压缩感知技术在头颅磁共振血管成像中的应用研究

中国医学装备2020年2月第17卷第2期 China Medical Equipment 2020 February Vol.17 No.2

压缩感知技术在头颅磁共振血管成像中的应用研究李 青① 鲁珊珊① 孙 涛① 石 磊② 孙新臣③* 孙 毅④

[文章编号] 1672-8270(2020)02-0066-05 [中图分类号] R445.2 [文献标识码] A

[摘要] 目的：探讨压缩感知技术在头颅时间飞跃法磁共振血管造影(TOF-MRA)中的应用价值，并比较不同加速因子对成像的影响。方法：选取在医院同时行头颅并行采集(PI)TOF-MRA和压缩感知(CS)TOF-MRA扫描的21例受试者，根据CS采用的加速因子系数(AF)4.6和10.3，分别设CS5和CS10，每例患者获得PI、CS5和CS10的3组TOF-MRA图像。定性分析3组图像的诊断质量，分支小血管显示能力，定量分析3组图像的信噪比(SNR)、对比噪声比(CNR)和血管边缘锐利度。结果：PI、CS5和CS10扫描时间分别为4 min 48 s、5 min 4 s和2 min 31 s。图像质量定性评价中CS5优于PI，差异有统计学意义(t=3.062，P＜0.05)，CS10与PI相当(P=0.086)。图像SNR和CNR定量评估中CS5优于CS10，差异有统计学意义(t=2.744，t=2.428；P＜0.05)；PI与CS差异无统计学意义。CS图像血管边缘锐利度优于PI，且CS5优于CS10，差异有统计学意义(t=3.729，P＜0.05)；CS5对分支小血管显示能力最佳。结论：CS技术可缩短头颅TOF-MRA扫描时间，提供与常规PI-TOF相当或更高质量的图像，具有很高的临床应用价值。[关键词] 磁共振成像；脑血管造影术；压缩感知；时间飞跃法DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2020.02.018

The applied research on the CS technique in intracranial MRA/LI Qing, LU Shan-shan, SUN Tao, et al//China Medical Equipment,2020,17(2):66-70.

[Abstract] Objective: To explore the applied value of compressed sensing (CS) technique in intracranial time-of-flight MR angiography (TOF-MRA) and to compare the effects of different acceleration factor on imaging. Methods: Twenty-one receivers who underwent both parallel imaging MRA (PI-MRA) and CS TOF-MRA on brain were selected. According to the two acceleration factors (AF=4.6 and AF=10.3) that were adopted by CS TOF-MRA, the CS5 and CS 10 were set, and each patient obtained 3 groups of images (PI, CS5 and CS10). The diagnostic quality and the display capability of small branching vessels of 3 groups of images were qualitatively analyzed, and the signal-to-noise ratio (SNR), contrast-to-noise ratio (CNR) and the edge sharpness of intracranial arteries were quantitatively analyzed. Results: The scan times of PI, CS5 and CS10 were 4 minutes 48 seconds, 5 minutes 4 seconds and 2 minutes 31 seconds respectively. In qualitative evaluation of image quality, CS5 was significantly superior to PI (t=3.062, P<0.05), and CS10 was significantly equivalent to PI (P=0.086). In the quantitative assessment of SNR and CNR of images, CS5 was significantly superior to CS10 (t=2.744, t=2.428, P<0.05), while there was no statistical difference between PI and CS. The edge sharpness of intracranial arteries in CS group was significantly better than that of PI group, and that of CS5 was superior to that of CS10 (t=3.729, P<0.05). CS5 had best display capability on (LSD-t=2.744,2.428,the small branching vessels. Conclusion: Compared with routine PI TOF-MRA, CS technique can shorten scan time of cerebral TOF-MRA, and can provide image with equivalent or higher quality. It has well applied value in clinical practice.

[Key words] Magnetic resonance imaging (MRI); Cerebral angiography; Compressed sensing; Time-of-flight (TOF)[First-author’s address] Department of Radiology, The First Affiliated Hospital ofwith Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China.

