陳俊汝 綜述 孫學(xué)進(jìn)， 魯毅， 王聰 審校

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是一種多方位、多參數(shù)影像學(xué)檢查方式，因其無(wú)輻射、軟組織分辨率高而極具優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在臨床及科研中應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但是MRI尚未廣泛用于肺部成像，因?yàn)榉谓M織特殊性質(zhì)[1]：肺部含氣量大，氫質(zhì)子含量低，橫向弛豫時(shí)間短；空氣-組織界面磁敏感性差異造成微觀磁場(chǎng)不均勻；心跳和呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偽影等原因。因此，在TE較長(zhǎng)常規(guī)脈沖序列中[2]射頻脈沖激發(fā)后還來(lái)不及采集信號(hào)，肺組織信號(hào)就已經(jīng)衰減至零，表現(xiàn)為極低信號(hào)。為采集到肺組織信號(hào)且實(shí)現(xiàn)較高空間分辨率和信噪比就必須選擇TE值比肺組織T2值短序列進(jìn)行成像。ZTE成像技術(shù)基于三維放射狀K空間填充方式，結(jié)合微動(dòng)梯度編碼和超快速瞬切射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零回波時(shí)間信號(hào)采集[3,4]，它在肺部成像中具有極大潛力。本文綜述ZTE技術(shù)基本原理及其在肺部成像中應(yīng)用以期將ZTE新技術(shù)應(yīng)用于臨床肺部疾病診斷。

ZTE技術(shù)

1.ZTE技術(shù)原理

ZTE技術(shù)是近年來(lái)開(kāi)發(fā)一種可顯示短T2組織磁共振新技術(shù)，其原理是在成像過(guò)程中先行梯度場(chǎng)爬升，而后施加射頻脈沖，射頻脈沖結(jié)束后立即對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集去除了常規(guī)脈沖序列中梯度場(chǎng)切換，因此實(shí)現(xiàn)了TE為零的信號(hào)采集[3,4]。首先，將讀出梯度場(chǎng)設(shè)置為所需要的方向和幅度并保持不變直到下一次重復(fù)周期再進(jìn)行調(diào)整，然后采用短的硬脈沖進(jìn)行激發(fā)[3]，迅速以高帶寬覆蓋梯度場(chǎng)作用的所有頻率范圍，緊接著利用接收線圈進(jìn)行三維徑向采樣，以實(shí)現(xiàn)各向同性掃描，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后通過(guò)代數(shù)重建和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格化法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終經(jīng)傅里葉變換獲得ZTE三維影像[5]。

2.ZTE技術(shù)特點(diǎn)

ZTE是一種快速、穩(wěn)定、噪音小的三維成像方式[3,4,6]。(1)ZTE成像速度較快。ZTE在梯度場(chǎng)打開(kāi)情況下行脈沖激勵(lì)去除脈沖之后梯度場(chǎng)切換，可在脈沖結(jié)束后立即采集信號(hào)，能夠快速獲取迅速衰減肺組織信號(hào)。(2)ZTE抗運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較強(qiáng)。ZTE采用三維徑向采樣和K空間周邊數(shù)據(jù)過(guò)采樣技術(shù)能有效克服運(yùn)動(dòng)偽影。并且，ZTE序列大部分時(shí)間僅用于數(shù)據(jù)采集和梯度逐級(jí)爬升，所需要重復(fù)時(shí)間(repetition time,TR)較短，因此，快速掃描可明顯凍結(jié)運(yùn)動(dòng)偽影。(3)ZTE噪音很小。磁共振成像中噪音主要來(lái)源于梯度場(chǎng)切換，而ZTE技術(shù)梯度場(chǎng)一直保持開(kāi)啟狀態(tài)，在脈沖重復(fù)之間不進(jìn)行梯度切換，只進(jìn)行很小梯度爬升，因此，大大減小了噪音。(4)ZTE是一種三維成像方式。由于在射頻脈沖激發(fā)前讀出梯度就處于開(kāi)啟狀態(tài)，無(wú)法再施加選層梯度，所以ZTE不能進(jìn)行2D掃描，但可在3D各向同性采集后進(jìn)行2D重建。

