壓縮感知磁共振成像技術的臨床應用進展

李爍，王效春

作者單位：1.山西醫科大學醫學影像學院，太原 030001；2.山西醫科大學第一醫院影像科，太原 030001

0 前言

MRI 是一種強大的非侵入性檢查身體的成像手段，可以有效地提供人體的結構及功能信息[1]。然而，MRI 檢查時間較長，部分患者難以耐受，容易產生運動偽影影響圖像質量[2-3]。因此，縮短數據采集時間仍然是MRI 發展的核心目標之一。目前廣泛應用的加速采集技術包括并行采集（parallel imaging,PI）與壓縮感知（compressed sensing, CS），近來還有學者提出一項新的加速采集技術，即人工智能CS（artificial intelligence CS, ACS）[4-5]，該技術是將PI、半傅里葉成像、CS和人工智能網絡相結合的一種新型加速成像技術。CS 是一種通過利用圖像冗余來提高MRI 的成像速度的強大方法，其概念最初由DONOHO 等和CANDES 等在2006 年提出，并很快被LUSTIG 等應用到MRI[6]。該技術是基于MRI 圖像的稀疏特性，通過有選擇性地采集k空間內少量重要數據并通過稀疏重建算法進行原始信號的重構，可在不犧牲空間分辨率的同時極大地縮短MRI檢查時間，保證重建圖像的質量[7-8]。

過去基于CS的綜述主要聚焦于對其基本原理的深入探討，而對于其在臨床應用方面的綜合分析相對較為有限，然而，隨著CS 的不斷發展，其在臨床應用領域的廣泛應用日益顯著，因此，本研究深入綜述了近年來CS 技術在MRI 臨床實踐中的應用，以彰顯其在醫學領域中的潛在臨床應用價值，為臨床早期快速診斷提供幫助，及時掌握患者病情，提高患者生存質量。

1 CS技術的基本原理

CS 技術表明信號在變換域中具有良好的稀疏性或信號本身具有稀疏性等相關信息，并且如果以不相干方式獲取k 空間樣本，則可以從較少的k 空間樣本中進行重構，獲得高質量的重建圖像[9]。其中，信號稀疏性和不相干性采樣是消除欠采樣后產生的混疊偽影和保證圖像準確重建的必要條件，而且提高信號的稀疏性不僅可以獲得更高的加速因子，還可以在一定程度上改善重建后的圖像質量[10]。

近年來，用于加速MRI 掃描的CS 技術已廣泛應用于全身各個系統，例如腦部成像[11]、心臟成像[12-13]、血管成像[14]和骨關節成像[15-16]等，在醫學MRI 領域，相對于傳統序列，結合CS 可以在保證圖像質量的前提下，有效縮短時間。

2 CS技術在MRI中的臨床應用

2.1 腦部MRI

CS在腦部MRI中的研究進展顯著，已被應用于神經系統疾病，包括多發性硬化癥（multiple sclerosis,MS）、顱內動脈瘤和腦腫瘤等[17-19]。腦部MRI 數據通常具有高維、大量的特點，而采樣時間較長，CS通過對腦部信號的稀疏表示和重構算法能夠顯著減少采樣點數和掃描時間，實現快速獲取高質量的腦部圖像[20]。

各向同性3D T1 加權渦流場回波成像（T1-weighted turbo field echo, T1W-TFE）是用于腦結構評估的MRI掃描中的重要組成部分，采用了磁化準備的快速梯度回波序列。與2D 成像相比，3D T1W-TFE 在臨床應用中面臨的主要挑戰之一是較長的采集時間，這不僅對提高放射工作效率產生了不利影響，還導致了MRI的高成本以及潛在的運動偽影增加。為了克服這一問題，引入一些加速采集技術變得至關重要。DUAN 等[21]的研究選擇了33 例健康者、10 例MS 患者和10 例阿爾茨海默病患者，以研究壓縮敏感編碼（compressed sensing-sensitivity encoding, CS-SENSE）技術加速的3D T1W-TFE 序列的臨床應用價值，并確定合適的加速因子。研究結果表明，CS-SENSE加速因子為3是在保持圖像質量的前提下加速3D T1W-TFE 的合適參數，時間減少了65%。類似地，VRANIC 等[22]、MEISTER 等[19]的研究也指出，相對于3D T2 液體衰減反轉恢復序列，具有CS-SENSE的3D T1WI可以在不犧牲圖像質量的情況下減少掃描時間。這些研究表明，CS-SENSE技術有效縮短了采集時間，為MRI提供了更高效的成像方式。

