面向临床医学研究的磁共振实验平台管理

通过对清华大学生物医学影像研究中心磁共振实验平台现状、面向临床医学研究的项目管理制度、实验操作规范、安全防护、数据管理5个方面的介绍,探讨面向临床医学研究的磁共振实验平台管理方法,希望为进一步提升实验室管理水平提供参考依据。

脊髓型颈椎病颈髓与手术效果间关系的DTI研究

目的:探讨扩散张量成像(DTI)对评价脊髓型颈椎病手术效果和脊髓术后恢复的应用价值。方法:纳入33例接受颈椎后路椎管扩大成型术治疗的脊髓型颈椎病患者,在术前和术后3个月分别进行常规MRI和DTI扫描,通过计算手术改善率将患者分为改善较好组(19例)和不好组(14例),比较两组患者最狭窄层面的术前各向异性分数(FA)、平均扩散率(MD)、轴向扩散率(AD)、纵向扩散率(RD)值的差异,分析术前DTI各参数值与改善率的相关性,比较术前与术后3个月DTI各参数值的变化。结果:较之改善不好组,改善较好组最狭窄层面的术前FA值较高,MD和RD值较低,差异均有统计学意义(FA值:Z=-2.315,P=0.021;MD值:Z=-2.114,P=0.035;RD值:Z=-2.295,P=0.022)。术前DTI各参数值与改善率不存在统计学意义上的相关性(FA、MD、AD、RD值的P值分别为0.527、0.608、0.082、0.753)。所有患者术后FA值较术前显著增高(t=-3.124,P=0.004),而MD、AD和RD值的变化则没有统计学意义(P值分别为0.331、0.307、0.103)。结论:DTI参数对评价手术预后有一定的应用价值,特别是FA值可在术后早期评价颈髓恢复情况。

基于社区人群的性别与颈动脉粥样硬化斑块内出血关系的研究

目的探讨性别与通过HR-MRI诊断颅外颈动脉粥样硬化斑块内出血之间的关系。方法在清华大学社区人群中进行横断面调查,通过现场调查问卷获得人口统计学、既往史、行为生活方式、实验室检查结果等信息,根据HR-MRI对颅外颈动脉粥样硬化斑块内出血进行判读,分为斑块内出血组和无斑块内出血组。采用多因素Logistic回归分析探讨性别与斑块内出血之间的关系。结果本研究共纳入246例有颈动脉粥样硬化斑块的研究对象,男性105例(42.7%),平均年龄(64.8±11.5)岁,其中12例(4.88%)有斑块内出血。与无斑块内出血组相比,斑块内出血组男性较多(83.3%vs40.6%,P=0.004),高血压病史(91.7%vs43.2%,P=0.001)和糖尿病病史(50.0%vs12.4%,P<0.001)的比例较高;空腹血糖[(6.30±1.63)mmol/L vs(5.00±0.99)mmol/L,P<0.001]的水平较高。多因素Logistic回归分析发现,男性是颅外颈动脉粥样硬化斑块内出血的独立危险因素(OR 7.68,95%CI 1.10～53.81,P=0.040)。结论男性可能是颅外颈动脉粥样硬化斑块内出血的危险因素。

颅内动脉瘤4D Flow MRI与CFD血流动力学参数测量的对比研究

目的对比研究4D Flow MRI和计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)对颅内动脉瘤的血液流速测量结果,比较分析两种技术方法之间的差异。材料与方法本研究取4例颅内动脉瘤患者,分别做4D Flow MRI扫描和CFD仿真,将两种方法得到的速度结果进行对比研究。根据流速计算并显示4个病例的三维血液流动迹线(Pathline);提取动脉瘤颈部平均血流速度并计算两者之间的归一化均方根误差(normalized root mean square error,NRMSE)和线性相关系数(R^2);最后比较动脉瘤最大截面处的速度分布图。结果 4D Flow MRI和CFD对比结果显示,血液在载瘤动脉和瘤体内部的流动状态相似。瘤颈部平均流速符合良好。4例动脉瘤颈部平均流速的NRMSE均值为0.08992(0.10208、0.10270、0.04242、0.11248),R2均值为0.95958(0.9735、0.9316、0.9920、0.9412)。同时,在动脉瘤最大横截面内,4D Flow MRI和CFD速度分布的整体差异较大,但仍显示出一致的高流速区域分布。结论 4D Flow MRI的测量结果和CFD的计算结果之间具有较好的一致性,在局部存在一定的差异,需要设计体外实验进一步验证。

