磁共振超短回波時間序列在肺部的應(yīng)用

蘇卉, 高依鶴,陸瑤,莫小小,尹昳麗,葉靖

從胸部磁共振成像首次用于臨床以來,有研究者認(rèn)為與X線CT和PET/CT相比,MR成像在胸部疾病方面的臨床應(yīng)用有限,但隨著MR脈沖序列,多線圈并行成像、對比劑的利用,以及一些后處理軟件或分析方法的應(yīng)用,尤其超短回波時間(ultrashort echo time,UTE)MRI序列成像實(shí)現(xiàn)了MR在胸部檢查臨床運(yùn)用的可行性[1]。

肺部由于T2很短,所以給成像帶來了很大的阻礙,UTE序列可采集更多短T2組織的信號,彌補(bǔ)了常規(guī)MRI不能清晰顯示短T2組織成像的缺陷。通過對UTE序列的研究和應(yīng)用,研究者們進(jìn)行了許多關(guān)于UTE在肺部磁共振成像應(yīng)用的探索。

UTE原理

UTE是針對短T2組織專門設(shè)計的成像技術(shù),能夠使人體內(nèi)的短T2組織成像,是一種采用硬脈沖激發(fā)并直接檢測自由感應(yīng)衰減的一種新型成像技術(shù)[2]。傳統(tǒng)MR序列對短T2組織無法成像,因為短T2組織信號衰減非?？?接受信號之前往往信號已經(jīng)衰減到幾乎為0,影像上為低信號或無信號。UTE是一種基于傳統(tǒng)梯度回波序列(gradient echo,GRE)成像而改進(jìn)的新技術(shù)。為了在超短回波時間測量MR信號,UTE成像有兩個先決條件:首先脈沖在激發(fā)K空間到達(dá)中心后立即讀取信號,其次讀出必須立即在采集k空間的中心開始。所以UTE的實(shí)現(xiàn)必依賴于特殊設(shè)計的射頻激發(fā)脈沖和徑向的采樣方式。UTE序列類型主要為二維UTE(2DUTE)序列及三維UTE序列(3DUTE)。2DUTE序列通過2個帶有相反層面選擇梯度的伴sinc函數(shù)型RF脈沖進(jìn)行激發(fā),激發(fā)后立即采集自由衰減信號,兩次半射頻脈沖所得的回波信號相疊加填充K空間,數(shù)據(jù)由K空間中心直接開始采集,并同時呈放射狀填充。在上述2DUTE序列設(shè)計的基礎(chǔ)上,利用硬脈沖及數(shù)據(jù)進(jìn)行三維放射狀采集,由K空間中心向外、呈圓錐形填充可實(shí)現(xiàn)3D UTE序列[3]。3DUTE多優(yōu)于2DUTE,因為它提供了更高和各向同性的空間分辨率,完整的胸部覆蓋和更少的運(yùn)動偽影[4]。UTE在對短T2組織的成像中,其他長T2組織往往具有更高的信號,從而影響了對短T2組織圖像的成像,為此學(xué)者們調(diào)整參數(shù)、采用多種技術(shù)抑制長T2組織如預(yù)飽和技術(shù)、反轉(zhuǎn)脈沖恢復(fù)技術(shù)、雙回波脈沖序列等從而提高了短T2組織圖像的對比度。

臨床運(yùn)用

1.肺結(jié)構(gòu)

由于UTE序列具有較高的分辨率并且減少了磁化率偽影,通過磁共振掃描觀察肺結(jié)節(jié)、氣道及間質(zhì)性肺疾病從理想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。在3DUTE用于評估兒童患者的肺密度的研究中發(fā)現(xiàn)肺UTE圖像的信號強(qiáng)度與肺密度有一定的相關(guān)性,這是UTE用于肺部結(jié)構(gòu)與功能研究的基礎(chǔ)[5]。在對腫瘤患者中利用螺旋疊加采集的自由呼吸超短回波時間肺磁共振成像的可行性研究中發(fā)現(xiàn)在3.0T場強(qiáng)下UTE圖像中肺血管和氣道的亞節(jié)段分支水平幾乎一致(分別為96.9%和90.6%)。>90%的螺旋3DUTE圖像具有可接受的或良好的縱隔評價;>80%具有良好或優(yōu)秀的整體圖像質(zhì)量[6]。而早在用三維超短回波時間MR成像檢測肺栓塞的研究中[7]自由呼吸3DUTE在檢測肺栓塞方面比屏氣3D MR 血管造影表現(xiàn)更好,為小血管和肺實(shí)質(zhì)的可視化提供更好的圖像質(zhì)量?？芍猆TE磁共振序列擁有觀察肺部結(jié)構(gòu)較好的圖像質(zhì)量。

