李雪，嚴福華

作者單位：上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院放射科，上海200025

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)具有良好的軟組織分辨率，其多序列、多參數(shù)、多方位的成像特點也可以為臨床診斷提供豐富的信息，然而，相較于CT 及超聲檢查，MRI 掃描最大的缺點是掃描時間過長。因此，更快的掃描速度和更高的圖像質(zhì)量一直是磁共振發(fā)展的兩個重要方向。隨著新的MRI快速成像技術(shù)的出現(xiàn)，其中最重要的一項技術(shù)就是并行采集技術(shù)，并行采集技術(shù)通過K空間欠采樣的方法在掃描層面內(nèi)進行加速，從而減少掃描時間。然而目前多數(shù)MRI 圖像仍然采用的是2D 掃描模式，因而并采技術(shù)對于MRI掃描的加速仍具有一定限度。近幾年新推出的同時多層成像技術(shù)(simultaneous multi-slice，SMS)，又稱多帶技術(shù)(multi-band，MB)，能夠利用復合射頻脈沖實現(xiàn)了多個掃描層面的同時激發(fā)［1］，有效降低了重復時間(time of repeatation，TR)，實現(xiàn)了層面間的加速。雖然目前最新的壓縮感知技術(shù)(compressive sensing，CS)在MRI 加速方面具有較大優(yōu)越性，但相較于在3D 及動態(tài)增強圖像中的應用，CS 技術(shù)在2D 圖像中的稀疏性不足，其在DWI技術(shù)中的應用具有一定限制［2］。因此SMS 技術(shù)在其臨床應用特別是在擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)序列的應用中仍具有一定優(yōu)勢。

1 同時多層成像技術(shù)概述

1.1 SMS技術(shù)的發(fā)展歷程(圖1)

SMS 技術(shù)最早是由Larkman 等［3］在2001 年提出的，其利用復合射頻脈沖同時激發(fā)4 個層面，再通過層選方向的多通道線圈所接收到的信號強度差異來對同時采集的混疊圖像進行分離，實現(xiàn)了對志愿者的膝關(guān)節(jié)多個層面的同時采集。但其采集的相鄰層面的圖像混疊偽影較重，圖像變形嚴重，限制了其在臨床中的應用。直到2009 年，由于美國國立衛(wèi)生研究院資助的人腦連接組項目(human connectome project，HCP)［4］需要大量的高圖像質(zhì)量的腦樣本數(shù)據(jù)，美國明尼蘇達大學、麻省總醫(yī)院等開始共同研發(fā)SMS 技術(shù)［5］。2010 年，明尼蘇達大學的學者［6］將SMS技術(shù)與并行采集技術(shù)結(jié)合，在相位編碼方向減少K空間采樣，通過層選方向及相位編碼方向的同時加速實現(xiàn)了功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的全腦高時間、高空間分辨率成像。同年，該學者又將SMS技術(shù)與其他多項成像技術(shù)相結(jié)合，快速得到了擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)和血氧水平依賴成像(blood oxygen level dependent，BOLD)圖像［7］。然而，即便如此，在使用更高空間分辨率時，這些圖像仍會產(chǎn)生明顯的偽影和變形。

為進一步提高圖像質(zhì)量，2012年，來自麻省總醫(yī)院的一項研究［8］引入了雞尾酒并行采集技術(shù)(controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration，blipped-CAIPIRINHA)，將其與SMS 技術(shù)結(jié)合得到了具有更高空間分辨率的DWI 和fMRI 圖像，并且圖像偽影及變形明顯減輕。因此，回顧SMS技術(shù)的發(fā)展歷程，blipped-CAIPIRINHA 雞尾酒并行采集技術(shù)的引入是其發(fā)展的關(guān)鍵。

1.2 SMS的成像原理

SMS 技術(shù)主要是將多個射頻脈沖混合成單個復合射頻脈沖，一次激發(fā)便可以實現(xiàn)數(shù)個層面的同時激勵和同時采集，通過對采集到的多個層面的混疊圖像信號進行提取、分離和編碼重建，最終以二維的方式輸出圖像。該技術(shù)能夠顯著縮短圖像掃描的TR，進而縮短圖像的掃描時間［8-9］。其中，SMS 技術(shù)一次激發(fā)的層數(shù)與人為設定的層加速因子相同。

