不同加速因子压缩感知技术对大脑磁敏感加权成像质量及核团相位值的影响

杨 婧，苗延巍，高冰冰，刘杨颖秋，刘 娜，张 楠，邴 雨

(大连医科大学附属第一医院放射科，辽宁 大连 116011)

磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging， SWI)基于组织磁敏感性差异进行成像，对磁场均匀性的细微变化高度敏感，可用于定量分析脑铁含量，已广泛用于诊断中枢神经系统出血性病变、异常静脉病变及肿瘤等[1-2]，但所需时间相对较长，易受运动伪影干扰导致图像分辨率及质量下降。压缩感知(compressed sensing， CS)技术采用远低于传统采样定律要求的采样点进行重建并加以恢复，可缩短信号采集时间[3]。本研究观察不同加速因子(acceleration factor， AF)对脑CS-SWI图像质量及脑灰质核团相位值(phase value， PV)测量结果的影响。

1 资料与方法

1.1 研究对象 于2020年7月—2021年3月招募40名健康志愿者，男11名，女29名，年龄13～84岁，平均(38.6±17.3)岁。排除标准：①严重酒精依赖及精神活性物质滥用；②SWI质量不佳，存在不可去除的伪影。本研究获大连医科大学附属第一医院伦理委员会批准(编号：PJ-KSKY-2018-56)。检查前受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Philips Ingenia CX 3.0T MR扫描仪，32通道头部线圈，结合CS技术行头部3D梯度回波序列轴位SWI，包括AF为0的常规SWI及AF分别为2、4、6、8及10的CS-SWI；其余扫描参数：TR 28 ms，TE 5.6 ms，层厚2.5 mm，层间距-1.25 mm，FOV 230 mm×187 mm×149 mm，体素0.60 mm×0.90 mm；AF 0、2、4、6、8及10对应扫描时间分别为5 min 52 s、3 min 25 s、1 min 43 s、1 min 9 s、52 s及42 s。

1.3 图像分析 导入DICOM格式图像，采用MR信号处理(signal processing in nuclear MR， SPIN)软件观察SWI相位图，并测量数据。由2名具有1年以上工作经验的放射科医师对相位图质量进行主观评分，观察壳核(putamen， PUT)和苍白球(globus pallidus， GP)间分界线及各核团解剖结构是否清晰：以分界线及核团结构清晰为0级，各核团解剖结构显示较好、界限较清晰为1级，各核团解剖结构显示不佳、界限模糊为2级；意见不一致时经讨论达成共识。由其中1名医师沿核团边缘手动勾画双侧尾状核头(head of caudate nucleus， HCN)、PUT、GP、丘脑枕(pulvinar， PUL)、红核(red nucleus， RN)、黑质(substantia nigra， SN)及齿状核(dentate nucleus， DN)ROI(图1)，并测量顶叶白质(parietal white matter， PWM)PV作为对照，勾画3次，测量并计算PV平均值和标准差(SD)，计算各组信噪比(signal-to-noise ratio， SNR)和对比噪声比(contrast-to-noise ratio， CNR)，SNR核团-白质=PV核团/SD白质，CNR核团-白质=(PV核团-SD白质)/SD白质；并于2个月后重复上述操作。

图1 受试者男，34岁 A～D.于AF为0的不同层面SWI中分别勾画HCN(红色)、PUT(浅绿色)、GP(黄色)、PUL(深绿色)、RN(橙色)、SN(蓝色)及DN(紫色)ROI

1.4 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件。以Cohen'sKappa检验评价观察者间对图像主观评价结果的一致性；以组内相关系数(intra-class correlation coefficient， ICC)评价观察者内测量各PV结果的一致性：Kappa/ICC≤0.4为一致性差，0.40.8为一致性极好。采用Fisher精确概率法分析AF=0时与AF取其他值时图像主观评分的差异。以±s表示符合正态分布的计量资料，采用单因素方差分析比较第2次勾画测量结果，采用LSD法比较AF=0时与其他条件下各参数的差异。对P值行FDR校正，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 主观评价图像 观察者间对PUT和GP之间分界线的评价结果的一致性均较好(Kappa：0.63～0.80，P均<0.05)。随AF增加，PUT与GP间分界线逐渐模糊，以AF=10为著，见表1及图2。

图2 受试者男，34岁 A～F.AF分别为0、2、4、6、8及10条件下的SWI，随AF增加，GP与PUT的分界线逐渐模糊

表1 不同AF条件下2名医师对双侧PUT与GP间分界线的主观评价结果比较(n=40，名)

观察者内测量各PV结果的一致性均极好(ICC：0.82～0.98，P均<0.05)。AF≥4时，双侧SN及双侧DN的SNR及CNR较AF=0出现差异(P均<0.05)；AF≥6时，双侧HCN、双侧GP、双侧PUL及双侧RN各参数出现差异(P均<0.05)；AF≥8时，双侧PUT出现差异(P均<0.05)。见表2、3。

表2 不同AF条件下各核团SNR差异(n=40)

表3 不同AF条件下各核团CNR差异(n=40)

2.2 各核团PV 与AF=0时相比，AF=10时，右侧GP、右侧PUL及双侧RN的PV均增高(P均<0.05)；双侧SN和双侧DN的PV于不同AF条件下均存在明显差异(P均<0.05)。不同AF条件下，双侧HCN、双侧PUT、左侧GP及左侧PUL的PV均无显著差异(P均>0.05)。见表4。

表4 不同AF条件下各核团PV差异(n=40)

3 讨论

SWI为3D梯度回波成像，采集时间多大于5 min。在其余条件固定的情况下，MRI的SNR、空间分辨率及扫描时间相互制约。CS技术能够明显缩短扫描时间，但扫描速度达到一定程度时，可能影响图像质量。DELATTRE等[4]的研究结果表明，CS技术可缩短扫描时间30%以上，图像质量仅较轻微受损，对诊断结果无明显影响。MÖNCH等[3]报道，CS技术可减少脑部MR扫描时间，甚至能提高图像质量。目前CS技术仅初步用于腹部、心脏、中枢神经、骨关节及乳腺[5-9]。

选择AF是CS的关键，高AF会明显缩短扫描时间，但可能影响图像质量及量化分析。本研究共设计6个AF，结果显示AF=10时图像清晰度明显降低、核团界限不清楚；通过计算图像SNR和CNR进一步发现，AF=2时，扫描时间减少2 min 27 s，而图像质量未受到明显影响，能够满足临床需要。缩短扫描时间可减轻患者检查时的焦虑感，有助于脑血管病及帕金森病等配合欠佳的患者顺利完成检查。

SWI的PV可反映不同组织间磁敏感性的差异，与脑铁沉积呈负相关[10]，有助于理解铁沉积所致相关代谢性脑疾病的病理机制。本研究发现，AF=8时，对幕上核团(HCN、PUT、GP及PUL等)的铁定量均无明显影响，但幕下核团中SN和DN的PV在AF=2时即出现明显差异；分析原因，可能在于相对于幕上核团，幕下核团PV受颅后窝伪影影响较为明显，还可能与灰质核团钙、铁等矿物质沉积部位及年龄等异质性相关。

综上所述，利用CS技术可有效缩短脑SWI扫描时间，AF=2时对图像质量无明显影响，但对部分核团、尤其幕下核团的PV存在一定影响。本研究的主要局限性在于样本量小，勾画ROI方式可能导致测量结果出现偏倚，有待进一步完善。