在兒科領域，KIM等[23]的研究選擇116例兒童進行比較，評估了使用傳統可變翻轉角快速自旋回波序列（sampling perfection with application-optimized contrasts using different flip angle evolution, SPACE）與使用CS 加速的3D T2 SPACE序列（CS-SPACE）的圖像質量。研究結果顯示，CS-SPACE 的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和對比度噪聲比（contrast-to-noise ratio, CNR）更高，整體圖像質量和灰白質分化相當，同時適度縮短了采集時間并減少了與腦脊液相關的偽影。這體現了將CS技術與3D序列結合能夠提供更清晰、更準確的圖像質量，為兒科臨床提供了更先進的成像方案。

綜上所述，CS 技術在保障圖像質量的前提下能夠縮短顱腦3D 結構像的掃描時間，而這些三維結構像作為臨床最常見的掃描序列，能提供豐富的結構與功能影像信息，CS 技術在這一領域展現了廣泛的應用前景，其掃描時間的縮短和圖像質量的提升對臨床工作有積極的意義。

2.2 心臟磁共振成像

心臟磁共振（cardiac magnetic resonance,CMR）成像被認為是評估心臟結構和功能的標準方法，可準確評估心室功能并動態顯示心室壁運動，然而，由于心臟運動的快速和復雜性，需要在短時間內獲得具有高時間和空間分辨率、不同對比度和/或全心覆蓋的圖像。在心臟MRI領域，CS技術的研究主要集中在快速成像、心臟結構和功能評估方面[24-25]。通過減少采樣點數和數據量，CS技術實現了對心臟結構和功能的快速、準確成像，克服了傳統CMR成像中長時間采集和心臟病患者可能導致的問題[26-27]。ZOU等[28]的研究表明，單次CS加速了兒童患者的CMR成像，即使在自由呼吸和心律失常的條件下，也實現了相當或更好的成像質量。與傳統的屏氣平衡穩態自由進動（balanced steady-state free-precession, bSSFP）電影成像相比，單次CS 電影技術在雙心室功能評估方面展現了良好的一致性。NARESH 等[29]對患者進行的比較研究顯示，CS 技術相較于傳統技術可以減少50%的屏氣次數和43%的總掃描時間，同時在血液心肌對比度、邊緣清晰度和偽影方面達到了相似甚至更好的效果。VERMERSCH 等[13]的研究結果表明，實時單次屏氣CS 電影成像不僅將CMR 掃描時間縮短了近20 倍，還提供了左心室和右心室的可靠測量。CURIONE 等[30]的研究進一步驗證了CS 心臟電影成像的優勢，顯示CS 技術以更短的采集時間提供了相當的心臟體積和功能測量，并可能適用于兒童人群。上述研究表明基于CS 的電影成像技術對比傳統的bSSFP 序列有顯著的優勢，包括更高的效率、更好的圖像質量和更好的患者體驗，這些優勢使得CS 技術成為不同臨床場景下MRI的有力選擇。

綜上，CS 在CMR 成像應用研究中擁有巨大潛力，運用CS技術可以避免由于心臟和呼吸運動而產生偽影的風險，這可能會給危重或不合作的患者帶來益處，同時短時間掃描還可以減少兒科患者的麻醉時間，并且能降低鎮靜風險。

2.3 血管成像

MRI 在顱內外血管病變的檢測和監測中發揮著重要作用，尤其在評估管壁和管腔信息方面有助于區分不同類型的血管病變。顱內血管壁MRI 作為數字減影血管造影的有力輔助手段，可用于區分顱內動脈疾病并辨識有癥狀的非狹窄疾病[31-32]。然而，高分辨率血管壁成像的長時間采集是日常臨床實踐中的一項挑戰，尤其是對于中風或短暫性腦缺血發作后的有癥狀患者，較長的掃描時間可能導致運動相關偽影的增加，進而影響圖像質量[33]。

在相關研究中，ZHU 等[34]在顱內血管疾病評估中采用CS-SPACE 技術，成功實現了全腦顱內血管壁高分辨率、各向同性的成像。與傳統的T1 加權SPACE相比，CS-SPACE 顯著縮短了掃描時間，同時保持了良好的圖像質量。在另一項研究中，PATHROSE 等[35]評估了不同加速因子下的高速CS 4D 血流MRI 對主動脈病變患者主動脈血流動力學和管壁切應力的定量評價。研究結果表明，在加速因子為5.7、7.7 和10.2 時，加速的主動脈CS 4D 血流與常規4D 血流基本一致。盡管存在對各種血流動力學參數的系統性低估，但縮短的掃描時間也有望為CS 4D血流在臨床轉換中的應用提供可能性。

綜上所述，CS技術在血管MRI檢查中通過降低采樣率，有效地縮短了掃描時間，在減輕患者不適感和運動偽影的同時保持了良好的圖像質量。這為心腦血管疾病的早期診斷和治療提供了重要工具，為臨床實踐帶來了顯著的益處。