3.ZTE技術(shù)需要解決問(wèn)題

實(shí)現(xiàn)ZTE成像需要解決以下技術(shù)問(wèn)題：第一，射頻脈沖帶寬必須覆蓋由梯度場(chǎng)產(chǎn)生所有頻率范圍以保證信號(hào)采集均勻性和采集層面一致性。這可通過(guò)短硬脈沖激發(fā)，也可通過(guò)具有頻率掃描脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。第二，ZTE序列由于讀出梯度場(chǎng)持續(xù)存在，空間編碼從射頻脈沖激發(fā)時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始，而數(shù)據(jù)采集在脈沖激發(fā)后有一定響應(yīng)時(shí)間，所以導(dǎo)致填充于K空間中心數(shù)據(jù)部分丟失[4]。采用快速系統(tǒng)切換能力[7]尤其是高性能線圈以保證脈沖激發(fā)到數(shù)據(jù)采集之間響應(yīng)時(shí)間非常短是至關(guān)重要的，隨著硬件設(shè)備提高，高速切換信號(hào)接收線圈已逐漸減少了ZTE成像局限性。另外，也可以通過(guò)周邊數(shù)據(jù)過(guò)采樣以及線性代數(shù)重建來(lái)解決K空間中心數(shù)據(jù)丟失[5,8]。第三，由于ZTE技術(shù)回波時(shí)間為零，因此，所采集圖像缺乏組織對(duì)比度，主要表現(xiàn)為質(zhì)子密度對(duì)比，并且，ZTE增加了其他短T2成分敏感性，例如硬件設(shè)備中線圈以及檢查床均可在ZTE序列中顯像[4]。近年來(lái)，ZTE可實(shí)現(xiàn)壓脂掃描以及長(zhǎng)T2組織信號(hào)抑制[9]，進(jìn)一步提高了圖像對(duì)比度，此外，ZTE在背景信號(hào)抑制上改進(jìn)以及無(wú)氫質(zhì)子線圈出現(xiàn)都極大改善了ZTE圖像質(zhì)量。

ZTE在肺成像中技術(shù)優(yōu)化

ZTE技術(shù)最初由Weiger等[4]提出，由于肺組織T2值非常短，需要在射頻脈沖結(jié)束后立即進(jìn)行空間編碼和信號(hào)采集以實(shí)現(xiàn)高信噪比和高空間分辨率。在超短回波時(shí)間(ultrashort echo time,UTE)成像中[10-12]此過(guò)程通過(guò)提高梯度場(chǎng)爬升速度來(lái)實(shí)現(xiàn)?；谶@一理論，Weiger等[4]進(jìn)一步提出了將梯度場(chǎng)爬升置于射頻脈沖之前，這樣在射頻結(jié)束后就可以立即對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，從而實(shí)現(xiàn)零回波時(shí)間成像。ZTE提出后，相繼有學(xué)者在物理學(xué)上對(duì)ZTE進(jìn)行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整ZTE序列成像方式對(duì)其進(jìn)行了不斷變體。因?yàn)閆TE采用硬脈沖激發(fā)[3]雖硬脈沖可快速實(shí)現(xiàn)高帶寬激勵(lì)，但因?yàn)槊}沖持續(xù)時(shí)間非常短，這樣就會(huì)在保證脈沖振幅一定的情況下限制了翻轉(zhuǎn)角[4]。并且，帶寬也不可以無(wú)限大，當(dāng)固定數(shù)據(jù)采集響應(yīng)時(shí)間后，增加帶寬會(huì)引起K空間中心數(shù)據(jù)丟失間隙尺寸變大，經(jīng)代數(shù)重建后圖像會(huì)出現(xiàn)頻率失真。為解決帶寬和翻轉(zhuǎn)角限制，Weiger等[13]通過(guò)還原代數(shù)重建K空間中心數(shù)據(jù)丟失原理，發(fā)現(xiàn)帶寬受限主要原因是射頻系統(tǒng)切換能力較低，對(duì)此他們利用高性能射頻切換系統(tǒng)，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化后的ZTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在更高帶寬下顯示短T2成分。翻轉(zhuǎn)角受限是通過(guò)優(yōu)化激勵(lì)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的[14]，結(jié)合振幅和頻率調(diào)制脈沖被證明可提高ZTE圖像均勻性，并且可以提高翻轉(zhuǎn)角，翻轉(zhuǎn)角提高使圖像對(duì)比度得到了改善，但是，由于調(diào)制脈沖成像時(shí)間較長(zhǎng)，以及解析短T2信號(hào)過(guò)程較復(fù)雜，因此尚未廣泛應(yīng)用于ZTE成像。

