基于光梭成像的新型加速技术在颅脑MRI中的应用价值研究

张雪坤，李 彦，严福华，赵洪飞，宋 琦

（上海交通大学医学院附属瑞金医院放射科，上海 200025）

颅脑MRI 检查对于评价各种疾病，如多发性 硬化症、颅内肿瘤和脑卒中至关重要[1]。MRI 具有较高的软组织对比度分辨率和针对不同病理、生理学方面的特殊序列，使其成为研究大脑不可或缺的检查方法。与CT 相比，MRI 图像信息的获取是一个非常耗时的过程。近年来，随着接受脑部MRI 检查者数量的增加[2]，图像采集的时长限制了MRI 的临床应用，尤其是在急诊和儿童患者中的应用。

近年来，一些新的快速成像技术应运而生。2017年，国际医学磁共振学会第25 届年会上首次发布了光梭成像 （constellation shuttling imaging，uCS）技术。uCS 是序列扫描技术与重建后处理结合的一种综合应用技术，其以压缩感知（compressed sensing，CS）技术为核心，融合了另外2 种（并行成像及半傅里叶采集）主流技术[3]，充分利用MRI 扫描过程中由于K 空间共轭对称性、多通道并行采集等产生的信息冗余，以及图像CS 等特点，通过对重建模型及扫描序列K 空间填充的优化，在实现高倍加速成像的同时保证了图像质量。uCS 虽然在加速MRI 采集和图像重建方面取得了明显进步，但评估其在临床实际应用中的价值仍然十分必要。目前，CS 作为技术核心，用于颅脑成像，尤其针对二维序列分析的数据很少[4]，或者没有专门研究比较其图像质量[5]。最近，有研究报道了CS 技术在多发性硬化症和脑瘤患者中的应用[6]，其利用并行MRI 与CS 相结合的方法，得到了与相应常规MRI 质量相当的图像，并缩短了扫描时间，为多种成像方法联合应用提供了依据。本研究目的是评估基于uCS 技术的脑MRI采集速度和图像质量，并与临床常规脑MRI 进行比较，为uCS 的临床应用提供依据。

资料与方法

一、一般资料

2020年7月至2020年8月期间，收集20 名成年（18 岁或以上） 健康志愿者进行颅脑MRI 扫描，其中男性10 名，女性10 名，年龄为22～69 岁，平均年龄为（40.2±13.3）岁。本研究纳入的研究对象及MRI 图像同时满足以下标准。①健康成年人；②同时行uCS 和常规扫描；③图像无严重运动伪影。同时排除具有MRI 检查禁忌证者。本研究经医院伦理委员会批准，所有研究对象均签署知情同意书。

二、方法

采用联影uMR7803.0T 超导型MRI 扫描仪和24 通道的相控阵线圈组，扫描体位为仰卧位（头先进）。所有研究对象均接受包括常规序列和相应的uCS 加速采集序列扫描。uCS 加速采集是在相应的常规采集前后以交替顺序进行（以减轻排序效应的潜在偏差），序列包括快速自旋回波轴位T1 加权成像(T1-weighted imaging,T1WI)、T2-液体抑制反转恢复序列（fluid attenuated inversion recovery sequence，FLAIR）、矢状位T1WI 及梯度回波矢状位3D-T1WI。常规序列和uCS 加速序列的扫描参数见表1。2 种扫描方法的各序列间仅存在加速因子的差异，其余参数均保持一致。

