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经验交流
儿科3.0 T专用磁共振对早产儿脑损伤图像质量评价研究
刘颖 霍然 刘剑芳 廖怡 刘云峰 赵强 宁刚 袁慧书

Cite this article as: Liu Y, Huo R, Liu JF, et al. Evaluation of image quality of brain injury in preterm infants by pediatric 3.0 T special magnetic resonance imaging[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(3): 61-65.本文引用格式:刘颖, 霍然, 刘剑芳, 等. 儿科3.0 T专用磁共振对早产儿脑损伤图像质量评价研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(3): 61-65. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.03.012.


[摘要] 目的 比较3.0 T儿科专用磁共振和3.0 T全身磁共振评估早产儿脑部图像质量,以评估3.0 T儿科专用磁共振在早产儿脑部成像的应用价值。材料与方法 本研究分别在3.0 T儿科专用磁共振和3.0 T全身磁共振进行颅脑成像扫描,采集序列包括常规序列和扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)序列,并对两组T2加权成像序列进行主观评分,对3D T1加权成像序列信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)、对比噪声比(contrast-to-noise ratio,CNR)和DWI的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)值进行测量。结果 主观评分显示,3.0 T儿科专用磁共振图像质量与3.0 T全身磁共振评分相当,达到临床诊断需求。儿科专用磁共振图像的双侧额叶、顶叶、颞叶、枕叶灰质和白质,中脑,小脑SNR与全身磁共振图像差异无统计学意义(P>0.05),CNR相当或优于全身磁共振;双侧额叶、顶叶、颞叶、枕叶ADC值与全身磁共振图像差异无统计学意义(P>0.05)。结论 3.0 T儿科专用磁共振早产儿颅脑图像的主观评分、SNR与3.0 T全身磁共振无差异,CNR相当或优于3.0 T全身磁共振,表明该新设备具有广阔的临床应用前景。
[Abstract] Objective To compare the brain image quality of preterm infants evaluated by 3.0 T pediatric special magnetic resonance and 3.0 T whole-body magnetic resonance, so as to evaluate the application value of 3.0 T pediatric special magnetic resonance in brain imaging of preterm infants.Materials and Methods Brain imaging scanning was performed on 3.0 T pediatric special magnetic resonance and 3.0 T whole-body magnetic resonance respectively. The acquisition sequence included conventional sequence and diffusion weighted imaging (DWI) sequence. The image quality of the two groups of T2 weighted imaging (T2WI) sequence was subjectively scored, and the signal-to-noise ratio (SNR), contrast-to-noise ratio (CNR) of 3D T1 weighted imaging (T1WI) and ADC value of DWI were measured.Results The subjective score showed that the image quality of 3.0 T pediatric MRI was equivalent to that of 3.0 T whole-body MRI, which met the needs of clinical diagnosis. The SNR of bilateral frontal, parietal, temporal and occipital gray matter, white matter, midbrain and cerebellum were not significantly different from that of whole-body MRI (P>0.05); There was no significant difference of ADC values in bilateral frontal, parietal, temporal and occipital lobes between 3.0 T pediatric MRI and 3.0 T whole-body MRI (P>0.05).Conclusions There is no difference in subjective score and SNR between 3.0 T pediatric special MRI and 3.0 T whole-body MRI, and CNR is equivalent to or better than 3.0 T whole-body MRI, indicating that the new equipment has broad clinical application prospects.
[关键词] 早产儿;脑损伤;磁共振成像;儿科专用;扩散加权成像
[Keywords] premature infant;brain injury;magnetic resonance imaging;special for pediatrics;diffusion weighted imaging

刘颖 1   霍然 1   刘剑芳 1   廖怡 2   刘云峰 3   赵强 1   宁刚 2   袁慧书 1*  

1 北京大学第三医院放射科,北京 100191

2 四川大学华西第二医院放射科,成都 610041

3 北京大学第三医院儿科,北京 100191

袁慧书,E-mail:huishuy@bjmu.edu.cn

作者利益冲突声明:全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家重点研发计划数字诊疗装备研发重点专项 2017YFC0109005
收稿日期:2021-08-13
接受日期:2022-03-11
中图分类号:R445.2  R722.6 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.03.012
本文引用格式:刘颖, 霍然, 刘剑芳, 等. 儿科3.0 T专用磁共振对早产儿脑损伤图像质量评价研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(3): 61-65. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.03.012

