单次屏气结合人工智能压缩感知的肺部MRI扫描在结节检测中与光子计数探测器CT的诊断性能比较

《European Radiology》：Diagnostic performance of a single breath-hold lung MRI scan with AI-powered compressed sensing for nodule detection in comparison to photon counting detector-CT

　　

摘要
目的：本研究旨在评估单次屏气加速3D-T1w-FFE 3-T MRI序列用于肺结节筛查的性能，并与作为参考标准的光子计数探测器CT（PCD-CT）进行比较。
材料与方法：在这项单中心前瞻性研究中，148名健康成年人于2024年6月至2025年6月期间接受了肺部3-T MRI检查，采用单次屏气、人工智能辅助压缩感知（AI-CS）加速的3D-T1-FFE序列（加速因子为9），以评估肺结节的存在。研究人员入组了在24小时内使用PCD-CT进行扫描以进行比较的患者。对每位患者评估了Lung-RADS评分，并对所有结节的尺寸和成分进行了评估。使用Lin's一致性相关系数（CCC）比较了MRI与PCD-CT的诊断性能，包括观察者间和模态间一致性。
结果：入组了97名患者（65名男性，占67%；平均年龄58±12岁），其中33名（34%）为主动吸烟者。MRI和CT在Lung-RADS 4A和4B类别上显示出完全一致。MRI对实性结节的总体敏感性为83.1%（95% CI: 73.2–89.9），对于≥4 mm的结节，敏感性增至98.1%（95% CI: 90.2–99.7）。结节尺寸的Lin's CCC为0.985，表明一致性极佳，在Bland–Altman分析中，MRI显示轻微低估1.02 mm（95% CI: [?1.16, 3.20]）。MRI未能检测到<4 mm的钙化结节，这些结节占未检测结节的51.2%。
结论：单次屏气AI-CS加速的3D-T1-FFE MRI扫描可作为实性肺结节筛查的有效工具，与CT显示出极好的一致性。
关键点：问题：使用优化的单次屏气AI-CS加速3D-T1-FFE序列的肺部MRI能否成为肺癌CT筛查的无辐射替代方法？发现：使用AI-CS 3D-T1-FFE序列的肺部MRI对实性结节的总体检出准确率为87.3%，对于≥4 mm的结节升至97.7%。临床相关性：使用优化的AI-CS 3D-T1-FFE序列的肺部MRI是胸部CT用于肺结节筛查的有前景替代方案，提供高诊断准确性，尤其对于临床相关结节，出色的Lung-RADS分类一致性，以及短采集时间（17.2秒[IQR, 17.2–17.3]）。

论文解读文章

研究背景
原发性肺癌是全球第二常见的恶性肿瘤，也是癌症相关死亡的首要原因。计算机断层扫描（CT）因其高可用性、优异对比度和空间分辨率以及快速采集，成为肺结节检测的标准影像学方法。低剂量CT（LDCT）在高危人群中的筛查已显示可降低20%的癌症相关死亡率，但需重复扫描，导致患者暴露于累积辐射，终身辐射诱发肺癌风险增加0.5%–5.5%。磁共振成像（MRI）提供无辐射成像和优越的软组织对比度，但肺部成像因低质子密度、极短T2*、空气-组织界面的磁敏感伪影以及心脏和呼吸运动而具有挑战性。近年来MRI硬件和软件的进步改善了图像质量，促使Fleischner学会将MRI视为肺癌筛查的有价值无辐射替代方案。此外，马尔可夫建模显示MRI可能提供与CT相似的生命期望获益且成本效益更优。肺部MRI临床实施的主要障碍是扫描时间过长，持续数分钟的扫描会导致患者依从性问题、成本增加及基础设施要求，扰乱筛查工作流程。人工智能辅助压缩感知（AI-CS）通过结合非相干k空间采样与基于深度学习（DL）的重建和去噪，实现更快扫描。该方法主要应用于脑部和肌肉骨骼成像，实现了更快的采集协议、减少患者不适并改善诊断能力。AI-CS在肺部筛查中已显示出潜力，能在保持图像质量和诊断准确性的同时缩短扫描时间。然而，既往研究中尽管使用AI加速3D梯度回波序列实现了高各向同性空间分辨率（1 mm），总扫描时间仍达数分钟，无法实现单次屏气采集——这是快速筛查的关键要求。较短的采集时间可减少运动伪影、提高患者依从性，并更好地模拟LDCT的快速工作流程。因此，本研究的目的是评估一种较低分辨率（2 mm各向同性）的AI-CS 3D-T1-FFE 3-T MRI协议在完全单次屏气采集下检测肺结节的诊断敏感性，以光子计数探测器CT（PCD-CT）作为参考标准。

