《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》：Accelerated free-breathing volumetric liver proton density fat fraction (PDFF) and \({\mathbf{R}}_{2}^{\mathbf{*}}\) quantification in pediatric patients using stack-of-radial MRI with multidimensional regularized reconstruction: a retrospective study
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本研究针对儿童难以屏气、传统MRI技术应用受限的难题，通过引入运动解析压缩感知结合多维正则化的新型重建方法，利用回溯性欠采样儿科患者数据，对三维径向堆栈肝脏质子密度脂肪分数(PDFF)与R?*定量技术进行了评估。结果显示，该方法在显著缩短扫描时间（约1分钟）的同时，有效减少了图像伪影，量化结果与金标准相比具有高度等效性，为儿童无创肝脂肪及铁沉积评估提供了高效可靠的加速成像解决方案。
肝脏是人体重要的代谢器官，其脂肪含量（脂肪变性）和铁沉积水平的精准无创评估，对于诊断和管理代谢功能障碍相关脂肪性肝病(MASLD)、血色病等至关重要。尤其是在儿科患者中，准确诊断和监测对于儿童肝脏疾病的长期管理具有重要意义。磁共振成像(MRI)因其无创、无辐射的优势，已成为肝脏脂肪和铁定量评估的重要工具。传统的三维多回波笛卡尔梯度回波(GRE)屏气扫描技术在成人中已得到充分验证，但对于难以配合屏气的儿童而言，其应用面临巨大挑战。自由呼吸扫描虽能解决配合问题，但呼吸运动会导致图像模糊和定量偏差。三维径向堆栈(stack-of-radial)成像结合自门控技术，为解决这一问题提供了可能，它能有效补偿运动，但通常需要采集远超奈奎斯特采样要求的径向视图（即过采样）来保证图像质量和定量精度，导致扫描时间过长（通常为2-6分钟），这增加了儿童在扫描过程中的不适和移动风险，甚至需要镇静。因此，如何在保证定量准确性的前提下，大幅缩短自由呼吸肝脏MRI的扫描时间，成为了儿科影像领域一个亟待解决的关键问题。
为了解决这一难题，来自未知机构的研究团队在《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》上发表了一项研究。他们评估了一种新型的、采用运动解析多维正则化压缩感知重建的加速自由呼吸三维径向堆栈MRI技术，旨在实现儿童肝脏质子密度脂肪分数(PDFF)和有效横向弛豫率(R?*)的快速精准定量。
为评估这一新方法的效能，研究人员开展了一项回溯性研究。研究团队利用了来自圣裘德儿童研究医院(Saint Jude Children‘s Research Hospital)机构审查委员会批准的21例临床儿科患者（其中17例用于部分附加分析）的原始数据，这些数据此前已用于一项肝脏铁过载评估研究。研究使用1.5T MRI扫描仪采集了自由呼吸的三维多回波径向堆栈数据，每个切片采集了700个径向视图（过采样因子为2）。他们通过一个定制的Python脚本，从原始过采样数据中回溯性地生成欠采样数据集（352和176个径向视图，对应采样因子1.0和0.5），以模拟加速采集的效果。研究人员将新提出的方法与既有的“stable40”自门控方法进行了比较。该方法的关键在于，新方法并非简单地丢弃大部分呼吸周期内的数据，而是通过自门控信号将采集到的所有径向视图解析为多个呼吸运动状态（本研究使用4个状态），然后应用压缩感知(CS)技术结合多维（空间平面+运动状态维度）正则化进行图像重建，旨在利用更少的数据获得更高质量和更准确的定量结果。图像重建后，使用多步自适应拟合算法计算PDFF和R?图，并在排除血管的整个肝脏感兴趣区(ROI)内进行定量测量。采用Bland-Altman分析和贝叶斯后验分析（设定PDFF和R?的实践等效区域ROPE分别为±3%和±10 s-1）来评估新方法与传统方法的定量一致性。此外，还分析了不同视图数量（50-700）和不同呼吸运动状态对量化结果的影响，并计算了对应的等效采集时间节省。