肺結(jié)節(jié)的檢出與特征顯示:UTE在肺結(jié)節(jié)的檢出與特征顯示方面具有較高的臨床價值。肺結(jié)節(jié)檢出率的相關(guān)研究眾多,總檢出率多為73%～90%之間,部分達(dá)90%以上[6-13]。Huang等[12]研究中發(fā)現(xiàn)非實(shí)性結(jié)節(jié)UTE序列的檢出率>65%。部分實(shí)性結(jié)節(jié)的檢出率>75%,螺旋UTE序列的實(shí)性結(jié)節(jié)的檢出率為>95%。在使用SPIRiT算法的加速自由呼吸螺旋 3D UTE乳腺癌患者的研究中[13],總體結(jié)節(jié)檢出率高達(dá)90.8%,直徑>7 mm的肺結(jié)節(jié)的敏感度為100%。此外,2～5 mm結(jié)節(jié)的檢出率為88.1%,高于Cha等[9]直徑2～5 mm的結(jié)節(jié)檢出率76.7%。在結(jié)節(jié)大小測量方面,螺旋超短回波時間(UTE)和壓縮傳感體積插值屏氣檢查(CS-VIBE)序列檢測肺結(jié)節(jié)的研究中發(fā)現(xiàn)[8],螺旋UTE和CS-VIBE 分別將結(jié)節(jié)尺寸低估了(0.2±1.4) mm、(0.2±1.7) mm。關(guān)于結(jié)節(jié)的影像學(xué)征象方面,Wielpütz等[9]發(fā)現(xiàn)TE=192 μs的UTE掃描圖像中兩名醫(yī)師對征象進(jìn)行評估,分葉征:敏感度為70.6%和54.9%,特異度為93.2%和96.3%;毛刺征:敏感度為61.5%和48.0%,特異度為95.2%和95.0%;胸膜牽拉征:敏感度為87.0%和73.3%,特異度為93.8%和95.0%,最后,對于內(nèi)部信號,敏感度分別為72.7%和61.3%,特異度為96.1%和97.3%,得出UTE與CT在結(jié)節(jié)形態(tài)評估方面顯示出較高的診斷特性且評估者間具有較高一致性。而在最新Ohno等[10]在對205個結(jié)節(jié)患者研究中也得出UTE序列在肺結(jié)節(jié)的檢出、結(jié)節(jié)最長直徑的測量以及結(jié)節(jié)RADS分類與標(biāo)準(zhǔn)劑量及低劑量CT相當(dāng)。由此可見UTE對肺結(jié)節(jié)檢出及良惡性鑒別具有較高的臨床診斷價值和運(yùn)用前景。

新生兒肺病:UTE磁共振序列作為CT的替代方法可監(jiān)測新生兒和學(xué)齡前兒童的早期肺疾病如評估先天性肺畸形[11]。新生兒先天性肺畸形包括幾種罕見的肺異常,包括先天性肺氣道畸形(CPAM)、支氣管源性囊腫、支氣管閉鎖等,先天性肺氣道畸形是最常見的先天性肺畸形,而根據(jù)目前的假設(shè),在肺發(fā)育過程中基于氣道阻塞的畸形似乎是各種先天性肺異常的發(fā)病機(jī)制[12]。37例嬰兒(23～43妊娠周)在3T場強(qiáng)下使用呼吸門控逐點(diǎn)編碼時間減少與徑向采集序列(PETRA)時,90%的主氣道能見度良好[13]。氣管軟化癥(TM)發(fā)生在大約1:2000的其他健康兒童中,并且可能影響超過一半的高危人群,例如患有支氣管肺發(fā)育不良或氣管食管瘺的新生兒,TM特征是氣道壁變?nèi)?并導(dǎo)致呼吸過程中氣道管腔動態(tài)塌陷。在對36名新生兒研究發(fā)現(xiàn)通過UTE序列確定吸氣末和呼氣末之間氣管橫截面積(CSA)的百分比變化,并使用接收者操作曲線確定預(yù)測氣管軟化的最佳截止值并確定陽性和陰性預(yù)測值,無創(chuàng)評估新生兒氣管軟化,無需鎮(zhèn)靜、電離輻射風(fēng)險[14]。Yoder LM等[15]的研究中發(fā)現(xiàn)UTEMRI可量化新生兒支氣管肺發(fā)育不良(BPD)患者的多度充氣,并且肺容積隨著疾病的嚴(yán)重程度而顯著增加。而目前一種新的自由呼吸高分辨率運(yùn)動校正肺MRI策略,稱為iMoCo UTE (迭代運(yùn)動補(bǔ)償重建UTE)策略,與使用其他運(yùn)動校正策略如軟門控、運(yùn)動分辨重建和圖像配準(zhǔn)的運(yùn)動補(bǔ)償重建(MoCo)相比,使用iMoCo UTE重建的圖像提供了更清晰的解剖肺結(jié)構(gòu),以及更高的表觀SNR和CNR[16],在兒科和嬰兒肺部 MRI研究中顯示出巨大潛力。