主要技术方法
本研究为单中心前瞻性研究，经当地伦理委员会批准并获取知情同意。研究期间（2024年6月至2025年6月）筛查了连续无症状成年患者（年龄≥18岁），这些患者作为全身MRI筛查的一部分接受了肺部3-T MRI。纳入标准要求同一天内进行PCD-CT非增强胸部CT作为参考标准。排除标准包括拒绝同意、年龄<18岁、未行胸部CT、间质性肺病或炎性改变。最终入组97名患者（男性65/97，占67%，平均年龄58±12岁），其中33名（34%）为主动吸烟者，14名（14%）为既往吸烟者，1名（1%）有职业吸入暴露史。MRI在3-T系统（Philips 7700, Philips Healthcare）上进行，配备32通道心脏接收线圈和梯度系统（最大振幅65 mT/m，切换率220 T/m/s），患者仰卧位，不使用对比剂，采用3D T1加权快速场回波（FFE）Dixon笛卡尔冠状位扫描，各向同性空间分辨率2×2×2 mm。使用硬非选择性发射脉冲以最小化回波时间（TE）并改善肺结节可视化，尤其是第一回波。应用默认足-头（FH）读出方向过采样因子2以防止信号混叠。序列采用2个回波（TE₁/TE₂=0.9/2.0 ms），重复时间（TR）3.1 ms，翻转角（FA）10°，水脂位移0.35像素，视野380×442×300 mm3。右-左（RL）方向过采样因子根据患者胸廓大小个体化调整，中位屏气持续时间为17.2秒[IQR 17.2–17.3]。图像重建使用AI-CS框架（SmartSpeed, Philips Healthcare），加速因子9，采用基于深度学习（DL）的重建算法Adaptive-CS-Net集成到迭代重建过程中，去噪水平设置为40%以平衡噪声抑制与结构细节保留。胸部CT在PCD-CT系统（NAEOTOM Alpha; Siemens Healthineers）上于吸气末屏气时进行，不使用对比剂，采用低剂量协议（IQ level 15, Sn 100 KV, 层厚0.8 mm, 增量0.6 mm, 矩阵1024², BI56, QIR3）。图像由两名具有超过15年胸放射学经验的委员会认证放射科医师以共识方式匿名分析，应用标准化窗设置（CT: 水平-550 HU, 宽度1600 HU; MRI: 水平110 SI, 宽度700 SI）。对所有检测到的结节进行逐结节分析，包括位置、尺寸和形态，并逐患者分配Lung-RADS分类。第二名具有5年经验的放射科医师分析图像以评估观察者间一致性。根据Fleischner学会指南将结节分为磨玻璃影（GGO）、部分实性结节、实性结节和钙化结节。统计分析方法包括Shapiro–Wilk正态性检验、Student's t检验或Mann–Whitney U检验、卡方检验或Fisher精确检验、Cohen's kappa系数（κ）、McNemar检验、Lin's一致性相关系数（CCC）、Bland–Altman分析和逻辑回归分析。

研究结果
整体结节检测：PCD-CT共识别118个肺结节，中位尺寸4.5 mm [IQR 3–6 mm]，包括73个实性、4个部分实性、6个GGO、23个钙化和12个部分钙化结节。MRI总共检测到78个结节，其中除一个因图像伪影导致的假阳性外，均经CT确认。MRI敏感性因结节成分而异：实性结节63/73（88%），部分钙化8/12（67%），GGO 2/6（33%），部分实性1/4（25%），钙化结节仅2/23（9%）。MRI漏诊41个结节，其在PCD-CT上的中位直径显著小于检测到的结节（3.0 mm [IQR 2.0–4.5 mm] vs. 4.0 mm [IQR 3.5–7.0 mm]; p<0.001）。超过一半的漏诊病变为钙化性（21/41, 51.2%; 中位直径2.0 mm [IQR 1.5–5.0 mm]），其余20个（48.8%）主要为实性，中位直径2.5 mm [IQR 2.1–3.0 mm]。在两种模态均检测到的77个结节亚组中，PCD-CT测量的最大直径显著大于MRI测量的（5.5 mm [IQR, 4.0–7.0 mm] vs. 4.0 mm [IQR, 3.0–6.0 mm]; p<0.001），提示MRI存在轻微系统性低估。Bland–Altman分析显示平均偏差1.02 mm（95% CI: [?1.16, 3.20] mm），CCC为0.985。以CT为参考标准，MRI的特异性为97.0%（95% CI: 84.7–99.5），阳性预测值（PPV）为98.7%（95% CI: 93.1–99.8）。考虑所有结节（无论尺寸和成分），MRI敏感性为65.3%（95% CI: 56.3–73.2），阴性预测值（NPV）为43.8%（95% CI: 33.0–55.2），受漏诊小比例结节影响。按尺寸（≥4 mm）分层时，敏感性增至82.4%（95% CI: 72.2–89.4），准确性为86.9%（95% CI: 79.2–92.0）。
按成分的检测性能：读者使用MRI识别实性和部分实性结节的能力极佳，敏感性83.1%（95% CI: 73.2–89.9），PPV 98.5%（95% CI: 91.8–99.7），准确性87.3%（95% CI: 79.8–92.3）。相比之下，MRI对钙化结节的敏感性较低（28.6%; 95% CI: 16.3–45.1），NPV为56.1%（95% CI: 43.3–68.2）。
按尺寸的实性结节检测性能：MRI对≥4 mm结节表现更高性能，敏感性98.1%（95% CI: 90.2–99.7），特异性97%（95% CI: 84.7–99.5），准确性97.7%（95% CI: 92.0–99.4）。MRI准确性随阈值尺寸增大而进一步提高，对于≥6 mm结节达98.4%（95% CI: 91.3–99.7），对于≥8 mm结节达100%（95% CI: 92.4–100）。因此，MRI性能强烈依赖于尺寸，对<4 mm病变敏感性降低。逻辑回归分析显示结节成分和尺寸均影响MRI检测。实性结节被检测到的可能性是钙化结节的149.6倍（OR=149.6; 95% CI: 14.7–1524.2; p<0.001）。此外，CT测量直径每增加1 mm，MRI检测的几率增加约3倍（OR=3.2; 95% CI: 1.7–6.1; p<0.001）。
读者间一致性：观察者间在结节检测上的一致性对于PCD-CT（95%一致，Cohen's K=0.77 [95% CI 0.38–1.00]）和MRI（90%一致，Cohen's K=0.88 [0.70–1.00]；McNemar检验不显著）均较高。结节尺寸测量的可靠性对于PCD-CT（ICC=0.993 [0.929–1.000], CCC=0.993）和MRI（ICC=0.997 [0.962–0.999], CCC=0.997）均极佳。PCD-CT的平均差异为0.10 mm（95%一致性界限[?1.80至2.00] mm），MRI的平均差异为?0.33 mm（95%一致性界限[?1.64至0.97] mm）。

