磁共振超短回波时间序列在肺部的应用

苏卉, 高依鹤,陆瑶,莫小小,尹昳丽,叶靖

从胸部磁共振成像首次用于临床以来,有研究者认为与X线CT和PET/CT相比,MR成像在胸部疾病方面的临床应用有限,但随着MR脉冲序列,多线圈并行成像、对比剂的利用,以及一些后处理软件或分析方法的应用,尤其超短回波时间(ultrashort echo time,UTE)MRI序列成像实现了MR在胸部检查临床运用的可行性[1]。

肺部由于T2很短,所以给成像带来了很大的阻碍,UTE序列可采集更多短T2组织的信号,弥补了常规MRI不能清晰显示短T2组织成像的缺陷。通过对UTE序列的研究和应用,研究者们进行了许多关于UTE在肺部磁共振成像应用的探索。

UTE原理

UTE是针对短T2组织专门设计的成像技术,能够使人体内的短T2组织成像,是一种采用硬脉冲激发并直接检测自由感应衰减的一种新型成像技术[2]。传统MR序列对短T2组织无法成像,因为短T2组织信号衰减非常快,接受信号之前往往信号已经衰减到几乎为0,影像上为低信号或无信号。UTE是一种基于传统梯度回波序列(gradient echo,GRE)成像而改进的新技术。为了在超短回波时间测量MR信号,UTE成像有两个先决条件:首先脉冲在激发K空间到达中心后立即读取信号,其次读出必须立即在采集k空间的中心开始。所以UTE的实现必依赖于特殊设计的射频激发脉冲和径向的采样方式。UTE序列类型主要为二维UTE(2DUTE)序列及三维UTE序列(3DUTE)。2DUTE序列通过2个带有相反层面选择梯度的伴sinc函数型RF脉冲进行激发,激发后立即采集自由衰减信号,两次半射频脉冲所得的回波信号相叠加填充K空间,数据由K空间中心直接开始采集,并同时呈放射状填充。在上述2DUTE序列设计的基础上,利用硬脉冲及数据进行三维放射状采集,由K空间中心向外、呈圆锥形填充可实现3D UTE序列[3]。3DUTE多优于2DUTE,因为它提供了更高和各向同性的空间分辨率,完整的胸部覆盖和更少的运动伪影[4]。UTE在对短T2组织的成像中,其他长T2组织往往具有更高的信号,从而影响了对短T2组织图像的成像,为此学者们调整参数、采用多种技术抑制长T2组织如预饱和技术、反转脉冲恢复技术、双回波脉冲序列等从而提高了短T2组织图像的对比度。

临床运用

1.肺结构

由于UTE序列具有较高的分辨率并且减少了磁化率伪影,通过磁共振扫描观察肺结节、气道及间质性肺疾病从理想变为了现实。在3DUTE用于评估儿童患者的肺密度的研究中发现肺UTE图像的信号强度与肺密度有一定的相关性,这是UTE用于肺部结构与功能研究的基础[5]。在对肿瘤患者中利用螺旋叠加采集的自由呼吸超短回波时间肺磁共振成像的可行性研究中发现在3.0T场强下UTE图像中肺血管和气道的亚节段分支水平几乎一致(分别为96.9%和90.6%)。>90%的螺旋3DUTE图像具有可接受的或良好的纵隔评价;>80%具有良好或优秀的整体图像质量[6]。而早在用三维超短回波时间MR成像检测肺栓塞的研究中[7]自由呼吸3DUTE在检测肺栓塞方面比屏气3D MR 血管造影表现更好,为小血管和肺实质的可视化提供更好的图像质量。可知UTE磁共振序列拥有观察肺部结构较好的图像质量。

