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技术研究
不同压缩感知因子对脑SWI“燕尾征”分析的影响
杨婧 刘杨颖秋 刘娜 高冰冰 宋清伟 张浩南 苗延巍

Cite this article as: Yang J, Liu YYQ, Liu N, et al. The effect of different compressed sensing factors on analysis of "swallow tail sign" in cerebral SWI[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(5): 89-93.本文引用格式:杨婧, 刘杨颖秋, 刘娜, 等. 不同压缩感知因子对脑SWI"燕尾征"分析的影响[J]. 磁共振成像, 2022, 13(5): 89-93. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.05.016.


[摘要] 目的 比较不同脑压缩感知(compressed sensing,CS)磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)的加速因子(acceleration factor,AF)对中脑“燕尾征(swallow tail sign, STS)”显示及定量的影响,寻找最佳AF。材料与方法 前瞻性征募40名健康志愿者进行头部3.0 T MRI检查,包括CS-SWI序列(AF=0及CS2、CS4、CS6、CS8、CS10)。对SWI的相位图像进行观察和测量,计数不同AF中STS显示数量。测量相位值(phase value,PV)并计算信噪比(signal to noise ratio,SNR)及对比噪声比(contrast to noise ratio,CNR)。采用Cohen's Kappa分析评估黑质(substantia nigra,SN)和STS主观评价的组间一致性;通过计算组内相关系数(interclass correlation cofficient,ICC),验证PV值和主观评分的一致性。运用Fisher确切概率法分析不同AF下STS显示率的差异。使用单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)中最小显著性差异法(least-significant difference,LSD)对比不同AF条件下SN和STS图像质量的差异。P值经Benjamini-Hochberg的错误发现率(false discovery rate,FDR)法校正,P<0.05认为差异具有统计学意义。结果 2名观察者间的主观评分一致性极好(Kappa>0.80)。PV值测量和主观评分的组内一致性极好(ICC>0.80)。当AF≥6时,STS图像表现为清晰度明显下降,且STS的显示率降低,差异具有统计学意义(P<0.05)。双侧SNs的SNR和CNR在AF>2时差异具有统计学意义(P<0.05)。双侧STSs的SNR和CNR在AF>4时差异具有统计学意义(P<0.05)。结论 由脑SWI图像定量数据结果可知,对STS结构的观察可根据SNR、CNR以及主观评分和显示率变化,可考虑CS4,扫描时间减少4 min 9 s (70.7%)。
[Abstract] Objective To compare the effect of different acceleration factors (AF) of compressed sensing (CS) susceptibility weighted imaging (SWI) on "swallow tail sign (STS)" in midbrain, and to find the optimal AF.Materials and Methods Prospectively included forty health volunteers underwent MR examinations in a 3.0 T magnetic resonance imaging scanner. The MRI protocol included routine SWI sequence with CS of different AFs (AF=0 and CS2, CS4, CS6, CS8, CS10). Phase images of SWI were obversed and measured. The phase value (PV) was measured. The signal to noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio (CNR) were calculated. Recording the number of STS with different AFs. The interobserver reliability of subjective scoring on SN and STS were assessed by the Cohen's Kappa test. The interclass correlation cofficient (ICC) for PV and subjective scoring were employed. The difference in the number of STS was analyzed by Fisher's exact test. The least-significant difference (LSD) of one-way analysis of variance (ANOVA) was used to compare the difference in image quality and PV with different AFs. The P values were corrected by the false discovery rate (FDR) of Benjamini-Hochberg method. The corrected P<0.05 were considered significant.Results The consistency between two observers of subjective rating was excellent (Kappa>0.80). The ICC on PV and subjective rating were excellent (ICC>0.80). When AF≥6, the resolution on STS decreased significantly. The number of STS decreased with the AF increases, in other words, the STS diaplaying rate was gradually decreased, and there was significant difference (P<0.05). The SNR and CNR of bilateral SNs in AF>2 were significant difference (P<0.05). When AF>4, the SNR and CNR of bilateral STSs showd significant difference (P<0.05).Conclusions According to the quantitative data on brain SWI, combine the SNR, CNR, subjective rating and the displaying rate with different AFs, CS4 can be used to obsreve the STS, and the scanning time is reduced by 70.7% (4 min 9 s).
[关键词] 磁敏感加权成像;压缩感知;燕尾征;加速因子;图像质量
[Keywords] susceptibility weighted imaging;compressed sensing;swallow tail sign;acceleration factor;image quality