脑血管疾病在世界范围内发病率和病死率较高，可由多种颅内血管病变引起，如动脉粥样硬化、夹层和血管炎[1]。时间飞跃法头颅磁共振血管造影(time-of-flight magnetic resonance angiography，TOF-MRA)是一种不需注射造影剂的无创性头颅血管成像技术，用于颅内血管评估和随访复查重复性好。目前最常用的TOF成像技术是并行采集(parallel imaging，PI)，其对K空间进行欠采样，通常只能进行2倍或3倍的加速，更高的加速度因子系数(acceleration factor，AF)会使噪声或混叠效应快速增加[2-4]。因此，PI成像速度较慢；此外为兼顾高

分辨率、良好信噪比和合理扫描时间，PI-TOF的空间覆盖范围往往受限[5]。对急性卒中及高龄患者，较长的检查时间增加了图像的运动伪影甚至导致检查失败，影响血管疾病的诊断。压缩感知(compressed sensing，CS)是近年来出现的新型快速MR成像技术，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空间数据重建获得逼近全采样的图像质量，从而缩短了数据采集时间。头颅TOF-MRA的图像特点是血管呈高信号，部分解剖背景信号被很好的抑制，图像特征具有高度稀疏性[6-8]。因此，CS加速方法适用于头颅TOF-MRA成像。目前

①南京医科大学第一附属医院放射科 江苏 南京 210029②南京医科大学第一附属医院麻醉科 江苏 南京 210029③南京医科大学第一附属医院放疗科 江苏 南京 210029④上海西门子医疗MR科研合作部 上海 200120*通信作者：sunxinchen@csco.org.cn

作者简介：李青，女，(1990- )，本科学历，技师，从事颅脑磁共振血管成像技术研究工作。

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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[9-10]等；Sodickson等[11]研究表明CS-TOF可明显缩短扫描时间。然而，目前国内对头颅CS TOF-MRA研究较少。为此，本研究通过对CS和PI法进行比较，评估CS TOF-MRA的成像特点及临床应用价值。1 资料与方法1.1 一般资料

选取2017年12月至2018年9月间在南京医科大学第一附属医院(江苏省人民医院)同时行头颅PI和CS TOF-MRA扫描检查且符合纳入标准的21例受试者，其中男性5例，女性16例；年龄24～81岁，平均年龄(54±13.5)岁。根据CS采用的AF4.6和10.3，分别设CS5和CS10，每例患者获得PI、CS5和CS10的3组TOF-MRA图像。所有受试者均签署知情同意书。本研究经医院伦理委员会批准。1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①临床怀疑颅内血管异常；②同时行PI-TOF和CS-TOF扫描；③无明显运动伪影。

(2)排除标准：磁共振检查禁忌症者。1.3 仪器设备

采用Skyra型3T MR扫描仪(德国SIEMENS公司)；20通道头颈联合相控阵线圈(德国SIEMENS公司)；研究序列和重建原型由德国SIEMENS公司提供。1.4 检查方法

(1)扫描方法。采用Siemens Skyra 3T MR扫描仪，20通道头颈联合相控阵线圈，根据CS采用4.6和10.3两种AF，分别设为CS5和CS10，重建数据采用改进的快速迭代收缩阈值算法(modified fast iterative shrinkage-thresholding algorithm，mFISTA)进行10次迭代重构[12]。每个CS-TOF序列扫描完后自动进行冠状面和矢状面的薄层最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)图像重建，然后手动进行全脑血管3D MIP重建。

(2)扫描参数。①PI-TOF：视野(field of view，FOV)为220×220，重复时间(repetition time，TR)为21 ms，回波时间(echo time，TE)为3.49 ms，翻转角为18°，矩阵为368×334，层厚为0.6 mm，厚片数(No.of slabs)4, 每厚片层数(Slices per slab)40，层间过采样20%，部分K空间技术6/8, AF为并行采集技术GRAPPA2倍加速(GRAPPA2), 重建矩阵0.4 mm×0.4 mm×0.6 mm；②CS5-TOF：FOV为220×220，

TR为21 ms，TE为3.49 ms，翻转角为18°，矩阵为368×334，层厚为0.4 mm，厚片数(No.of slabs)4, 每厚片层数(Slices per slab)为60，层间过采样20%,AF为4.6，重建矩阵0.4 mm×0.4 mm×0.4 mm；③CS10-TOF：FOV为220×220，TR为21 ms，TE为3.49 ms，翻转角为18°，矩阵为368×334，层厚为0.4 mm，厚片数(No.of slabs)4，每厚片层数(Slices per slab)为60，层间过采样20%，AF为10.3，重建矩阵为0.4 mm×0.4 mm×0.4 mm。

