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经验交流
基于压缩感知3D-FLAIR序列与常规2D-FLAIR序列在脑白质病变成像中的对比研究
张月青 丁金立 龚涛 陈绪珠 郑凤莲 张彦博 范亦龙 林良杰

Cite this article as: Zhang YQ, Ding JL, Gong T, et al. Comparative study of 3D-FLAIR sequence based on compressed sensing and the conventional 2D-FLAIR sequence in white matter lesion imaging[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(4): 100-102, 119.本文引用格式:张月青, 丁金立, 龚涛, 等. 基于压缩感知3D-FLAIR序列与常规2D-FLAIR序列在脑白质病变成像中的对比研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(4): 100-102, 119. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.04.018.


[摘要] 目的 对比分析基于压缩感知(compressed sensing,CS)技术的3D液体衰减反转恢复(fluid-attenuated inversion-recovery,FLAIR)序列与常规2D-FLAIR序列对脑白质病变的成像质量。材料与方法 前瞻性纳入首都医科大学附属北京天坛医院40例同时行头部CS 3D-FLAIR序列和2D-FLAIR序列扫描的脑白质病患者。客观分析图像的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和对比噪声比(contrast noise ratio,CNR),并由2名经验丰富的诊断医师对图像整体质量和脑白质病灶个数进行评估。利用Wilcoxon秩和检验进行统计分析。结果 CS技术可以将3D-FLAIR序列的采集时间缩短到与2D-FLAIR序列相当。CS 3D-FLAIR序列和2D-FLAIR序列图像的SNR和CNR差异无统计学意义(Z=-1.18,P=0.24;Z=-1.92,P=0.14)。CS 3D-FLAIR序列的图像整体质量评分和显示脑白质病灶个数显著优于2D-FLAIR序列(Z=-3.99,P<0.001;Z=-3.75,P=0.006)。CS 3D-FLAIR序列对第四脑室层面的搏动伪影具有抑制作用。结论 扫描时长相当的情况下,CS 3D-FLAIR序列图像整体质量好,可抑制搏动伪影,比2D-FLAIR序列更利于脑白质病变的检出,建议临床推广应用。
[Abstract] Objective To compare the imaging quality of 3D-FLAIR sequence based on compressed sensing (CS) with the conventional 2D-FLAIR sequence in detection of brain white matter lesions.Materials and Methods Forty patients with white matter lesions who underwent both CS 3D-FLAIR and 2D-FLAIR were analyzed. The signal-to-noise ratio (SNR) and contrast noise ratio (CNR) of the images were calculated. The overall image quality and number of the white matter lesions were evaluated by two experienced radiologists. Statistical analysis was performed by Wilcoxon assay.Results The acquisition time of 3D-FLAIR sequence by using CS technique could be shorted to be equal to that of 2D-FLAIR sequence. No significant differences were observed for the SNR and CNR between the CS 3D-FLAIR and 2D-FLAIR sequences (Z=-1.18, P=0.24; Z=-1.92, P=0.14). The overall image quality for CS 3D-FLAIR sequence were better than the 2D-FLAIR sequence (Z=-3.99, P<0.001), and more white matter lesions were detected from the CS 3D-FLAIR sequence than those from the 2D-FLAIR sequence (Z=-3.75, P=0.006). The pulsatile artifactsin the fourth-ventricle layer on the 2D-FLAIR images were suppressed on the CS 3D-FLAIR images.Conclusions In the case of the same acquisition time, the advantages of the CS 3D-FLAIR, including better overall image quality and suppressed pulsation artifacts, make it more attractive in the detection of white matter lesions than the 2D-FLAIR, which is recommended for clinical application.
[关键词] 磁共振成像;液体衰减反转恢复序列;压缩感知;脑白质病变
[Keywords] magnetic resonance imaging;fluid-attenuated inversion recovery;compressed sensing;white matter lesions

