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经验交流
压缩感知技术及三维成像在优化儿童髋关节磁共振扫描方案中的联合应用初探
胡迪 吕艳秋 彭芸

Cite this article as: Hu D, Lü YQ, Peng Y. Evaluation of an advanced MRI hip scan protocol using compressed sensing and three-dimensional imaging in children[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(5): 120-123, 135.本文引用格式:胡迪, 吕艳秋, 彭芸. 压缩感知技术及三维成像在优化儿童髋关节磁共振扫描方案中的联合应用初探[J]. 磁共振成像, 2022, 13(5): 120-123, 135. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.05.022.


[摘要] 目的 对比分析联合应用3D成像及压缩感知(compressed sensing,CS)技术儿童磁共振髋关节优化扫描方案与传统儿童磁共振髋关节扫描方案图像质量、扫描时间和临床应用情况,评估优化方案的临床应用价值。材料与方法 随机收集经临床医生评估需要进行髋关节磁共振检查22名儿童临床资料。传统髋关节扫描方案包括:2D冠状位及轴位质子密度频率衰减反转恢复序列(proton density-spectral attenuated inversion recovery,PD-SPAIR)、2D冠状位T1加权序列、2D轴位T2加权序列。优化方案中应用轴位3D-PD-SPAIR加权CS序列(CS=6)优化前两个2D-SPAIR序列,其余序列保持不变。测量比较2D-PD-SPAIR和3D-PD-SPAIR序列股骨头信噪比(signal to noise ratios,SNR)、对比噪声比(contrast-noise-ratios,CNR)、主观图像质量评分及不同方案扫描时间。结果 2D-PD-SPAIR和3D-PD-SPAIR序列图像主观评分均达到20~22分(P>0.05),满足及符合临床诊断要求,两位医师一致性较高(kappa=0.636,P=0.002)。2D-PD-SPAIR股骨头SNR高于3D-PD-SPAIR (P=0.001)。两序列间CNR差异无统计学意义(P>0.05)。包含3D CS序列的优化髋关节扫描方案时间(中位时间513 s)显著低于传统2D扫描方案时间(中位时间603 s) (P<0.001)。结论 将3D成像和CS技术引入儿童磁共振髋关节扫描方案不仅可以多方位展现解剖结构、在一定程度上提高扫描效率和成功率、改善患儿检查体验,也为进一步优化髋关节磁共振扫描方案提供可能。
[Abstract] Objective To analyze the image quality, scan time and clinical application of 3D hip MRI accelerated with compressed sensing (CS), comparing with the traditional multi-directional 2D hip scan protocols.Materials and Methods Twenty-two patients were enrolled in the study based on clinical diagnosis. Traditional hip scan protocol include: 2D coronal and 2D axial proton density-spectral attenuated inversion recovery (PD-SPAIR) weighted imaging, 2D coronal T1 weighted imaging (T1WI), 2D axial T2 weighted imaging (T2WI). Advanced hip scan protocol include: 3D axial PD-SPAIR sequence with 6-fold CS acceleration, 2D coronal T1WI, 2D axial T2WI. Signal to noise ratios (SNR) and contrast-noise-ratios (CNR) were calculated and compared for the femoral head. The subjective evaluation and scan time were compared between two protocols.Results The subjective score of 2D PD-SPAIR and 3D PD-SPAIR images were range from 20-22 (P>0.05) with high consistency between two doctors (kappa=0.636, P=0.002). All images satisfied the clinical needs. The SNR of the femoral head in 2D PD-SPAIR was significantly higher than that in the 3D PD-SPAIR group (P=0.001). There was no significant difference of CNR between two sequences. The scan time of the advanced protocol which include CS (median 513 s) was significantly shorter than that of the traditional one (median 603 s) (P<0.001).Conclusions The introduction of 3D CS sequence can not only present multi-directional display with anatomy details, but may also improve the efficiency, success rate and examination experience of children's hip MRI scan, which could be conducive to optimized pediatric MRI scan process.
[关键词] 儿童;髋关节;磁共振成像;三维成像;压缩感知
[Keywords] children;hip;magnetic resonance imaging;three-dimensional imaging;compressed sensing

