3D SPACE与屏气压缩感知技术在MRCP成像中的对比研究

李青，王传兵，徐露露，刘波，孙涛

南京医科大学第一附属医院 放射科，江苏 南京 210029

引言

磁共振胰胆管造影（Magnetic Resonance Cholangiopancreatography，MRCP）是临床诊断肝外胆管结石、胆道梗阻和胰腺疾病的常用检查方法，其诊断效能和准确性得到了一致的肯定[1]。当前MRCP扫描多使用膈肌导航T2加权可变反转角三维快速自旋回波（Sampling Perfection with Application-Optimized Contrast Using Different Flip-angle Evolutions，SPACE）序列，可在自由呼吸的情况下得到较好的图像，但对于呼吸频率不规则、呼吸浅的患者，需延长采集时间[2]。压缩感知技术（Compressed Sensing，CS）是近年来出现的新型快速成像技术，其利用变换空间描述信号，随机采样少量K空间数据，再运用非线性迭代算法重建出图像，缩短了采样时间，使得在低采样率下恢复高分辨信号成为可能[3]。Furlan等[4]将CS与MRCP呼吸导航SPACE序列相结合，在保证图像质量的同时使扫描时间缩短至2 min以内。该研究尽管减少了患者的检查时间，但其仍属于多个呼吸周期触发采集，仍然存在图像模糊或者运动伪影的可能。另外，Kromrey等[5]证实了屏气压缩感知MRCP技术的可行性，扫描时间为23 s。但单次屏气超过20 s，增加了患者的配合难度，图像质量仍然无法得到保证。本文对屏气压缩感知MRCP序列进行优化，将其欠采样率降低到3.6%，进一步缩短扫描时间，并与常规膈肌导航3D SPACE序列进行比较，分析其图像质量和临床应用价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析2019年5月至2020年11月间在我院行MRCP检查的患者40例，其中男13例、女27例，年龄21～82岁，平均（54.60±14.39）岁，其中包括正常患者8例，胆囊、胆管结石患者13例，胰腺导管内乳头状黏液瘤患者15例，胆囊术后患者2例，胆囊息肉患者2例，十二指肠乳头占位患者1例（其中1例患者同时患有胆囊息肉和胰导管内乳头状黏液瘤）。根据扫描序列不同，分为SPACE-MRCP组和CS-MRCP组。本研究经医院伦理委员会同意批准（2018-SR-043），由于本研究为回顾性分析豁免受试者知情同意。

纳入标准：① 临床怀疑胰胆管病变的患者；② MRI检查行SPACE-MRCP和CS-MRCP序列扫描患者；③ 患者空腹、检查时配合良好，无明显运动或金属植入物等伪影干扰。

排除标准：图像存在明显运动或金属伪影。

1.2 扫描方法

采用3.0T MR扫描仪（Siemens Skyra，西门子，德国）、18通道腹部线圈和8通道脊柱线圈进行扫描。扫描前要求患者禁食6 h并于检查前对其行呼气、屏气训练。扫描体位采用仰卧位，头先进，双手上举，线圈中心置于剑突下3 cm处，并设为定位中心。SPACE-MRCP扫描参数为：视野（Field Of View，FOV）为380 mm×380 mm，重复时间（Repetition Time，TR）为2200 ms，回波时间（Echo Time，TE）为700 ms，层厚为1.2 mm，基础分辨率为384，重建矩阵0.5 mm×0.5 mm×1.2 mm，并行加速因子为3，相位编码方向为头脚方向，扫描时间待统计。CSMRCP扫描参数为：TR：1700 ms，TE：486 ms，正则化参数为0.004。FOV、层厚、基础分辨率、并行加速因子、重建矩阵与SPACE-MRCP相应参数相同，扫描时间为17 s。

1.3 图像质量评估

由两名具有6年腹部阅片经验的影像诊断医生独立对自动重建冠状位最大密度投影（Maximum Intensity Projection，MIP）图进行双盲分析。当两者意见不一致时由另一位高年资的医生协助达成共识。