肺结节的检出与特征显示:UTE在肺结节的检出与特征显示方面具有较高的临床价值。肺结节检出率的相关研究众多,总检出率多为73%～90%之间,部分达90%以上[6-13]。Huang等[12]研究中发现非实性结节UTE序列的检出率>65%。部分实性结节的检出率>75%,螺旋UTE序列的实性结节的检出率为>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],总体结节检出率高达90.8%,直径>7 mm的肺结节的敏感度为100%。此外,2～5 mm结节的检出率为88.1%,高于Cha等[9]直径2～5 mm的结节检出率76.7%。在结节大小测量方面,螺旋超短回波时间(UTE)和压缩传感体积插值屏气检查(CS-VIBE)序列检测肺结节的研究中发现[8],螺旋UTE和CS-VIBE 分别将结节尺寸低估了(0.2±1.4) mm、(0.2±1.7) mm。关于结节的影像学征象方面,Wielpütz等[9]发现TE=192 μs的UTE扫描图像中两名医师对征象进行评估,分叶征:敏感度为70.6%和54.9%,特异度为93.2%和96.3%;毛刺征:敏感度为61.5%和48.0%,特异度为95.2%和95.0%;胸膜牵拉征:敏感度为87.0%和73.3%,特异度为93.8%和95.0%,最后,对于内部信号,敏感度分别为72.7%和61.3%,特异度为96.1%和97.3%,得出UTE与CT在结节形态评估方面显示出较高的诊断特性且评估者间具有较高一致性。而在最新Ohno等[10]在对205个结节患者研究中也得出UTE序列在肺结节的检出、结节最长直径的测量以及结节RADS分类与标准剂量及低剂量CT相当。由此可见UTE对肺结节检出及良恶性鉴别具有较高的临床诊断价值和运用前景。

新生儿肺病:UTE磁共振序列作为CT的替代方法可监测新生儿和学龄前儿童的早期肺疾病如评估先天性肺畸形[11]。新生儿先天性肺畸形包括几种罕见的肺异常,包括先天性肺气道畸形(CPAM)、支气管源性囊肿、支气管闭锁等,先天性肺气道畸形是最常见的先天性肺畸形,而根据目前的假设,在肺发育过程中基于气道阻塞的畸形似乎是各种先天性肺异常的发病机制[12]。37例婴儿(23～43妊娠周)在3T场强下使用呼吸门控逐点编码时间减少与径向采集序列(PETRA)时,90%的主气道能见度良好[13]。气管软化症(TM)发生在大约1:2000的其他健康儿童中,并且可能影响超过一半的高危人群,例如患有支气管肺发育不良或气管食管瘘的新生儿,TM特征是气道壁变弱,并导致呼吸过程中气道管腔动态塌陷。在对36名新生儿研究发现通过UTE序列确定吸气末和呼气末之间气管横截面积(CSA)的百分比变化,并使用接收者操作曲线确定预测气管软化的最佳截止值并确定阳性和阴性预测值,无创评估新生儿气管软化,无需镇静、电离辐射风险[14]。Yoder LM等[15]的研究中发现UTEMRI可量化新生儿支气管肺发育不良(BPD)患者的多度充气,并且肺容积随着疾病的严重程度而显著增加。而目前一种新的自由呼吸高分辨率运动校正肺MRI策略,称为iMoCo UTE (迭代运动补偿重建UTE)策略,与使用其他运动校正策略如软门控、运动分辨重建和图像配准的运动补偿重建(MoCo)相比,使用iMoCo UTE重建的图像提供了更清晰的解剖肺结构,以及更高的表观SNR和CNR[16],在儿科和婴儿肺部 MRI研究中显示出巨大潜力。

阻塞性气道疾病:囊性纤维化患者(CF)由于肺部的慢性炎症导致的粘液阻塞及不断进展的支气管扩张而导致气体储留[17]。应用UTE序列评估囊性纤维化患者的气道疾病已被证明在检测支气管改变方面与CT相当,如支气管壁增厚、支气管扩张或粘液堵塞。与CT相比,UTE可提供检测和评估支气管扩张的结构图像[18]。更先进的研究将UTE序列与超极化气体相结合,允许结合结构和功能MRI,这有利于对囊性纤维化患者的随访[19]。此外有对CF的研究表明异常信号强度体积的自动量化与CF严重程度相关,可进行可重复的横断面和纵向评估[20]。慢性阻塞性肺病(COPD)以持续的呼吸道症状和气流限制为特征,病理改变主要包括慢性支气管炎与肺气肿。肺气肿由于较低的质子密度比正常肺组织在UTE上信号强度更低。UTE与T2加权自旋回波(T2-TSE)序列相比,它在过度充气、肺气肿、囊肿或支气管系统病变的检出具有较大的作用[21]。此外,有研究显示3DUTE磁共振序列可通过定性视觉评分和全自动体积定量来确定肺气肿的程度[22]。