1.5 图像分析

由两名放射科医生在对成像技术及加速方法双盲的情况下独立对数据进行定性和定量分析，两者对图像定性分析结果不一致时由另一位高年资的医生协助达成共识。

(1)定性分析：图像的诊断质量按1～3的顺序分级，1分为显示动脉模糊和中度伪影，2分为良好而清晰的动脉显示且轻微的伪影，3分为显示动脉良好且无伪影。分支小血管显示能力，依据大脑中动脉M3段及其远端分支小血管显示的信号强弱及血管显示的清晰度和数量进行优选排序。

(2)定量分析：图像信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)的分析。选取右侧颈内动脉C4段显示最佳的层面勾画圆形感兴趣区域(region of interest，ROI)，同层右侧皮下肌肉最宽处勾画ROI，在肌肉的右侧背景区域勾画圆形ROI，ROI像素面积均值6 mm2，记录颈内动脉和肌肉平均信号强度、背景噪声标准差(standard deviation，SD)，分别计算SNR和CNR，

计算SNR为公式1：

SNR=Ｓ血管÷ＳＤ背景 (1)计算CNR为公式2：

CNR=(S血管-S肌肉)÷SD背景 (2)将两名医生的定量分析结果的平均值用于后续统计学分析。1.6 评价指标

动脉血管边缘锐利度评估：使用Matlab(2013b；MathWorks，Natick，Massachusetts)软件，通过基于MIP图像的感知图像锐利度指数(perceptual sharpness index，PSI)计算颅内动脉血管边缘锐利度，该方法是在对局部边缘梯度进行统计分析的基础上对图像的锐利度进行估计[13]。基于感知特性，建立

所提取的统计特征与度量分数之间的关系，形成感知

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锐利度指数。1.7 统计学方法

数据采用SPSS24.0软件进行统计学分析，计量

资料使用均值±标准差(-x

±s)描述。两名阅片者对定性和定量资料评价的一致性采用Kappa系数和组内相关系数(intraclass correlation coefficien，ICC)评价，kappa值和ICC＞0.6为一致性良好。采用Kolmogorov-Smirnov检验数据是否服从正态分布。图像质量定性分析结果采用Kruskal-Wallis秩和检验，定量资料分析采用单因素方差分析，组间两两比较采用最小显著差异法(least significant difference，LSD)，以P＜0.05为差异有统计学意义。2 结果

2.1 受试者扫描情况

在21例受试者中血管正常10例，颅内血管狭窄2例，烟雾病2例，动脉瘤8例，其中1例同时患有动脉瘤和烟雾病。PI扫描时间为4 min 48 s，CS5扫描时间为5 min 4 s，CS10扫描时间为2 min 31 s。CS5和CS10的数据重建时间分别为2 min 35 s和1 min 13 s。2.2 图像质量定性评价

(1)图像质量评估：图像质量分析时发现PI原始图像中心部分存在散在斑点样噪声，CS图像斑点样噪声减少，CS10原始图像出现较明显的弯曲条纹状伪影，但MIP图像不受影响，见图1。

注： 图中A为PI-TOF(并行采集时间飞跃法)；B为CS10-TOF(CS5-TOF(加速因子为加速因子为4.610.3的压缩感知时间飞跃法的压缩感知时间飞跃法)

)；C为图1 轴位2D和冠状位MIP图像

图中箭头所示PI颈内动脉颅底段信号减低，CS图像相同部位局部血管信号不减低。两侧大脑中动脉M3段及其远支，CS5显示能力优于PI，CS10与PI相当。箭头所示右侧大脑中动脉M1段CS锐利度优于PI，CS5优于CS10；CS10原始图像伪影在CS5原始图像上不明显。有11例受试者PI-TOF的MIP图像示：大脑

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中动脉M2段近端、颈内动脉颅底段出现局部信号减低，而相同部位CS图像局部血管信号减低不明显或不减低。

(2)图像质量定性评分：两位阅片者对图像诊断质量的主观评价一致性好，PI、CS5和CS10图像评估的Kappa值分别为0.742、0.875和0.794；统计分析结果表明3种不同成像方法的TOF图像质量不同或不全相同总体评分比较，差异有统计学意义(H=9.951，P＜0.05)，PI与CS5图像质量比较差异有统计学意义(t=3.062，P＜0.05)，PI与CS10和CS5与CS10之间图像质量差异均无统计学意义(t=2.187，t=0.875；P＞0.05)，3种图像的主观评分见表1。

