人工智能-壓縮感知與壓縮感知在膝關節MRI中的加速效率及圖像質量評價研究

潘珂，劉倩倩，唐玲玲，胡云濤，黃小華

膝關節是人體重要的負重關節，骨關節炎[1-2]、急慢性損傷所致的半月板[3]及韌帶損傷[4-5]等因素導致的患肢疼痛、畸形及功能障礙降低患者勞動能力，嚴重影響本人及家庭生活質量；若能早期診斷，及時地進行個體化治療有利于減輕疼痛、延緩病情進展、改善關節功能、提高患者生活質量[6-7]。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)具有非侵入性、多參數多對比等優點，在此類疾病早期診斷中具有重要價值，已成為不可替代的檢查方法[8-9]。MRI 的一個重要特點是檢查時間長，在檢查過程中受檢部位須完全制動。但在骨關節炎或急慢性損傷等情況下，受檢者因患肢疼痛不適難以全程制動，圖像出現嚴重運動偽影，導致檢查失敗。因此膝關節MRI 加速采集技術越來越受到關注。

目前廣泛應用的加速采集技術包括并行采集(parallel imaging，PI)[10]與壓縮感知(compressed sensing，CS)[11-12]。近來有學者提出一項新的加速采集技術，人工智能-壓縮感知(artificial intelligence compressed sensing，ACS)[13-15]。在ACS中，卷積神經網絡預先從大量全采樣的圖像中學習圖像結構與內容信息，然后將此類先驗信息應用到亞采樣圖像重建中，減少圖像重建所需的采樣點數目，從而縮短采集時間。目前國內外關于ACS在磁共振加速采集中的研究多為算法理論研究[16-18]，國外已有少量臨床應用研究，目前局限在顱腦、肝臟、前列腺圖像采集[19-22]，且為單一加速因子的ACS序列的研究，至今國內外未見關于加速因子對圖像質量影響的研究報道。本研究將應用不同加速因子的CS、ACS的質子密度加權序列圖像分別與經典加速采集技術PI進行比較，探討加速因子對采集時間與圖像質量的影響，在ACS臨床應用中具有很高的指導意義。本研究將對CS、ACS對圖像質量、噪聲、偽影及與圖像信噪比(signal noise ratio，SNR)等方面的影響進行深入分析。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性研究，通過川北醫學院附屬醫院醫學倫理委員會批準(批準文號：2021ER162-1)，全體受試者均已簽署知情同意書。本研究連續納入2021 年7 月至2021 年8 月因膝關節疼痛進行MRI 檢查的受檢者67 名，其中男31 名，女36 名，年齡21～67 (42.6±12.0)歲。受檢者納入標準：(1)無磁共振檢查禁忌證；(2)年齡大于18 歲。排除標準：(1)近六個月內接受膝關節手術；(2)膝關節手術后存在金屬植入物；(3)股骨外側髁骨髓、股骨內側髁軟骨及髕下脂肪墊信號異常影響數據測量；(4)無法完成全部掃描序列。

1.2 研究儀器、掃描方法及技術參數

本研究采用3.0 T 超導磁共振成像儀(uMR790，上海聯影醫療科技有限公司，中國)與膝關節專用12 通道相控陣線圈(上海聯影醫療科技有限公司，中國)。所有受檢者采用仰臥位，足先進。掃描方位及序列為矢狀面質子密度加權序列，分別采用PI、CS及ACS 進行加速采集，各序列幾何參數與對比參數保持一致：FOV 160 mm×160 mm，采集矩陣304×259，重建矩陣456×387，層厚3 mm，層間隔 0，層數24；TR 3000 ms，TE 32 ms。設置PI 序列加速因子為2.0?；谠O備序列模型，設置加速因子分別為2.0、2.5、3.0 的CS 序列與加速因子分別為2.5、3.0、3.5、4.0 的ACS 序列，掃描結束后在設備內進行自動圖像重建。

1.3 圖像分析

1.3.1 圖像質量主觀評價

本研究采用醫學影像處理軟件(uWS-MR，上海聯影醫療科技有限公司，中國)進行圖像評價與數據測量。分別由一名具有12 年骨關節影像診斷經驗的主治醫師與一名具有5 年骨關節影像診斷經驗的醫師在對成像參數不知情的情況下獨立對圖像質量進行主觀評價，采用四級評分法：1 分為圖像質量好，無偽影及噪聲，組織結構細節清晰；2 分為圖像質量較好，存在少量噪聲或偽影，組織結構細節清晰；3 分為圖像存在噪聲或偽影，組織結構細節較清晰；4 分為圖像存在明顯噪聲或偽影，組織結構細節模糊。

1.3.2 多處組織SNR測量

另一名醫師在對成像參數不知情的情況下對圖像進行定量分析，在相同層面的股骨內側髁、腓腸肌內側頭、髁間窩積液、髕下脂肪墊與股骨外側髁軟骨前部[23]放置面積分別約40、50、1.5～4、20、1.5 mm2的橢圓形感興趣區，測量組織信號強度及噪聲，計算SNR。