阻塞性氣道疾病:囊性纖維化患者(CF)由于肺部的慢性炎癥導(dǎo)致的粘液阻塞及不斷進(jìn)展的支氣管擴(kuò)張而導(dǎo)致氣體儲留[17]。應(yīng)用UTE序列評估囊性纖維化患者的氣道疾病已被證明在檢測支氣管改變方面與CT相當(dāng),如支氣管壁增厚、支氣管擴(kuò)張或粘液堵塞。與CT相比,UTE可提供檢測和評估支氣管擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)圖像[18]。更先進(jìn)的研究將UTE序列與超極化氣體相結(jié)合,允許結(jié)合結(jié)構(gòu)和功能MRI,這有利于對囊性纖維化患者的隨訪[19]。此外有對CF的研究表明異常信號強(qiáng)度體積的自動量化與CF嚴(yán)重程度相關(guān),可進(jìn)行可重復(fù)的橫斷面和縱向評估[20]。慢性阻塞性肺病(COPD)以持續(xù)的呼吸道癥狀和氣流限制為特征,病理改變主要包括慢性支氣管炎與肺氣腫。肺氣腫由于較低的質(zhì)子密度比正常肺組織在UTE上信號強(qiáng)度更低。UTE與T2加權(quán)自旋回波(T2-TSE)序列相比,它在過度充氣、肺氣腫、囊腫或支氣管系統(tǒng)病變的檢出具有較大的作用[21]。此外,有研究顯示3DUTE磁共振序列可通過定性視覺評分和全自動體積定量來確定肺氣腫的程度[22]。

2.UTE肺功能成像

功能性肺MRI的臨床運(yùn)用通常需要靜脈注射或吸入對比劑,通過超級化氣體3He(氦)和129Xe(氙)進(jìn)行局部通氣成像已被廣泛用于評估患者的通氣缺陷[23],然后由于對專門設(shè)備的需求和惰性氣體同位素的高成本,這些目前僅限于少數(shù)中心的研究應(yīng)用。相比之下,氧增強(qiáng)磁共振(OE-MRI)使用廣泛可用的氧氣(O2),并且可以使用目前廣泛運(yùn)用的MRI硬件進(jìn)行,所以O(shè)E-MRI更加適用于臨床的使用。OE-MRI吸入100%氧氣作為對比劑,是評估局部肺功能的一種可行的替代方法。由于順磁性氧的T1弛豫特性,吸入高氧(100%濃度氧氣)會縮短組織T1,從而與吸入常氧(室內(nèi)空氣21%氧氣)相比,增加了T1加權(quán)圖像上的信號強(qiáng)度。區(qū)域信號增強(qiáng)代表通氣和灌注的組合[24]。信號增強(qiáng)圖像通過從高氧質(zhì)子(100% 氧氣)圖像中減去常氧(室內(nèi)空氣21%氧氣)來獲得,以揭示由于肺泡氧分壓的變化而導(dǎo)致的局部對比度 。產(chǎn)生的信號強(qiáng)度差異被認(rèn)為主要是通氣加權(quán),并且可視化為對比度增強(qiáng),然而,由于肺中的T2*是由氣體和組織之間的敏感性差異決定的,氧氣濃度的增加也進(jìn)一步降低了T2*[25],因此,結(jié)合已經(jīng)很短的T2*,使用UTE序列是特別理想的氧增強(qiáng)肺成像技術(shù)。