       由于早产儿过早脱离母体,神经系统发育不完全,多种因素可能会导致脑损伤,因此需要早期诊断、早期干预,才能最大限度降低脑损伤引起的后续问题[1, 2, 3, 4, 5]。MRI已成为早产儿颅脑常用的检查方法,目前国内多采用1.5 T或3.0 T全身磁共振对早产儿进行脑部扫描,早产儿脑损伤也有相关成像研究[6, 7, 8]。如果能采用设备重量轻、噪音小、具有儿科专用序列的儿科专用磁共振对婴幼儿进行检查,可能获得更好的检查效果。3.0 T儿科专用磁共振通过快速成像、静音、运动校正等技术方案来提升图像质量,提供更高信噪比(signal to noise ratio,SNR)和更高分辨率的图像,并降低镇静剂的使用率[9, 10, 11]。目前国内尚无3.0 T儿科专用磁共振和3.0 T全身磁共振在早产儿脑部成像比较的报道。本研究对3.0 T儿科专用磁共振和3.0 T全身磁共振对于早产儿脑损伤的成像效果进行对比评估。

1 资料与方法

1.1 研究对象

       本研究为前瞻性研究,纳入2021年5月至2021年6月于北京大学第三医院3.0 T全身磁共振和四川大学华西第二医院3.0 T儿科专用磁共振设备进行颅脑MRI检查的早产儿。纳入标准:(1)符合早产儿标准(孕周28~37周),且检查时年龄满足校正胎龄/月龄≤6月;(2)临床或超声提示无急性脑梗死或脑出血;(3)临床及B超诊断或怀疑早产儿脑损伤;(4)无MRI检查禁忌证。排除标准:(1)不能配合完成MRI检查者;(2)图像效果不能进行评估者;(3)颅脑MR图像提示急性脑出血或脑梗死者;(4)监护人不同意签署知情同意书者。本研究已通过北京大学第三医院(编号:IRB00006761-M2021222)和四川大学华西第二医院(编号:Q2021002)伦理委员会批准,所有受试者监护人均知情同意。

1.2 方法

1.2.1 磁共振扫描

       采用3.0 T儿科专用磁共振扫描仪(uMR Alpha,上海联影医疗科技有限公司,中国上海)联合15通道头线圈进行颅脑MRI检查,成像序列及参数如下:(1)三维T1加权快速扰相梯度回波(3D T1-weighted fast spoiled gradient echo,3D T1W-grefsp):TR/TE=6.8/2.9 ms,层厚1 mm,层间距0 mm,翻转角8°,FOV=240 mm×220 mm,共160层覆盖全脑,扫描时间3 min 2 s;(2) T2加权成像(T2 weighted imaging,T2WI):TR/TE=5000/118.6 ms,层厚4 mm,层间距0.4 mm,翻转角90°,FOV=180 mm×180 mm,共22层,扫描时间1 min 45 s;(3) 扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI):TR/TE=2444/90.3 ms,层厚5 mm,层间距0.5 mm,翻转角90°,FOV=240 mm×220 mm,共19层,b=800,扫描时间53 s。

       采用3.0 T全身磁共振扫描仪(uMR 770,上海联影医疗科技有限公司,中国上海)联合32通道头线圈进行颅脑MR成像检查,成像序列及参数如下:(1) 3D T1W-grefsp:TR/TE=7/3 ms,层厚1 mm,层间距0 mm,翻转角8°,FOV=240 mm×220 mm,共160层覆盖全脑,扫描时间3 min 4 s;(2) T2WI:TR/TE=6000/107.84 ms,层厚4 mm,层间距0.4 mm,翻转角130°,FOV=180 mm×180 mm,共25层,扫描时间1 min 30 s;(3) DWI:TR/TE=2780/86 ms,层厚4 mm,层间距0.8 mm,翻转角90°,FOV=180 mm×180 mm,共24层,b=1000,扫描时间55 s。

