壓縮感知技術及三維成像在優化兒童髖關節磁共振掃描方案中的聯合應用初探

胡迪，呂艷秋，彭蕓

兒童髖關節疾病并不罕見，常見致病原因較為復雜，主要包括先天性、發育性、感染性、外傷性和腫瘤[1-2]。但因其臨床表現主要以疼痛、運動障礙或無明顯癥狀為主，缺乏特異性，故臨床診斷主要依靠影像學檢查。相比計算機斷層技術和超聲，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)因其較高的軟組織對比度和軟骨顯示能力受到影像科醫生和臨床醫生的推崇[3-4]。但是相對成人而言，較長的掃描時間和制動一直是兒童磁共振檢查的短板。如何在更短時間內得到更多信息，在確保原始信號圖像重建質量的前提下，加快MRI 圖像重建速度，為患兒提供更為舒適的就診體驗，一直是兒童磁共振掃描序列研究的主要方向[5-6]。近年一種稱為壓縮感知(compressed sensing，CS)的技術為這一需求提供了可能[7-8]。其基于圖像稀疏采集及重建，不僅可以得到高質量圖像，而且節省了掃描時間，為臨床診療工作帶來革命性飛躍[9-10]。因此，本研究聯合應用3D成像及CS技術優化兒童髖關節磁共振掃描方案，并與傳統兒童髖關節磁共振掃描方案對比，探討其臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究隨機收集22 名經臨床?？漆t師評估需要進行髖關節磁共振掃描患兒資料，其中男8 名，女14 名，年齡1.5～17.5 (中位年齡10.28)歲。其中9 名為幼年類風濕關節炎、4名為髖關節滑膜炎、3名為系統性紅斑狼瘡、2名為先天髖關節脫位、1 名為Sting 相關嬰兒起病的血管病，1 名幼年皮肌炎、1名左側臀大肌橫紋肌肉瘤侵及伴髖關節累及1名左髖關節周脈管畸形。本回顧性研究經北京兒童醫院倫理委員會批準，免除受試者知情同意，批準文號：2021-E-243-R。

1.2 掃描方法及技術參數

所有患兒平臥，使用32通道體線圈，于3.0 T磁共振機器進行掃描(Ingenia CX，Philips Healthcare)。掃描流程按照我院髖關節掃描標準檢查流程進行：首先按照傳統髖關節掃描方案進行，主要包括2D冠狀位及軸位質子密度頻率衰減反轉恢復序列(proton density-spectral attenuated inversion recovery，PD-SPAIR)、2D 冠狀位T1 加權序列(T1 weighted imaging，T1WI)、2D 軸位T2 加權序列(T2 weighted imaging，T2WI)，掃描參數請參見表1。每個患者完成上述掃描后，加掃軸位3D-PD-SPAIR 加權序列，CS 值設為6，掃描參數請參見表1。所有掃描范圍從髂骨翼水平股骨大轉子下方，掃描野的設定根據患兒真實身高。

表1 各序列掃描參數表

1.3 圖像質量評估

1.3.1 客觀圖像質量評估

兩位具有10 年工作經驗的影像科醫師，分別于飛利浦工作站(Philips Healthcare)進行44 個髖關節2D-PD-SPAIR 和3D-PD-SPAIR 序列股骨頭信噪比(signal to noise ratios，SNR)、對比噪聲比(contrast-noise-ratios，CNR)的測量。每個感興趣區(region of interest，ROI)測量2 遍，記錄平均值。圓形ROI 分別置于兩個序列中雙側股骨頭及同側臀大肌處，ROI 需覆蓋股骨頭70%～80%的面積，同一側的股骨頭與臀大肌ROI 面積及形狀保持一致。按照以下公式計算SNR [公式(1)]及CNR [公式(2)][11]，其中ROI股骨頭、ROI臀大肌分別為股骨頭和臀大肌測量區域的信號平均值，SD股骨頭、SD臀大肌分別為股骨頭和臀大肌測量區域的標準差平均值。