表1 uCS 与常规各序列扫描参数

三、图像分析

1.主观分析：先由1 位经验丰富的放射科医师对各序列常规和加速后图像进行主观分析，包括图像综合质量和图像伪影。其中，对图像综合质量的评价是以美国放射学会在2013年颁布的MRI 图像质量认证指南[7]为基本框架，评价内容包括解剖结构清晰度（脑沟、脑回及脑池）、关键部位对比度（脑实质与脑积液对比，灰白质对比）、图像信号均匀度、水/脂肪抑制程度、伪影评价共5 个方面，并对其进行Likert 5 级评分[8]（综合上述5 项）。图像模糊，组织间边缘极度模糊，不能诊断，为0 分；上述解剖结构较模糊，图像差，计1 分；上述解剖结构模糊，图像可接受，计2 分；上述解剖结构稍模糊，图像一般，计3 分；上述解剖结构清晰但不锐利，计4 分；上述解剖结构清晰而锐利，为5 分。伪影评价主要包含设备伪影及运动伪影，设备伪影包括化学位移伪影、截断伪影及层间干扰；运动伪影包含随机自主运动伪影及大血管搏动伪影。有严重设备伪影，图像不能进行诊断，为1 分；有明显的设备或运动伪影，图像尚可以诊断，计2 分；有轻度设备或运动伪影，图像诊断无影响，计3 分；有轻微设备或运动伪影，可忽略，计4 分；无伪影，为5 分。2 周后，再从中随机选择一组序列进行主观评价中的Likert评分复评，并计算2 组数据重测信度。

2.图像质量客观评价：对所有序列图像感兴趣区 （region of interest,ROI） 进行信噪比（signal-tonoise ratio,SNR）测量。计算公式采用AAPM 单幅图像法[9]，即SNR＝（S-Sb）/SD，其中S 表示ROI 信号平均值，Sb 表示背景信号平均值，SD 表示ROI信号标准差。首先，在图像扫描野内背景四角区域各画一个正圆形区域，面积均约100 mm3，记录各区域信号平均值，并进一步计算四者平均值（Sb）。选取背景区域原则为避开扫描部位、伪影区域及明显有不规则标准偏差区域。其次，在横断位图像上，从上到下出现侧脑室的第一个层面的脑白质ROI画一个正圆形区域，面积约100 mm3，记录ROI 信号平均值及标准差（见图1A）。矢状位图像是从右到左出现侧脑室的第一个层面的脑白质区选取ROI（见图1B）；选取ROI 原则为避开伪影区域、脑灰质及脑脊液区域，若本层伪影较大则在其上或下一层面选取ROI。根据以上公式计算ROI 的SNR，并用相同方法再画取同一层面其他位置3 个ROI，分别计算其SNR，最终取4 个SNR 的平均值，记为该样本的SNR。

图1 图像SNR 测量中背景区域及ROI 的选择

四、统计学方法

采用SPSS 21.0 软件进行统计学分析。用K-S检验（Kolmogorov-Smirnov test）对计量资料（主观评价的中Likert 5 级评分和客观评价中的SNR）进行正态分布检验；非正态分布的计量资料（Likert 5 级评分）用中位数（最大值，最小值）表示，正态分布的计量资料（SNR）用均值±标准差表示。2 组间图像SNR 比较采用配对t 检验；2 组间Likert 评分比较采用Wilcoxon 符号秩和检验Mann-Whitney U 检验。重测信度采用Spearman 相关分析，信度以0.7～0.8 为信度可接受，0.8～1.0 为信度较好。以上统计方法均以P＜0.05 为差异有统计学意义。

结 果

一、扫描时间

光梭成像扫描时间均比常规扫描时间缩短，每位志愿者采用uCS 的描总时间为542 s，而常规扫描时间长达735 s，时间缩短约26.3%。其中3D 序列时间缩短尤为明显，达39%。此外，uCS-3D 序列重建时间无明显延长，不影响扫描流程，符合检查要求。各序列uCS 及常规扫描时间详见表2。

表2 各序列uCS 及常规扫描时间

二、主观评价结果

对于T1WI、T2-FLAIR、矢状位T1WI 及梯度回波矢状位3D-T1WI，在整体图像质量、伪影程度方面，uCS 与常规序列之间差异无统计学意义 （见表3～6）。uCS 与常规序列图像对比见图2。在重测信度分析中整体图像质量及伪影程度指标的信度相关系数分别为0.897、0.886，信度较好。