在SMS成像中，同時采集的多個層面圖像很容易產(chǎn)生混疊，而在全新的SMS技術(shù)中分離混疊圖像的核心技術(shù)為blipped-CAIPIRINHA 和GRAPPA (gene relized autocalibrating patially parallel acquisitions)并行采集技術(shù)。以往的SMS 技術(shù)依靠層面編碼方向相控陣線圈空間敏感度的不同來分離混疊層面信號，但當層選方向線圈的編碼能力較弱或者當同時采集的相鄰層面距離較近時，混疊圖像分離的效果較差，圖像信噪比也會降低。為解決這一問題，有研究便引入了blipped-CAIPIRNHA并采技術(shù)，它將單個組成脈沖進行相位調(diào)制后再復合成寬帶脈沖，調(diào)制后的寬帶脈沖使同時激發(fā)的每一層面有不同的線性相位，通過每一層面獨有的相位循環(huán)使同時激發(fā)的相鄰層面在相位編碼方向上產(chǎn)生一定位移。隨后，采用基于K 空間域重建的并采技術(shù)GRAPPA 可將同時激發(fā)的多個層面的圖像從混疊圖像中較好地分離開來。

圖1 SMS技術(shù)的發(fā)展歷程Fig.1 The history of SMS technology development.

已有的研究證實，SMS 可以在保證圖像質(zhì)量不變的前提下大大縮短掃描時間，有利于減少運動偽影，真正提高臨床工作效率，也可以在相同TR 條件下激發(fā)更多掃描層數(shù)或進一步提高圖像分辨率。迄今為止已有多項研究嘗試將SMS 技術(shù)與其他MR 成像序列進行結(jié)合，如梯度平面回波成像、擴散張量成像、血氧飽和依賴成像等，最近的研究亦有將SMS技術(shù)與CS技術(shù)結(jié)合，并且都得到了較好的圖像效果。

2 同時多層成像技術(shù)的臨床研究進展的概述

blipped-CAIPIRNHA 雞尾酒并行采集技術(shù)的發(fā)布，使新的MR 快速采集技術(shù)(SMS 技術(shù))進入臨床研究成為可能。近年來，將全新的SMS技術(shù)應用于臨床的研究大幅增長，其中主要集中在神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、腹盆部、骨肌系統(tǒng)、乳腺等領域，近年來，也有關(guān)于SMS技術(shù)在頸部［10］、眼部［11］及腮腺［12］等方面應用的報道，但研究相對較少且欠成熟?？傊?，關(guān)于SMS 技術(shù)的研究內(nèi)容已從最初的圖像質(zhì)量評估逐步深入到對其病變檢測及鑒別能力的評價，研究方向也逐漸轉(zhuǎn)向與不同序列進行結(jié)合。以下將從5 個主要研究方面進行闡述。

2.1 同時多層成像技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)方面的研究進展

自2009年人腦連接組項目啟動以來，SMS技術(shù)在神經(jīng)領域的應用最為廣泛，追求高清、快速成像是SMS 技術(shù)應用于神經(jīng)系統(tǒng)的最初目標。目前，有相當一部分學者已經(jīng)嘗試將SMS 技術(shù)與其他序列進行結(jié)合，如梯度平面回波成像(echo planar imaging，EPI)、DTI［13］、BOLD 及動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)［14-15］等。這些研究發(fā)現(xiàn)在保持各觀測指標基本不變的情況下，采用SMS技術(shù)可以大大縮短TR，從而在極短的掃描時間內(nèi)完成全腦成像，提高圖像質(zhì)量。比如有學者［16］將SMS 技術(shù)與EPI 序列結(jié)合(SMS-EPI)，通過優(yōu)化SMS-EPI 序列、梯度性能和接收線圈，最終得到了具有超高分辨率的人腦fMRI圖像。