1.4 統計學分析

使用SPSS 23.0 軟件進行統計學分析。采用Cohen κ 檢驗對2 名醫師的圖像質量主觀評價結果進行一致性檢驗。κ≤0.20 認為一致性較差，0.21＜κ≤0.40 認為一致性一般，0.41＜κ≤0.60 認為一致性中等，0.61＜κ≤0.80認為一致性較強，0.81＜κ≤1.00 認為一致性強。若一致性超過中等，選擇高年資醫師(具有12 年骨關節影像診斷經驗)主觀評分結果進一步分析。采用Kruskal-Wallis 檢驗進行8 組序列的圖像質量評分與各部位SNR 整體差異分析。若差異具有統計學意義，進一步采用Wilcoxon 符號秩和檢驗將CS、ACS 各序列與PI 2.0 進行兩兩比較。各數據均采用±s表示，P＜0.05認為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 序列采集時間比較

PI 2.0 采集時間152 s；CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0 采集時間分別為128、104、86 s，較PI 2.0 分別縮短16%、32%、43%；ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 采集時間分別為76、65、57、51 s，較PI 2.0 分別縮短50%、57%、63%、66%。

2.2 兩位醫師圖像質量主觀評分一致性分析

在圖像質量主觀評分中，兩位醫師對PI 2.0、CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0、ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 8組序列的圖像質量主觀評分一致性較強至一致性強(κ分別為0.735、0.765、0.805、0.830、0.785、0.798、0.835、0.869，P均＜0.05)。

2.3 各組序列圖像質量比較

8 組序列間醫師主觀評分及股骨內側髁SNR、腓腸肌內側頭SNR、髁間窩積液SNR、髕下脂肪墊SNR、股骨外側髁軟骨SNR 差異均具有統計學意義(P均＜0.05) (表1)。

表1 8組序列醫師主觀評分及組織SNR分析結果Tab.1 The scores of subjective image quality evaluation and tissue SNR in eight sequences

進一步對CS 與ACS 各序列的主觀評分進行分析，并將5 處組織SNR 與PI 2.0 進行兩兩比較，結果見表2。CS 2.0、ACS 2.5、ACS 3.0 圖像質量醫師主觀評分與PI 2.0 之間差異無統計學意義，CS 2.5、CS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0 評分顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)。兩位醫師對圖像質量進行評分時發現隨加速因子增大，CS 序列圖像噪聲增加；ACS 則表現為圖像模糊(圖1)。

圖1 男，39歲，外側半月板前角撕裂。PI 2.0與不同加速因子的CS、ACS膝關節矢狀面脂肪抑制質子密度加權序列對比。1A～1H分別為PI 2.0、CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0、ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0。在CS 序列中，隨加速因子增大，圖像噪聲增多（1C、1D）；在ACS 序列中，加速因子增大，圖像模糊增加，組織細節顯示不清（1G、1H）。PI：并行采集；CS：壓縮感知；ACS：人工智能-壓縮感知。Fig. 1 Male, 39 years old, with a tear of the anterior horn of the lateral meniscus. Comparison of the reference parallel imaging (PI) 2.0 with the compressed sensing(CS)and Artificial intelligence compressed sensing(ACS)with different acceleration factors in the sagittal fat-saturated proton density weighted imaging of the knee.1A-1H were PI 2.0,CS 2.0,CS 2.5,CS 3.0,ACS 2.5,ACS 3.0,ACS 3.5 and ACS 4.0 respectively.A noise enhancement can be observed in the sequences with increased acceleration factor in CS(1C,1D).In ACS,with acceleration factor increasing,the images became blurrier(1G,1H).

7 組序列組織SNR 與PI 2.0 進行兩兩比較，結果顯示：ACS 2.5 股骨內側髁SNR 高于PI 2.0，CS 3.0 股骨內側髁SNR 低于PI 2.0，差異均具有統計學意義(P均＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無統計學意義；CS 3.0、ACS 4.0 腓腸肌內側頭SNR 顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無統計學意義；CS 2.5、CS 3.0、ACS 3.5 髁間窩積液SNR 顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無統計學意義；CS 3.0 髕下脂肪墊SNR 顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無統計學意義；CS 3.0 與ACS 3.5、ACS .0 股骨外側髁軟骨SNR顯著低于PI 2.0 (P＜0.05)，其他序列與PI 2.0 差異無統計學意義(表2)。

表2 CS、ACS組序列醫師主觀評分級組織SNR與PI 2.0比較Tab.2 The statistical analysis results for the scores of subjective image quality evaluation and tissue SNR of CSs and ACSs compared with PI 2.0