图2 同一志愿者uCS 与常规序列的颅脑图像对比

表3 uCS-T1WI 与常规T1WI 扫描的主观图像质量分析（n）

表4 uCS-T1_sag 与常规T1_sag 扫描的主观图像质量分析（n）

表5 uCS-FLAIR 与常规FLAIR 扫描的主观图像质量分析（n）

表6 uCS-3D 与常规3D 扫描的主观图像质量分析（n）

三、定量评估

uCS 轴位T1WI 及矢状位T1WI 序列的SNR 显著高于常规轴位T1WI 及矢状位T1WI 序列。比较uCS 与常规扫描的FLAIR 及3D-T1WI 序列的SNR，差异无统计学意义（见表7）。

表7 uCS 与常规扫描的图像SNR 比较

讨 论

一、MRI 加速技术

MRI 扫描时间主要受K 空间采样数据点的数目、采样方式以及图像重建方式的影响。一直以来，不断有新的MRI 技术被开发出来，以减少图像获取的时间。如半傅里叶采集，它是利用K 空间数据的轴对称性，仅采集略多于一半的K 空间数据，然后重建出完整图像，不但极大提高了扫描速度，减少了生理伪影，而且保留了较高空间分辨率的优点。近年来，并行成像技术如敏感度编码（Sensitivity Encoding,SENSE）已经进入临床常规。其原理是通过K 空间相对规律欠采样的方式实现扫描速度的提升，利用线圈灵敏度信息恢复完整图像[10]。最近，CS 技术的研发大幅提高了MRI 的速度[11]。作为一种新的加速技术，CS 的概念于2006年由Donoho DL 提出，2007年由Lustig 等[12]进一步最先将CS 理论应用于MRI 成像领域（简称CS-MRI），通过K 空间部分数据成功重构出原始图像，并加快了MRI 的成像速度。基本上，CS 是在采样数据下减少扫描时间，其原理是在非线性迭代重建中，利用图像结构的内在稀疏性和欠采样K 空间数据重建获得接近全采样的图像质量，从而缩短了数据采集时间。并行采集和CS 技术，是在不同的重建约束条件下来加速图像生成[13]，组合这些技术可使图像采集加速因子远超过并行或仅CS-MRI 可实现的加速因子[14]。这种组合图像加速技术被称为CSSENSE MRI，并且可能在保持图像质量的前提下，显著减少整体成像时间[6]。目前的主流趋势是，为了使图像的采集和重建速度更加快速，将这些新技术（如CS、并行成像技术等）结合起来。由于这些技术往往依赖于不同的辅助信息来生成图像，因此这些加速技术的结合是协同的，结果是在保持图像噪声较低的情况下，其成像所获得的加速度要超过单一技术成像。Liang 等[15]的研究证实，与并行成像或单独CS 相比，CS-SENSE 在增加加速因子时表现出优越的性能。Otazo 等[14]的研究也得出了类似的结论，证明应用CS-SENSE 技术的扫描速度比单独使用CS 技术时可提高2 倍。

