MRI 在評(píng)價(jià)呼吸力學(xué)中的研究進(jìn)展

楊曉燕，孫海雙，劉敏，代華平*，王辰,4

1.首都醫(yī)科大學(xué)中日友好醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，北京 100029；2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，吉林 長(zhǎng)春 130021；3.首都醫(yī)科大學(xué)中日友好醫(yī)院放射診斷科，北京 100029；4.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，北京 100730

呼吸力學(xué)是指通過(guò)測(cè)量肺部壓力及流量對(duì)肺功能進(jìn)行描述，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括流量、壓力、體積、順應(yīng)性、阻力和呼吸功，這些指標(biāo)直接影響肺容積、功能余氣量及氣體交換功能[1]。呼吸力學(xué)在評(píng)價(jià)患者肺部病理生理及疾病狀態(tài)等方面非常重要，目前的評(píng)價(jià)方法包括呼吸量測(cè)定法、體積描記法、超聲、磁力計(jì)和CT等，均有一定的局限性。MRI的時(shí)間和空間分辨率有所提高，并且可以非侵入性、無(wú)電離輻射地在患者呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)成像，可以非常直觀地觀察及測(cè)定呼吸泵的聯(lián)合作用，定量分析疾病狀態(tài)下呼吸肌及肺組織的呼吸力學(xué)特征，為研究疾病的發(fā)病機(jī)制、評(píng)估疾病狀態(tài)提供直觀的量化指標(biāo)。本文對(duì)呼吸力學(xué)基礎(chǔ)及評(píng)價(jià)方法、MRI評(píng)價(jià)肺部呼吸力學(xué)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜合分析。

1 呼吸力學(xué)解剖基礎(chǔ)及評(píng)價(jià)方法概況

呼吸力學(xué)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)包括呼吸肌、肺組織、骨與關(guān)節(jié)和神經(jīng)，主要受肺和胸壁力學(xué)特性的影響。膈肌是在呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中改變肺容積最主要的呼吸肌。呼吸肌的收縮和舒張是呼吸運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力，肺部運(yùn)動(dòng)受其影響，并進(jìn)一步依賴肺部組織的彈性和阻力特性。疾病可以影響其中的任何一部分，如脊柱側(cè)彎的患者會(huì)伴有胸腔畸形進(jìn)而影響肌肉收縮，骨骼肌代謝相關(guān)疾病會(huì)影響呼吸肌的功能，膈神經(jīng)麻痹會(huì)使受影響的半側(cè)膈肌不能運(yùn)動(dòng)，此外還有各種呼吸系統(tǒng)疾病如間質(zhì)性肺疾病、慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive lung disease，COPD）等可通過(guò)改變組織彈性或增加氣道氣流阻力影響肺的硬度及順應(yīng)性，從而改變呼吸力學(xué)特征。

目前，呼吸力學(xué)的評(píng)價(jià)方法主要依賴間接的肺功能檢查，如呼吸量測(cè)定法、體積描記法，還包括超聲、磁力計(jì)和CT。其中呼吸量測(cè)定法僅反映口腔氣流，而體積描記法反映的是整個(gè)胸腔和腹部容積的改變，所以不能提供局部的肺功能參數(shù)；超聲僅能評(píng)價(jià)局部的膈肌運(yùn)動(dòng)，不能同時(shí)相地整體評(píng)價(jià)膈肌運(yùn)動(dòng)；CT主要用于評(píng)價(jià)胸壁和膈肌的完整度和厚度，病灶及其范圍，盡管也可評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)呼吸力學(xué)參數(shù)的變化，但其輻射劑量一直是備受關(guān)注的問(wèn)題。而MRI多序列多相位的成像方式，尤其是動(dòng)態(tài)成像可以描述呼吸肌的運(yùn)動(dòng)功能和肺組織的彈性，使呼吸力學(xué)的定量及可視化評(píng)價(jià)成為可能。

2 MRI 評(píng)價(jià)呼吸力學(xué)的成像序列及分析指標(biāo)

2.1 呼吸力學(xué)MRI序列 二維動(dòng)態(tài)MRI主要采用快速二維梯度回波（fast two-dimensional gradient-echo，2D-GRE）及穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)序列（steady-state free precession，SSFP）結(jié)合并行采集技術(shù)，空間分辨率大約為3～10幀/s，推薦的動(dòng)態(tài)2D-GRE序列參數(shù)包括[2]：TR 2.34 ms，TE 0.96 ms，帶寬980 Hz/pixel，翻轉(zhuǎn)角5°，矩陣128×96，層厚12 mm，時(shí)間分辨率8/s，加速因子2～3。而動(dòng)態(tài)SSFP（TrueFISP）結(jié)合并行采集掃描序列的參數(shù)包括：TR 2.4 ms，TE 1.04 ms，帶寬1 240 Hz/pixel，矩陣192×144，層厚10 mm。時(shí)間分辨率9/s，加速因子2。在1.5T MRI上，改進(jìn)后的SSFP序列結(jié)合并行采集技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率，而3T MRI上SSFP序列由于增加的血流偽影和磁場(chǎng)的不均勻性可能嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，因此建議在1.5T MRI上使用SSFP序列，3T MRI系統(tǒng)上使用GRE序列。