1.3.2 主觀圖像質量評估

兩位具有10 年工作經驗的影像科醫師，根據表2 中所列的評分標準[12]，對44個髖關節2D-PD-SPAIR和3D-PD-SPAIR序列的主觀圖像質量評估。評估過程中如遇到特殊偽影或現象，由評價醫師單獨記錄并做評價。

表2 髖關節主觀評分標準

1.4 統計學分析

所有數據均應用SPSS 19.0 統計軟件包進行分析。兩位醫師客觀測量值組間一致性采用組內相關系數(intraclass correlation coefficient，ICC)。兩位醫師主觀評分一致性采用加權kappa 檢驗分析。SNR、CNR 及序列掃描時間經正態分布檢驗和方差齊性檢驗后，考慮不符合正態分布數據，采用區間(中位數)的方式表示數值范圍，采用Wilcoxon 檢驗評估差異，P＜0.05被認為差異具有統計學意義。

2 結果

兩位醫師每個序列客觀值重復測量ICC 值均達到0.937～0.967 (P＜0.05)，數據測量穩定一致性較高。

2D 及3D 序列的股骨頭SNR 值、CNR 值如圖1 所示。2D-PD-SPAIR 序列(區間5.20～15.10，中位數6.74)的股骨頭SNR 值較3D-PD-SPAIR 序列(區間0.18～7.04，中位數3.85)顯著增高(P=0.001)。2D-PD-SPAIR 序列(區間3.46～10.13，中位數4.93)和3D-PD-SPAIR 股骨頭(區間1.19～6.08，中位數3.18) CNR 值差異無統計學意義(P＞0.05)。股骨頭SNR 值和CNR 值隨年齡增長均呈現下降趨勢，且相對SNR，同一年齡段股骨頭CNR數值分布更為分散。

圖1 股骨頭2D/3D-PD-SPAIR 序列SNR 值(1A)和CNR 值(1B)散點圖。SNR值在兩個序列中均隨年齡呈下降趨勢。CNR值在兩個序列中均隨年齡呈下降趨勢。相對SNR，同一年齡段股骨頭CNR 數值分布更為分散。2D/3D-PD-SPAIR：2D/3D 質子密度頻率衰減反轉恢復序列；SNR：信噪比；CNR：對比噪聲比。

主觀評分方面，2D-PD-SPAIR 序列中位得分22 分，3D-PD-SPAIR 序列中位得分21 分，兩個序列所有圖像總體評分均達到20～22 分，滿足及符合臨床診斷要求，兩位醫師評分結果一致性較高(kappa=0.636,P=0.002)。解剖結構中位得分5 分，診斷確定性/整體圖像顯示中位得分5 分，壓脂/偽影中位得分4 分，股骨頭偽影中位得分4 分，股骨頸偽影中位得分4分(均＞3分)，兩個序列差異無統計學意義(P＞0.05)。

如圖2A～2C所示，雖然3D-PD CS髖關節圖像相對傳統2D圖像可以提供更多的解剖細節，但受限于體素大小，股骨頭及髖臼面軟骨顯示較2D 圖像并不具優勢。但聯合應用最大強度投影(maximum intensity projection，MIP)進行3D 圖像重建，則可以得到較之2D 圖像更為清晰的多方位軟骨圖像(圖2D～2E)。

圖2 伴隨髖關節積液患兒2D/3D-PD-SPAIR 序列髖關節原始圖像和最大密度投影圖像。2A：冠狀位2D-PD-SPAIR 圖像，2B：矢狀位3D-PD-SPAIR 重建圖像，2C：冠狀位3D-PD-SPAIR 重建圖像；2D～2F：冠、矢、軸位3D-PD-SPAIR 最大密度投影圖像。2D 及3D 原始圖像顯示，股骨頭關節面軟骨觀察均會受到關節積液影響，多方位厚層重建可以大大改善股骨頭和髖關節表面關節軟骨的顯示。