2.4 骨關節成像

2.4.1 脊柱成像

MRI因其高安全性、無電離輻射、優異的軟組織分辨率而廣泛用于脊椎的例行檢查和相關疾病的診斷，包括椎體退變、椎間盤突出或膨出、骨折、骨髓水腫、腰部軟組織水腫、脊椎血管瘤或腫瘤等[36]。然而，較長的檢查時間會導致患者不適產生運動偽影，進而影響圖像質量。近年來，越來越多的研究證實了CS對脊柱成像的診斷價值。QIU等[37]對71例患者進行了常規脊柱MRI和CS-MRI檢查，包括2D矢狀位T1WI、冠狀位T2WI和軸位T2WI，比較了總掃描時間、圖像質量和病變診斷的一致性。研究結果表明，CS-MRI顯著縮短了掃描時間，同時保持了與常規MRI相當的成像質量。

在另一項研究中，GAO 等[6]比較了壓縮傳感快速自旋回波（CS-turbo spin echo, CS-TSE）與傳統敏感編碼成像（sensitivity encoding-turbo spin echo, SENSE-TSE）在腰椎成像中的效果。他們對300 名患者的圖像質量的SNR 和CNR 進行了客觀評估，并對椎間孔狹窄和神經根受壓程度進行了主觀評估。結果表明，兩個序列在敏感性、特異性、陽性預測值和陰性預測值方面沒有明顯差異，而CS-TSE掃描時間減少了3 min 2 s，顯示CS技術在診斷腰椎和椎間盤疾病方面與傳統序列一樣具有潛力，并且能夠顯著縮短掃描時間。SUI等[36]對比了ACS序列和常規2D 序列對腰椎疾病的圖像質量和診斷準確性。相較于常規2D序列，ACS序列能夠在相似的圖像質量下更快地完成腰椎成像，并提供可靠的診斷準確性。BRATKE 等[38]評估了CS 的不同加速因子對腰椎3D T2 序列圖像質量的影響，得出最佳的加速因子為4.5，通過優化加速因子，為腰椎MRI提供了更為高效的成像方案，掃描時間減少了167 s （-39%）。

從目前的研究結果來看，CS在脊柱MRI檢查中通過縮短掃描時間、提高患者舒適度、降低運動偽影以及保持圖像質量等方面帶來了明顯的優勢，有助于提升檢查效率和對脊柱病變的準確診斷能力。

2.4.2 關節成像

骨關節炎患者關節不適難以全程配合，容易出現運動偽影導致圖像質量下降、細節顯示不清，因此實現MRI 快速采集以提高對病變的檢測和評估能力十分必要。

肩部的肩袖撕裂是最常見的損傷，對其進行MRI檢查是必要的，肩關節MRI 能有效檢測肩袖撕裂、盂唇異常以及其他導致肩痛的因素[39]。OBAMA等[40]的研究比較了采用CS和PI兩種技術的肩關節MRI圖像質量、偽影和診斷置信度，結果顯示CS具有更短的掃描時間且圖像質量相當。另外，與SHIRAISHI 等[41]的研究結果類似，在CS 的基礎上結合深度學習可以進一步提高肩部MRI 的圖像質量，為快速、高效的臨床診斷提供支持。

膝關節MRI作為評估半月板、韌帶、關節軟骨、骨髓和滑膜的成像的金標準，對于月板撕裂、關鍵韌帶撕裂以及軟骨和骨骼等損傷的準確檢測至關重要[42]。WANG 等[15]對130 名患者行ACS 序列與PI 檢查并比較其圖像質量和診斷性能，結果顯示ACS序列在提供更好圖像質量的同時減少了75%的掃描時間，表現出顯著的臨床優勢。另外，具有CS 的3D 各向同性質子密度加權脂肪飽和序列對于膝關節進行快速、高質量的3D 成像具有明顯優勢，且可替代傳統的2D 序列，提供更快的圖像采集和微細結構成像[43]。

踝關節扭傷是最常見的運動損傷之一，占所有運動損傷的10%～15%，為了獲得踝關節的序列，需要許多薄片切片，并且需要過度覆蓋踝關節以最小化環繞偽影，這些會導致掃描時間長[44]。FOREMAN 等[45]的研究顯示，使用ACS 可在不影響圖像質量的情況下，將踝關節掃描的采集時間縮短了47%。此外，YI等[44]的研究發現，加入CS-PI的3D-FSE序列在縮短掃描時間的同時，仍提供了可接受的診斷性能，為踝關節病變的評估提供了更好的圖像質量。

