扩散加权成像技术能观察活体水分子的微观运动，对脑梗死、肿瘤、感染等疾病有重要的诊断价值^[1,2,3]，已作为常用技术应用于头颅磁共振检查。单次激发平面回波扩散加权成像（echo-planar imaging diffusion-weighted imaging，EPI-DWI）作为目前临床最常用的DWI扫描技术，优点是信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）高和采集速度快。但图像易产生扭曲变形和磁敏感伪影，尤其在颅底更为明显，而且在3.0 T高场磁共振成像中，图像失真会更加突出^[4,5,6,7]。有报道提出，多激发梯度自旋回波扩散加权成像（gradient and spin echo DWI，GRASE-DWI)技术能减轻变形和磁敏感伪影^[8,9]。

       本研究采用单次激发GRASE-DWI序列，目的是通过与EPI-DWI的图像质量对比，探讨在3.0 T磁共振成像系统中，单次激发GRASE-DWI序列结合并行采集技术在改进颅脑扩散加权图像质量中的价值。

1　材料与方法

1.1　一般资料

       2018年7月至2019年6月，前瞻性研究纳入德阳市人民医院临床怀疑为脑梗死的患者，其中男24名，女21名，年龄46~88岁，平均（61.2±11.2)岁。本研究经本院伦理委员会批准，所有受检者均被告知检查相关事宜并且签署知情同意书。纳入标准：临床医生根据病史、临床症状及CT或磁共振（仅磁共振血管造影）等相关检查怀疑为脑梗死的患者。排除标准：有磁共振检查禁忌证的患者和不能配合且镇静无效的患者。本研究共纳入45例患者，其中3例烦躁患者首次检查失败，待镇静后完成检查。

1.2　仪器与方法

       采用飞利浦Ingenia 3.0 T MR(Philips Healthcare，Netherlands）扫描仪，使用头颅15通道相控阵线圈。本研究采用自身配对设计方案，所有患者均行单次激发EPI-DWI和GRASE-DWI序列扫描，横轴位，扫描范围一致。EPI-DWI序列参数：FOV 210 mm×210 mm，矩阵104×101，层厚5 mm，层数20，层间隔1 mm，TR 2875 ms (shortest)，TE 112 ms，b值为0、1000 s/mm²，SENSE加速因子2.1，平均次数2，Average high b 0=1和1000=4，EPI因子49，扫描时间86 s；GRASE-DWI：FOV 210 mm×210 mm，矩阵104 ～101 ，层厚5 mm，层数20，层间隔1 mm，TR 3438 ms (shortest)，TE 112 ms，b值为0、1000 s/mm²，SENSE加速因子2.1，平均次数2，Average high b 0=1和1000=4，EPI因子9，快速自旋回波（turbo spin echo，TSE)因子5，扫描时间96 s。扩散加权序列采集完后自动生成ADC图。

       作为解剖参考序列，T1WI和T2WI采用和DWI一致的扫描层面和方位。T1WI序列参数：FOV 210 mm× 210 mm，矩阵210×210，层厚5 mm，层数20，层间隔1 mm，TR 2000 ms，TI 800 ms，TE 20 ms ；T2WI序列参数：FOV 210 mm×210 mm，矩阵210×210，层厚5 mm，层数20，层间隔1 mm，TR 4000 ms，TE 90 ms。

1.3　图像分析

       主观评价：将45例患者的两种DWI图像分为EPI-DWI组和GRASE-DWI组。由两位副高职称放射科医师使用双盲法（阅片医师并不知患者的临床信息及扫描序列）在图像存储与运输系统进行独立评分。采用5分法^[4,5,10]对大脑解剖结构及其轮廓显示的清晰度（不可辨认=1，尚可辨认=2，显示一般=3，清晰=4，十分清晰= 5)及图像的变形和磁敏感伪影（全脑图像变形和伪影严重＝1，颅底严重，其余尚可＝2，仅颅底严重变形和伪影=3，仅颅底轻微变形和伪影=4，全脑无变形和伪影= 5)进行独立评分并结合T1WI和T2WI做出诊断。