研究结果
代表性欠采样数据和两种方法的自门控
图1展示了从一名患者数据中提取的自门控信号曲线。结果显示，在过采样数据（700个视图）上，stable40方法识别并接受接近呼气末的40%数据用于重建。而在欠采样数据（352和176个视图）上，新方法将数据解析为4个呼吸运动状态，为后续的压缩感知多维正则化重建提供依据。
代表性回波图像、PDFF图和R?图*
图2和图3展示了两位患者的图像和定量图。与采用700个视图的stable40参考方法相比，stable40方法使用352或176个视图重建时，回波图像、PDFF图和R?图上可见明显的条纹伪影。而采用新方法重建的图像，条纹伪影显著减少，其PDFF和R?测量值与参考结果匹配良好。特别地，在图3的案例中，使用176个视图的stable40方法因欠采样伪影严重，导致PDFF图出现局部脂肪/水交换错误，R?*图出现异常值，而新方法则避免了这些问题。
统计分析
Bland-Altman分析显示，与参考方法（stable40, 700视图）相比，新方法使用176个视图时，PDFF的平均偏差和一致性限为[-0.7; -2.4, 1.0]%，优于stable40方法使用352个视图时的结果[0.8; -0.6, 2.1]%。对于R?*，新方法使用176视图的偏差为[-5.3; -25.5, 14.9] s-1，同样优于stable40方法使用352视图的[-9.2; -51.9, 33.4] s-1。
贝叶斯后验分析表明，新方法使用176个视图时，其PDFF结果与参考方法具有100%的实践等效性，R?结果有98.25%在等效区域内，均被判定为与参考方法“实际等效”。而stable40方法即使在352个视图下，其R?结果也未能达到等效标准。
欠采样和呼吸运动状态的影响分析
对17名患者的进一步分析（图5）表明，随着视图数减少，PDFF均值略有下降，R?均值略有上升，受试者间变异度增加。对于PDFF和R?，达到接近参考精度的“拐点”均出现在约200个视图附近。关于呼吸运动状态的影响（图6），PDFF在不同呼吸状态下差异微小，而R?*则表现出稍大的变异性，但总体而言，运动状态引起的偏差在可接受范围内。
等效采集时间节省
基于上述结果，研究人员经验性地推荐使用176个径向视图（采样因子0.5，相当于4倍加速）进行采集。与原始过采样协议（700个视图，采集时间144-417秒）相比，新协议可将估计采集时间缩短至47-137秒，节省了约67%的时间，有望将整个肝脏的PDFF和R?*定量扫描时间缩短至大约1分钟。
研究结论与讨论
本研究成功评估了一种结合运动解析压缩感知与多维正则化重建的自由呼吸三维径向堆栈MRI新技术，用于儿科患者肝脏PDFF和R?*的快速定量。研究证实，相较于传统的自门控方法，该新方法在处理严重欠采样数据时，能有效抑制条纹伪影，提高定量准确性，并实现与过采样参考标准结果的“实际等效”。
其重要意义在于：首先，该方法通过利用所有采集数据（包括不同呼吸状态）并结合先进的重建算法，在保持定量精度的同时实现了高达4倍的采集加速，大幅缩短了扫描时间至约1分钟。这对于难以长时间保持静止的儿童患者至关重要，有望减少扫描过程中的不适和运动伪影，降低对镇静的需求，从而提高儿科肝脏定量MRI的临床可行性和患者耐受性。其次，该技术为无创、快速、精准地评估儿童肝脏脂肪变性和铁过载提供了强有力的工具，有助于这些肝脏疾病的早期诊断、风险分层和治疗监测。研究也指出了当前研究的局限性，包括仅进行了回溯性欠采样验证、样本量有限以及PDFF和R?*的数值范围有待进一步拓宽等，未来需要通过包含更广泛患者群体的前瞻性研究来进一步验证和推广该技术。