1.2.2 数据分析

1.2.2.1 主观评价法

       本研究对儿科专用磁共振和全身磁共振所采集的颅脑T2WI图像进行主观评价,由两名具有3年以上神经影像诊断经验的放射科医师独立判断完成,当两位放射科医师意见不一致时,则由第3位具有10年以上神经影像诊断经验的高年资放射科医师进一步判读。图像判读过程中严格遵守盲法原则,以上3人均对判读图像所属受试者的临床信息不知情。主观评价指标包括脑实质(包括脑灰质和白质)评分、脑脊液评分(标准见表1),评分3~5分认为是合格图像。

表1  主观评价指标

1.2.2.2 客观评价法

       本研究对儿科专用磁共振和全身磁共振所采集的颅脑3D T1W-grefsp和DWI图像质量进行了客观评价,评价均由1名10年以上神经影像诊断经验的高年资放射科医师独立测量完成,共计两次,为减小记忆偏倚,两次测量的时间间隔至少1月,取两次测量的平均值作为实际测量值。客观指标包括3D T1W-grefsp序列图像的SNR、对比噪声比(contrast noise ratio,CNR)和DWI序列获得的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)值。

       (1) SNR和CNR测量:在3D T1W-grefsp序列轴位图像上进行感兴趣区(region of interest,ROI)勾画,ROI为圆形,面积大小约为15 mm2 (图1)。分别测量额叶、顶叶、枕叶、颞叶灰质和白质,双侧小脑、中脑的信号强度(signal intensity,SI)及同层面头部以外视野内的空气中信号强度的标准差(standard deviation,SD背)。分别计算不同脑区灰质、白质的SNR (SI/SD背)、脑灰质与脑白质间CNR [(SI灰-SI白)/SD背]。

       (2) ADC值测量:选择DWI序列生成的ADC图,分别于双侧额叶、顶叶、颞叶和枕叶白质勾画ROI,测量相应ADC值(图2)。

图1  3.0 T儿科专用磁共振三维T1加权快速扰相梯度回波序列感兴趣区(region of interest,ROI)勾画。1A~1D:依次为顶叶、额叶、颞叶和枕叶灰质(ROI为黄色圆形,面积15 mm2)、白质(ROI为红色圆形,面积15 mm2);1E~1F:中脑和小脑(ROI为红色圆形,面积15 mm2)。
图2  3.0 T儿科专用磁共振表观扩散系数值测量ROI勾画。2A~2D:依次为顶叶、额叶、颞叶和枕叶ROI (红色圆形,面积15 mm2)。

1.2.3 统计学分析

       本研究所涉及的统计分析均采用IBM SPSS 26.0软件完成。采用Weighted Kappa系数评估图像主观评分的观察者内的一致性。采用独立样本t检验比较两组3D T1W-grefsp序列图像SNR、CNR,DWI序列图像ADC值。双侧P<0.05时,差异有统计学意义。

2 结果

2.1 人口学资料

       本研究入组受试者人口学资料见表2

表2  人口学资料比较表

2.2 入组纳排流程图

       本研究受试者入组流程图,见图3

图3  3.0 T儿科专用磁共振和3.0 T全身磁共振纳排流程图。

2.3 3.0 T儿科专用磁共振与3.0 T全身磁共振图像主观评分

       T2WI图像主观评分:儿科专用磁共振和全身磁共振常规序列图像脑实质、脑脊液主观评分均合格(评分3~5分),其中,儿科专用磁共振脑实质平均得分4.76分,脑脊液平均得分4.96分,全身磁共振脑实质平均得分4.84,脑脊液平均得分5分,两组间均差异无统计学意义(P>0.05)。两位观察者间具有较好的一致性:脑实质,儿科专用磁共振组Kappa=0.825,全身磁共振组Kappa=0.874;脑脊液,儿科专用磁共振组Kappa=1.000,全身磁共振组两次评分均为5分。