二維動(dòng)態(tài)MRI的最大優(yōu)勢(shì)是觀察肺和胸壁在一個(gè)以上呼吸周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變化，即在自由呼吸或呼吸指令的狀態(tài)下對(duì)不同平面（軸位、矢狀位、冠狀位等）進(jìn)行動(dòng)態(tài)成像，以評(píng)估呼吸動(dòng)力。而3D-MRI的顯著優(yōu)勢(shì)是可以觀察多個(gè)呼吸周期內(nèi)的肺和胸壁的運(yùn)動(dòng)，并且可以通過(guò)自由選擇成像平面，實(shí)時(shí)記錄主動(dòng)和被動(dòng)的呼吸運(yùn)動(dòng)[3]。4D-MRI使用極快速3D-GRE/SSFP序列及回波共享（TREAT/TWIST/TRICKS）序列結(jié)合并行采集。推薦的掃描參數(shù)：TR 2.1 ms，TE 0.8 ms，帶寬1 500 Hz/pixel，矩陣128×96，時(shí)間分辨率為每個(gè)體積0.7 s，體素3.1 mm×3.1 mm×4 mm。對(duì)正常呼吸頻率的肺部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行成像時(shí)，采集時(shí)間要少于每個(gè)體積1 s。成像速度和空間分辨率之間的相互關(guān)系會(huì)減低4D-MRI序列的圖像質(zhì)量和細(xì)節(jié)分辨率。雖然組織結(jié)構(gòu)輪廓在呼吸周期的快速移動(dòng)階段會(huì)模糊，但4DMRI可以記錄較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的呼吸運(yùn)動(dòng)，以補(bǔ)償因咳嗽等因素導(dǎo)致的呼吸深度和頻率的個(gè)體變化。

自導(dǎo)航MRI技術(shù)基于3D-GRE序列，縱向K空間以及高冗余數(shù)據(jù)集的采集，在K空間中心獲得整個(gè)呼吸周期中變化的信號(hào)，同時(shí)也可以對(duì)呼吸相的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組和統(tǒng)計(jì)；由于圖像質(zhì)量的改進(jìn)，還可以進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦、3D圖像關(guān)聯(lián)、K空間權(quán)重圖像對(duì)比、主成分分析等[4-5]。在無(wú)病理學(xué)表現(xiàn)的情況下，傳統(tǒng)基于質(zhì)子（1H）的MRI技術(shù)肺實(shí)質(zhì)信號(hào)低，對(duì)肺組織局部力學(xué)分析非常困難，而超極化氣體（如3He、129Xe）可作為陽(yáng)性對(duì)比劑提高肺組織的信號(hào)，對(duì)肺部高信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)格標(biāo)記，能夠追蹤局部呼吸力學(xué)，從而研究正常及疾病狀態(tài)時(shí)肺組織的力學(xué)特征[6]。

磁共振彈性成像是一種相位對(duì)比磁共振成像技術(shù)，可無(wú)創(chuàng)測(cè)量肝臟、胰腺等許多器官的硬度。在磁共振彈性成像中，外部運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)編碼梯度同步，以編碼位移場(chǎng)（波圖像）在磁共振成像的相位，然后對(duì)這些波圖像進(jìn)行處理，得到剛度圖。有研究證實(shí)磁共振彈性成像可以無(wú)創(chuàng)地進(jìn)行動(dòng)物模型和人體組織中的肺力學(xué)評(píng)價(jià)[7-8]。部分對(duì)肺纖維化患者的肺力學(xué)磁共振彈性成像研究顯示，肺纖維化患者在總肺容量（最大吸氣末期）和殘余肺容量（最大呼氣末期）時(shí)，肺組織硬度顯著增加，提示在疾病引起的呼吸力學(xué)特征改變?cè)谘芯恐芯哂袧撛趦r(jià)值[9-10]。