綜上所述，CS 技術在不同關節的MRI 中，通過快速成像減少了患者的運動偽影，進一步提升了圖像質量，為全身各個關節結構和軟組織損傷的快速準確成像提供了重要支持。

2.5 其他

CS 技術在多個腫瘤部位，如肝癌、前列腺癌、直腸癌、鼻咽癌、乳腺癌等的應用已經受到一些關注?？紤]到這些腫瘤的潛伏期長、危害較大，早期發現和診斷顯得尤為重要。

肝臟MRI是評估肝臟惡性腫瘤的主要檢查方式，然而，由于組織數據采樣和屏氣計時的復雜性，仍然存在獲取足夠圖像質量的難題[46]，為解決這一問題，加速采集技術成為一種關鍵的手段。SUN 等[47]的研究對比了CS 技術和PI 技術在肝癌患者中應用的各向同性T1 加權梯度回波序列的圖像質量。結果顯示，相較于標準PI 序列，CS 在平掃和增強后測量的肝-病變、肝-門靜脈和肝-肝靜脈的相對對比度顯著提高，而整體圖像質量并未受到影響。CS 技術在顯示肝細胞癌和肝血管方面提供了更好的對比度，為肝臟腫瘤的準確診斷提供了可靠支持。

前列腺的3D T2WI 采集可以補充傳統的2D T2WI，可以觀察詳細的解剖結構，但空間分辨率的提高受到掃描時間延長的限制，CHOI等[48]對179例術前MRI 檢查后行前列腺活檢的患者行采用CS 的3D T2WI SPACE 序列與常規T2WI TSE 序列的前列腺癌PI-RADS 分級和病變的前列腺外擴展診斷能力進行比較，結果發現，使用CS 的高分辨率3D T2WI SPACE在檢測前列腺癌和評估前列腺外擴展方面顯示出與T2 TSE相當的診斷性能，且大大減少了掃描時間。

CS 在直腸癌、鼻咽癌、乳腺癌等其他惡性腫瘤中也有相關報道。GONG等[49]的研究對42名直腸癌患者應用CS-SENSE加速3D T2W TSE序列，與傳統3D和2D序列掃描進行比較，結果顯示CS-SENSE 3D成像不僅可以加速直腸癌的MRI 檢查，且提供了與傳統3D 和2D 圖像相當的診斷性能。在鼻咽癌方面，LIU 等[50]對66 例鼻咽癌患者行ACS 技術與PI 技術檢查，比較分析兩組圖像的SNR、CNR 和掃描持續時間，結果顯示ACS 技術用于鼻咽癌MRI 檢查不僅縮短了掃描時間，而且提高了圖像質量。而在乳腺癌方面，YANG 等[51]的研究發現，采用CS 3D T2WI 和ACS 3D T2WI 序列進行乳腺MRI 檢查，定性和定量分析明顯優于常規T2WI 序列，與傳統T2WI 序列相比，ACS 3D T2WI 序列對病灶的對比度顯著提高。

總而言之，CS 技術在腫瘤患者影像檢查中的應用不僅可以縮短掃描時間，還能減少由于疼痛、呼吸困難、意識障礙等原因產生的運動偽影，在保證圖像質量的前提下提高對病變的診斷能力，為早期發現和診斷腫瘤提供了有力支持。

3 局限性與展望

雖然國內外已有CS 在MRI 加速采集中的應用研究，但CS 受解剖學上給定的壓縮、SNR 和對CNR 以及采集和重建策略的組合的影響，仍有一些重要的技術挑戰需要解決。一是很難預測要使用的適當的加速系數，因為它取決于原始序列及其SNR；二是圖像采集速度的加快將不可避免地影響圖像的質量，沒有一個規則可以確定在不影響圖像質量的情況下，采集速度可以加快到什么程度，這一點需要使用經過驗證的技術進行臨床實施。未來CS這一加速技術的使用有望轉化為常規的臨床實踐，將會擴展到更多的MRI檢查臨床應用中，并且多種加速技術的組合可以實現更快成像，同時進一步優化圖像質量。

4 總結

CS作為一種新興的加速技術，將其應用于MRI中可以加快成像速度，縮短成像時間，有利于醫生及時掌握患者病情，為患者提供更為舒適和高效的臨床體驗，同時可以保證圖像質量，有效減少偽影，提高疾病診斷的準確性。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：王效春擬定本綜述的寫作思路，指導撰寫稿件，并對稿件重要的內容進行了修改，獲得了國家自然科學基金項目的資助；李爍起草和撰寫稿件，獲取、分析并解釋本綜述的參考文獻；全體作者都同意最后的修改稿發表，都同意對本研究的所有方面負責，確保本綜述的準確性和誠信。