ZTE成像中背景信號(hào)干擾問(wèn)題嚴(yán)重影響了ZTE圖像質(zhì)量。平時(shí)使用普通線圈因含有少量的氫質(zhì)子在射頻激勵(lì)和數(shù)據(jù)采集之間響應(yīng)時(shí)間非常短時(shí)，線圈信號(hào)來(lái)不及衰減至零，所以會(huì)使ZTE圖像出現(xiàn)偽影。Dreher等[15]研究證明利用高階勻場(chǎng)線圈引起空間非均勻B0場(chǎng)造成的信號(hào)失相位可有效地抑制來(lái)自線圈背景信號(hào)，并且，結(jié)合容積外抑制射頻脈沖的使用可進(jìn)一步抑制電子元件產(chǎn)生背景信號(hào)。在Weiger等[4]試驗(yàn)中他們提出了其他背景信號(hào)抑制方法可據(jù)T2差異利用預(yù)脈沖來(lái)抑制干擾信號(hào)，或者利用從肺中測(cè)量數(shù)據(jù)減去從水模中測(cè)量數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行背景信號(hào)校正[16]。雖然這些方法均能在一定程度上抑制背景信號(hào)，但是仍然存在一定的缺點(diǎn)，例如，高階勻場(chǎng)線圈引起局部磁場(chǎng)不均勻性會(huì)使肺組織信號(hào)衰減更快導(dǎo)致圖像信噪比降低；預(yù)脈沖使用會(huì)增加TR；采用減法背景校正需要很大視野。因此，背景信號(hào)抑制最好方法是開(kāi)發(fā)無(wú)氫質(zhì)子線圈。最近，Weiger等[17]設(shè)計(jì)了一個(gè)幾乎不含氫質(zhì)子線圈，使用螺紋代替膠合機(jī)械連接，開(kāi)發(fā)帶有玻璃電介質(zhì)電纜槽并采用鐵磁材料進(jìn)行背景信號(hào)破壞。無(wú)氫質(zhì)子線圈使用可使ZTE獲得幾乎沒(méi)有背景信號(hào)圖像，從而有助于ZTE技術(shù)進(jìn)一步提高肺部圖像質(zhì)量。

ZTE在肺部中應(yīng)用

1.ZTE在顯示正常肺結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

關(guān)于磁共振在肺成像中研究，最先采用的是UTE序列，UTE作為一種顯示短T2成分技術(shù)，與ZTE相比具有更長(zhǎng)發(fā)展史，目前UTE已經(jīng)可以用于骨關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描[18]，其在肺部中研究歷程更長(zhǎng)[19,20]，但目前為止，UTE臨床影響力較低，由于其成像時(shí)間較長(zhǎng)，圖像質(zhì)量較差。ZTE較UTE而言，其獲取短T2肺組織信號(hào)能力更強(qiáng)，因此，它在肺成像中具有更大潛力。然而，關(guān)于ZTE的研究以前大部分是在頭顱、牙齒、關(guān)節(jié)等[21-26]沒(méi)有生理運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行，而在肺成像中研究卻很少。最初，ZTE在肺成像中研究主要以顯示正常肺結(jié)構(gòu)為主，在小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中已成功應(yīng)用于各向同性高空間分辨率形態(tài)學(xué)肺成像[27]。Weiger等[16]對(duì)比觀察常規(guī)梯度回波序列和ZTE序列對(duì)健康小鼠肺成像圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)即使在沒(méi)有使用呼吸門(mén)控狀態(tài)下ZTE序列也能較好顯示肺組織結(jié)構(gòu)，并且沒(méi)有明顯運(yùn)動(dòng)偽影，而梯度回波序列顯示肺組織信號(hào)較低，結(jié)構(gòu)觀察不清。在使用呼吸門(mén)控和增加信號(hào)平均次數(shù)后，ZTE序列進(jìn)一步改善了肺部圖像信噪比，同時(shí)增加了細(xì)節(jié)可見(jiàn)性。

ZTE在健康人體肺成像中應(yīng)用是由Gibiino等[28]首次提出的，他們采用不同呼吸運(yùn)動(dòng)管理方法，同時(shí)比較不同帶寬采集圖像質(zhì)量，結(jié)果表明采用前瞻性和回顧性呼吸門(mén)控均可使ZTE序列在自由呼吸狀態(tài)下獲得較高質(zhì)量的肺部圖像。參數(shù)選擇在兼顧信噪比和采集時(shí)間后62.5kHz帶寬被證明是最佳的。Niwa等[29]將ZTE序列和單點(diǎn)回波時(shí)間成像相結(jié)合用于對(duì)肺組織進(jìn)行成像，此種組合在徑向模式下獲取k空間的外周部分，而在笛卡爾模式下逐點(diǎn)獲取K空間的中心部分。結(jié)果證明這種方法可進(jìn)一步減少編碼時(shí)間獲取更多肺組織信號(hào)。Dournes等[30]研究也證明徑向采集的ZTE技術(shù)可以顯示支氣管的4級(jí)分支和肺組織的葉間裂，與標(biāo)準(zhǔn)體積插值屏氣檢查(volumetric interpolated breath-hold examination，VIBE)相比，ZTE對(duì)于支氣管結(jié)構(gòu)可視化和肺實(shí)質(zhì)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)能力均優(yōu)于VIBE序列。Bae等[31]采用UTE和ZTE對(duì)正常肺結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量評(píng)估，結(jié)果顯示ZTE比UTE更有利于成像外周支氣管和肺血管，進(jìn)一步驗(yàn)證了ZTE在顯示肺內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)ZTE序列不斷研究和改進(jìn)已能在合理掃描時(shí)間內(nèi)提供分辨率達(dá)1.2mm全肺覆蓋影像[28]。自由呼吸ZTE脈沖序列在健康人群氣道可視化實(shí)現(xiàn)高信噪比和各向同性高分辨率方面顯示了巨大前景。