张月青 1   丁金立 1*   龚涛 2   陈绪珠 1   郑凤莲 1   张彦博 1   范亦龙 1   林良杰 3  

1 首都医科大学附属北京天坛医院放射科,北京 100070

2 江西省宜春市人民医院放射科,宜春 336099

3 飞利浦(中国)投资有限公司,北京 100102

丁金立,E-mail:dingjinli@bjtth.org

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


收稿日期:2021-11-30
接受日期:2022-04-01
中图分类号:R445.2  R741 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.04.018
本文引用格式:张月青, 丁金立, 龚涛, 等. 基于压缩感知3D-FLAIR序列与常规2D-FLAIR序列在脑白质病变成像中的对比研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(4): 100-102, 119. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.04.018

       液体衰减反转恢复(fluid-attenuated inversion-recovery,FLAIR)序列是基于T2加权的水抑制序列,能够增加颅内病变与脑脊液之间的图像对比,有利于脑白质病变的检出[1]。根据采集方式可将FLAIR序列分为2D-FLAIR和3D-FLAIR,2D-FLAIR以二维方式采集层面内信息,普遍应用于常规颅脑检查;3D-FLAIR以三维体素方式进行采集,可提供改进的解剖信息(包括减少脑脊液流动伪影等)[2, 3],但是采用各向同性1 mm3体素时扫描时间比2D-FLAIR长,易导致运动伪影和扫描失败。

       压缩感知(compressed sensing,CS)技术可实现3D-FLAIR序列的有效加速[4, 5],设置合适的加速倍数可使得3D-FLAIR序列的扫描时长接近2D-FLAIR序列。然而,基于CS技术的3D-FLAIR序列对脑白质病变的成像效果,及其与2D-FLAIR序列的对比研究尚未有相关报道。本研究拟通过脑白质病变患者的临床和影像资料,对比分析CS 3D-FLAIR序列与2D-FLAIR序列在图像质量和脑白质病变显示方面的差异,以期优化头部FLAIR序列并提高脑白质病变的诊断率。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       前瞻性纳入2019年12月至2021年3月在首都医科大学附属北京天坛医院行磁共振扫描的脑白质病变患者。纳入标准:(1)患者年龄大于18岁并签署知情同意书;(2)确诊为脑白质病患者,脑白质信号表现为斑点样、斑块样或斑片样;(3)有完整的颅内2D-FLAIR和CS 3D-FALIR图像。排除标准:图像出现严重伪影。最终纳入40例,男21例,女19例,年龄范围为22~91 (50.6±23.8)岁。本研究经首都医科大学附属北京天坛医院伦理委员会批准(批准文号:KY 2019-067-02),全体受试者均签署了知情同意书。

1.2 影像检查方法

       本研究所用设备为Philips Ingenia CX 3.0 T磁共振扫描仪,32通道头部线圈(ds Head 32-ch 3.0 T),所有受试者均同时采集轴位2D-FLAIR序列、矢状位CS 3D-FLAIR序列,以及常规的轴位T2序列、轴位T1序列、矢状位T1序列和DWI序列。两个FLAIR序列的参数设置如表1所示。其中,2D-FLAIR序列为临床常规应用序列,扫描时长2 min 15 s;CS 3D-FLAIR序列通过CS技术加速后扫描时长与2D-FLAIR序列相近,扫描结束后通过多平面重建后处理得到轴位2D图像。

表1  两个FLAIR序列的主要扫描参数

1.3 图像分析

       分别对图像进行客观和主观评价。

       客观评价:由一名经验丰富的诊断医师在后处理工作站(星云工作站IntelliSpace Portal V7)上对图像进行定量测量。通过勾画感兴趣区(region of interest,ROI)方式分别在2D-FLAIR轴位图像和CS 3D-FLAIR重建出的轴位图像上测量脑白质的信噪比(signal to noise ratio,SNR),以及脑白质相对于脑脊液的对比噪声比(contrast to noise ratio,CNR),计算方式如下:

       其中μWM和μCSF分别表示脑白质和脑脊液的平均信号强度,σWM和σCSF分别表示脑白质和脑脊液的信号标准差。本研究中脑白质信号取自信号相对均匀的胼胝体压部(优选胼胝体压部显示面积较大的层面),脑脊液信号取自侧脑室内信号均匀的脑脊液部分(优选侧脑室三角区),同一患者选取同一层面进行ROI的勾画,每个部位采用同样方式测量3次,取平均值。