2.4 3.0 T儿科专用磁共振与3.0 T全身磁共振图像客观评分比较

       3D T1W-grefsp序列图像SNR分析结果显示:3.0 T儿科专用磁共振在所有测量脑区内均与3.0 T全身磁共振差异无统计学意义(P>0.05) (表3)。

       3D T1W-grefsp序列图像CNR分析结果显示:除左侧额叶,3.0 T儿科专用磁共振在余脑区与3.0 T全身磁共振差异有统计学意义(P<0.05) (表4)。

       ADC值分析结果显示:3.0 T儿科专用磁共振在所有脑区均与3.0 T全身磁共振差异无统计学意义(P>0.05) (表5)。

表3  儿科专用磁共振组和全身磁共振组3D T1W-grefsp序列图像SNR比较
表4  儿科专用磁共振组和全身磁共振组3D T1W-grefsp序列图像CNR比较
表5  儿科专用磁共振组和全身磁共振组的表观扩散系数值比较(单位:×10-6 mm2/s)

3 讨论

       目前全身磁共振多为成人使用,无儿科专用扫描序列。磁共振设备线圈按照成人标准设计,而早产儿脑部体积小,且多数需要镇静,因此全身磁共振并不适用于小儿扫描,儿科专用磁共振在技术层面更适合。本研究基于国内首次研发的3.0 T儿科专用磁共振设备获得早产儿脑部图像,采用主、客观评估方式与3.0 T全身磁共振采集的图像进行成像质量对比分析,以探讨3.0 T儿科专用磁共振在早产儿脑部成像的应用价值。本研究主观及客观评分结果显示,3.0 T儿科专用磁共振图像质量完全满足临床需求,未来可以推广到婴幼儿脑部检查,并有助于进一步向基层医院推广,解决日益增长的就诊需求和看病难、看病贵的问题,推动区域公共医疗建设的发展。

3.1 儿科专用磁共振的优点

       儿科专用磁共振较传统磁共振孔径小,在节约一定空间的基础上,更适用于小儿脑部。采用儿科专用的头部线圈对于扫描来说更为关键,不仅可能影响到小儿扫描舒适度,还可能影响成像效果,特别是对于早产儿来说,多数早产儿体质量更低,颅脑体积更小,儿科专用头部线圈可能更适合早产儿。目前,国外已经有研究报道应用于新生儿的磁共振设备及配套设施[12, 13, 14, 15, 16]。早在1997年,英国伦敦Hammersmith医院就有了儿科专用的1.0 T磁共振扫描仪(后该设备升级到3.0 T系统)[12],但由设备场强超低,部分图像的采集时间过长,从而导致运动伪影的风险增加,图像SNR相对较低。现阶段,全球儿科专用磁共振扫描仪多基于1.5 T骨科专用磁共振设备改良而成[10,14, 15]。截至目前,国内尚无儿科专用磁共振相关设备临床应用的研究报道。本研究所采用3.0 T儿科专用磁共振具有体积小、安全性高、配备儿科专用线圈和序列、噪音小等优点,从技术层面更适合小儿扫描[11]。同时,3.0 T儿科专用磁共振通过快速成像、静音、运动伪影校正等技术优势,有利于提高采集受试儿图像成功率。本研究中,3.0 T儿科专用磁共振初入组28例,1例受试者因扫描过程中运动过大无法完成检查而中止,成功率为96.4%;3.0 T全身磁共振组初入组27例,2例受试者因扫描过程中运动过大无法完成检查而中止,成功率为92.6%。因此提示该儿科专用磁共振具有较好的应用前景。