除此之外，SMS 技術(shù)還可以應用于高級彌散模型。高級復雜的多參數(shù)彌散模型往往可以提供更豐富的信息，但此類模型通常需要更多的b 值、彌散梯度方向數(shù)以及較高圖像彌散分辨率，掃描時間大大延長，而利用SMS 技術(shù)則可輕松實現(xiàn)將高級成像技術(shù)應用于臨床常規(guī)，并且多數(shù)研究推薦2 作為SMS 技術(shù)的加速因子。有研究［13］將SMS 技術(shù)與DTI 技術(shù)結(jié)合后，SMS 序列較傳統(tǒng)成像序列的掃描時間明顯減少，除病灶區(qū)域的部分各向異性(fractional anisotraphy，F(xiàn)A)值明顯升高外，SMS 序列的信號噪聲比(signal to noise ratio，SNR)、對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)、表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficience，ADC)值及周圍正常組織的FA 值較傳統(tǒng)成像序列保持不變。同時，在SMS 技術(shù)加速因子的設置方面，研究還表明當SMS 加速因子為2 時，各觀測指標基本保持不變。在一項對正中神經(jīng)SMS DTI 成像的研究中［17］以及另一項對下頜神經(jīng)SMS EPI 序列的研究中［18］也都得到了相同的結(jié)論，即當SMS 技術(shù)加速因子為2 時，圖像質(zhì)量同傳統(tǒng)序列大致相仿。

2.2 同時多層成像技術(shù)在心血管系統(tǒng)的研究進展

心臟MR成像已經(jīng)成為無創(chuàng)評價心臟功能和結(jié)構(gòu)的金標準，其對掃描時間有嚴格要求。心臟MRI成像掃描時間較長、易產(chǎn)生運動偽影，尤其是心臟電影成像，需反復屏氣，對時間及空間分辨率要求較高。研究表明，SMS 技術(shù)在心臟的應用除提高掃描速度外，還有在保持圖像SNR 不降低的條件下提高圖像空間分辨率或擴大掃描范圍。

平衡穩(wěn)態(tài)自由進動(balanced steady-state free precession，bSSFP)序列因具有高CNR、SNR 及掃描速度快等特點而被廣泛應用于心臟的快速成像技術(shù)中。心臟電影成像一般采用bSSFP 序列采集完整心動周期的圖像。有文獻將blipped-CAIPIRINHA 雞尾酒并行采集技術(shù)(即全新的SMS 技術(shù))與bSSFP 序列結(jié)合，證實了采用SMS技術(shù)的bSSFP 序列在心肌灌注成像、實時成像及電影SSFP 成像中不僅能增加了掃描范圍，而且SNR、圖像質(zhì)量保持不變［19］。近來另有研究［20］也證實結(jié)合SMS 技術(shù)的bSSFP 序列適用于心血管成像，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一次屏氣覆蓋全心室。以上研究均證實了SMS 技術(shù)在bSSFP 序列中的應用價值，其能在增加心臟掃描范圍的同時保持圖像質(zhì)量不變。最近，也有學者將SMS 技術(shù)與CS 技術(shù)結(jié)合［21］，通過調(diào)整bSSFP 序列的K 空間欠采樣方式最終也得到了高空間分辨率、大掃描范圍的圖像。

此外Nazir 等［22］對SMS 技術(shù)加速因子的設置進行了探究，發(fā)現(xiàn)當加速因子為6時，SMS bSSFP序列的心肌灌注成像范圍較加速因子為3時擴大一倍，且圖像質(zhì)量明顯提高。

心肌具有高度各向異性，心臟DTI能提供心肌微觀結(jié)構(gòu)的獨特信息。然而，DTI 序列在心臟的應用除了受磁敏感、呼吸運動及心跳的限制外，還受掃描時間的限制［23］。因此，有一部分研究將SMS技術(shù)應用于DTI 序列。在Angus 等［24］的研究中，他們將SMS 技術(shù)加入彌散加權(quán)激勵回波序列(stimulated echo acquisition mode，STEAM)，并對10 名健康志愿者進行了未加速及3 倍加速的心臟DTI 對比掃描，發(fā)現(xiàn)SMS 技術(shù)可在減少屏氣次數(shù)的情況下提高心臟微觀結(jié)構(gòu)定量測量的精確性。另外有［25］研究表明心臟疾病患者在自由呼吸條件下能夠完成全心DTI 掃描。以上結(jié)果均證明了DTI技術(shù)應用于臨床的潛力。

2.3 同時多層成像技術(shù)在乳腺方面的研究進展

目前SMS 技術(shù)在乳腺方面最大的應用是用于基于EPI 序列的DWI 序列。SMS 技術(shù)在乳腺DWI 序列中的研究多是集中于圖像質(zhì)量的評估、加速因子的設置、乳腺良惡性病變的鑒別等方面。且已有的研究大多推薦將加速因子2作為掃描參數(shù)。