       主观评估:由两名经验丰富的诊断医师共同对CS 3D-FLAIR图像和2D-FLAIR图像上显示的脑白质病变个数进行统计,鼓励医师可对CS 3D-FLAIR图像进行多平面重建,结果由两名医师(主任医师,从事神经影像诊断超过20年;主治医师,从事神经影像诊断超过10年)商议得到。图像整体质量评分在Kakeda S的评分标准基础上进行改良[6],采用4级评分法(3分:灰白质对比优,组织边缘清晰,无伪影,诊断价值高;2分:灰白质对比良,组织边缘较清晰,无伪影或伪影较小,诊断价值适中;1分:灰白质对比一般,组织边缘略模糊,伪影明显,具有一定诊断价值;0分:图像显示差,难以诊断)。

1.4 统计分析

       使用SPSS 22.0软件进行统计学分析。计数资料用频数表示,计量资料用中位数(上四分位数,下四分位数)表示。图像客观评价指标和主观评价指标均采用Wilcoxon秩和检验(经Kolmogorov-Smirnov检验和Levene检验,所有数据不符合正态分布,方差不齐)。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

       两个FLAIR序列图像上脑白质的SNR、CNR、病灶个数、图像质量评分如表2中所示。其中CS 3D-FLAIR图像上脑白质的SNR和CNR的平均值均高于2D-FLAIR,但是差异不具有统计学意义(P>0.05),见表1

       从表1中可以看出,CS 3D-FLAIR图像上检测出的脑白质病变个数显著多于2D-FLAIR图像,差异具有统计学意义(P<0.05)。CS 3D-FLAIR图像的质量评分高于2D-FLAIR图像,差异具有统计学意义(P<0.05)。此外,在CS 3D-FLAIR图像上可检测到的部分体积较小的脑白质病灶,在2D-FLAIR图像上未能明确显示,如图1所示。2D-FLAIR序列易受到血管或脑脊液导致的搏动伪影的影响,常见于第四脑室层面,但是搏动伪影在CS 3D-FLAIR图像上被有效抑制,如图2所示。

图1  男,42岁,脑白质病变,Fazekas Ⅰ级。两个液体衰减反转恢复(fluid-attenuated inversion-recovery,FLAIR)序列图像侧脑室层面对比图。1A:轴位2D-FLAIR图像;1B:矢状位CS 3D-FLAIR图像;1C:CS 3D-FLAIR经多平面重建后对应1B图横线水平的轴位图。图1B和图1C中黑箭所示的脑白质病灶在2D-FLAIR图像上未明确显示。
图2  男,33岁,MRI诊断未见异常。两个液体衰减反转恢复(fluid-attenuated inversion-recovery,FLAIR)序列图像在第四脑室的显示对比图。2A:轴位2D-FLAIR图像;2B:矢状位CS 3D-FLAIR图像;2C:经多平面重建后对应2B图横线水平的轴位图。图2A中黑箭所示的搏动伪影在图2C的CS 3D-FLAIR图像上被抑制。
表2  CS 3D-FLAIR与2D-FLAIR序列的客观评价指标和主观评价指标对比

3 讨论

       早期研究表明,3D-FLAIR在多发硬化病灶检测方面比2D-FLAIR更具优势[7, 8],但是较早的3D-FLAIR主要利用multi-slab模式进行采集,缺点显著,主要体现在百叶窗效应和采集时间太长[1,6]。随着single-slab序列的发展这些缺点得到一定程度上的弥补,研究证实single-slab 3D-FLAIR对病灶的检测具有更高的敏感性[9, 10]。然而,基于CS技术的CS 3D-FLAIR序列与常规2D-FLAIR序列在脑白质病变成像中的对比研究鲜有报道。