       定量评估：一名放射科技师测量两位评分医师一致诊断为急性或亚急性脑梗死（发病后6 h至14 d)患者的两种DWI图像的定量指标。使用飞利浦Ingenia后处理软件，在b值为1000 s/mm²的图像中，于无明显伪影和图像变形干扰处，将面积约为100 mm²的ROI放置于梗死灶（多发梗死，选择最大梗死灶测量并且避开出血等干扰）及其对侧正常组织以及背景信号（空气）处，采用复制粘贴方式，使所有ROI的位置在两种DWI图上保持一致。记录信号强度和标准差。计算图像SNR、信号强度比（signal intensity ratio，SIR）和对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)。

       计算方法如下：

       其中SInormal是b=1000 s/mm²的DWI图像上正常脑组织的信号强度，SIlesion是梗死灶的信号强度，SDnoise为图像背景（空气）的信号强度标准差。

       在星云工作站上（Philips Healthcare，Netherlands)，于GRASE-DWI和EPI-DWI序列生成的ADC图上测量最大梗死病灶和侧脑室周围正常脑白质的ADC值、ADClesion （梗死灶）和ADCnormal （正常脑白质），采用复制粘贴的方式使面积约为40 mm²的ROI的位置在两种ADC图上保持一致。使用融合工具将两种DWI图像和T1WI图像融合。由于扩散图像的变形，融合图像会出现结构轮廓不匹配的现象，变形越严重不匹配程度越大。测量DWI与解剖参考图(T1WI)的融合图像中脑组织轮廓前后径最不匹配处的差值（图1)，以差值的大小代表图像变形的程度^[5,11]。

       以上患者所有数据均测量3次，取平均值。

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图1  A：EPI-DWI (b=1000 s/mm²）和T1WI的融合图像；B：GRASE-DWI和T1WI的融合图像，图中所示测量距离(↑）为变形导致的不匹配差值
图2  男，76岁，神经源性肿瘤。A、B、C分别为T2WI、EPI-DWI和GRASE-DWI序列图，B图(EPI-DWI)可见占位病灶和颞叶有明显磁敏感伪影和变形(↑)，听神经信号丢失，而C图(GRASE-DWI）并未观察到明显伪影，听神经清晰显示
图3  男，80岁，脑梗死。A、B、C分别为T2WI、EPI-DWI和GRASE-DWI序列图像，参考A图，EPI-DWI像的脑干、颞叶和病灶严重变形（白↑)，而GRASE-DWI像对应的上述结构无明显变形。EPI-DWI像可见明显的磁敏感伪影（红↑），与之相对，GRASE-DWI像除眼眶处几乎无磁敏感伪影
Fig. 1  A: The fusion image of EPI-DWI (b=1000 s/mm²) and T1WI; B: The fusion image of GRASE-DWI and T1WI. The measurement shown in the figure (↑) is the mismatch distance caused by distortion.
Fig. 2  Male, 76 years old, neurogenic tumor. A, B and C were T2WI, EPI-DWI and GRASE-DWI, respectively. In EPI-DWI (B), significant distortions and magnetic sensitive artifacts (↑) observed in occupying lesions and temporal lobes, and the auditory nerve signal lost, while in GRASE-DWI (C), the auditory nerve was clearly displayed without interface of artifacts.
Fig. 3  Male, 80 years old, cerebral infarction. A, B and C were T2WI, EPI-DWI and GRADE-DWI, respectively. Refer to T2WI (A), significant distortions (white ↑) presented in brain stem, temporal lobe and infarction, while the distortion was inapparent in GRASE-DWI. Obvious magnetic sensitive artifacts were observed in EPI-DWI image (red ↑), which were not observed except for eye area in GRASE-DWI image.