深度学习技术与医学影像——现状及未来

100多年来,医学影像技术迅速发展,已经成为医疗诊断中不可或缺的技术.进入数字影像时代以来,海量数据的产生为医学影像未来的发展提供了更多的可能性.因此,如何对医学影像大数据做进一步分析和挖掘、如何从医学图像高维度数据中提取有价值的信息、如何将现代医学影像的发展与精准医疗紧密结合,成为医学影像未来发展的重要课题.近年来,随着计算能力的增强和数据的爆炸式增加,以深度学习（deep learning,DL）为代表的人工智能（artificial intelligence,AI）技术取得了长足的进步,并开始应用于生产生活中的各个领域.笔者对DL技术的基本概念进行简要介绍,梳理该技术在医学影像领域的应用现状,并讨论DL技术与医学影像结合的前景与面临的挑战.

基于向量速度的阻力指数计算和对比及校正方法研究

阻力指数是超声临床评估血流动力学变化的重要指标之一。该研究目的在于评估一种新的超声检查模式——向量血流成像功能在测量该指标时的可靠性。通过对10例健康志愿者双侧颈总动脉起始段、中段、末段共6个位置分别采集数据,得到的RI值计算结果与传统PW方式误差约12%。根据向量速度的方向对PW测值校正后,两者的相对误差及其方差均有所下降。基于向量血流成像,用户无需手动校正角度即可直接得到实际流速;除RI计算外,还可对不同时刻的血流速度角度差进行对比,更直观地了解血流动力学细节信息。

血管选择性动脉自旋标记技术在颈动脉内膜切除术围手术期的应用价值

目的探讨血管选择性动脉自旋标记(territorial arterial spin labeling,t-ASL)技术在颈动脉内膜切除术(carotid endarterectomy,CEA)围手术期的应用价值。方法30例诊断为颈动脉狭窄并拟行CEA手术患者分别于术前2周及术后1周行t-ASL检查,并生成脑血流量(cerebral blood flow,CBF)图及脑供血分布图。分别测量术前及术后双侧颈内动脉供血区的CBF值、双侧颈内动脉供血区及椎-基底动脉供血区的灌注体积(perfusion volume,PV),计算总PV(PV总)。采用配对样本t检验比较同侧术前与术后的CBF值及PV的差异;采用独立样本t检验比较高灌注组与非高灌注组术前PV总的差异。结果(1)CEA术前的患侧CBF值低于对侧;术后,患侧和对侧的CBF值均上升,且患侧升高幅度大于对侧;(2)CEA术前的患侧PV低于对侧,CEA术后患侧PV明显升高,而对侧PV及椎-基底动脉PV下降;(3)CEA术后发生高灌注患者的术前PV总显著低于非高灌注组,术后两组PV总间未见明显差异。结论t-ASL作为一个无创性脑血流灌注成像方法,既可以于CEA术前对手术疗效及术后发生高灌注综合征的风险进行预测,又可以用于CEA术后疗效评估。

基于增强MRI纹理分析区分非产褥期乳腺炎与非肿块样强化病灶乳腺癌

目的探讨基于增强MRI纹理分析对区分非产褥期乳腺炎与非肿块样强化病灶乳腺癌的可行性,以期降低非产褥期乳腺炎患者误诊的风险。资料与方法回顾性分析42例非肿块样强化病灶乳腺癌和30例乳腺炎患者的增强MRI图像数据。手动勾画病灶以及正常组织感兴趣区,对每个ROI提取3234个纹理特征,通过稳定性筛查去除对感兴趣区选择敏感的特征,并使用遗传算法和线性判别分析最终提取10个纹理特征对非产褥期乳腺炎、非肿块样强化病灶乳腺癌及正常乳腺组织进行分类。结果使用这10个特征的线性判别分析分类器对三类组织分类的总体准确率为89.6%。其中,对炎-癌分类的敏感度和特异度分别达92.9%和90.0%,说明纹理分析可成功区分非产褥期乳腺炎与非肿块样强化病灶乳腺癌。结论纹理分析能够可靠地区分非产褥期乳腺炎、非肿块样强化病灶乳腺癌及正常乳腺组织,为临床诊断提供可靠的结果。