胡迪    吕艳秋    彭芸 *  

首都医科大学附属北京儿童医院影像中心,国家儿童医学中心,北京 100045

彭芸,E-mail:ppengyun@hotmail.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 12171330
收稿日期:2021-12-23
接受日期:2022-04-08
中图分类号:R445.2  R681.6 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.05.022
本文引用格式:胡迪, 吕艳秋, 彭芸. 压缩感知技术及三维成像在优化儿童髋关节磁共振扫描方案中的联合应用初探[J]. 磁共振成像, 2022, 13(5): 120-123, 135. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.05.022

       儿童髋关节疾病并不罕见,常见致病原因较为复杂,主要包括先天性、发育性、感染性、外伤性和肿瘤[1, 2]。但因其临床表现主要以疼痛、运动障碍或无明显症状为主,缺乏特异性,故临床诊断主要依靠影像学检查。相比计算机断层技术和超声,磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)因其较高的软组织对比度和软骨显示能力受到影像科医生和临床医生的推崇[3, 4]。但是相对成人而言,较长的扫描时间和制动一直是儿童磁共振检查的短板。如何在更短时间内得到更多信息,在确保原始信号图像重建质量的前提下,加快MRI图像重建速度,为患儿提供更为舒适的就诊体验,一直是儿童磁共振扫描序列研究的主要方向[5, 6]。近年一种称为压缩感知(compressed sensing,CS)的技术为这一需求提供了可能[7, 8]。其基于图像稀疏采集及重建,不仅可以得到高质量图像,而且节省了扫描时间,为临床诊疗工作带来革命性飞跃[9, 10]。因此,本研究联合应用3D成像及CS技术优化儿童髋关节磁共振扫描方案,并与传统儿童髋关节磁共振扫描方案对比,探讨其临床应用价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究随机收集22名经临床专科医师评估需要进行髋关节磁共振扫描患儿资料,其中男8名,女14名,年龄1.5~17.5 (中位年龄10.28)岁。其中9名为幼年类风湿关节炎、4名为髋关节滑膜炎、3名为系统性红斑狼疮、2名为先天髋关节脱位、1名为Sting相关婴儿起病的血管病,1名幼年皮肌炎、1名左侧臀大肌横纹肌肉瘤侵及伴髋关节累及1名左髋关节周脉管畸形。本回顾性研究经北京儿童医院伦理委员会批准,免除受试者知情同意,批准文号:2021-E-243-R。

1.2 扫描方法及技术参数

       所有患儿平卧,使用32通道体线圈,于3.0 T磁共振机器进行扫描(Ingenia CX,Philips Healthcare)。扫描流程按照我院髋关节扫描标准检查流程进行:首先按照传统髋关节扫描方案进行,主要包括2D冠状位及轴位质子密度频率衰减反转恢复序列(proton density-spectral attenuated inversion recovery,PD-SPAIR)、2D冠状位T1加权序列(T1 weighted imaging,T1WI)、2D轴位T2加权序列(T2 weighted imaging,T2WI),扫描参数请参见表1。每个患者完成上述扫描后,加扫轴位3D-PD-SPAIR加权序列,CS值设为6,扫描参数请参见表1。所有扫描范围从髂骨翼水平股骨大转子下方,扫描野的设定根据患儿真实身高。

表1  各序列扫描参数表

1.3 图像质量评估

1.3.1 客观图像质量评估

       两位具有10年工作经验的影像科医师,分别于飞利浦工作站(Philips Healthcare)进行44个髋关节2D-PD-SPAIR和3D-PD-SPAIR序列股骨头信噪比(signal to noise ratios,SNR)、对比噪声比(contrast-noise-ratios,CNR)的测量。每个感兴趣区(region of interest,ROI)测量2遍,记录平均值。圆形ROI分别置于两个序列中双侧股骨头及同侧臀大肌处,ROI需覆盖股骨头70%~80%的面积,同一侧的股骨头与臀大肌ROI面积及形状保持一致。按照以下公式计算SNR [公式(1)]及CNR [公式(2)][11],其中ROI股骨头、ROI臀大肌分别为股骨头和臀大肌测量区域的信号平均值,SD股骨头、SD臀大肌分别为股骨头和臀大肌测量区域的标准差平均值。