2.ZTE在診斷肺疾病中價(jià)值

ZTE技術(shù)應(yīng)用對(duì)于磁共振診斷肺部疾病至關(guān)重要。由于ZTE序列高度穩(wěn)定性，它能夠可視化健康人群肺結(jié)構(gòu)，同樣也能顯示肺部疾病。Bianchi等[32]通過(guò)制備大鼠肺氣腫模型采用UTE、ZTE和μCT對(duì)正常組和肺氣腫組進(jìn)行成像，結(jié)果表明ZTE可在自由呼吸狀態(tài)下提供優(yōu)質(zhì)肺部影像，并且由于徑向采樣降低了對(duì)運(yùn)動(dòng)敏感性。另外，通過(guò)對(duì)比正常組和肺氣腫組發(fā)現(xiàn)在肺氣腫中ZTE獲得SNR顯著下降，結(jié)果提示ZTE有望成為一種評(píng)估肺氣腫病理形態(tài)學(xué)改變影像方式。雖動(dòng)物研究表明ZTE可用于診斷肺疾病，但是在臨床研究中還很少有人利用ZTE來(lái)顯示肺部疾病。為了進(jìn)行初步臨床評(píng)估，研究者[30,33]對(duì)囊性纖維化患者行MRI成像和CT掃描，結(jié)果顯示徑向采集ZTE序列和CT均可顯示支氣管擴(kuò)張和管壁的增厚等細(xì)微變化。然而，對(duì)于ZTE應(yīng)用于臨床的最終目的是希望能達(dá)到對(duì)較小病變也有較高的檢出率，例如，亞厘米結(jié)節(jié)檢出通常被認(rèn)為是肺成像的重要目標(biāo)。由于常規(guī)磁共振成像對(duì)肺結(jié)構(gòu)顯示不佳，因此，肺結(jié)節(jié)檢查手段主要依靠高分辨率CT[34]。但隨著磁共振成像序列的優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外關(guān)于MRI對(duì)肺結(jié)節(jié)顯示及檢出率研究逐漸增多。研究表明[35]MRI對(duì)肺結(jié)節(jié)檢測(cè)敏感度高達(dá)80.5%，并能準(zhǔn)確地評(píng)估其直徑且與CT相比具有較高的一致性。近年來(lái)，有研究者提出[36]MRI對(duì)鑒別診斷以磨玻璃結(jié)節(jié)為表現(xiàn)浸潤(rùn)性肺腺癌具有一定價(jià)值。針對(duì)ZTE對(duì)肺結(jié)節(jié)診斷性能，Bae等[31]利用ZTE和UTE同時(shí)對(duì)CT確診具有肺結(jié)節(jié)患者進(jìn)行成像，以CT為金標(biāo)準(zhǔn)，比較ZTE和UTE對(duì)肺結(jié)節(jié)診斷準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示ZTE對(duì)亞厘米結(jié)節(jié)檢出率明顯高于UTE，并且，ZTE對(duì)于顯示結(jié)節(jié)信噪比和對(duì)比度也更高。因此，ZTE可作為常規(guī)臨床肺成像補(bǔ)充手段，有助于進(jìn)一步推進(jìn)磁共振成像在肺中的應(yīng)用。

總之，ZTE技術(shù)在肺成像中應(yīng)用打破了傳統(tǒng)MRI在肺及氣道成像方面局限性。ZTE技術(shù)可用于高分辨率顯示正常肺結(jié)構(gòu)，也可用于診斷肺部疾病。對(duì)于孕婦、小孩、老人和長(zhǎng)期需要隨訪患者以及體檢者，影像學(xué)檢查就多了一個(gè)選擇，而不僅局限于CT，因此，減少了不必要輻射損傷。雖然ZTE技術(shù)目前還不夠完善但具有很大可行性和診斷價(jià)值。隨著對(duì)ZTE技術(shù)不斷研究改進(jìn)，其在肺部疾病中應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。