基于优化后流动敏感黑血序列的豆纹动脉3T磁共振成像

豆纹动脉是大脑内部的重要动脉，其阻塞往往会导致腔隙性脑梗死．现在在临床上主要利用数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）技术实现豆纹动脉成像，然而DSA的有创性是其重要的限制因素．有研究表明，在高场磁共振系统（7 T）下，时间飞跃法（Time-Of-Flight，TOF）已经能够得到较好的豆纹动脉影像，但是在临床使用的1.5 T或3 T磁共振系统下，由于豆纹动脉的管腔直径非常小（大约为0.3-0.7 mm）、血流速度比较慢，对其成像仍然是个挑战．该文主要研究了在3 T磁共振系统下使用流动敏感黑血（Flow-Sensitive Black-Blood，FSBB）序列对豆纹动脉进行成像的方法，并对该成像序列中流动敏感梯度的设计进行了优化，使其在扫描时间和图像分辨率、对比度、信噪比等方面都能够基本满足临床使用的要求．

不同CT成像参数对基于深度学习的智能辅助软件诊断肺结节良恶性效能的影响

目的探讨不同CT成像参数对基于深度学习的智能辅助软件(DL-CAD)诊断肺结节良恶性效能的影响,并确定最优成像参数。资料与方法收集行胸外科手术治疗的126例肺结节患者共169个肺结节,包括良性35个、恶性134个,进行CT平扫和增强扫描。采用不同的图像算法(bone算法和standard算法)和后置迭代重建算法(ASIR-V)(30%ASIR-V和50%ASIR-V)重建图像,并导入DL-CAD进行分析,同时记录肺结节恶性概率值及良恶性诊断结果。以病理结果作为诊断“金标准”,比较不同CT成像参数下的DL-CAD受试者工作特征(ROC)曲线下面积(AUC)及诊断效能。结果DL-CAD对肺结节良恶性的诊断效能在CT增强模式下优于平扫模式(AUC:P<0.001;整体效能:P=0.064),bone算法的诊断效能优于standard算法(AUC:P=0.045;整体效能:P=0.013)。结论CT增强扫描及重建算法会影响DL-CAD对肺结节良恶性的诊断效能,在CT增强模式下,使用bone算法,并应用30%ASIR-V或50%ASIR-V,DL-CAD对肺结节良恶性有较好的诊断效能。

磁共振血管壁成像技术现状及进展

磁共振血管壁成像是利用磁共振原理抑制血管内流动血液信号,获取血管壁等静态组织图像的一种成像方法。由于可以对血管壁进行直接成像,这种方法可以用于评估动脉粥样硬化斑块的形态、成分,进而确定斑块的风险程度。血管壁成像技术的核心问题在于如何有效抑制流动血液的信号,本文就目前磁共振血管壁成像技术的现状及进展做简要的总结回顾。