1.3.2 主观图像质量评估

       两位具有10年工作经验的影像科医师,根据表2中所列的评分标准[12],对44个髋关节2D-PD-SPAIR和3D-PD-SPAIR序列的主观图像质量评估。评估过程中如遇到特殊伪影或现象,由评价医师单独记录并做评价。

表2  髋关节主观评分标准

1.4 统计学分析

       所有数据均应用SPSS 19.0统计软件包进行分析。两位医师客观测量值组间一致性采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)。两位医师主观评分一致性采用加权kappa检验分析。SNR、CNR及序列扫描时间经正态分布检验和方差齐性检验后,考虑不符合正态分布数据,采用区间(中位数)的方式表示数值范围,采用Wilcoxon检验评估差异,P<0.05被认为差异具有统计学意义。

2 结果

       两位医师每个序列客观值重复测量ICC值均达到0.937~0.967 (P<0.05),数据测量稳定一致性较高。

       2D及3D序列的股骨头SNR值、CNR值如图1所示。2D-PD-SPAIR序列(区间5.20~15.10,中位数6.74)的股骨头SNR值较3D-PD-SPAIR序列(区间0.18~7.04,中位数3.85)显著增高(P=0.001)。2D-PD-SPAIR序列(区间3.46~10.13,中位数4.93)和3D-PD-SPAIR股骨头(区间1.19~6.08,中位数3.18) CNR值差异无统计学意义(P>0.05)。股骨头SNR值和CNR值随年龄增长均呈现下降趋势,且相对SNR,同一年龄段股骨头CNR数值分布更为分散。

       主观评分方面,2D-PD-SPAIR序列中位得分22分,3D-PD-SPAIR序列中位得分21分,两个序列所有图像总体评分均达到20~22分,满足及符合临床诊断要求,两位医师评分结果一致性较高(kappa=0.636,P=0.002)。解剖结构中位得分5分,诊断确定性/整体图像显示中位得分5分,压脂/伪影中位得分4分,股骨头伪影中位得分4分,股骨颈伪影中位得分4分(均>3分),两个序列差异无统计学意义(P>0.05)。

       如图2A2C所示,虽然3D-PD CS髋关节图像相对传统2D图像可以提供更多的解剖细节,但受限于体素大小,股骨头及髋臼面软骨显示较2D图像并不具优势。但联合应用最大强度投影(maximum intensity projection,MIP)进行3D图像重建,则可以得到较之2D图像更为清晰的多方位软骨图像(图2D2E)。

       如图3所示,先天性髋关节脱位(developmental dislocation of the hip,DDH)儿童股骨头骨化中心小而不规则,大部分被透明软骨和纤维软骨替代,股骨颈短而粗,前倾角增大。由于持续性脱位或发育不良,髋臼变浅、变窄、变长,倾斜度增加,髋臼软骨失去了正常的杯状,上唇肥大,关节囊拉长,圆韧带拉长、加宽、加厚,髋臼中心充满脂肪纤维组织。3D-PD CS髋关节图像相对传统2D图像可以提供更为便捷的多角度重建,更具临床使用价值。

       22例患儿传统髋关节磁共振扫描方案(2D冠状位T1WI,2D轴位T2WI,2D冠状位及轴位PD-SPAIR)扫描所需时间为584~716 s不等,中位时间603 s。22例患儿3D-CS髋关节磁共振优化扫描方案(2D冠状位T1WI,2D轴位T2WI,3D-CS轴位PD-SPAIR)扫描所需时间为431~600 s不等,中位时间513 s。所有年龄段儿童3D-CS优化序列扫描时间明显短于传统序列扫描(P<0.001),节约时间达15%。