1.3.1 定性评估

对图像整体质量、背景抑制效果及胰管显示能力进行评估，分数越高表示图像质量越好。具体评分标准[5]：① 图像整体质量进行评分：1分为图像模糊，胆管结构难以辨认，无法诊断；2分为图像稍模糊，胆管结构显示不全，质量较差；3分为图像较清晰，胆管结构显示完全，图像质量尚可；4分为图像清晰，胆管结构显示完全，图像质量好。② 背景抑制效果评分：1分为抑制效果差，无法诊断；2分为存在大量的背景信号，影响诊断；3分为存在较多的背景信号，图像质量轻度下降；4分为存在少量背景信号，背景抑制好。③ 胰管显示能力评分：1分为胰管不显示，无法诊断；2分为显示部分胰管，影响诊断；3分为胰管显示良好，基本满足诊断；4分为胰管显示清晰，满足诊断。

1.3.2 定量评估

① 扫描时间：对SPACE-MRCP序列的扫描时间进行统计，并与CS-MRCP的扫描时间进行比较分析。② 图像信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）分析：同一患者选取同一层面进行SNR和CNR测量，选取胆总管显示最佳直径最宽处、同层右侧皮下肌肉最宽处和背景噪声区勾画圆形感兴趣区域（Region Of Interest，ROI）[6]，ROI大小为6 mm2，记录胆总管和肌肉平均信号强度、背景噪声标准差（Standard Deviation，SD），计算SNR和CNR。

1.4 统计学分析

采用SPSS 24.0软件进行统计学分析，两名阅片者对资料评价的一致性采用Kappa检验，Kappa 值≤0.2表示一致性差；0.2＜Kappa 值≤0.4表示一致性较差；0.4＜Kappa值≤0.6表示一致性一般；0.6＜Kappa 值≤0.8表示一致性好；Kappa 值＞0.8表示一致性优。定性分析采用Wilcoxon秩和检验。定量分析采用配对样本非参数Wilcoxont检验，计量资料用[M（P25，P75）]表示。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像质量定性评估

两位阅片者对图像质量的主观评价一致性好，SPACEMRCP和CS-MRCP的Kappa值分别为0.71、0.83。SPACE-MRCP与CS-MRCP的图像整体质量评分和图像背景抑制效果定性评分比较差异有统计学意义（P＜0.05）。SPACE-MRCP与CS-MRCP胰管显示能力定性评分比较差异无统计学意义（P＞0.05），见表1和图1。

图1 SPACE-MRCP与CS-MRCP图像对比

表1 SPACE-MRCP与CS-MRCP的图像质量定性评估（±s，分）

表1 SPACE-MRCP与CS-MRCP的图像质量定性评估（±s，分）

组别 图像整体质量 背景抑制效果 胰管显示能力SPACE-MRCP 3.70±0.46 3.43±0.50 3.63±0.49 CS-MRCP 3.90±0.30 3.75±0.44 3.50±0.51 Z值 -2.000 -2.263 -1.667 P值 0.046 0.024 0.960

2.2 图像质量定量评估

SPACE-MRCP扫描时间为（260.95±61.70）s，CSMRCP扫描时间为17 s，差异有统计学意义（t=-25.00，P＜0.05）。两位阅片者测量的SNR和CNR的一致性优（Kappa值分别为0.803、0.901），CS-MRCP的SNR和CNR均优于SPACE-MRCP，有统计学差异（P＜0.001），见表2。

表2 SPACE-MRCP与CS-MRCP的图像质量定量评估[M（P25，P75）]

3 讨论

MRCP检查由20世纪90年代Wallner首先应用[7]，是磁共振水成像技术的一种，无须注射对比剂，利用水的重T2效应，采用长TR和长TE，突出组织中液体信号的权重、弱化其他组织信号。将MRCP原始数据进行重建后处理，可全方位、任意角度对肝内外胆管结构进行观察，有利于梗阻性病变的判别和诊断[8]。由于其无创、无电离辐射、无需对比剂注射等优点，在临床胰胆管疾病的筛查和患者复检中得到广泛应用。