讨论与结论
讨论部分指出，肺部MRI是CT用于人群筛查和辐射敏感人群的有吸引力的无辐射替代方案。本研究中，研究人员使用优化的T1w-3D-FFE序列在3-T MRI上于单次屏气（约17秒）内完成采集。总体而言，MRI对任何尺寸实性结节的检测准确性为87.3%，对≥4 mm结节升至97.7%。MRI系统性地低估结节尺寸（与PCD-CT相比差异1.02 mm），直接归因于2×2×2 mm各向同性分辨率导致的局部容积效应。此系统性偏差可能在关键Lung-RADS尺寸阈值（6–8 mm）附近产生临床影响，需制定MRI特异性尺寸标准。然而，在本队列中，低估并未显著影响临床相关结节的检测，Lung-RADS分类一致性极佳。值得注意的是，3名患者的可疑病变（Lung-RADS 4A-4B）经CT、FDG-PET和组织学证实为癌症，MRI未遗漏任何临床相关结节。MRI检测率受结节尺寸和成分影响：对<4 mm小结节尤其钙化结节检测不可靠（占未检测结节51.2%），因钙化结节氢质子含量低导致MRI信号缺失。虽然<4 mm和钙化结节在肺癌筛查中通常被视为良性，但小型恶性结节可能在肿瘤患者中被遗漏，限制MRI在检测远处肺转移中的适用性。优化MRI准确性与采集时间的平衡是临床适用性的关键问题。最近引入的超短回波时间（UTE）和零回波时间（ZTE）序列图像质量好但与CT一致性高，但扫描时间较长（7–10分钟）限制其常规使用。相比之下，笛卡尔采集结合先进梯度系统和基于AI的重建技术可将回波时间降至1毫秒以下，实现单次屏气全胸部采集，是更实用且可扩展的高通量肺部MRI方案。本研究的关键技术重点是使用AI-CS，其通过将深度学习（DL）融入重建过程，改善噪声-结构分离并保留空间细节，允许高加速因子。然而，微小平滑和局部容积效应可能仍会发生，尤其对<4 mm小结节，需谨慎平衡速度与质量。研究人员将去噪水平限制在40%以减小对边缘锐度和结节边界定义的影响。既往研究识别CS-AI-10为最佳加速因子，但扫描时间为2:34分钟，依赖自由呼吸且易受运动伪影影响。另一项研究使用AI-CS 3D GRE序列，对>3 mm结节检测率为96.3%，但总扫描时间3:53分钟。本研究的优化T1w-3D-FFE序列结合CS-AI-9实现单次屏气采集（约17秒），对临床相关结节检测性能良好，可与CT筛查协议竞争。实性结节检测极佳，与既往UTE和ZTE序列研究相当，且本队列结节尺寸更小（MRI上4.0 mm [IQR 3.5–7.0 mm]），反映无症状健康人群特征而非高肺病风险患者。研究局限性包括样本量相对较小（反映一般人群肺结节低患病率）、亚实性结节数量少、2 mm各向同性分辨率导致<4 mm结节检测敏感性低（所有结节0.342，实性结节0.526）及尺寸低估，以及不同平台AI-CS重建算法差异可能影响可重复性。结论：肺部MRI是CT用于肺结节筛查的有前景替代方案，适用于全人群肺癌筛查和特定亚组（如年轻个体、需重复随访或拒绝CT的患者），提供无辐射检测和纵向监测优势，并可与STIR和DWI等序列整合以增强结节特征化。