使用氣體制劑的肺部功能性MRI成像方法正在提高我們對各種慢性肺部疾病的了解,包括哮喘、囊性纖維化 (CF)及肺癌等疾病[26-28]。3D UTE磁共振序列支持肺結(jié)構(gòu)異常的描述和評分,與CT不同的是UTE的氧增強(qiáng)技術(shù)能支持肺功能和結(jié)構(gòu)的同時成像,能夠進(jìn)行全肺肺功能檢測(PFT)無法實(shí)現(xiàn)的區(qū)域功能性通氣評估。在對18名受試者的研究中氧增強(qiáng)3DUTE顯示出信號增強(qiáng)和通氣缺陷的高度一致性(ICC>0.9),表明該方法作為超極化氣體通氣MRI的替代方法的穩(wěn)定性,該序列能夠覆蓋整個胸部,支持使用VDP(通氣缺陷百分比)定量區(qū)分患病肺和健康肺[27]。劉慧等[28]對44 名病理證實(shí)為肺腺癌患者研究中,全肺平均信號增強(qiáng)百分比(PSE)與 FVC (r=0.4237,P=0.0184)、FEV1 (r=0.4044,P=0.0260)和PEF (r=0.4368,P=0.0120)呈顯著正相關(guān),支持了肺腺癌患者的通氣功能可以通過使用OE-UTE在MRI中可視化的假設(shè),同時腫瘤平均PSE也可有助于區(qū)分不同的肺腺癌的組織學(xué)分級。在最近的一項0.55T MRI場強(qiáng)下進(jìn)行氧增強(qiáng)肺成像的研究中[29],可以利用比1.5T更高T1弛豫率的0.55T 3DUTE成像生成PSE圖,顯示淋巴管平滑肌瘤患者(LAM)局部功能缺陷。

3.肺疾病的定量測定

T2*是獲取肺實(shí)質(zhì)間質(zhì)結(jié)構(gòu)病理變化信息的一個參數(shù)。夏藝等[30]在超短回波時間(UTE)肺部MR成像對慢性阻塞性肺疾病的初步應(yīng)用的研究中發(fā)現(xiàn)T2*值與肺功能測試(PFT)的變化、CT 容積參數(shù)存在明顯負(fù)相關(guān)性,且其在COPD患者的不同臨床分級及CT亞型中存在差異,肺內(nèi)T2*的測量具有評估COPD的潛力。研究表明T2-ISIV能夠重復(fù)評估特發(fā)性肺纖維化(IPF)患者間質(zhì)性肺信號強(qiáng)度異常改變的體積范圍,并與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)[31]。肺氣腫大鼠模型的研究中T2*值可作為表征肺部早期病理改變的敏感生物標(biāo)志物的潛在相關(guān)性指標(biāo),小鼠在11.7T MRI的一項研究表明T2*可能反映肺組織的病理變化[32]。T2*也受到肺泡氣體中的氧濃度的影響,是通過氧增強(qiáng)成像監(jiān)測肺功能的額外工具[33]。

T1是一個與肺組織的組成和狀態(tài)相關(guān)的物理參數(shù)如血容量分?jǐn)?shù)等[34]。T1的減少可能歸因于肺血管收縮和肺氣腫的存在。19個COPD患者的研究中顯示T1圖上的視覺異常與動態(tài)對比增強(qiáng)(DCE)肺灌注MRI上的灌注缺陷密切相關(guān)。該研究得出T1反映了局部血流并可有助于進(jìn)一步區(qū)分灌注缺陷[35]。在對肺T1測繪磁共振成像評估囊性纖維化兒童肺部疾病的研究[36]中發(fā)現(xiàn)5名CF兒童的平均T1值同樣顯著低于健康志愿者,CF中粘液堵塞和空氣滯留可導(dǎo)致缺氧誘導(dǎo)的局部血管收縮和灌注異常。與肺實(shí)質(zhì)相比血液的t1值更高,質(zhì)子密度更高,肺區(qū)域降低或幾乎沒有肺血流(即纖維化區(qū)域或血管收縮區(qū)域)將有較低的T1值。另外有研究表明T1取決于測量的重復(fù)回波時間(TE):通過使用UTE,在70 μs和2.3 ms之間的幾個TEs中對區(qū)域T1進(jìn)行定量。TE1到 TE2觀察到T1顯著增加,從TE2到TE3、TE3到TE4或TE4到TE5沒有顯著變化,COPD患者肺中的TE1在所有TE中都較短,而T1的增加僅在非常短的TE時發(fā)生。T1 (TE)與肺氣腫和空氣潴留的定量CT測量以及MR灌注評分有很強(qiáng)的相關(guān)性,肺T1 (TE)取決于回聲時間(TE)并反映區(qū)域肺功能[37]。因此肺的T1圖譜可能進(jìn)一步減少對比劑使用,有特殊的臨床運(yùn)用價值。