如圖3所示，先天性髖關節脫位(developmental dislocation of the hip，DDH)兒童股骨頭骨化中心小而不規則，大部分被透明軟骨和纖維軟骨替代，股骨頸短而粗，前傾角增大。由于持續性脫位或發育不良，髖臼變淺、變窄、變長，傾斜度增加，髖臼軟骨失去了正常的杯狀，上唇肥大，關節囊拉長，圓韌帶拉長、加寬、加厚，髖臼中心充滿脂肪纖維組織。3D-PD CS 髖關節圖像相對傳統2D 圖像可以提供更為便捷的多角度重建，更具臨床使用價值。

22 例患兒傳統髖關節磁共振掃描方案(2D 冠狀位T1WI，2D 軸位T2WI,2D 冠狀位及軸位PD-SPAIR)掃描所需時間為584～716 s不等，中位時間603 s。22例患兒3D-CS髖關節磁共振優化掃描方案(2D 冠狀位T1WI，2D 軸位T2WI，3D-CS 軸位PD-SPAIR)掃描所需時間為431～600 s不等，中位時間513 s。所有年齡段兒童3D-CS 優化序列掃描時間明顯短于傳統序列掃描(P＜0.001)，節約時間達15%。

3 討論

本研究第一次將3D 成像和CS 技術同時引入兒童磁共振髖關節掃描方案，在為臨床提供清晰多方位重建圖像的同時，縮短約15%的掃描時間，為兒童關節磁共振掃描在時間和圖像質量的雙贏提供了可能。

傳統兒童髖關節磁共振掃描由多方位2D 序列組成，層厚及掃描方位較為固定。如果病變所致體位無法完全擺正，或者病變過于巨大或局限，或者病變部位隱蔽，均可能導致在傳統2D 圖像中無法完整展現病變的整體情況，從而影響臨床醫師對病變的全面評估。3D 成像序列的引入，既可以通過薄層掃描減少小病變的丟失，提供解剖細節，又可以通過多方位重建，自由展現隱蔽部位的病變，是滿足臨床醫師需求的髖關節磁共振的理想序列。

SNR 和CNR 是評價新序列客觀圖像質量的常用指標[11]。本組研究中2D及3D序列中股骨頭SNR值和CNR值均隨年齡增長均呈現下降趨勢，這點與生長發育過程中股骨頭內紅黃髓轉化密切相關，與既往文獻報道亦保持一致[13-14]，相同年齡段的股骨頭SNR 差異可能是由于測量區域不同紅黃髓比例引起。相比SNR，同一年齡段股骨頭CNR 數值分布更為分散，此點可能與患兒的基礎疾病是否累及測量區域的臀大肌有關。例如皮肌炎患兒所測量臀大肌信號如果處于水腫期，其信號會較正常臀大肌信號增高，其股骨頭CNR 值即與相同年齡段其他病患兒的測量值產生較大偏差。本組研究中股骨頭2D-PD-SPAIR 序列的SNR 明顯高于3D-PD-SPAIR 序列，我們考慮其產生原因與2D 序列體素是3D 序列的1.06 倍有關，即由掃描的客觀設置所致。同時兩個序列間CNR 和主觀評分無明顯差異，故我們可以認為3D 掃描的薄層在帶來重建優勢的同時，并沒有引起圖像診斷質量的丟失，達到展現解剖細節和圖像質量的平衡。

除了CNR 和SNR，偽影是另一個評價新序列的重要指標。影響兒童髖關節磁共振圖像質量的原因主要包括壓脂序列的不均勻、膀胱尿液的波動、腸管內的氣糞影以及腹部呼吸偽影[1-2]。我們的研究顯示，除壓脂序列的不均勻外，其余偽影在2D及3D序列中無明顯差異。壓脂序列中，本組研究的臀部橫紋肌患兒和脈管畸形患兒，病變周壓脂信號于3D 序列中呈現不均勻，余部位及其他例顯示較2D 序列無明顯差異。此點與3D序列更薄的層厚密切相關，但并不影響診斷(主觀評分差異無統計學意義)。相較于局部脂肪信號的不均勻，我們認為其在不影響診斷的基礎上,帶來了更高解剖分辨率，性價比高于傳統2D 序列。當然對含有脂肪成分的腫瘤診斷是否存在影響，還需要進一步擴大樣本驗證。