2.2 呼吸力學(xué)的MRI評(píng)估 目前，MRI評(píng)價(jià)呼吸力學(xué)的內(nèi)容包括定量和可視化呼吸肌和肺實(shí)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)功能、肺部通氣和彌散功能以及肺組織的彈性特征。針對(duì)呼吸肌的運(yùn)動(dòng)功能，主要采用動(dòng)態(tài)MRI，通過(guò)對(duì)不同相位如冠狀位、矢狀位、軸位的多相位成像，測(cè)量吸氣末和呼氣末時(shí)徑線的長(zhǎng)度，比較其值或吸氣相呼氣相的差（位移）、比值，探究膈肌及胸壁在生理及病理狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)功能變化。Plathow等[11]研究顯示MRI的測(cè)量值與肺功能指標(biāo)第1秒用力呼氣容積（forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1）和用力肺活量（forced vital capacity，F(xiàn)VC）均有較好的相關(guān)性，說(shuō)明對(duì)肺活量進(jìn)行補(bǔ)充的膈肌、胸壁運(yùn)動(dòng)測(cè)量參數(shù)可以提供更全面的信息，用于診斷及評(píng)估疾病，使應(yīng)用呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中呼吸肌的運(yùn)動(dòng)參數(shù)評(píng)價(jià)肺功能并將其可視化成為可能。

肺實(shí)質(zhì)運(yùn)動(dòng)同樣通過(guò)動(dòng)態(tài)MRI并結(jié)合圖像后處理方法（如網(wǎng)格標(biāo)記法或形變配準(zhǔn)算法）定量描述肺組織在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的形變或應(yīng)力。網(wǎng)格標(biāo)記法因平掃M(jìn)RI圖像的網(wǎng)格空間分辨率較低，其應(yīng)用受到限制。Cui等[12]發(fā)現(xiàn)使用超極化氣體的動(dòng)態(tài)MRI可以替代依賴于肺組織的天然1H-MRI信號(hào)，超極化氣體作為陽(yáng)性對(duì)比劑，可以在肺組織中快速分布，使肺實(shí)質(zhì)的網(wǎng)格化更有效。而形變配準(zhǔn)算法通過(guò)追蹤肺部大血管的運(yùn)動(dòng)間接反映肺組織的運(yùn)動(dòng)，中央大血管處的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)效果好，但因外周對(duì)比度明顯降低導(dǎo)致配準(zhǔn)效果差[13]。近年來(lái)隨著自導(dǎo)航技術(shù)和超短回波序列的應(yīng)用，明顯提高了時(shí)間和空間分辨率，不僅可在肺的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行配準(zhǔn)，還可以在任意給定的肺部區(qū)域內(nèi)推導(dǎo)出流量-容積環(huán)路和相關(guān)參數(shù)[14]。

3 MRI 在評(píng)價(jià)呼吸力學(xué)中的應(yīng)用

3.1 MRI評(píng)價(jià)非呼吸系統(tǒng)疾病 既往采用MRI評(píng)價(jià)呼吸力學(xué)的研究主要集中于先天性、代謝性疾病對(duì)呼吸肌功能的影響方面。

3.1.1 青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）應(yīng)用動(dòng)態(tài)MRI可研究AIS患者肺功能受損的主要因素及術(shù)后效果。Kotani等[15]研究顯示AIS患者胸壁的前后徑運(yùn)動(dòng)明顯減弱，但未發(fā)現(xiàn)膈肌運(yùn)動(dòng)的變化；Chu等[16]發(fā)現(xiàn)AIS患者術(shù)后6個(gè)月時(shí)胸壁擴(kuò)張度和膈肌運(yùn)動(dòng)明顯增加，雖然其肺容量未變化。通過(guò)MRI可以觀察到AIS患者肺功能的改變可能與肺容積減小、膈肌及胸壁運(yùn)動(dòng)受限有關(guān)，但這種功能障礙會(huì)隨著限制因素的解除而得到緩解。

3.1.2 龐貝病 龐貝病是一種進(jìn)行性代謝性肌病，累及呼吸肌時(shí)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行性的呼吸功能障礙，主要累及膈肌。Harlaar等[17]應(yīng)用MRI評(píng)價(jià)早期龐貝病的膈肌運(yùn)動(dòng)功能，發(fā)現(xiàn)即使在疾病早期肺功能檢查依然處于正常范圍內(nèi)（FVC%＞80%）時(shí)，膈肌運(yùn)動(dòng)功能已經(jīng)開始減弱，提示當(dāng)FVC開始下降時(shí)，膈肌可能已經(jīng)發(fā)生了不可逆的功能改變，這或許能夠解釋肺功能測(cè)量結(jié)果顯示患者對(duì)藥物的治療反應(yīng)相對(duì)較差。Harlaar等[18]還通過(guò)MRI觀察到龐貝病患者的膈肌運(yùn)動(dòng)減弱以及曲度增加，尤其是在疾病嚴(yán)重期接受藥物治療的患者中較明顯。因此，MRI的結(jié)果有助于優(yōu)化龐貝病患者開始治療的時(shí)間，并隨著時(shí)間的推移評(píng)估膈肌功能和治療反應(yīng)。

