列扫描。TSE_T1WI常规序列：TR 600 ms，TE 11 ms，层厚3.5 mm，层间距1.05 mm，FOV 200 mm×200 mm，层数20层，扫描时间137 s；STAR VIBE序列：TR 2.83 ms，TE 1.48 ms，翻转角9.0°，层厚3.0 mm，层间距0.6 mm，层数72，FOV 380 mm×380 mm，扫描时间173 s。

1.3 图像评价

1.3.1 主观评价五分法

由2名从事MRI诊断工作5年以上的主治医师分别采用双盲法独立分析。评分标准：5分，图像质量好，无呼吸、血管搏动伪影，噪声极小，病变显示清晰；4分，图像质量较好，存在轻度呼吸、血管搏动伪影，噪声小，病变显示清晰；3分，图像质量中等，有中度呼吸、血管搏动伪影，噪声轻微，病变显示欠清晰，轻度影响诊断；2分，图像质量一般，明显呼吸、血管搏动伪影，噪声大，病变显示不清，严重影响诊断；1分，图像质量很差，病变无法显示，呼吸、血管搏动伪影严重，噪声极大，无法用于诊断[9-10]。

1.3.2 客观评价测量法

在Siemens Syngo.via后处理工作站上，测量TSE_T1WI常规序列和STAR VIBE序列图像的SNR，分别在椎体画出感兴趣区（Region of Interest，ROI），尽量避开血管、病灶等异常信号区域，面积100 mm2，测量ROI信号强度（Signal Intensity，SI）和其SD；于背部后方背景内画出ROI，面积 100 mm2，测量 ROI的 SI[11-12]。

1.4 数据计算与分析

主观评价五分法计算统计A、B两位医生对STAR VIBE组和TSE_T1WI组图像的评分，计算各分值的比例，对比分析；采用SPSS 23.0统计软件分析，使用Kappa检验验证两名医生对图像评价的一致性，>0.76为评分一致性好，0.41～0.75为评分一致性较好，<0.4为评分一致性差。客观评价测量法测量出椎体的SI椎体、SD和SI背景，将数据代入公式(1)计算信噪比。

式中，SI椎体为椎体区域信号强度；SI背景为背景区域信号强度；SD为椎体区域标准差，即噪声N。采用SPSS 23.0统计软件分析，采用Wilcoxon秩和检验比较两组图像SNR和SD，统计出两组图像SNR和椎体SD的显著性、Z值及P值。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

两组主观评价五分法的结果如表1所示。STAR VIBE组（n=34）A医生主观评价图像质量中，3分占2.9%，4分占26.5%，5分占70.6%；B医生主观评价图像质量中，3分占2.9%，4分占35.3%，5分占61.8%。TSE_T1WI组（n=34）A医生主观评价图像质量中，1分占11.8%，2分占11.8%，3分占55.9%，4分占14.7%，5分占5.8%；B医生主观评价图像质量中，1分占8.8%，2分占14.8%，3分占52.9%，4分占20.6%，5分占2.9%。A、B两位医生主观评价分值STAR VIBE序列扫描图像基本在（4.5±0.5）分，TSE_T1WI序列扫描图像基本（3±1）分，图像质量分值STAR VIBE组明显高于TSE_T1WI组，两名医生一致认为STAR VIBE序列扫描图像优于TSE_T1WI序列扫描图像（图1）。采用统计学Kappa检验验证两者评分的一致性，两名医生评价图像质量Kappa值分别为0.81、0.86，评分一致性好。

图1 脊柱横轴位图像

表1 STAR VIBE组与TSE_T1WI组主观评价数据统计分析[n（%）]

客观评价测量SNR结果如表2所示，STAR VIBE组（n=34）中，≤5.0以下为0，5.1～10.0占2.9%，10.1～15.0占52.9%，15.1～20.0占35.3%，≥20占8.9%；TSE_T1WI组（n=34）中，0.1～5.0占67.6%，5.1～10.0占32.4%，≥10.1为0。客观评价测量椎体SD结果如表2所示，STAR VIBE组（n=34） 中，0.1～10.0占58.8%，10.1～20.0占41.2%，>20为0；TSE_T1WI组（n=34）中，≤20.0为0，20.1～30.0占8.8%，30.1～40.0占35.3%，>40占55.9%。客观评价STAR VIBE组SNR主要在10.1～20.0，TSE_T1WI组SNR主要在0.1～10.0，STAR VIBE组SNR普遍高于TSE_T1WI组；客观评价STAR VIBE组椎体SD主要在0.1～20.0，TSE_T1WI组椎体SD主要在30.1以上，STAR VIBE组椎体SD普遍低于TSE_T1WI组。结合两组图像的SNR和SD，显示STAR VIBE组图像质量优于TSE_T1WI组；采用Wilcoxon秩和检验比较两组图像SNR和SD，P<0.01为差异具有统计学意义。