表1 21例患者图像质量定性评分[例(%)]

成像方法

图像质量等级(分)123t值P值PI0(0)6(28.6)15(71.4)2.1870.086▲CS100(0)3(14.3)18(85.7)0.8750.624△CS5

0(0)

1(4.8)

20(95.2)

3.062

0.007*

注：①表中PI为并行采集时间飞跃法，CS10为AF=10.3的

压缩感知时间飞跃法，CS5为AF=4.6的压缩感知时间飞跃法；②▲为PI与CS10比较，△为CS5与CS10比较，*为PI与CS5比较

分支小血管显示能力优选排序结果显示：CS5＞CS10=PI的图像比例是57.1%(12/21)，CS5＞CS10＞PI的图像比例是38.1%(8/21)，CS5＞PI＞CS10的图像比例是4.8%(1/21)。对2例烟雾病患者的MIP图像分析显示：CS5对颅底烟雾样血管的显示清晰、血管数量多，优于CS10与PI对烟雾样血管的显示能力。将3组MIP图像同时放大2倍时显示：PI的血管边缘毛糙，锐利度较差，而CS的血管边缘平滑较锐利。PSI定量分析结果显示：PI、CS10和CS5的血管边缘PSI分别为0.26±0.04、0.35±0.06和0.40±0.04，总体PSI差异有统计学意义(F=51.232，P＜0.05)，两两比较CS血管边缘PSI高于PI法，PI与CS5比较、PI与CS10比较和CS5与CS10比较差异有统计学意义

(t=10.014，t=6.284，t=3.729；P＜0.05)，且CS5血管边缘PSI优于CS10。2.3 图像质量定量评估

两位阅片者测量的SNR和CNR的一致性优(0.899～0.978)，3种成像方法图像的SNR和CNR总体测量结果差异均有统计学意义(F=3.963，F=3.311；P＜0.05)。组间两两比较结果显示CS5的SNR和CNR显著高于CS10，其差异均有统计学意义(t=2.744，t=2.428，P＜0.05)。CS5的SNR和CNR似高于PI，但

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表2 三种成像方法图像SNR和CNR定量分析

成像方法PICS5CS10t值P值SNR263.14±58.42301.55±73.34246.64±61.833.9630.024t值1.919▲2.744△0.824*P值0.06,0.008,0.413CNR198.01±51.52230.29±57.50190.15±51.453.3110.043t值1.952▲2.428△0.475*P值0.0560.0180.636注：表中PI为并行采集时间飞跃法；CS10为AF=10.3的压缩感知时间飞跃法；CS5为AF=4.6的压缩感知时间飞跃法；②▲为PI与CS5比较，△为CS5与CS10比较，*为PI与CS10比较

差异无统计学意义，PI与CS10的SNR和CNR的差异无统计学意义，见表2。3 讨论

头颅血管磁共振成像作为一种无创的血管造影技术，在脑血管疾病的诊断中显示出独特的地位。目前临床常用的MRA技术主要有TOF-MRA、相位对比MRA(phase contrast MRA，PC-MRA)和对比增强MRA(contrast enhanced MRA，CE-MRA)。TOF-MRA是基于流体饱和效应中流入增强效应成像，无需注射造影剂，减轻患者肾脏负担，避免造影剂过敏的危险，鉴于这些优点，目前临床应用最为广泛。TOF-MRA一般采用的是K空间并行采集技术，为兼顾高分辨率、良好信噪比和合理扫描时间，PI-TOF的空间覆盖范围往往受限。MR新型快速成像技术压缩感知的出现，极大加快了成像速度。CS利用变换空间描述信号，随机采样少量K空间数据，再运用非线性迭代重建出图像，缩短了采样时间，使得低采样率下恢复高分辨信号成为了可能。MRI采集到的数据不是直接的图像像素而是全图像的信息，去掉一部分数据并不会导致一部分图像信息永久的丢失，因其仍旧被包含在其他数据里。实现CS成像须满足3个必备条件：图像的稀疏、不相干欠采样和迭代重建，TOF-MRA图像具有高度稀疏性，适合CS技术。