除了以上提到的常見偽影，兩位閱片醫生均提到了髖關節積液對股骨頭關節軟骨觀察的影響。這種現象在年齡較低的兒童中更為明顯，而股骨頸受影響較小，2D 及3D 序列顯示無明顯差異。此點主要與兒童關節面軟骨生長發育特點相關。隨年齡的減低，關節面軟骨含水量增高。故在PD-SPAIR序列中，低齡兒童髖關節面軟骨與關節積液信號對比較年長兒童低，積液在關節面軟骨和股骨頭交界處產生的輕微偽影會在一定程度影響關節軟骨的信號觀察。

如前文所述本組研究中股骨頭2D-PD-SPAIR 序列因體素較大，SNR明顯高于3D-PD-SPAIR序列?；诖它c，我們嘗試使用MIP重建3D序列圖像，從而達到提高股骨頭及髖關節表面軟骨的信號強度的目的。3D厚層重建可以大大改善薄層掃描所致股骨頭和髖關節表面關節軟骨的顯示局限性，且同時因其多角度重建的優勢，較之2D 序列更具臨床實用性。既往的成人髖關節磁共振研究較多集中在外傷引起的關節面細小病變顯示[2,4]。本組研究雖未能納入此類患者，但我們認為厚層3D 重建加之多角度展示，可以為兒童無創觀察運動關節面損傷、髖臼骨折軟骨損傷情況提供可能[15-16]；同時對于DDH患兒群體，亦可以提供更為精準的軟骨發育情況評估及客觀測量[17-18]。

除了圖像顯示的優化，3D 序列的引入在患兒掃描體驗方面優勢更為突出。既往髖關節病變的部分患兒，例如DDH、髖臼發育不良相關疾病[19]、髖關節占位或髖關節炎等，因受限于體位，掃描擺位困難。3D 序列的引入可以全范圍覆蓋脫位關節，掃描體位擺放更為自由，大大降低技師掃描及定位難度，一定程度提高了患兒的檢查舒適度，進一步拓寬磁共振在兒童以及中的臨床應用。

單純的3D髖關節磁共振序列雖較2D序列更具實用性，其掃描時間卻是制約其廣泛應用的根本，此點在兒童尤為突出[6]。故CS 技術的同時引入對優化兒童髖關節磁共振序列尤為重要。目前在國內外壓縮感知技術已廣泛應用于成人神經、骨骼、腹部等多個系統，且均獲得了較好的結果[7,20-21]，但在兒童方面的研究仍較為匱乏[5,22-23]，尤其是髖關節方面還是空白。本文的CS因子設置是以SENSE因子為2的傳統2D髖關節序列為圖像基準，根據我院前期試驗經驗進行初步設定，缺乏一定的系統性。同時本文因收集病例有限、患者年齡分布較大、引入序列有限，結果展示亦具有一定局限性。雖然CS因子設定不是本文的重點，但本研究已在保證滿足診斷圖像質量的基礎上，一定程度上展示出縮短掃描時間、降低掃描難度，提高掃描的成功度的可能。故是否可以進一步提高CS 因子，是否可以在保證診斷需求的基礎上一定程度減低圖像質量，以及如何將CS 因子引入所有髖關節序列，還需要進一步研究探討。同時我們認為，如果將所有髖關節序列均設定為3D-CS序列，低年齡組患兒是否可以在不服用鎮靜劑的情況下快速完成檢查，從而進一步拓寬磁共振的實用性，是下一步優化序列的方向。

故本研究顯示，與傳統的2D 髖關節掃描方案相比，引入3D-CS 序列的髖關節磁共振掃描優化方案(2D 冠狀位T1WI、2D軸位T2WI、3D-CS 軸位PD-SPAIR)不僅提高了檢查的實用性，改善了患兒的檢查體驗，減低了掃描的難度，更為臨床醫生提供了更為豐富的疾病信息和友好的可視化界面，從而進一步完善術前評估及術后隨訪提供基礎和可能。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。