3.1.3 進(jìn)行性假肥大性肌營(yíng)養(yǎng)不良（Duchenne muscular dystrophy，DMD）MRI不僅可用于鑒別DMD[19]，還可用于評(píng)價(jià)DMD患者的呼吸肌受累程度。有研究發(fā)現(xiàn)DMD患者主要表現(xiàn)為肺容積和胸壁運(yùn)動(dòng)減小，且明顯減小的膈肌運(yùn)動(dòng)位移與FEV1%（r=0.78）及FVC%（r=0.76）下降有較強(qiáng)的相關(guān)性[20-21]。此外，MRI還可以應(yīng)用于呼吸肌進(jìn)行性功能障礙的評(píng)價(jià)，通過(guò)隨訪觀察到膈肌和肋間肌的進(jìn)行性功能障礙與MRI測(cè)量值減小一致，但在此期間的肺功能檢查結(jié)果沒(méi)有變化[22]。因此，MRI的應(yīng)用為DMD患者進(jìn)行性下降的呼吸肌功能的定量測(cè)量提供了一種更為敏感有效的方法。

3.2 MRI評(píng)價(jià)呼吸系統(tǒng)疾病 MRI在評(píng)價(jià)呼吸系統(tǒng)疾病呼吸力學(xué)變化中的研究數(shù)量不多，其中大部分為COPD。有研究通過(guò)動(dòng)態(tài)MRI證實(shí)COPD患者的膈肌和胸壁運(yùn)動(dòng)減弱、無(wú)序以及存在膈肌的矛盾運(yùn)動(dòng)[23-24]。其他類型疾病如肺癌對(duì)呼吸力學(xué)的影響，間質(zhì)性肺疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中呼吸肌運(yùn)動(dòng)、肺組織彈性應(yīng)變等力學(xué)特征變化規(guī)律，以及呼吸力學(xué)在COPD、間質(zhì)性肺疾病發(fā)生發(fā)展中的作用及對(duì)預(yù)后的影響尚未見報(bào)道。

最新研究較多關(guān)注應(yīng)用MRI評(píng)價(jià)COPD患者的肺功能，通過(guò)吸入氧或超極化氣體定量及可視化COPD患者的通氣及彌散功能。有關(guān)氧成像的研究中，合并肺氣腫的COPD患者M(jìn)RI圖像顯示有明顯的通氣缺損，并且測(cè)量參數(shù)與肺氣腫的CT評(píng)分和肺功能檢查指標(biāo)間有很好的相關(guān)性[25]。Ouriadov等[26]進(jìn)一步探索應(yīng)用超極化稀有氣體（3He、129Xe）MRI評(píng)價(jià)COPD患者的肺功能，發(fā)現(xiàn)氣體的表觀擴(kuò)散系數(shù)可以幫助檢測(cè)早期的肺氣腫改變，Meng等[27]驗(yàn)證了表觀擴(kuò)散系數(shù)與肺功能參數(shù)有很好的相關(guān)性，同時(shí)超極化氣體成像圖像顯示的氣體缺損區(qū)域與CT的影像病灶區(qū)域也有相關(guān)性。此外，由于超極化氣體129Xe通過(guò)肺泡的呼吸膜擴(kuò)散進(jìn)入血液的特性可定量局部氣體交換，不僅可以鑒別不同類型的肺氣腫，還可以評(píng)價(jià)其治療反應(yīng)[28-29]。不僅對(duì)于COPD患者，近年有研究提出在間質(zhì)性肺炎患者中，超極化氣體成像同樣可以檢測(cè)局部肺組織的通氣及彌散功能。有研究顯示患者有病變的肺間質(zhì)組織中的信號(hào)增加，然而毛細(xì)血管紅細(xì)胞中的信號(hào)攝取卻下降，提示局部肺組織的氣體彌散受限，并且對(duì)于疾病進(jìn)展的預(yù)測(cè)比肺功能參數(shù)更敏感[30-31]。

盡管目前尚無(wú)對(duì)肺癌、系統(tǒng)性疾病肺部受累的超極化氣體MRI研究，但超極化氣體MRI有望成為未來(lái)測(cè)定肺實(shí)質(zhì)的功能和力學(xué)特征及對(duì)疾病治療反應(yīng)的一種新的功能影像學(xué)方法。

4 總結(jié)與展望

總之，MRI可以對(duì)呼吸力學(xué)的各組成部分進(jìn)行定量可視化評(píng)價(jià)，并且其結(jié)果與傳統(tǒng)肺活量檢查結(jié)果有很好的相關(guān)性，在探索肺部組織生理及病理方面的結(jié)構(gòu)與功能成像中具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。盡管目前臨床應(yīng)用研究較少，但MRI或許可以成為一種新的可量化的技術(shù)研究疾病發(fā)病機(jī)制，輔助評(píng)估呼吸系統(tǒng)疾病的嚴(yán)重程度、進(jìn)展及治療反應(yīng)等。