基于U-Net神经网络的肥厚型心肌病与高血压性左心室肥厚磁共振图像定量分析与鉴别

目的探讨基于U-Net神经网络的肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)与高血压性左心室肥厚(hypertensive left ventricular hypertrophy,HLVH)的磁共振图像定量分析与鉴别。材料与方法回顾性分析2017年国际医学图像计算和计算机辅助干预协会(Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention Society,MICCAI)一项心脏疾病自动诊断挑战项目中包含的100例心脏疾病患者以及2014年7月至2019年3月上海交通大学医学院附属仁济医院确诊的45例HCM与48例HLVH患者。MICCAI数据集作为训练集和验证集,随机挑选5例HCM病例和5例HLVH病例作为测试集,得到一个基于U-Net的心脏自动分割神经网络。对所有入组的HCM与HLVH患者的心脏磁共振图像进行自动分割并提取多项量化参数,采用独立t检验比较各项量化参数在HCM组与HLVH组间的差异,采用多因素logistic回归法对有统计学差异的变量进一步分析建模,使用4折交叉验证方法结合ROC法对模型的分类性能进行验证。结果55项量化参数中有13项在HCM组与HLVH组之间存在显著性差异,有3项指标对两者的鉴别分类具有显著性影响。4折交叉验证得到的ROC曲线下面积分别为0.939、0.984、0.972和0.963,其中最佳模型对应的测试集准确率为86.96%(20/23)。结论U-Net神经网络分割心脏磁共振影像可以提供更多量化信息,有助于鉴别肥厚型心肌病与高血压性左心室肥厚。

YKL-40与颈动脉粥样硬化斑块稳定性的相关性

目的探讨YKL-40与颈动脉粥样硬化斑块稳定性的相关性。方法在社区人群中进行横断面调查,经统一问卷调查获得人口学、行为生活方式、疾病史、用药史等信息,经彩色超声诊断仪检查颈动脉斑块情况。根据责任斑块的彩色超声成像影像学特征分为稳定性斑块组和不稳定性斑块组,并采用酶联免疫吸附法检测YKL-40水平。按四分位数,将YKL-40浓度分为低水平组(<17.96 ng/ml),低-中水平组(17.96-33.40 ng/ml),中-高水平组(33.40-61.59 ng/ml),高水平组(≥61.59 ng/ml)。采用Logistic回归模型分析YKL-40与颈动脉斑块稳定性的相关性。结果本研究共纳入296例有颈动脉斑块的研究对象,其中男性116例(60.8%),中位年龄69岁,YKL-40浓度中位数33.40 ng/ml(四分位数:17.96-61.59 ng/ml)。单因素Logistic回归分析结果显示,以低-中水平组为参照,高水平组颈动脉斑块不稳定性检出风险为3.257倍,差异有统计学意义;低水平组和中-高水平组风险都增加了1.836倍,差异无统计学意义。多因素Logistic回归分析发现,调整年龄、性别、高血压、糖尿病、冠心病既往史、总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇、同型半胱氨酸和超敏C反应蛋白等因素后,与低-中水平组相比,低水平组发生不稳定性斑块的风险是1.638(95%CI 0.580-4.627,P=0.351 3),中-高水平组发生不稳定性斑块的风险是2.144(95%CI 0.786-5.851,P=0.136 3),高水平组发生不稳定性斑块的风险是2.653(95%CI 1.002-7.023,P=0.049 6)。结论 YKL-40的水平可能与颈动脉粥样硬化斑块稳定性相关。

无需心电门控与呼吸控制的心脏磁共振实时成像

目的为解决传统心脏电影成像易受屏气不完全和心律不齐等影响的缺陷,并获得高时间分辨率的心脏图像,本文实现并验证一种无需心电门控与呼吸控制的实时心脏磁共振成像和重建方法。资料与方法使用低秩模型与稀疏约束实现实时成像方法。前瞻性纳入6名健康志愿者及1名心律不齐患者进行心脏磁共振扫描。通过仿真优化成像重建参数;通过健康志愿者实验比较实时方法与传统电影成像方法的一致性;进行心律不齐患者实验以验证实时方法对异常心动周期的捕捉能力。结果模型在参数为阶数L=25、约束系数λ=0.5时表现最佳;实时方法与电影方法对于射血分数、心输出量、每搏输出量指数、左心室质量的皮尔逊相关系数分别为0.9934、0.9997、0.9936、0.9916;Bland-Altman与相关系数分析结果表明,实时方法与电影方法在评估健康志愿者的左心室面积与心功能参数时高度一致,实时方法能够捕捉心律不齐患者的发病状态。结论心脏实时成像方法与传统电影方法具有高度一致性,并能够实现对心律不齐患者的异常心动周期的捕捉,具有进一步研究及临床应用价值。

