零回波成像原理及研究進展

周立綏彭 濤牛翔科權(quán)光南

零回波成像原理及研究進展

周立綏1彭 濤1牛翔科1權(quán)光南2

磁共振成像；信號處理，計算機輔助；序列分析；綜述

回波時間（TE）是指施加射頻脈沖到產(chǎn)生回波信號的時間間隔。臨床常用的脈沖序列的TE一般在2～200 ms。在人體組織中，骨皮質(zhì)、肌腱、韌帶等T2*/T2的時間均比常規(guī)序列的TE短，表現(xiàn)為在射頻激勵后，其橫向磁化矢量迅速衰減至零，因此常規(guī)序列在信號采集時已讀取不到任何信號，在圖像上表現(xiàn)為低信號。為了直接顯示這些組織的信號，必須選擇更短TE的序列進行采集。目前，TE在2 ms以下的超短TE（ultrashort TE，UTE）序列[1-2]及零TE（zero TE，ZTE）序列[3-8]已經(jīng)開始進入臨床磁共振設(shè)備。這類序列的出現(xiàn)豐富了圖像對比，拓寬了影像視野，為臨床提供更多的信息。本文就ZTE成像技術(shù)及最新進展做一綜述。

1 ZTE成像原理及圖像特點

常規(guī)脈沖序列的實施通常先施加射頻，然后通過射頻或梯度場的切換產(chǎn)生信號，與常規(guī)序列不同，ZTE采集過程中先進行梯度場的爬升，而后才施加射頻，射頻結(jié)束后立刻進行信號讀取，去除了射頻之后的梯度切換，因此實現(xiàn)了TE時間為零的信號采集（圖1）[3-8]。實現(xiàn)ZTE成像需要解決2個問題：①由于梯度場持續(xù)存在，射頻激勵必須激發(fā)梯度場作用的所有范圍，否則會引起顯著的信號不均、卷繞及位移。通過使用硬脈沖配合較大的采樣帶寬可實現(xiàn)掃描范圍內(nèi)的準(zhǔn)確激發(fā)；②ZTE序列采用快速的放射狀K空間填充方式，但從射頻發(fā)射到信號采集會占用一定的時間，從而造成填充K空間中心數(shù)據(jù)的丟失。要克服這個問題，首先要以高性能的射頻盡可能地縮短激勵時間。其次，快速的系統(tǒng)切換能力，尤其是高速切換的信號接收線圈是ZTE成像的基本要求。最后，要通過周邊數(shù)據(jù)的過采樣以及后續(xù)算法重建K空間中心的數(shù)據(jù)[8]。硬件水平的不斷提高以及算法的不斷改進已經(jīng)使ZTE成像成為現(xiàn)實。

與常規(guī)序列相比，ZTE成像有其獨特之處[3-8]。①ZTE是3D采集成像，這是因為讀出梯度的啟動先于射頻激發(fā)，無法再施加選層梯度，從而不能進行2D掃描，但可在完成3D各項同性采集后進行2D重建。②在一個重復(fù)時間（TR）內(nèi)信號采集結(jié)束以后，讀出梯度只需輕微的調(diào)整即可以進入下一個TR的信號采集，而不需要劇烈的梯度場切換，這一變化不但實現(xiàn)了“靜音”掃描，同時也顯著減輕了渦流效應(yīng)，保證了K空間填充的準(zhǔn)確性，減輕了磁敏感偽影。③ZTE序列的TR也較短，因此與常規(guī)序列相比，能明顯凍結(jié)運動相關(guān)的偽影。④由于TE短，掃描用的線圈甚至周圍的襯墊可以在ZTE上顯像。在圖像特點方面，因TE為零，ZTE主要表現(xiàn)為質(zhì)子密度加權(quán)對比，通過改變射頻翻轉(zhuǎn)角或磁化準(zhǔn)備模塊，ZTE也可以實現(xiàn)T1對比。此外，ZTE已可以實現(xiàn)壓脂掃描以及長T2組織信號的抑制。