杨婧    刘杨颖秋    刘娜    高冰冰    宋清伟    张浩南    苗延巍 *  

大连医科大学附属第一医院放射科,大连 116011

苗延巍,E-mail:ywmiao716@163.com

作者利益冲突声明:全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家自然科学基金项目 81671646 大连市科技创新基金计划 2020JJ27SN075
收稿日期:2021-10-14
接受日期:2022-04-28
中图分类号:R445.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.05.016
本文引用格式:杨婧, 刘杨颖秋, 刘娜, 等. 不同压缩感知因子对脑SWI"燕尾征"分析的影响[J]. 磁共振成像, 2022, 13(5): 89-93. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.05.016

       帕金森病(Parkinson's disease,PD)是一种进行性神经退行性疾病,在病理生理学上,其特征是黑质致密部(substantia nigra pars compacta,SNpc)的色素多巴胺能神经元的丧失[1]。黑质(substantia nigra,SN)中钙化蛋白缺乏区的含多巴胺神经元簇被称为黑质小体1 (nigrosome 1,N1)[2]。N1位于SN的尾部和后外侧,主要受PD影响[3]。有研究发现,PD患者中N1的消失,是随着时间的推移而发生,且被认为与铁沉积的增加有关[4]。而磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)序列正是利用血液代谢物、铁、钙等不同组织和物质之间磁敏感的差异,增加组织间对比的新型MRI技术[5]。故SWI可以利用其技术原理很好地显示N1的信号,N1在SWI上表现为高信号,形似燕尾,称之为“燕尾征(swallow tail sign,STS)”[6]。“STS”的缺失也被认为是PD患者成像标志之一[7]。但是,目前临床工作中SWI序列的扫描时间通常超过5 min,为缩短扫描时间,越来越多的单位开始探讨压缩感知(compressed sensing,CS)技术在临床应用的可能性。

       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,以缩短信号采集的扫描时间[8]。但是,一味地缩短扫描时间可能会造成图像质量下降,对细微结构显示能力下降,如PD的STS。因此,本研究拟主观和客观分析CS-SWI的不同加速因子(acceleration factor,AF)对STS的影响,寻找其最佳AF。

1 材料和方法

1.1 一般资料

       于2020年7月至2021年3月前瞻性招募40名健康志愿者,男11名,女29名,年龄13~84 (38.6±17.3)岁。纳入标准:(1)经MRI检查证实身体无异常;(2) SWI图像质量满足临床诊断要求;(3)右利手。排除标准:(1) PD及其他神经系统变性疾病的症状、体征及家族史;(2)合并重大脑部疾病,包括颅脑外伤、颅内肿瘤、颅内感染等。本研究获得大连医科大学附属第一医院伦理委员会批准(编号:PJ-KSKY-2021-121)。检查前所有受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

       采用荷兰Phillip Ingenia CX 3.0 T 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,包括无AF的常规SWI序列(AF=0)和不同AF的CS-SWI序列(AF=CS2、CS4、CS6、CS8、CS10),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,体素0.60 mm×0.90 mm×2.5 mm;AF从0至10对应的扫描时间分别为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