影像学技术评估冠状动脉微循环损伤的研究进展

冠状动脉微循环损伤是目前缺血性心脏疾病再灌注手术预后的重要风险因素之一。近年来的相关研究表明,评估冠状动脉微循环可以辅助诊断早期心脏供血类疾病或判断心肌缺血再通的预后情况,具有重要的临床意义。本文首先从病理生理学角度阐述了冠状动脉微循环及微循环损伤的定义,其次从工程学角度概述了若干影像学技术对冠状动脉微循环的探查方法及优劣,并提出了相关的研究展望。

一种以超分辨率理论为基础的磁共振眼球成像方法

磁共振成像(MRI)是一种无电离辐射的非介入性的眼内肿瘤检测方法,但分辨率和运动伪影是成像过程中不易克服的困难.以往的扫描方法或是不可避免的引入运动伪影,或是需要受试者做精确的配合,增加了成像的难度,给受试者带来不舒适的体验.本文提出了一种以超分辨率理论为基础的新的磁共振眼球成像方法,使用一种特制的眼球线圈,对眼部区域扫描一系列动态的图像,使得不同方向上的采集分辨率互补.最后经过预处理、配准、超分辨率重建等操作,得到高质量的磁共振眼球图像.实验结果表明,这种方法可以在不需要受试者做额外配合工作的情况下,得到更加清晰的磁共振眼球图像.

多通道相位图像的改进型自适应重建算法

自适应重建(Adaptive Reconstruction,AR)算法被广泛应用于磁共振图像的多通道合并问题上.AR算法不需要直接采集各个线圈的灵敏度信息,而是通过通道间信号及噪声相关矩阵,估算出各个通道的灵敏度,从而保证了合并的幅值图像具有较高的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR).然而,由于AR算法没有针对相位图像的合并问题进行优化,导致重建出的相位图像具有不确定性.另外,受各通道之间相位偏移及低信噪比相位图像的影响,重建结果可能包含伪影.该文提出了一种改进型AR算法,估算并移除了各通道之间的相位偏移,同时对多通道数据的相位进行质量评估及通道重排,用以进行后续自适应重建.仿体及在体实验表明,该方法可以有效提升AR算法稳定性、消除重建图像中存在的伪影,同时保持合并后幅值图像及相位图像的高信噪比.

基于三维卷积神经网络的颈部TOF MRA图像的血管自动分割

目的提出一种基于三维卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的分割模型,通过设计网络结构和调整参数,实现对颈部时间飞跃法磁共振血管造影(time of flight magnetic resonance angiography,TOF MRA)图像的自动精准血管分割。方法三维颈部TOF MRA图像数据来源于一项无症状老年人心脑血管病发病风险研究中的166例受试者。首先由有血管影像临床经验的放射诊断医生运用Mimics软件对颈部动脉血管进行手动标注,再按照8∶1∶1的比例将数据随机分为训练集(132例)、验证集(17例)和测试集(17例)。针对TOF MRA图像稀疏性和高对比度的特点,采用3D CNN的优化模型,通过在U-Net网络的编码和解码路径中多层级的加入专门的模块和不同分辨率的原始图像,更好地学习和利用到图像的独有特征。为研究输入图像的大小对网络性能的影响,从原始图像中分别裁剪出3种不同尺寸大小的三维切块来进行模型训练。在十折交叉验证下,采用Dice系数的平均值和标准差,以及灵敏度和特异度对模型的分割性能进行评价。采用单因素方差分析对比3种切块尺寸下的测试实验。结果所提出的新模型取得了最高的分割Dice值(0.9320)、灵敏度(0.9186)和特异度(0.9996),以及最小的Dice值标准差(0.0051)。ANOVA显著性水平为P<0.01,表明了不同切块尺寸下的模型分割结果有显著性差异,尺寸增大,模型分割结果更好。结论所提出的基于3D CNN的优化模型在TOF MRA图像血管自动精准分割上优于已有方法。此外,增加模型输入图像的尺寸大小有助于提高分割性能。