臨床上目前最常用的DWI技術(shù)為EPI，同時EPI也是目前最快的MR 采集技術(shù)。然而，由于其回波間隙大，所以圖像常常容易出現(xiàn)幾何變形及圖像模糊，影響病灶區(qū)域ADC值的計算［26］。為了克服上述問題，分段讀出平面回波序列(readout-segmented echo-planar imaging，rs-EPI)應運而生，它通過多次激發(fā)分段填充K 空間數(shù)據(jù)的方式，極大降低了回波間隙，有效克服了幾何變形及磁敏感偽影，呈現(xiàn)更高的空間分辨率以及更精確的ADC值，但其分段讀出數(shù)據(jù)的特性明顯延長了成像時間［27］。為了提高rs-EPI序列的掃描效率，F(xiàn)illi等［28］將SMS技術(shù)首次應用于乳腺領域，通過傳統(tǒng)的rs-EPI 序列、加速因子分別為2 和3 的SMS rs-EPI 序列三者圖像質(zhì)量的比較，發(fā)現(xiàn)當加速因子為2 時，相較于傳統(tǒng)的rs-EPI 序列，SMS rs-EPI 序列在保持圖像ADC值和信噪比不變的情況下，所需的掃描時間大大減少。然而當加速因子增至3時，圖像偽影明顯增多。說明加速因子為2 的SMS rs-EPI 序列對臨床乳腺MRI 的掃描具有一定價值。也有文獻進一步研究了SMS EPI 序列對乳腺良惡性病變的鑒別能力，發(fā)現(xiàn)結(jié)合SMS 技術(shù)后EPI 序列掃描時間明顯縮短，圖像質(zhì)量、診斷能力與傳統(tǒng)ss-EPI 序列相當［29］。最近，另有學者利用SMS 技術(shù)進一步提高層間分辨率，相較于層厚為3 mm 的傳統(tǒng)ss-EPI 序列，結(jié)合SMS技術(shù)后將層厚設置為2 mm，不僅能縮短掃描時間，圖像清晰度、對乳腺病變的診斷能力也均有所提高［30］。

SMS 技術(shù)目前在乳腺方面的應用報道不多，且研究多是集中于DWI序列，其節(jié)省的掃描時間還可進一步提高圖像空間分辨率，這可作為未來乳腺領域研究的方向之一。

2.4 同時多層成像技術(shù)在腹盆部的研究進展

目前，SMS 技術(shù)在腹部的應用也多集中于彌散序列，研究范圍已經(jīng)逐步擴展到肝臟［31］、胰腺［32］、腎臟［33］、前列腺［34］以及直腸［35］等。雖然SMS技術(shù)可以用于薄層、高分辨率成像，但近年來在腹部的研究重點多集中在圖像質(zhì)量不變甚至有所提高的情況下盡力減少成像時間。此外，目前多數(shù)研究推薦將SMS技術(shù)的加速因子設置為2。如，一項關(guān)于胰腺成像的研究首先證實了利用SMS 技術(shù)可以縮短掃描時間并提高圖像質(zhì)量，同時也表明，當加速因子為2 時圖像質(zhì)量較高，但數(shù)值增至3時圖像質(zhì)量就可見明顯下降［36］。

SMS 技術(shù)應用于肝臟也可在不降低圖像質(zhì)量的同時減少掃描時間。Taron 等［31］比較了在屏氣和自由呼吸兩種不同狀態(tài)下結(jié)合了SMS 技術(shù)的DWI 序列與傳統(tǒng)DWI 序列的圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)SMS 掃描技術(shù)在兩種不同呼吸模式下圖像質(zhì)量均與傳統(tǒng)DWI 序列相當，但掃描時間可縮短約70%。此外，SMS 技術(shù)還可應用于其他一些序列。Boss 等學者［32］的研究表明通過SMS 技術(shù)，節(jié)省的掃描時間能夠用于獲取更多b 值數(shù)，進一步證實了SMS 技術(shù)應用于體素內(nèi)不相干運動成像(intravoxel incoherent motion，IVIM)序列的可行性。最近，有學者［37］還將SMS技術(shù)應用于一種快速磁共振彈性成像序列(magnetic resonance elastography，MRE)，使得單次屏氣肝臟MRE 成像成為可能。