       本研究中的CS 3D-FLAIR序列比常规2D-FLAIR多检测出了13.25%的脑白质病灶,其主要原因是CS 3D-FLAIR序列采集体素较小(1 mm3各向同性),相比于2D-FLAIR序列的5 mm层厚,更利于小病灶的检出。此外,本研究还发现,CS 3D-FLAIR图像上检出的若干个相邻的小病灶有时会在2D-FLAIR图像上被误认为单个混合病灶,这与Patzig等[11]的研究结果一致。另外值得注意的是,2D-FLAIR易受到流入血液或脑脊液的干扰,形成搏动伪影,尤其是在第四脑室;而CS 3D-FLAIR序列利用single-slab采集方式,其三维脉冲序列使用的是非空间选择性的射频脉冲,有效抑制了来自非反转脑脊液流入第四脑室的搏动伪影,更利于第四脑室病灶的有效检出[11, 12, 13]

       以往研究表明,3D-FLAIR序列相比于2D-FLAIR序列,无论在图像的SNR、灰白质对比、空间分辨率、多角度观察病灶等各方面均占显著优势[8,10],这些结论在本研究中得以证实。阻碍3D-FLAIR序列应用于临床常规扫描的一个重要因素是扫描时间,尽管以往研究利用并行采集技术可以实现3D-FLAIR序列的大幅加速[12, 13],但是体素大小为1 mm3的各向同性3D-FLAIR序列往往还需要3~5 min的扫描时间[14, 15],相比2D-FLAIR依旧长很多,这不仅增加了对患者耐受度的考验,更增加了图像出现运动伪影的几率。本研究中,利用CS技术的稀疏采样方式,可以将3D-FLAIR序列的扫描时间缩短到与2D-FLAIR相当;所采集获得的图像在SNR、CNR以及图像整体质量等方面不弱于甚至优于2D-FLAIR序列;此外,CS 3D-FLAIR序列在相同扫描时间内检查FOV更大,亦有利于检出病变。这些优势提高了3D-FLAIR序列应用于临床常规扫描的可能性。

       对于磁化传递率较高的病灶,偶然的磁化传递效应会使得2D-FLAIR序列(一般采用的是multi-slice采集方式)压制信号,而这种偶然的磁化传递效应在3D-FLAIR序列中不存在,原因在于3D-FLAIR一般采用single-slab的采集方式[16, 17]。这也是本研究中1 mm3体素的CS 3D-FLAIR序列图像的SNR比5 mm层厚的2D-FLAIR高的主要原因之一。近期Li等[2]研究了3D_spiral_FLAIR在神经系统扫描中的应用,证实其比常规的3D-FLAIR具有更高的SNR,脑脊液和血流相关伪影显著减少,同时患者所接收的SAR值也得以降低,但是该研究并未涉及spiral技术与CS技术的对比分析,这将是课题组进一步探索的方向。

       本研究存在一些不足之处:(1)仅选择了CS加速因子为6的CS 3D-FLAIR序列进行研究,未深入探索不同CS加速因子对3D-FLAIR扫描的影响;(2) 2D-FLAIR序列的层厚设置为5 mm;经查阅,部分医院也会设置成3 mm等,有待进一步对比研究;(3) FLAIR序列在许多神经系统疾病(例如颅内肿瘤、急性脑卒中、颅内出血等)的诊断中有着重要的临床意义[18, 19, 20, 21, 22, 23],但是本研究的患者人群仅设定为脑白质病变患者,未涉及更多病种的研究;(4)脑白质病变区结构改变与执行功能密切相关[24],与认知障碍也存在密切联系[25, 26, 27],本研究重点分析了脑白质病灶的显示个数,未系统性分析被检出病灶的大小以及病灶的主要分布区域等;(5) 3D-FLAIR对海马硬化、烟雾病(常春藤征)等患者的病灶对比度显示方面存在不足,本研究暂未探索[6];(6)本研究在3.0 T MR设备上开展FALIR序列的探索,随着7.0 T MR设备的出现,3D-FALIR在神经系统疾病的诊断方面将迎来更多的应用前景[28, 29],也是课题组今后的探索方向之一。

       综上所述,CS技术可以有效缩短3D-FLAIR的扫描时间;对比传统2D-FLAIR序列,CS 3D-FLAIR在相近的扫描时间内可以获得更高的图像空间分辨率、SNR和CNR,对于搏动伪影有更好抑制效果,从而更有利于脑白质病变的检出。

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