圖1 ZTE成像序列。成像過程中先進行梯度G的爬升，緊跟著施加短促的RF射頻脈沖，然后立即進行信號采集（AQ），因而實現(xiàn)了ZTE采集。Tenc即信號采集時間，TG為下次信號采集前梯度切換的時間，TR=Tenc＋TG。Δ是指系統(tǒng)從發(fā)射到接受之間的轉(zhuǎn)換時間

2 ZTE成像的應(yīng)用

2.1 腦血管成像 臨床最常用的腦動脈成像為時間飛躍法（time of fl ight，TOF）序列，其成像原理是通過連續(xù)施加射頻脈沖以飽和靜止的背景組織，新鮮流入的血液則未受到飽和而實現(xiàn)亮血的效果。然而，TOF-MRA成像也存在一些不足，如流速較慢的血液也可能會被飽和而表現(xiàn)為低信號，此外，血管走行紆曲的部位如頸內(nèi)動脈虹吸段，因血流狀態(tài)由層流變?yōu)橥牧鞯葟?fù)雜形式，也會加速質(zhì)子失相位而使信號衰減，造成假陽性或夸大病變程度。對于動脈瘤術(shù)后放置支架的患者，要評價術(shù)后動脈瘤是否被栓塞、病灶旁的血管是否狹窄等，TOF-MRA因受磁敏感效應(yīng)的影響，常常無法顯示這些結(jié)構(gòu)，在術(shù)后療效評價方面存在不足。ZTE-MRA結(jié)合ZTE和動脈自旋標(biāo)記技術(shù)，標(biāo)記內(nèi)源性血流，不受血流狀態(tài)及磁敏感效應(yīng)的影響，可以更好地顯示上述TOF-MRA成像效果不佳的情況。Irie等[9]對9例顱內(nèi)動脈瘤術(shù)后放置鋼圈的患者分別進行TOF-MRA及ZTE-MRA成像，由2名神經(jīng)放射學(xué)專業(yè)醫(yī)師依據(jù)血管顯示的清晰程度進行圖像質(zhì)量評分，0分為不能顯示，4分為顯示最佳。結(jié)果TOF-MRA評分為1.44±0.46，而ZTE-MRA得分為3.44±0.53，兩者有顯著差異，表明ZTE-MRA在評價顱內(nèi)動脈瘤鋼圈置入后療效方面比TOF-MRA更有優(yōu)勢（圖2）。

圖2 顱內(nèi)動脈瘤術(shù)后。DSA成像，可見術(shù)后小瘤頸殘留（箭頭，A）；ZTE-MRA（B）；TOF-MRA成像（C）。因術(shù)后放置鋼圈引起的磁敏感效應(yīng)，TOF不能很好地顯示術(shù)后血管的狀況，ZTE-MRA則不受磁敏感效應(yīng)的影響，對術(shù)后血管的顯示明顯優(yōu)于TOF，接近DSA結(jié)果[9]

2.2 骨質(zhì)成像 在骨肌系統(tǒng)中，骨皮質(zhì)、肌腱、韌帶及軟骨等均屬于短T2*/T2組織，因此UTE和ZTE的應(yīng)用也很廣泛[10-12]。Weiger等[10]嘗試采用ZTE序列觀察牛骨的骨小梁結(jié)構(gòu)，在7T成像系統(tǒng)進行空間分辨率為56 μm的等體素成像，骨小梁結(jié)構(gòu)顯示清晰，不受小梁間空氣及脂肪磁敏感效應(yīng)的干擾，和μCT顯示結(jié)果相當(dāng)，提示骨小梁結(jié)構(gòu)的顯示有助于觀察骨基質(zhì)的信號變化，進一步認(rèn)識骨質(zhì)病變的生理及病理過程。和UTE類似，ZTE也可對骨質(zhì)的礦化過程進行定量，但比UTE的信噪比和對比度更高。