1.4　统计学分析

       采用IBM SPSS 24.0统计软件进行统计分析，数据以±s表示。使用Kappa检验分析，两名观察医师的评分一致性。Kappa值在0~ 1间分4组来表示不同级别的一致性：0.21~ 0.40：一般的一致性；0.41~ 0.60：中等的一致性；0.61~ 0.80：高度的一致性；0.81~1：几乎完全一致。两组DWI图像的主观评分行配对资料Wilcoxon符号秩和检验。SNR、SIR、CNR、ADC以及融合图像的不匹配差值比较采用配对样本t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1　诊断结果

       45例患者中8例未见异常，2例脑白质信号增高，2例颅内占位，33例急性或亚急性脑梗死，两位医生诊断结果无分歧。对全部45例患者两种DWI图像行主观评分，33例急性或亚急性脑梗死患者的两种DWI图像行定量指标评价。

2.2　主观评分

       两名观察医师对45例患者颅脑解剖结构显示的清晰度、图像变形和磁敏感伪影的评分一致性均较好。图像清晰度的Kappa评分：EPI-DWI为0.67(95% CI：0.46~0.83)，GRASE-DWI为0.61(95% CI：0.41~ 0.79)；图像变形和磁敏感伪影的评分：EPI-DWI为0.69(95% CI：0.50~0.86)，GRASE-DWI为0.71(95% CI：0.53~ 0.91)。两位医生的评分比较见表1，图像清晰度评分差异均无统计学意义(P=0.349、0.499)，而GRASE-DWI组的图像变形和伪影评分明显优于EPI-DWI组(P均<0.05)，如图2。在3例固定金属假牙的患者中，GRASE-DWI的变形和磁敏感伪影得分大幅高于EPI-DWI，图像质量明显提高（图3)。

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表1  两位阅片医生针对扩散加权图像的清晰度、变形和磁敏感伪影的评分结果
Tab. 1  The scoring results of a mean scale of EPI-DWI and GRASE-DWI for the image definition, distortion and MSA by two readers

2.3　定量评价

       33例急性或亚急性脑梗死患者的两种DWI图像的定量指标评价结果见表2。EPI-DWI的SNR、CNR高于GRASE-DWI (P均<0.05)，SIR差异无统计学意义(P>0.05)。GRASE-DWI序列的ADC图所测的脑梗死灶和正常脑组织的ADC值均高于EPI-DWI序列(P均<0.05)。GRASE-DWI与T1WI融合图像最不匹配处的差值明显小于EPI-DWI的融合图(P<0.05)，表明前者图像变形程度显著低于后者（图1)。

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表2  EPI-DWI与GRASE-DWI的定量图像分析结果
Tab. 2  Results for quantitative image analysis between EPI-DWI and GRASE-DWI

3　讨论

       在上述主观评价中，GRASE-DWI的图像变形和磁敏感伪影显著轻于EPI-DWI；同时，于定量分析中，GRASE-DWI与解剖参考图的最不匹配差值远低于EPI-DWI。因此，本研究可证明，相对于传统的EPI-DWI，GRASE-DWI序列应用于头颅，可明显减轻图像变形和磁敏感伪影，从而提高扩散加权图像的质量。

3.1　序列原理

       GRASE是EPI和TSE的组合序列，与EPI相比，GRASE序列使用多个聚相位射频脉冲（radiofrequency，RF)把单个长EPI回波链分割为数个短EPI回波链，从而使磁场的不均匀和化学位移效应仅在两个RF之间的短回波链中累积，因此可以有效减轻磁场的不均匀和磁敏感效应^[12,13]，如图4。有研究表明，GRASE序列结合放射状K空间填充技术或螺旋桨技术（periodically rotated overlapping parallEL lines with enhanced reconstruction，PROPELLER)应用于DWI能改善图像的变形和磁敏感伪影^[8,9]。在本研究中，单次激发GRASE-DWI序列的EPI因子和TSE因子为反比关系，可增大TSE因子以及结合并行采集技术使EPI回波减少（本研究为9)，而有研究表明减少EPI的回波链可减轻图像的变形和磁敏感伪影^[14,15]。

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图4  GRASE序列的示意图。长EPI回波链被RF脉冲分割成几个短的回波链。因射频脉冲可以消除磁场的不均匀性，所以失共振导致的相位错位只在短的回波链中积累
Fig. 4  The GRASE pulse sequence. The long EPI echo chains are divided into several short echo chains by RF pulses. The RF pulses can eliminate the inhomogeneity of the magnetic field, so the phase error due to off resonance only evolve in the short echo chains.