二、uCS 技术的优势

本实验所采用的uCS 技术扫描时间均比常规扫描时间缩短，每位志愿者采集的时长从常规的735 s 下降至542 s，时间缩短约26.3%。其中3D 序列时间缩短尤为明显，约达39%。uCS 技术融合了CS、并行成像及半傅立叶采集3 种主流加速成像技术，突破了单一技术的加速极限，极大地缩短了扫描时间。考虑到图像采集时间对于患者安全、临床效率、图像质量和成本的重要性，uCS 在提供成像加速而不显著影响图像质量方面显示出了可能的优势。至今为止，鲜有研究将uCS 和常规MRI 2 种方法用在同一受检者的颅脑扫描上，以比较uCS 与相应常规MRI 序列的图像质量。本研究定量评价2 种成像方法的SNR 后发现，uCS 轴位T1WI 及矢状位T1WI 序列的SNR 显著高于常规轴位T1WI及矢状位T1WI 序列。此外，在uCS 与常规方法比较FLAIR 及3D-T1WI 序列的SNR，两者间差异没有统计学意义。这说明就SNR 而言，uCS 不仅达到了常规图像的质量，甚至uCS 在T1WI 序列上的图像SNR 要超过常规方法。虽然考虑到uCS 使用了欠采样算法，但增加的或相似的SNR 被认为是CS中去噪算法的结果[16]。张晓东等[17]将CS 用于3.0T头颅MRI 血管造影检查，在缩短扫描时间的同时，提高了图像质量。李爽等[18]发现，CS 技术极大提高了心脏MRI 的扫描速度，同时保证不牺牲空间分辨率。Feng 等[19]发现，在实现CS 的过程中，通过对协议进行优化，在有CS 和没有CS 的协议中，SNR保持不变。Vranic 等[6]发现，采用3D T2-FLAIR 和T1-扰相梯度回波序列对肿瘤进行脑部MRI 检查的患者，加速CS-SENSE MRI 与相应的常规MRI 检查具有同等的图像质量。相对于相应的常规采集，组合成像加速技术似乎不会对整体图像质量产生不利影响。本研究的uCS 定量分析结果较前相似。Ding 等[20]分析了采用不同降噪因子的CS 方法在MRI 重建中的噪声特性，证明了CS 重构的去噪能力。背景噪声是影响图像SNR 的主要原因。由公式SNR＝（S-Sb）/SD 可以看出，背景噪声（Sb）越小，图像SNR 越大。

三、uCS 技术所面临的挑战

图像的诊断效能并非只由噪声水平决定，而是多种因素共同作用的结果。甚至有人提出，CS 图像的SNR 与传统SNR 的概念不完全相同，传统意义的SNR 测量不适合用于评估CS 的非线性重建图像[17]。因此，主观评价的结果对临床应用的指导意义更大。虽然Eichinger 等[21]发现，CS 的图像伪影较少，但Sartoretti 等[5]指出，CS 可能由于随机K 空间采样而导致常见伪影的外观略有不同。本研究结果表明，在整体图像质量、SNR 方面，uCS 与常规MRI 序列之间差异没有统计学意义，但在视觉上，常规序列图像灰白界面的清晰度及对比度优于uCS 序列，尤其是T2-FLAIR 序列及3D-T1WI 序列。导致这种情况原因可能是图像的对比度源自于K 空间中央区域，而清晰度和解剖细节源自于K 空间的边缘区域，CS 重建时在K 空间中央区域获得的回波比高于K 空间边缘，从而导致图像轻微模糊。但少许的图像模糊并没有降低图像的质量。值得注意的是，uCS 有其固有的技术局限性。K 空间欠采样是减少图像采集时间的关键，但如果采集的数据点太少，则会对图像质量产生不利影响，表现为SNR 降低和图像增强模糊。此外，uCS 技术在图像重建过程中也会遇到一些挑战。为了准确重建uCS 图像，需要解决一个具有多个数学约束的优化问题。这个过程证明计算复杂且耗时。这也是uCS技术临床应用的必要前提条件。

本研究尚存在一些不足。虽然对uCS 临床应用的初步探索已得到较好的结果，但本研究的对象是健康志愿者,今后将进一步深入研究其在疾病诊断方面是否有影响。例如，想得到很高的SNR 时，可将正则化参数设为较大的值，但重建结果可能对疾病诊断有一定影响。这样处理的结果虽然可以得到“干净”的图像，但小病灶的细节可能不能显示，图像对比变差[17]。因此，在不同的临床应用场景下，uCS 的参数如何设定必须由医师根据实际情况决定。初步验证uCS 技术的可行性之后，应进一步研究其诊断效能，理想的方法是进行大规模、多中心临床试验，在不同疾病情况下，比较uCS 与常规MRI 扫描对疾病诊断效能的差异，这也是本研究未来的探索方向。

总之，相较于常规MRI 扫描，uCS 技术可以显著加快颅脑MRI 图像的采集速度，同时能保证图像质量，在临床常规应用方面有很大的潜能。