4.肺灌注成像

傳統(tǒng)的肺增強(qiáng)MRA(cMRA)已經(jīng)成為CT血管造影的一種有吸引力的替代方法,可不使用電離輻射診斷肺栓塞(PE)[38]。動態(tài)對比增強(qiáng)(DCE)肺灌注MRI跟蹤對比劑(如釓gd)通過肺血管,可顯示肺內(nèi)的灌注缺陷。然而,傳統(tǒng)MRA對肺實(shí)質(zhì)的描述較差,應(yīng)用gd造影與UTEMRI成像結(jié)合可將時間分辨率提高到約1 s,空間分辨率提高到約1.5 mm[39]。Gd對比劑注射后,CT作為參考的標(biāo)準(zhǔn),自由呼吸3DUTE在肺栓塞動物模型中對于栓塞特別是亞節(jié)段動脈的檢測表現(xiàn)優(yōu)于梯度回波血管造影技術(shù)[40]。但是釓的對比劑在一些患者中存在禁忌,如孕婦或釓過敏患者。此外釓對比劑會增加腎臟系統(tǒng)性纖維化的風(fēng)險[41]。為了克服這些問題,替代對比劑或無造影技術(shù)逐漸受到到臨床重視。在一項對釓和鐵氧醇增強(qiáng)常規(guī)和超短回聲時間血管造影對肺血管描述的比較研究中發(fā)現(xiàn)鐵氧醇(FE)是一種超小型超順磁性氧化鐵(USPIO),可作為一種超標(biāo)記的對比劑,具有良好的t1縮短特性,自由呼吸鐵氧醇增強(qiáng)UTE-MRA作為釓增強(qiáng)常規(guī)MRA的替代方法,對肺血管系統(tǒng)的評估是可行的[42]。

此外,無對比劑UTE-MRI灌注檢查方法主要為動脈自旋標(biāo)記(ASL)、黑血技術(shù)。ASL允許在不使用對比劑的情況下通過獲取兩個自旋回波圖像來使血流可視化,一個具有切片選擇性180°反轉(zhuǎn),另一個具有非選擇性180°反轉(zhuǎn),兩個圖像之間的差異表示在采集之間流入切片的血液,因此是血流的量度[43]。一項針對8名使用ASL的肺動脈高壓(PAH )患者的研究表明與健康志愿者相比,肺動脈高壓患者的血流量較低[44]。Delacoste等[45]研究利用運(yùn)動敏感驅(qū)動平衡技術(shù)(MSDE) 與自由呼吸自導(dǎo)航UTE序列組合,生成高分辨率3D肺部黑血圖像,證實(shí)了來自動脈管腔的信號顯著下降,與渦輪自旋回波序列(BLADE)采集相比,血液信號受到的抑制明顯更大更均勻。此外,該序列還能得到減影圖像,整個胸腔血管系統(tǒng)至少直到節(jié)段動脈的可視化,而無需注射對比劑,減影圖像與黑血圖像的比較有助于確認(rèn)支氣管內(nèi)是否存在粘液性嵌塞,通過減影圖像還可評估這些患者的脈管系統(tǒng),特別是檢測擴(kuò)張的全身支氣管和非支氣管動脈,這可能對患者的治療具有重要價值。

5.ZTE

隨著技術(shù)發(fā)展,零回波時間序列(ZTE)也逐漸被眾多研究中們探索,ZTE序列是另一種可以使超短T2/T2*成像的MRI成像技術(shù),ZTE可以提供較UTE更好的肺部成像的信噪比(SNR)和對比噪聲比(CNR)[46]。研究證明ZTE對于4 mm以下的肺病灶的診斷性能優(yōu)于常規(guī)PET/MRI,這在肺部腫瘤患者中具有較大應(yīng)用前景[47]。劉倩云等[48]與CT相比,ZTE肺部成像在評估實(shí)體肺結(jié)節(jié)或腫塊方面的研究中發(fā)現(xiàn)對于>1 cm的實(shí)性肺結(jié)節(jié)或腫塊,ZTE在形態(tài)學(xué)特征方面與CT完全一致。而Bae等[49]研究證明4D ZTE能提供穩(wěn)健的肺實(shí)質(zhì)圖像,無論患者的肺功能如何,與3D ZTE相比4D ZTE具有更好的SNR和CNR。ZTE在未來的超短回波序列成像方面將有更好的臨床運(yùn)用前景。

總結(jié)和展望

超短回波序列使實(shí)現(xiàn)肺磁共振成像成為可能。在對結(jié)節(jié)檢測及良惡性鑒別、新生兒先天性肺畸形、慢性阻塞性氣道疾病的診斷、阻塞性肺病的功能成像、肺疾病的定量測定以及無對比劑灌注技術(shù)方面均具有獨(dú)特的臨床價值。作為CT的替代方法,可用于肺部疾病形態(tài)學(xué)變化的縱向隨訪方法,特別是作為MRI獨(dú)特功能成像的補(bǔ)充,在實(shí)現(xiàn)磁共振對肺部結(jié)構(gòu)與功能成像的研究方面邁出了重大一步。