表2 STAR VIBE组与TSE_T1WI组客观评价SNR与SD数据对比[n(%)]

3 讨论

脊柱MRI扫描的解剖生理特点包括：① 静卧时脊柱本身无明显的宏观生理性运动，可以接受相对较长时间的扫描；② 颈部血管搏动和喉咽部的吞咽动作可造成运动伪影，降低颈椎MRI图像质量；③ 心脏大血管搏动和呼吸运动可造成运动伪影，降低胸、腰椎MRI图像质量[13]。

消除脊柱增强MRI图像的运动伪影常规方法为：① 加快扫描速度，选用TSE快速自旋回波序列；② 增加前后方向的饱和带降低主动脉及心脏搏动产生的伪影；③ 选择合适的相位编码方向；④ 使用流动补偿技术等[14]。本研究脊柱增强MRI中TSE_T1WI组采用快速自旋回波序列扫描，增加相应的饱和带，使用流动补偿技术，但仍极易产生运动伪影，可能原因为：① TSE_T1WI序列扫描选择左右相位编码极易受血管搏动影响，产生的运动伪影严重；② 选择前后相位编码极易受呼吸运动影响，产生的运动伪影严重；③ 选择头足相位编码也容易受到头足方向的血管搏动和呼吸运动影响，也不能完全消除运动伪影，而且选择头足相位编码为了避免卷褶伪影，需要加大过采样，扫描时间加长。横断面是脊柱疾病诊断的必要方位，而TSE_T1WI序列扫描横断位时，相位编码只能选择伪影较大的前后方向和左右方向，这些伪影给诊断的准确性带来不小的影响[15]。通过主观评价和客观评价，也充分说明了TSE_T1WI常规扫描序列在脊柱增强MRI扫描中普遍存在图像运动伪影缺陷。

相比TSE_T1WI序列，STAR VIBE序列采用非笛卡尔填充，其使用“星形堆叠”方案来获取体积k空间数据，该序列沿层方向（kz）进行笛卡尔采样，并在平面上进行径向采样（沿ky和kx），使用放射状k空间填充的方式采集信号[16-17]。其优点是：每条采集线都通过k空间中心，消除了相位编码容易被呼吸运动影响的问题，从而实现自由呼吸扫描；同时，即使在欠采样的条件下，放射状采集也能尽可能多的收集k空间中心的信息，提高成像SNR[18-19]。联合脂肪抑制技术，可明显抑制血管搏动和呼吸运动造成的运动伪影，在腹部、胸部等呼吸运动伪影比较明显的部位，可实现自由呼吸成像[20-21]。

为了解决脊柱增强MRI扫描过程中的运动伪影，我们将STAR VIBE序列应用在脊柱MRI增强扫扫描中，通过对比两种序列扫描图像质量，分析STAR VIBE序列在脊柱增强MRI扫描中的优缺点以及可靠性。本研究表明在脊柱增强MRI扫描中，主观评价五分法显示两名MRI诊断医生认为STAR VIBE序列扫描图像质量优于TSE_T1WI常规扫描序列；客观评价测量图像SNR和SD显示STAR VIBE序列扫描图像的SNR和SD优于TSE_T1WI常规扫描序列。两种评价方法都表明STAR VIBE序列在脊柱增强MRI扫描中具有一定的消除运动伪影的优势。

理论上，STAR VIBE序列也是3D扫描序列采集三维数据，可以对图像进行多平面重建。虽然TSE_T1WI序列扫描时间比STAR VIBE序列扫描时间短，但TSE序列还需要扫描矢状位（Median Sagittal Section，SAG）、冠状位（Coronal，COR），STAR VIBE序列利用3D扫描数据进行MPR三维重建即可得到所需的SAG、COR。

4 结论

本研究具有一定的局限性，TSE序列具有比较优良的空间分辨力和对比度，而STAR VIBE序列是三维梯度回波序列，空间分辨力和对比度有所降低，但完全满足临床诊断需求。本研究扫描横断位层厚为3.0 mm，层厚较厚，MPR重建的SAG、COR图像质量较低，应该调试成薄层STAR VIBE的COR或SAG各向同性扫描；脊柱不同病变的病例较少，无法针对单一病变进行研究，只能从图像质量对比评价两者图像质量之间的差别。

综上所述，在脊柱MRI增强扫描中，STAR VIBE序列扫描图像可以有效消除因血管搏动及呼吸运动造成的运动伪影，噪声小，脊柱解剖结构和病灶显示清晰，图像质量优良。为了得到高质量的脊柱MRI图像，可以选择STAR VIBE序列扫描。对于因血管搏动及呼吸运动造成的运动伪影严重的患者，采用STAR VIBE序列扫描，在一定程度上可提高诊断的准确率。