3 討論

本研究采用不同加速因子的CS (CS 2.0、CS 2.5、CS 3.0)、ACS (ACS 2.5、ACS 3.0、ACS 3.5、ACS 4.0)對膝關節矢狀位二維質子密度加權序列進行加速采集，就圖像質量定量分析指標SNR及醫師主觀評分將其與目前已實現廣泛臨床應用的PI 進行比較。研究結果顯示在保證組織SNR與圖像質量的前提下，CS 2.0 可將掃描時間縮短16%；ACS 能夠進一步縮短掃描時間，最大可應用加速因子ACS 3.0可將掃描時間縮短57%。本研究是目前國內外首次聯合多個加速因子的CS 及ACS 加速序列圖像與經典加速采集技術PI 進行比較，分析CS 及ACS 中加速因子對采集時間與圖像質量的影響，對ACS的臨床應用有很高的指導意義，為臨床常規檢查應用中ACS加速因子的選擇提供重要參考。

3.1 與既往CS技術相關研究比較

本研究結果顯示，在保證圖像質量的前提下，CS在二維成像中可應用的最大加速因子為CS 2.0 (掃描時間縮短16%)。若增大加速因子，則隨著加速因子的增大，CS 2.5 (掃描時間縮短32%)與CS 3.0 (掃描時間縮短43%)圖像質量及多處組織SNR 顯著低于PI 2.0。Iuga 等[24]研究結果顯示在膝關節二維成像中CS 可應用最大加速因子為CS 2.0，與本文研究結果相符。在Bratke 等[25]關于腰椎成像的研究中，三維矢狀位CS相較于二維橫斷面與矢狀面的組合可將成像時間縮短45%；王詩瑜等[26]研究結果顯示在肝臟容積成像中，三維CS可將采集時間縮短51%。分析發現，本研究采用二維成像，圖像僅在一個維度上具有可壓縮性，CS 加速效率有限；在三維或動態成像中，圖像在多個維度具有稀疏性，CS 可具有更高的加速效率，因此在三維成像中，CS 可更大幅度提高采集速度。

3.2 與現有ACS技術相關研究比較

在本研究中，ACS 在二維成像中可應用的最大加速因子為ACS 3.0 (掃描時間縮短57%)，ACS 3.5 與ACS 4.0雖能更多縮短掃描時間(分別縮短63%、66%)，但圖像中多處組織SNR及圖像質量主觀評分下降，難以滿足診斷要求。在Ueda 等[27]將ACS 應用于在女性盆腔T2 加權成像及Gassenmaier 等[28]將ACS 應用于前列腺T2 加權成像的研究中，均采用單一加速因子進行加速采集，分別將掃描時間縮短44%與65%，與本研究結果相似。Kim等[29]將單一加速因子的ACS應用于前列腺T2 加權成像加速采集的研究中，達到與標準序列相似的圖像質量時可將掃描時間縮短75%；此研究中，應用ACS進行加速采集時降低了圖像空間分辨率，因此可以更大幅度縮短采集時間。Herrmann等[30]在上腹部T2加權成像研究中發現，在圖像質量及病灶檢出方面，ACS 序列與常規序列相當，且掃描時間縮短高達93%，分析原因為常規序列為呼吸觸發掃描的序列，而ACS 加速序列為屏氣采集序列，故而可極大程度降低數據采集需要的時間。在Recht 等[31]有關膝關節多對比成像的研究中，相比標準PI 2.0，ACS 可實現1.88 倍加速采集，低于本研究中ACS 3.0(152 s/62 s)的2.3 倍加速；分析發現，本研究利用設備配備的序列模板設置多個的加速因子進行采集，Recht 則是采用研究者獨立訓練的序列模型進行數據采集，前期進行網絡訓練的全采樣數據樣本量較小，且在采用單一加速的因子的ACS 進行后期實驗，可能未完全利用ACS技術加速數據采集的性能。

3.3 CS與ACS圖像質量主觀評分下降的不同表現

本研究還注意到CS 與ACS 隨加速因子增大，掃描時間縮短的同時醫師圖像質量主觀評分逐漸降低，但CS 與ACS 評分降低的原因不盡相同。CS 序列隨加速因子增大，圖像噪聲增多，在最大加速因子CS 3.0中，噪聲甚至導致部分組織顯示不清。而ACS序列隨加速因子增大，圖像模糊程度增加，組織結構與細節顯示不清。由于目前有關ACS 圖像質量評價的研究較少，本研究進行了加速因子對質子密度加權序列圖像質量影響的研究，后續需要多種對比度、多中心研究的圖像數據對這一現象及其原因進行探討。

3.4 局限性

本研究存在一些局限性，首先本研究對比了不同加速因子的ACS 與CS 對膝關節質子密度加權序列圖像質量的影響，尚未對ACS 與CS 加速序列在不同病理改變中的診斷效能進行評價，在后續研究中，可擴大樣本量，收集存在不同病理改變的受檢者，對ACS與CS診斷效能進行分析。

綜上所述，ACS 與壓縮均能縮短磁共振采集時間，ACS 與CS 均能縮短磁共振采集時間。相比CS，ACS 具有更高加速效率，在膝關節質子密度加權序列中，在保證圖像質量的前提下可將掃描時間縮短57%，提高檢查效率。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。