3.2 3.0 T儿科专用磁共振常规序列的主观评分

       主观评分中,儿科专用磁共振组对于脑实质和脑脊液的评分,均达到较好成像效果,平均评分接近5分,结果表明该儿科专用磁共振设备采集的颅脑MR图像已基本达到临床影像诊断的水平,与国外文献报道一致[14]。2012年美国辛辛那提儿童医院医疗中心基于1.5 T关节磁共振改良后的磁共振设备成功采集了15例新生儿的脑、腹或肺的常规临床序列,结果显示该设备噪声低于全身磁共振,新生儿均在无镇静的情况下顺利完成影像检查,且获得了高质量的临床诊断图像并对小脑出血和白质损伤起到了良好的提示作用等,表明该定制的新生儿磁共振系统在新生儿重症监护中可提供最先进的磁共振成像功能[14]

3.3 3.0 T儿科专用磁共振常规序列的客观评分

       本研究3D T1结构序列客观评估研究表明3.0 T儿科专用磁共振早产儿颅脑图像的SNR与3.0 T全身磁共振无差异,CNR优于3.0 T全身磁共振。该儿科专用磁共振扫描仪良好的SNR、CNR与既往文献报道相一致。Tkach等[14]采用1.5 T骨科专用磁共振改良设备采集到新生儿常规序列图像,具有较高的SNR和组织对比度。O′Regan等[16]在配备MR兼容培养箱的条件下,采用新生儿专用颅脑MR序列和参数完成新生儿脑部MR成像检查,并对获得的图像质量进行对比分析,分析指标包括图像质量分级评估、图像伪影(如运动)评估和SNR等,结果显示,SNR可从70增加到213,提示新生儿神经影像学中采用专门定制的MR序列和协议有助于提高图像质量。本研究采用的两台3.0 T设备3D T1W-grefsp序列均采用相同参数,因此结果具有可比性,客观评估指标分别为医学图像质量分析常用指标SNR和CNR,结果真实、可靠且具有良好的可重复性[17, 18, 19]

       本研究同时对基于DWI生成的ADC值进行了测量,该指标变化在一定程度上可反映脑白质的成熟度及微结构的完整性[20, 21]。本研究ADC值分析结果显示,儿科专用磁共振组和全身磁共振组在双侧大脑半球差异无统计学意义,但是在双侧中脑和小脑高于全身磁共振。考虑可能的原因为,生理解剖层面上讲,后颅窝位置较深,周围骨质成分较多,再者小脑及中脑体积均较小,层次结构也远不及大脑明显,影像学表现也滞后于解剖表现,MR显示难度增加,未来有待于进一步提高儿科专用磁共振对后颅窝中脑组织的显示[22]。以上结果表明儿科专用磁共振在DWI结果分析方面已基本达到了临床诊断水平。

       此外,本研究采用的3.0 T儿科专用磁共振的DWI序列b值与3.0 T全身磁共振不同,笔者认为这不影响判断两者的图像质量。b值是检测弥散能力的敏感指标,一般来说b值越大,DWI对水分子扩散运动越敏感,图像质量会有所降低[23, 24]。朱志军等[25]对孕晚期胎儿DWI不同b值图像进行信号强度和SNR影响的分析研究,结果表明b=800 s/mm2和b=1000 s/mm2两组间差异无统计学意义。由此笔者认为,尽管儿科专用磁共振组DWI成像的b值低于全身磁共振组,却不影响对两者间图像质量的判断。

       因此,结合主观和客观结果显示,尽管3.0 T儿科磁共振采用了15通道头线圈,在b值为800 s/mm2的情况下,也达到了与3.0 T全身磁共振相同的成像效果。

       本研究尚有不足之处:(1)入组数量少;(2)因伦理考虑,本研究分别在两台设备对不同受试者进行扫描,缺乏同一受试者在不同设备扫描结果对比。未来我们将进一步扩大样本量,并同时满足同一受试者在上述两种设备采集颅脑图像,并将进一步丰富图像指标评估,如开展弥散张量成像、MRS、fMRI等功能成像,充分发挥儿科专用磁共振的设备便利和功能优势。

       总之,3.0 T儿科专用磁共振不仅具有重量轻、噪音小、具有儿科专用序列的特点,还在早产儿脑损伤结构和功能成像效果方面基本达到与3.0 T全身磁共振相似的效果,因此其对于婴幼儿磁共振检查具有良好的临床应用前景。

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