本研究发现，PI原始轴位图像中心部分存在散在斑点样噪声，而CS斑点样噪声减少，考虑是由于CS重建使用了迭代重建算法，从而降低了背景噪声。随着CS的AF增加，原始轴位图像出现了较明显的弯曲条纹状伪影，这些伪影可能来自于颅骨边界[12]。CS重建图像对MIP图像几乎无影响，因为MIP图像处理是在3D模式下将高信号像素连接起来，伪影是对不均匀背景信号的额外调制，与背景中正常信号变化相比，附加调制在空间上变化缓慢幅度较小，因此血管分割算法不会因该伪影而显著降低效能。在基于3D MIP图像分析中。本研究发现，PI图像在大脑中动脉M2段

近端、颈内动脉颅底段出现信号减低，可能与血液出现湍流和慢血流有关，图像信号的丢失降低了图像质量，影响疾病诊断的准确性[14]。CS图像相同部位局部血管信号减低不明显或不减低，可以很好的改善这一现象，提高图像诊断质量，增加了疾病诊断的信心。图像诊断质量定性评估结果表明，CS5与PI相比，在相当的扫描时间内，CS5可以提供更好的图像质量；CS10进一步显著缩短了扫描时间，仍然可以提供与PI质量相当的图像。此外，CS5图像对分支小血管的显示能力优于CS10，CS10与PI相当。Yamamoto等[12]报道，CS可以在等效时间内改善分支小血管的可视化，或在较短的扫描时间内获得等效的结果，本研究结果与之相符合。分支小血管的显示有助于烟雾病的评估，本研究中的2例烟雾病患者，其烟雾血管的显示CS5优于PI，CS10与PI相当。但是，本研究中烟雾病病例数较少，尚需进一步扩大样本量，对之进行更深入的研究。

图像的SNR和CNR是图像质量评价的一项重要指标，本研究结果显示，CS5优于CS10，随着AF的增加，CS图像的SNR和CNR有所下降，这可能与CS的欠采样有关。CS10缩短扫描时间的同时可以获得与PI相当的SNR和CNR，CS5与PI的差异无统计学意义，但考虑到P值接近0.05(P=0.056)，本研究如果扩大样本量分析，CS5可能呈现优于PI的结果。血管边缘锐利程度对血管狭窄的评估具有重要的意义，本研究结果表明：CS图像血管边缘锐利度优于PI，CS5优于CS10。PI血管边缘毛糙，可能会造成血管狭窄的假象，影响血管狭窄的判断，而CS图像血管边缘锐利，增加了血管狭窄诊断信心。图像的诊断效能是多种因素共同作用的结果，因此压缩感知技术的诊断效能要结合上述定性和定量方法进行综合评价[15]。此外，CS-TOF可以自动、快速重建薄层冠状位和矢状位MIP图像，有助于血管疾病的初步判断，从而决定受试者是否需要进行其他磁共振序列的检查，如高分辨

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血管壁序列成像等。Yamamoto等[12]报道，CS-TOF的图像重建时间大约10 min，本研究使用了一种图像处理单元(graphic processing unit，GPU)进行加速重建，CS5和CS10的数据重建时间分别为2 min 35 s和1 min 13 s，满足临床工作流程需要。

本研究的不足之处在于PI-TOF的重建体素矩阵(0.4 mm×0.4 mm×0.6 mm)和CS-TOF(0.4 mm×0.4 mm×0.4 mm)不完全相同。但如果将PI的体素矩阵改为和CS相同，则扫描时间将变成11 min。因此，增加层厚到0.6 mm，保持扫描范围和层面间分辨率(0.4 mm×0.4 mm)与CS-TOF一致，这样扫描时间可控制在5 min，符合临床常规应用的PI-TOF。本研究在测量SNR时，均采用手动勾画圆形ROI，存在主观性，可能会产生抽样偏差。4 结论

压缩感知成像技术在头颅TOF-MRA成像中具有明显的优势，CS10的扫描时间与PI相比缩短了近一半，血管边缘锐利度优于PI，图像质量及分支小血管的显示能力与PI相当，适用于不能耐受长时间检查的患者。CS5的扫描时间与PI相近，但是其图像质量、血管边缘锐利度和分支小血管显示能力均优于PI，可提高颅内血管狭窄性病变的诊断信心，具有较高的临床应用价值。

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收稿日期：2019-07-30