2.3 牙科成像 臨床牙齒成像方式主要是X線和CT。常規(guī)MR可以顯示牙齒周圍軟組織，但不能顯示牙齒本身及牙冠等周圍結(jié)構(gòu)，而ZTE對短T2*/T2組織的顯示能力受到關(guān)注。Hoevener等[13]采用快速自旋回波、UTE和ZTE分別對牙齒進行成像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)快速自旋回波僅能顯示軟組織成像，而UTE和ZTE均可以清晰顯示牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)及牙髓，并且在7T和9.4T成像系統(tǒng)上分辨率可以達到150 μm3。此外，ZTE還可以顯示牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)，而UTE則顯示不佳。研究得出結(jié)論，ZTE不僅能顯示牙齒周圍軟組織，還能顯示牙齒的固體成分，因此可以作為輻射檢查的替代手段。Weiger等[14]對游離牙齒分別進行μCT及ZTE成像，結(jié)果表明ZTE可以清晰顯示牙骨質(zhì)和牙釉質(zhì)的邊界，成像效果可與μCT相當(dāng)。另外，對于有汞劑填充的牙齒，μCT有明顯的放射狀偽影，而ZTE則不受干擾。ZTE在顯示早期去礦化及齲齒方面更有優(yōu)勢。在下牙槽植牙或拔智齒時，需要確定下頜神經(jīng)管的位置，以防手術(shù)過程中損傷其內(nèi)的下牙槽神經(jīng)。以往的輔助影像檢查以CT為主，但CT對比不佳并且存在電離輻射。Kang等[15]進行了牙槽ZTE成像，清楚地顯示了下牙槽牙齒及下頜神經(jīng)管的位置，并可以準(zhǔn)確測量牙根距離神經(jīng)管的位置，提示在口腔植牙或拔牙時，ZTE可作為CT的一種替代手段。

2.4 肺部成像 肺部氫質(zhì)子含量低，橫向弛豫時間短，常規(guī)序列均表現(xiàn)為極低信號。同時，肺內(nèi)的空氣會引起明顯的磁敏感偽影，再加上呼吸運動的影響，使得磁共振肺成像的應(yīng)用價值受到限制。ZTE序列的出現(xiàn)有望突破這一成像禁區(qū)[16-20]。Weiger等[16]采用常規(guī)梯度回波及ZTE序列進行小鼠肺部成像，結(jié)果表明，在沒有呼吸控制的條件下，常規(guī)梯度回波序列成像肺部信號很低，而且有明顯的運動偽影，而ZTE成像則無明顯呼吸運動偽影。在添加呼吸門控的情況下，ZTE能顯示更多的細(xì)節(jié)，并且成像質(zhì)量穩(wěn)定。Bianchi等[17]使用UTE、ZTE序列及μCT對大鼠肺氣腫模型進行成像分析，結(jié)果表明ZTE可以進行3D各向同性成像，其分辨率可達到400 μm，可以獲得高質(zhì)量的肺部圖像，并且掃描過程在自由呼吸狀態(tài)下完成，無明顯呼吸運動偽影。另外，與正常對照相比，肺氣腫模型大鼠組在ZTE序列上的圖像信噪比顯著下降，推測ZTE可望成為一種無創(chuàng)評價肺氣腫形態(tài)及病理改變的檢查方法。

此外，ZTE序列在骨膜、腦膜的成像也有報道。既往研究顯示，由于ZTE序列的高穩(wěn)定性，可以代替常規(guī)掃描開始前的定位掃描，可以省去預(yù)掃描確定中心頻率以及勻場的過程，提高掃描效率。當(dāng)然，ZTE也存在一些固有不足，如上所述組織激發(fā)時需要很大的帶寬，特殊吸收率值會顯著高于普通序列。

綜上所述，與傳統(tǒng)的T1、T2及質(zhì)子密度加權(quán)成像相比，ZTE成像是MRI領(lǐng)域的又一突破。目前，由于ZTE成像的硬件要求較高，其臨床應(yīng)用尚未完全開展， 但ZTE在不斷發(fā)展，其激勵方式以及重建算法也在不斷改進[21]。隨著技術(shù)進步及人們認(rèn)識的不斷深入，這一技術(shù)將在臨床上發(fā)揮越來越重要的作用。

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2016-11-28

2017-01-25

（本文編輯 饒亞嵐）

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.05.018

成都市衛(wèi)生和計劃生育委員會課題項目（編號：2015080）。

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