磁共振新序列影像技术在药物难治性眶额癫痫中的应用价值

目的:探讨MRI新序列影像学技术在药物难治性眶额癫痫诊治中的应用价值。方法:回顾性分析2016年1月至2018年8月清华大学玉泉医院癫痫中心连续收治并经立体脑电图(SEEG)证实的4例药物难治性眶额癫痫患者的临床资料。术前分别采用MRI传统序列影像技术[T1加权成像和液体衰减反转恢复序列(FLAIR)]、新序列影像技术[如双反转序列(DIR)、液体和白质抑制序列(FLAWS)]、MRI形态学测量分析方法(MAP)以及正电子发射断层显像术(PET)观察和分析4例药物难治性眶额癫痫患者的神经影像学特征。根据SEEG结果和术前影像学评估结果制定手术方案,4例患者分别采用SEEG引导的眶额皮质射频热凝术和眶额皮质切除术。结果:4例患者的发作间期癫痫样放电位于额、颞区,其中3例放电侧别与手术部位侧别一致。4例患者的传统MRI序列影像均未发现病灶,T1加权成像数据经MAP分析后有3例患者发现眶额区异常。进行新序列扫描的3例患者中,2例患者在眶额区发现病灶,表现为灰白质交界模糊和皮质下白质信号升高。4例患者中,3例患者的PET在眶额区有局限性低代谢。4例患者的手术均顺利完成,术后无一例出现永久性神经功能障碍。术后随访时间分别为7、13、14、18个月,均无癫痫发作,其中3例随访时间>12个月患者的Engle分级均为Ⅰ级。结论:药物难治性眶额癫痫的传统MRI序列常表现为阴性;新序列影像(DIR和FLAWS)的阳性率高于传统MRI影像序列;MAP、发作间期PET可辅助定位病灶;多种影像学技术相互补充可提升药物难治性眶额癫痫的术前评估效率。

多次激发扩散成像技术对脊髓高信号的脊髓型颈椎病转归的预测研究

目的分析基于回波平面成像序列的多次激发扩散MRI技术在T2加权像脊髓高信号的脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy,CSM)患者中的临床应用情况。方法 2014年1月至2016年1月,24例T2加权像脊髓高信号的单节段和多节段CSM患者在我院接受颈椎前路手术治疗。统计性别、年龄、病程、病变节段,术前和末次随访记录症状情况、常规MRI扫描(椎管狭窄分级和高信号分级)、多次激发扩散成像[高信号节段脊髓各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、轴位扩散张量(axial diffusivity,AD)、垂直扩散张量(radial diffusivity,RD)]、量表评分[日本骨科协会(Japanese orthopedic association,JOA)评分、颈椎功能障碍指数(neck disabilitv index,NDI)和疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)],分析各指标术前和术后变化情况。(1)比较单次和多次激发成像情况;(2)受压和非受压节段扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)参数、高信号区DTI与受压和非受压节段DTI对比;(3)分析术前颈椎MRI观察指标和DTI参数与术后JOA评分改善率的相关性。结果所有患者均安全完成手术,均未出现神经和脊髓损伤等相关并发症。平均随访14.9个月;术后末次随访脊髓高信号节段FA值明显高于术前(P<0.05);术后末次随访脊髓高信号节段RD值明显低于术前(P<0.05)。患者非压迫节段手术前后FA值和RD值差异无统计学意义(P=0.405;P=0.781)。末次随访高信号节段脊髓FA值、RD值、NDI、JOA、VAS评分与术前比较差异有统计学意义(P<0.05)。以术后JOA评分的改善率为标准,发现椎管狭窄分级与其不相关,而FA、RD值变化及最大脊髓压迫率(maximum spinal cord compression,MSCC)与其相关联,其中FA值为最强相关,随改善率的增加而增加;多次激发扩散MRI较单次激发扩散MRI技术在不增加扫描时间的前提下伪影更少、图像更清晰、数据更可信。结论和临床量表评分密切相关的高像素多次激发扩散MRI技术可能将成为脊髓功能评估的重要工具。