2.UTE肺功能成像

功能性肺MRI的临床运用通常需要静脉注射或吸入对比剂,通过超级化气体3He(氦)和129Xe(氙)进行局部通气成像已被广泛用于评估患者的通气缺陷[23],然后由于对专门设备的需求和惰性气体同位素的高成本,这些目前仅限于少数中心的研究应用。相比之下,氧增强磁共振(OE-MRI)使用广泛可用的氧气(O2),并且可以使用目前广泛运用的MRI硬件进行,所以OE-MRI更加适用于临床的使用。OE-MRI吸入100%氧气作为对比剂,是评估局部肺功能的一种可行的替代方法。由于顺磁性氧的T1弛豫特性,吸入高氧(100%浓度氧气)会缩短组织T1,从而与吸入常氧(室内空气21%氧气)相比,增加了T1加权图像上的信号强度。区域信号增强代表通气和灌注的组合[24]。信号增强图像通过从高氧质子(100% 氧气)图像中减去常氧(室内空气21%氧气)来获得,以揭示由于肺泡氧分压的变化而导致的局部对比度 。产生的信号强度差异被认为主要是通气加权,并且可视化为对比度增强,然而,由于肺中的T2*是由气体和组织之间的敏感性差异决定的,氧气浓度的增加也进一步降低了T2*[25],因此,结合已经很短的T2*,使用UTE序列是特别理想的氧增强肺成像技术。

使用气体制剂的肺部功能性MRI成像方法正在提高我们对各种慢性肺部疾病的了解,包括哮喘、囊性纤维化 (CF)及肺癌等疾病[26-28]。3D UTE磁共振序列支持肺结构异常的描述和评分,与CT不同的是UTE的氧增强技术能支持肺功能和结构的同时成像,能够进行全肺肺功能检测(PFT)无法实现的区域功能性通气评估。在对18名受试者的研究中氧增强3DUTE显示出信号增强和通气缺陷的高度一致性(ICC>0.9),表明该方法作为超极化气体通气MRI的替代方法的稳定性,该序列能够覆盖整个胸部,支持使用VDP(通气缺陷百分比)定量区分患病肺和健康肺[27]。刘慧等[28]对44 名病理证实为肺腺癌患者研究中,全肺平均信号增强百分比(PSE)与 FVC (r=0.4237,P=0.0184)、FEV1 (r=0.4044,P=0.0260)和PEF (r=0.4368,P=0.0120)呈显著正相关,支持了肺腺癌患者的通气功能可以通过使用OE-UTE在MRI中可视化的假设,同时肿瘤平均PSE也可有助于区分不同的肺腺癌的组织学分级。在最近的一项0.55T MRI场强下进行氧增强肺成像的研究中[29],可以利用比1.5T更高T1弛豫率的0.55T 3DUTE成像生成PSE图,显示淋巴管平滑肌瘤患者(LAM)局部功能缺陷。

3.肺疾病的定量测定

T2*是获取肺实质间质结构病理变化信息的一个参数。夏艺等[30]在超短回波时间(UTE)肺部MR成像对慢性阻塞性肺疾病的初步应用的研究中发现T2*值与肺功能测试(PFT)的变化、CT 容积参数存在明显负相关性,且其在COPD患者的不同临床分级及CT亚型中存在差异,肺内T2*的测量具有评估COPD的潜力。研究表明T2-ISIV能够重复评估特发性肺纤维化(IPF)患者间质性肺信号强度异常改变的体积范围,并与疾病严重程度相关[31]。肺气肿大鼠模型的研究中T2*值可作为表征肺部早期病理改变的敏感生物标志物的潜在相关性指标,小鼠在11.7T MRI的一项研究表明T2*可能反映肺组织的病理变化[32]。T2*也受到肺泡气体中的氧浓度的影响,是通过氧增强成像监测肺功能的额外工具[33]。

T1是一个与肺组织的组成和状态相关的物理参数如血容量分数等[34]。T1的减少可能归因于肺血管收缩和肺气肿的存在。19个COPD患者的研究中显示T1图上的视觉异常与动态对比增强(DCE)肺灌注MRI上的灌注缺陷密切相关。该研究得出T1反映了局部血流并可有助于进一步区分灌注缺陷[35]。在对肺T1测绘磁共振成像评估囊性纤维化儿童肺部疾病的研究[36]中发现5名CF儿童的平均T1值同样显著低于健康志愿者,CF中粘液堵塞和空气滞留可导致缺氧诱导的局部血管收缩和灌注异常。与肺实质相比血液的t1值更高,质子密度更高,肺区域降低或几乎没有肺血流(即纤维化区域或血管收缩区域)将有较低的T1值。另外有研究表明T1取决于测量的重复回波时间(TE):通过使用UTE,在70 μs和2.3 ms之间的几个TEs中对区域T1进行定量。TE1到 TE2观察到T1显著增加,从TE2到TE3、TE3到TE4或TE4到TE5没有显著变化,COPD患者肺中的TE1在所有TE中都较短,而T1的增加仅在非常短的TE时发生。T1 (TE)与肺气肿和空气潴留的定量CT测量以及MR灌注评分有很强的相关性,肺T1 (TE)取决于回声时间(TE)并反映区域肺功能[37]。因此肺的T1图谱可能进一步减少对比剂使用,有特殊的临床运用价值。