目前针对MRCP检查常规采用膈肌导航3D SPACE序列，进行各向同性扫描[9-10]，图像空间分辨率高。该序列通过监测膈肌运动来判别呼吸时相，于呼气末采集回波信号，采集时间一般长达3～6 min。而对于呼吸幅度较小或者频率不规则的患者，采集时间更长[2]，导致图像模糊、运动伪影增加和图像质量下降[11-12]。本研究中膈肌导航3D SPACE序列扫描时间最长为6 min 47 s，严重影响检查流程。压缩感知技术是近年来的研究热点，其应用需满足3个条件：① 图像具有稀疏性；② 混叠伪影在变换域中具有不相干性；③ 合适的非线性迭代重建算法[3,13]。CS在头颅磁共振血管成像、腹部动态成像、三维关节成像、冠状动脉MR造影[14-17]等中均得到广泛的应用。MRCP图像中含液体的胰胆管呈高信号，其余背景信号大多被抑制，图像特征符合稀疏性的要求，加速潜力较大。Furlan等[4]将CS与呼吸导航MRCP序列相结合，扫描时间为（150±63）s，与常规（317±104）s相比扫描时间明显减少。但是呼吸导航或膈肌导航技术采集时间仍由患者的呼吸节律决定，为了进一步减少扫描时间，Kromrey等[5]提出将压缩感知技术与单次屏气MRCP结合，其图像质量与常规MRCP相当，但屏气时间较长，不利于老年患者使用。

本研究中CS-MRCP使用可变密度泊松盘随机欠采样屏气快速扫描，将欠采样率降低到3.6%，采用具有冗余的Haar小波变换的快速迭代软阈值算法[18]实现敏感度编码重构，然后逐一对线圈数据一致性进行评估，以确保重建图像与获取的数据兼容，收敛速度较快、计算负担较低，将扫描时间降低到17 s，与膈肌导航3D SPACE序列相比扫描时间缩短近15倍。对于呼吸频率低、呼吸较浅、轻度幽闭恐惧无法耐受长扫描时间，但可以自主屏气的患者可优先选择屏气CS-MRCP序列进行扫描；同时CS-MRCP可在短时间内多次重复扫描，避免了常规膈肌导航SPACE-MRCP扫描中因患者意外运动而导致的长时间重复扫描。但CSMRCP图像重建需要进行多次迭代，数据运算量大，对重建计算机要求较高，且重建时间明显长于SPACE-MRCP，故建议优先扫描该序列，有利于技师及时查看图像质量。

此外，图像分析时发现SPACE-MRCP自动重建冠状位MIP图像中心出现横向波纹状伪影，此伪影可能与膈肌触发有关，与之前的研究一致[11]。呼吸较浅、频率不规则的患者，膈肌监测时间增加，采集时间延长，采集窗内伪影增多、背景信号增多，图像质量下降[19]。图像整体质量评分结果表明，CS-MRCP可提供比SPACE-MRCP更好的图像质量和背景抑制。另外，CS-MRCP液体信号高，背景抑制好，可获得更优的图像对比。这得益于MRCP图像本身所具有的稀疏性，使得包含液体的胆管高信号在T2WI中更加明显，而背景或噪声在经过稀疏变换和大量的迭代算法后被过滤。但本研究结果在胰管显示能力方面CS-MRCP与SPACE-MRCP相当，与以往的报道一致[5]，其原因可能为胰管直径较小[20]，且由于部分容积效应使得胰管被CS迭代算法中的去噪所过滤。SNR和CNR是图像质量评价中的重要指标，本研究中CS-MRCP的SNR和CNR明显高于SPACE-MRCP，图像中的液体信号相比背景噪声，具有更高的信号强度。这一结果同样可能源于CS的算法优势。CS的非相干性加之K空间中心密集采样而四周少量采样，符合K空间的能量分布规律，这一特性导致图像上的重要信号（MRCP图像中液体呈现出的高信号）和噪声不相干，从而使液体信号和噪声差异更加显著，易于分离。最后经过稀疏变换以及迭代运算后，进一步减少了噪声。

本研究的不足之处在于CS重建图像具有其特殊的纹理，主观评价时无法做到完全双盲。测量SNR时采用手动勾画圆形ROI，可能存在抽样误差。此外本研究仅评价了CS-MRCP的主观和客观图像质量，未对不同病变显示能力和诊断效能进行评价，未来仍需进一步研究。

4 结论

屏气CS-MRCP可明显缩短检查时间、提供比膈肌导航3D SPACE序列更好的图像质量，具有较高的临床应用价值。