3.2　GRASE-DWI的特性

       单次激发EPI-DWI的清晰度受限于T2^*的快速衰减，GRASE序列的多个射频聚相位脉冲能有效减轻磁场的不均匀性，因而GRASE的T2^*衰减要慢于EPI，所以理论上讲GRASE-DWI的模糊效应更轻^[6,16]。两种扩散加权技术采用相同的FOV、体素、层厚及TE，但是GRASE-DWI的信噪比低于EPI-DWI，尽管前者使用了较长的采集时间，这说明低信噪比低是GRASE-DWI的固有缺点。但在本研究中，两位评价医生一致认为96 s的GRASE-DWI图像的信噪比已足够满足诊断要求，并且低信噪比的缺点可通过增加平均次数得到改善。定量分析中，ADC值的比较结果表明，GRASE-DWI的梗死灶和正常组织的ADC值均高于EPI-DWI。影响ADC值的因素非常多，如成像系统、序列设计、成像参数、伪影和变形都会不同程度地影响ADC值^[7,17,18]。本研究采用飞利浦3.0 T成像系统，而且两种DWI的参数尽量保证一致，基本排除了机型和参数不同对ADC值的影响，因此笔者有理由认为两种序列ADC不一致的因素为以下3点：(1)由于两种DWI图像变形不一致，其生成的ADC图变形也会有差异，复制粘贴方式会导致测量ROI在两种ADC图像上的实际解剖位置有轻微的差异。(2) GRASE-DWI的无明显伪影影响，测量结果更准确。(3) GRASE和EPI的序列设计有很大的不同。

3.3　临床应用优势

       先前的一些报道已经证明，DWI及其生成的ADC有助于检测和区分颅底病变，但可能会出现伪影和失真^[19,20]。脑干和颞叶的梗死灶常会因磁场不均匀而出现变形和磁敏感伪影，不能准确地测量病灶的大小和ADC值，伪影甚至可能导致误诊^[21]。由于这些原因，无明显失真和伪影的GRASE-DWI在该区域是更值得采用的，因为它提供更好的图像质量和更准确的ADC值。同时，GRASE-DWI更适用于有金属（如固定假牙)等干扰的患者，因其能真实地显示组织和病灶的大小及轮廓，降低变形和磁敏感伪影，进而生成更准确的ADC值。在这些临床实践情况下，牺牲更多的采集时间（86 s vs 96 s）以获取高质量的DWI图像是值得的。

3.4　研究的局限性

       (1）测量侧脑室周围正常脑白质的ADC值时，因个体差异和病变影响，不能保证患者间ROI的位置完全一致，测量技师尽量减少所测解剖位置差异，以减轻由此带来的影响。(2)由于两种DWI图像变形不一致，复制粘贴方式会导致ROI在两种DWI图像上的实际解剖位置有极轻微的差异，为此，测量尽量避开明显伪影和图像变形干扰处，以减小误差。

       综上所述，单次激发GRASE-DWI结合并行采集技术能有效改善颅脑DWI图像的磁敏感伪影和变形，对于有不能避免金属物干扰的患者以及在EPI-DWI上有较重磁敏感伪影和图像变形的脑干、颞叶、小脑、眼眶和鼻窦等处的病灶，GRASE-DWI可作为EPI-DWI的替代序列使用，以排除伪影干扰。与EPI-DWI相比，GRASE-DWI显示出更高的ADC值，所以不建议使用GRASE-DWI和EPI-DWI进行随访研究同一患者。