图1  股骨头2D/3D-PD-SPAIR序列SNR值(1A)和CNR值(1B)散点图。SNR值在两个序列中均随年龄呈下降趋势。CNR值在两个序列中均随年龄呈下降趋势。相对SNR,同一年龄段股骨头CNR数值分布更为分散。2D/3D-PD-SPAIR:2D/3D 质子密度频率衰减反转恢复序列;SNR:信噪比;CNR:对比噪声比。
图2  伴随髋关节积液患儿2D/3D-PD-SPAIR序列髋关节原始图像和最大密度投影图像。2A:冠状位2D-PD-SPAIR图像,2B:矢状位3D-PD-SPAIR重建图像,2C:冠状位3D -PD-SPAIR重建图像;2D~2F:冠、矢、轴位3D-PD-SPAIR最大密度投影图像。2D及3D原始图像显示,股骨头关节面软骨观察均会受到关节积液影响,多方位厚层重建可以大大改善股骨头和髋关节表面关节软骨的显示。
图3  DDH患儿3D-PD-SPAIR重建图像。3A~3B:3D-PD-SPAIR冠状位重建图像,3C~3D:3D-PD-SPAIR矢状位重建图像,3E~3F:3D-PD-SPAIR轴位重建图像。重建图像可以多角清晰展示DDH儿童的股骨头软骨,短粗股骨颈,髋臼变浅、变窄、变长,倾斜度增加,上唇肥大,关节囊拉长,圆韧带拉长、加宽、加厚。

3 讨论

       本研究第一次将3D成像和CS技术同时引入儿童磁共振髋关节扫描方案,在为临床提供清晰多方位重建图像的同时,缩短约15%的扫描时间,为儿童关节磁共振扫描在时间和图像质量的双赢提供了可能。

       传统儿童髋关节磁共振扫描由多方位2D序列组成,层厚及扫描方位较为固定。如果病变所致体位无法完全摆正,或者病变过于巨大或局限,或者病变部位隐蔽,均可能导致在传统2D图像中无法完整展现病变的整体情况,从而影响临床医师对病变的全面评估。3D成像序列的引入,既可以通过薄层扫描减少小病变的丢失,提供解剖细节,又可以通过多方位重建,自由展现隐蔽部位的病变,是满足临床医师需求的髋关节磁共振的理想序列。

       SNR和CNR是评价新序列客观图像质量的常用指标[11]。本组研究中2D及3D序列中股骨头SNR值和CNR值均随年龄增长均呈现下降趋势,这点与生长发育过程中股骨头内红黄髓转化密切相关,与既往文献报道亦保持一致[13, 14],相同年龄段的股骨头SNR差异可能是由于测量区域不同红黄髓比例引起。相比SNR,同一年龄段股骨头CNR数值分布更为分散,此点可能与患儿的基础疾病是否累及测量区域的臀大肌有关。例如皮肌炎患儿所测量臀大肌信号如果处于水肿期,其信号会较正常臀大肌信号增高,其股骨头CNR值即与相同年龄段其他病患儿的测量值产生较大偏差。本组研究中股骨头2D-PD-SPAIR序列的SNR明显高于3D-PD-SPAIR序列,我们考虑其产生原因与2D序列体素是3D序列的1.06倍有关,即由扫描的客观设置所致。同时两个序列间CNR和主观评分无明显差异,故我们可以认为3D扫描的薄层在带来重建优势的同时,并没有引起图像诊断质量的丢失,达到展现解剖细节和图像质量的平衡。

       除了CNR和SNR,伪影是另一个评价新序列的重要指标。影响儿童髋关节磁共振图像质量的原因主要包括压脂序列的不均匀、膀胱尿液的波动、肠管内的气粪影以及腹部呼吸伪影[1, 2]。我们的研究显示,除压脂序列的不均匀外,其余伪影在2D及3D序列中无明显差异。压脂序列中,本组研究的臀部横纹肌患儿和脉管畸形患儿,病变周压脂信号于3D序列中呈现不均匀,余部位及其他例显示较2D序列无明显差异。此点与3D序列更薄的层厚密切相关,但并不影响诊断(主观评分差异无统计学意义)。相较于局部脂肪信号的不均匀,我们认为其在不影响诊断的基础上,带来了更高解剖分辨率,性价比高于传统2D序列。当然对含有脂肪成分的肿瘤诊断是否存在影响,还需要进一步扩大样本验证。