       首先将SWI及CS-SWI的医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine,DICOM)格式图像拷贝进个人电脑。利用磁共振信号处理(signal processing in nuclear,SPIN)软件对SWI的相位图进行观察和测量。首先由2位具有1年以上工作经验的放射科医师对SN和STS的图像质量进行主观评估,并进行3级评分(0级:SN和STS结构显示佳,界限清晰;1级:SN和STS结构显示较好,界限较清晰;2级:SN和STS结构显示不佳,界限模糊),意见不一致时经讨论达成共识。计数不同AF中STS的显示数量。沿核团边缘手动勾画双侧SN和STS作为感兴趣区(region of interest,ROI),如图1所示。ROIs均测量三次,记录并计算相位值(phase value,PV)和标准差(standard deviation,SD)的平均值,同时测量顶叶白质的PV值作为对照值。其中1位医师间隔2个月再次对上述结构进行主观评分和客观测量。计算SN和STS的信噪比(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。

图1  女,25岁,ROI的勾画示意图。1A、1B:SN整体ROI勾画;1C、1D:紫色部分表示STS。注:SN:黑质;STS:燕尾征。
Fig. 1  Female, 25 years, the manual diagram of ROI. 1A, 1B: The ROI is whole SN. 1C, 1D: the purple is STS. Note: SN: substantia nigra; STS: swallow tail sign.

1.4 统计学分析

       采用SPSS 26.0统计分析软件处理数据。采用Cohen's Kappa检验评价观察者间主观评价的一致性(一致性极好:Kappa>0.80);通过计算组内相关系数(interclass correlation cofficient,ICC),验证观察者内主观评分和客观测量的一致性(一致性极好:ICC>0.80)。运用Fisher确切概率法分析不同AF下STS显示率的差异;使用单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)中最小显著性差异法(least-significant difference,LSD)对比不同AF的图像质量差异。P值经 Benjamini-Hochberg的错误发现率(false discovery rate,FDR)方法校正,P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一致性评价

       2名医师根据评分等级规定评价SN和STS图像质量,其结果一致性极好(Kappa>0.80),同一医师间隔2个月对SN和STS图像质量评分结果一致性极好(ICC>0.80)。同一医师间隔2个月对SN和STS图像质量定量测量结果一致性极好(ICC>0.80)。

2.2 主观评价

       当AF≥6时,STS图像表现清晰度明显下降,且表现出STS的数量也会随着AF增加而减少,即STS的显示率逐渐降低,差异具有统计学意义(P<0.05)。见表1图2

图2  女,25岁,不同AF条件下STS的显示图。图2A未使用加速技术(箭所示由上到下依次为:SN、STS、RN);图2B~2F对应的AF分别为CS2、CS4、CS6、CS8、CS10。当AF≥6时,STS图像质量清晰度逐渐降低。注:AF:加速因子;SN:黑质;STS:燕尾征;RN:红核;CS:压缩感知。
Fig. 2  Femal, 25 years, the STS with different AFs. 2A hasn't used the CS (as shown by the arrow from top to bottom is: SN, STS, RN); the corresponding AF in 2B-2F are CS2/CS4/CS6/CS8/CS10. When AF≥6, the resolution of STS gradually decreases. Note: AF: acceleration factor; SN: substantia nigra; STS: swallow tail sign; RN: red nucleus; CS: compressed sensing.
表1  不同AF条件下STS的数量、显示率及P
Tab. 1  The number of STS, displaying rate and P value with different AFs

2.3 客观评价

2.3.1 不同AF条件下SN的SNR、CNR变化

       由图3可见,双侧SNs的SNR和CNR在AF>2时差异具有统计学意义(P<0.05)。

图3  不同AF条件下两侧SN的SNR和CNR的差异。当AF>2时,两侧SN的SNR和CNR差异有统计学意义。注:AF:加速因子;SN:黑质;CS:压缩感知;SNR:信噪比;CNR:对比噪声比。
图4  不同AF条件下两侧STS的SNR和CNR的差异。当AF>4时,两侧STS的SNR和CNR差异有统计学意义。注:AF:加速因子;STS:燕尾征;CS:压缩感知;SNR:信噪比;CNR:对比噪声比。
Fig. 3  The difference of CNR and SNR on the bilateral SNs with different AFs. When AF>2, the SNR and CNR of bilateral SNs showd significant differences. Note: AF: acceleration factor; CS: compressed sensing; SN: substantia nigra; SNR: signal to noise ratio; CNR: contrast to noise ratio.
Fig. 4  The difference of CNR and SNR on the bilateral STSs with different AFs. When AF>4, the SNR and CNR of bilateral SNs showd significant differences. Note: AF: acceleration factor; STS: swallow tail sign; CS: compressed sensing; SNR: signal to noise ratio; CNR: contrast to noise ratio.