4.肺灌注成像

传统的肺增强MRA(cMRA)已经成为CT血管造影的一种有吸引力的替代方法,可不使用电离辐射诊断肺栓塞(PE)[38]。动态对比增强(DCE)肺灌注MRI跟踪对比剂(如钆gd)通过肺血管,可显示肺内的灌注缺陷。然而,传统MRA对肺实质的描述较差,应用gd造影与UTEMRI成像结合可将时间分辨率提高到约1 s,空间分辨率提高到约1.5 mm[39]。Gd对比剂注射后,CT作为参考的标准,自由呼吸3DUTE在肺栓塞动物模型中对于栓塞特别是亚节段动脉的检测表现优于梯度回波血管造影技术[40]。但是钆的对比剂在一些患者中存在禁忌,如孕妇或钆过敏患者。此外钆对比剂会增加肾脏系统性纤维化的风险[41]。为了克服这些问题,替代对比剂或无造影技术逐渐受到到临床重视。在一项对钆和铁氧醇增强常规和超短回声时间血管造影对肺血管描述的比较研究中发现铁氧醇(FE)是一种超小型超顺磁性氧化铁(USPIO),可作为一种超标记的对比剂,具有良好的t1缩短特性,自由呼吸铁氧醇增强UTE-MRA作为钆增强常规MRA的替代方法,对肺血管系统的评估是可行的[42]。

此外,无对比剂UTE-MRI灌注检查方法主要为动脉自旋标记(ASL)、黑血技术。ASL允许在不使用对比剂的情况下通过获取两个自旋回波图像来使血流可视化,一个具有切片选择性180°反转,另一个具有非选择性180°反转,两个图像之间的差异表示在采集之间流入切片的血液,因此是血流的量度[43]。一项针对8名使用ASL的肺动脉高压(PAH )患者的研究表明与健康志愿者相比,肺动脉高压患者的血流量较低[44]。Delacoste等[45]研究利用运动敏感驱动平衡技术(MSDE) 与自由呼吸自导航UTE序列组合,生成高分辨率3D肺部黑血图像,证实了来自动脉管腔的信号显著下降,与涡轮自旋回波序列(BLADE)采集相比,血液信号受到的抑制明显更大更均匀。此外,该序列还能得到减影图像,整个胸腔血管系统至少直到节段动脉的可视化,而无需注射对比剂,减影图像与黑血图像的比较有助于确认支气管内是否存在粘液性嵌塞,通过减影图像还可评估这些患者的脉管系统,特别是检测扩张的全身支气管和非支气管动脉,这可能对患者的治疗具有重要价值。

5.ZTE

随着技术发展,零回波时间序列(ZTE)也逐渐被众多研究中们探索,ZTE序列是另一种可以使超短T2/T2*成像的MRI成像技术,ZTE可以提供较UTE更好的肺部成像的信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR)[46]。研究证明ZTE对于4 mm以下的肺病灶的诊断性能优于常规PET/MRI,这在肺部肿瘤患者中具有较大应用前景[47]。刘倩云等[48]与CT相比,ZTE肺部成像在评估实体肺结节或肿块方面的研究中发现对于>1 cm的实性肺结节或肿块,ZTE在形态学特征方面与CT完全一致。而Bae等[49]研究证明4D ZTE能提供稳健的肺实质图像,无论患者的肺功能如何,与3D ZTE相比4D ZTE具有更好的SNR和CNR。ZTE在未来的超短回波序列成像方面将有更好的临床运用前景。

总结和展望

超短回波序列使实现肺磁共振成像成为可能。在对结节检测及良恶性鉴别、新生儿先天性肺畸形、慢性阻塞性气道疾病的诊断、阻塞性肺病的功能成像、肺疾病的定量测定以及无对比剂灌注技术方面均具有独特的临床价值。作为CT的替代方法,可用于肺部疾病形态学变化的纵向随访方法,特别是作为MRI独特功能成像的补充,在实现磁共振对肺部结构与功能成像的研究方面迈出了重大一步。