       除了以上提到的常见伪影,两位阅片医生均提到了髋关节积液对股骨头关节软骨观察的影响。这种现象在年龄较低的儿童中更为明显,而股骨颈受影响较小,2D及3D序列显示无明显差异。此点主要与儿童关节面软骨生长发育特点相关。随年龄的减低,关节面软骨含水量增高。故在PD-SPAIR序列中,低龄儿童髋关节面软骨与关节积液信号对比较年长儿童低,积液在关节面软骨和股骨头交界处产生的轻微伪影会在一定程度影响关节软骨的信号观察。

       如前文所述本组研究中股骨头2D-PD-SPAIR序列因体素较大,SNR明显高于3D-PD-SPAIR序列。基于此点,我们尝试使用MIP重建3D序列图像,从而达到提高股骨头及髋关节表面软骨的信号强度的目的。3D厚层重建可以大大改善薄层扫描所致股骨头和髋关节表面关节软骨的显示局限性,且同时因其多角度重建的优势,较之2D序列更具临床实用性。既往的成人髋关节磁共振研究较多集中在外伤引起的关节面细小病变显示[2,4]。本组研究虽未能纳入此类患者,但我们认为厚层3D重建加之多角度展示,可以为儿童无创观察运动关节面损伤、髋臼骨折软骨损伤情况提供可能[15, 16];同时对于DDH患儿群体,亦可以提供更为精准的软骨发育情况评估及客观测量[17, 18]

       除了图像显示的优化,3D序列的引入在患儿扫描体验方面优势更为突出。既往髋关节病变的部分患儿,例如DDH、髋臼发育不良相关疾病[19]、髋关节占位或髋关节炎等,因受限于体位,扫描摆位困难。3D序列的引入可以全范围覆盖脱位关节,扫描体位摆放更为自由,大大降低技师扫描及定位难度,一定程度提高了患儿的检查舒适度,进一步拓宽磁共振在儿童以及中的临床应用。

       单纯的3D髋关节磁共振序列虽较2D序列更具实用性,其扫描时间却是制约其广泛应用的根本,此点在儿童尤为突出[6]。故CS技术的同时引入对优化儿童髋关节磁共振序列尤为重要。目前在国内外压缩感知技术已广泛应用于成人神经、骨骼、腹部等多个系统,且均获得了较好的结果[7,20, 21],但在儿童方面的研究仍较为匮乏[5,22, 23],尤其是髋关节方面还是空白。本文的CS因子设置是以SENSE因子为2的传统2D髋关节序列为图像基准,根据我院前期试验经验进行初步设定,缺乏一定的系统性。同时本文因收集病例有限、患者年龄分布较大、引入序列有限,结果展示亦具有一定局限性。虽然CS因子设定不是本文的重点,但本研究已在保证满足诊断图像质量的基础上,一定程度上展示出缩短扫描时间、降低扫描难度,提高扫描的成功度的可能。故是否可以进一步提高CS因子,是否可以在保证诊断需求的基础上一定程度减低图像质量,以及如何将CS因子引入所有髋关节序列,还需要进一步研究探讨。同时我们认为,如果将所有髋关节序列均设定为3D-CS序列,低年龄组患儿是否可以在不服用镇静剂的情况下快速完成检查,从而进一步拓宽磁共振的实用性,是下一步优化序列的方向。

       故本研究显示,与传统的2D髋关节扫描方案相比,引入3D-CS序列的髋关节磁共振扫描优化方案(2D冠状位T1WI、2D轴位T2WI、3D-CS轴位PD-SPAIR)不仅提高了检查的实用性,改善了患儿的检查体验,减低了扫描的难度,更为临床医生提供了更为丰富的疾病信息和友好的可视化界面,从而进一步完善术前评估及术后随访提供基础和可能。

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