隨著多通道高密度線圈進入臨床，SMS 技術(shù)已逐漸應用于腹盆部成像，并且研究范圍已經(jīng)從簡單的圖像質(zhì)量評估逐步深入到其病變診斷價值的評價。比如近來有研究表明［38］，結(jié)合SMS技術(shù)，DWI圖像對神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤肝轉(zhuǎn)移病灶的檢測能力明顯高于傳統(tǒng)DWI 圖像。未來，隨著磁共振設備的發(fā)展和軟件進一步優(yōu)化，其在腹部的應用范圍有待進一步深入。

2.5 同時多層成像技術(shù)在骨肌系統(tǒng)的研究進展

Blipped-CAIPIRNHA 雞尾酒并行采集技術(shù)的發(fā)布使新的SMS技術(shù)進入臨床研究成為可能。目前，優(yōu)化的SMS技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、薄層及多層面掃描，其不僅可以應用于骨骼肌系統(tǒng)的不同組織與部位，也可以應用于不同成像序列，如DTI、快速自旋回波序列(turbo spin echo，TSE)等。

近來有研究肯定了SMS 技術(shù)在TSE 序列中的應用，表明其能夠在保證圖像質(zhì)量的前提下大大縮短髖關(guān)節(jié)掃描時間［39］。在加速因子的選擇方面，F(xiàn)illi等［40］將SMS技術(shù)與DTI序列結(jié)合對8名健康志愿者的小腿肌肉分別行加速因子為0、2、3 的SMS DTI 序列掃描，并對上述3 個序列的平均彌散率(mean diffusivity，MD)、FA 值，肌肉信噪比，肌纖維數(shù)、肌纖維長度及解剖細節(jié)評分進行定量比較，最后發(fā)現(xiàn)加速因子為2時的SMS DTI序列與傳統(tǒng)DTI序列各彌散指標及圖像評分無明顯差異，但當加速因子為3時SMS DTI序列的FA值可見增高。另外，也有文獻［41］對膝關(guān)節(jié)快速采集技術(shù)的加速因子進行了探究，將SMS技術(shù)與并采技術(shù)(parallel acquisition techniques，PAT)結(jié)合，根據(jù)不同的加速因子與傳統(tǒng)TSE 序列進行不 同 組 合(PAT2-SMS1，PAT3-SMS1，PAT1-SMS2，PAT1-SMS3，PAT2-SMS2，PAT2-SMS3)，通過SNR、CNR 的定量測量，發(fā)現(xiàn)SMS 技術(shù)較PAT 技術(shù)保留信號能力更強，其中PAT2-SMS2 序列的SNR、CNR 與PAT2-SMS1 相近，但采集時間減少約50%。

此外，在診斷性能的評估方面，有文獻報道［42］將SMS、PAT 兩種技術(shù)與傳統(tǒng)T2WI TSE 序列結(jié)合可以實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)采集速度的4倍加速，然而對病變的診斷能力卻保持不變。

3 現(xiàn)存不足與前景展望

SMS 技術(shù)于2015 年RSNA 上隆重推出，并于2016 年在市場上商業(yè)化推廣，使磁共振進入了全新的多層成像時代。以往的快速采集序列都為單頻率脈沖，而SMS 采用多頻率復合的寬帶脈沖，因此其射頻能量較高，特殊吸收率(specific absorption ratio，SAR)值較臨床常規(guī)序列高，人體SAR 值限制了SMS 技術(shù)加速因子的提高及在臨床的廣泛應用。此外，SMS 技術(shù)成像原理決定了其加速方向為選層方向，這使SMS 技術(shù)在3D 序列中的應用受限，盡管目前傳統(tǒng)MR成像的絕大多數(shù)掃描序列都是2D掃描模式。

迄今SMS技術(shù)已投入臨床使用，但仍是一項較新的快速采集技術(shù)，其不僅可以大大縮短掃描時間，還可以在相同或更短掃描時間內(nèi)擴大掃描范圍、采集更多層面以及提高圖像空間分辨率，在提高臨床磁共振掃描效率的同時，真正實現(xiàn)薄層、高清、大視野及大范圍的掃描。綜上所述，SMS 技術(shù)在縮短掃描時間的同時能夠保持較好的圖像質(zhì)量，未來隨著磁共振軟硬件的不斷提升、掃描序列的不斷優(yōu)化，相較于CS技術(shù)，其在臨床特別是DWI成像方面的應用仍相對明朗。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。