2.3.2 不同AF条件下STS的SNR、CNR变化

       由图4可见,双侧STSs的SNR和CNR在AF>4时差异即具有统计学意义(P<0.05)。

3 讨论

       本研究旨在将CS技术应用到健康志愿者的SWI中探索不同AF对PD患者常见诊断特征——STS的观察和诊断是否有影响。结果发现当AF=CS4时,图像质量不受加速技术的影响,扫描时间减少70.7% (4 min 9 s)。由于PD患者的年龄分布较大及疾病症状的特殊性,SWI较长的扫描时间会使PD患者依从性降低,进而影响图像质量,目前未发现将CS技术应用到STS的研究,故缩短SWI扫描时间并尽可能减少图像伪影对PD的诊断治疗具有一定的临床意义。

3.1 CS技术在SWI中应用的可行性

       本研究将6个AF (0和CS2、CS4、CS6、CS8、CS10)应用到SWI中,得到6个不同AF的CS-SWI图像。CS技术是直接感知压缩之后的信号,通过有选择性地采集少量重要数据并采用有效的重构算法实现原始信号的重构,实现缩短信号采集所需时间,减少计算量,并在一定程度上保持了原始信号的重建质量要求[9]。Delattre等[10]在多个常规MRI序列的研究表明,CS技术可减少30%以上的扫描时间,图像质量仅受较轻影响,对诊断结果无明显影响;而且在临床常规的特定序列中,至少30%和高达60%的加速是可行的。Mönch等[11]的研究表明,CS技术可大大加速脑部MR扫描时间,在扫描中增加了空间分辨率,甚至提高了图像质量。Park等[12]认为CS技术可以缩短扫描时间,增加空间分辨率,同时还可以增加扫描覆盖率。我们的研究与之前的研究结果一致,认为运用CS技术可以很大程度地缩短扫描时间,对图像质量没有影响。因此将该技术应用到与PD疾病相关的组织学特征STS上是可行的,可达到既减少扫描时间,又不影响STS的成像以及临床医师的诊断鉴别的目的。

3.2 CS技术在STS上的应用

3.2.1 STS的命名过程

       SNpc的神经元在PD早期就会受到影响,在表现出运动症状之前有60%~80%的神经元丢失[1]。1999年,Damier等[2]通过尸检病理在SN中发现了一个PD生物标志物,即黑质小体。它是健康SN中的一种多巴胺能细胞,利用钙蛋白D28k的免疫染色,识别了SNpc和黑质小体内钙蛋白阴性的5个含多巴胺亚群,其中最大的黑质小体被标记为N1,并位于SN的中部和尾部,它包含了最常受PD影响的最大比例的神经元[3]。2013年,Blazejewska等[13]对健康受试者和PD患者使用7.0 T和3.0 T MRI进行研究,发现健康受试者SN后侧存在椭圆高信号,符合N1免疫组化特征,而PD患者的椭圆高信号丢失。2014年,Schwarz等[6]用3.0 T MRI在中脑轴位图像也发现健康人中脑SN的背外侧部存在N1,在SWI像表现为条索状、逗点状或楔形的高信号区,周围由低信号环绕,其与前外侧SNpc和内侧丘系共同组成形成“燕尾”样,命名为“STS”。

3.2.2 STS的主观评价

       本研究通过CS-SWI观察STS的显示,期望得到能缩短扫描时间又不影响STS观察的最佳AF。STS在健康人群中普遍存在。Gramsch等[14]采用7.0 T MRI对46例健康志愿者(19~75岁)的SWI进行研究,发现N1的整体特异度为94% (43/46可归为正常:N1在双侧或单侧明显可见),而且发现N1的可见性与年龄无关。STS的缺失被认为黑质多巴胺能神经元功能异常,常见于退行性疾病。Kim等[15]研究发现30例PD病例中N1有100%缺失,而在26例健康人群中N1均存在。Gao等[16]的研究发现利用STS有无来鉴别PD和非PD的敏感度为100%,特异度为96.08%。Cheng等[7]利用改进的SWI鉴别特发型PD和非典型PD,其敏感度和特异度分别为91%和79%。Schwarz等[6]利用HR-T2*/SWI 3D多镜头快速场回波-回波平面成像序列,其扫描参数添加了SENSE 2,扫描时间为2 min 36 s,发现PD诊断准确率为96%,敏感度为100%,特异度为95%。由此发现STS对于PD疾病的诊断具有高敏感性和特异性,STS的缺失被认为是PD在SWI的特征表现[17],所以对STS特征的观察有助于PD疾病的诊断和鉴别[18]。本研究对STS主观评分发现,当AF≥6时,STS图像表现清晰度明显下降,且STS的显示率逐渐降低,差异具有统计学意义。通过主观评价发现,显示STS的最佳AF是CS4,扫描时间减少4 min 9 s (70.7%)。由此可见,针对年龄大的PD患者,通过优化的CS-SWI可以提高检查效率,缓解PD患者因扫描时间过长产生的不适感,减少图像运动伪影。

3.2.3 STS的客观评价

       STS是N1在SWI上的直接呈现,与脑内铁沉积密切相关。研究发现,铁沉积与SN有显著关系[13,19]。PD患者的SNpc中铁沉积增加[20, 21, 22],也有证据表明铁沉积甚至与PD疾病的严重程度相关[21]。PD中神经黑色素含量减少和铁储存能力的降低会增加游离顺磁性铁含量的水平,从而改变磁敏感性和信号特性[23]。SWI相位图正可以借助其反映不同组织间磁敏感性细微差异的原理,将其量化为PV值,通过校正测得的PV值大小与脑铁沉积呈负相关,说明PV值越低,铁水平越高[20]。本研究通过测量健康人群SN和STS的PV值,将其铁沉积间接量化为PV值发现,SN的SNR和CNR在AF>2时,差异具有统计学意义,而STS的SNR和CNR在AF>4时差异具有统计学意义,所以富铁沉积的N1也就是STS的PV值量化会受到黑质疏松部的影响;而且Kau等[24]的尸检研究发现SNpc内的微血管为SWI测量的混杂因素:在9例对照组受试者中有8例,一个或多个微血管位于STS中间或至少出现在单侧STS部分,静脉水平也可能影响铁定量的PV值,导致最佳AF出现变化。并且通过对STS的主观评分和显示率也发现,在可视化方面,其AF可达到4。综合所有结果发现,STS的最佳AF是CS4,扫描时间减少4 min 9 s (70.7%)。

       基于此,可借助对PV值的观察和分析,定量STS中的铁沉积变化,为鉴别健康人群和PD患者及PD疾病早期阶段的发现提供更可靠依据。Martin等[25]采用R2*技术定量测量SNpc的铁含量发现,PD早期在SNpc背外侧有明显铁沉积,且该部位铁含量与PD运动症状的严重程度呈正相关,Huang等[26]也得出了同样的结果,为PD疾病的治疗提供更有价值的信息。

3.3 本研究的局限性

       本研究还有一些局限性。首先,该研究仅为单中心研究,样本量偏少,对结果可能会造成一定偏差,后续拟进行多中心、大样本研究;其次,研究中两位医师对SN和STS图像质量的主观评价意见不一致时,对主观评价的评分及后续结果是否有影响可做进一步研究;最后,本研究只是将CS技术应用到健康人群,来观察SN和STS的变化,未来应将该技术应用到PD患者,进一步证实结论是否严谨。

       综上所述,由脑SWI图像定量数据结果可知,对STS结构的观察可根据SNR、CNR以及主观评分和显示率变化,可考虑CS4,扫描时间减少70.7% (4 min 9 s)。

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