王聰，王婭，魯毅，孫學(xué)進(jìn)

零回波時(shí)間(zero echo time,ZTE)MR技術(shù)作為一種三維短T2成像技術(shù)具有穩(wěn)定、快速、低噪聲等特點(diǎn)，由Weiger等[1]提出。人體短T2成分主要有骨皮質(zhì)、肌腱、韌帶、肺、牙齒等，其信號(hào)衰減較快，常規(guī)序列受空間編碼和信號(hào)采集時(shí)間限制難以有效采集短T2信號(hào)，常造成該部分組織信號(hào)的丟失，圖像表現(xiàn)為無或低信號(hào)區(qū)[2]。因此，目前臨床應(yīng)用中以中、長T2信號(hào)為主，短T2信號(hào)應(yīng)用較為少見。ZTE等短T2成像技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)MRI技術(shù)的不足，經(jīng)過近些年的飛速發(fā)展，ZTE序列已逐漸成熟并應(yīng)用于臨床。本文在簡要介紹ZTE技術(shù)基本原理基礎(chǔ)上綜述ZTE相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用的新進(jìn)展并對ZTE技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

ZTE序列原理

不同于經(jīng)典自旋回波序列和梯度回波序列，ZTE序列是基于投影重建(projection reconstruction,PR)法[3]，通過在預(yù)先開啟的梯度場中激勵(lì)自旋質(zhì)子并直接檢測自由感應(yīng)衰減(free induction decay,FID)信號(hào)的短T2成像技術(shù)。雖然其數(shù)據(jù)采集受接收延遲時(shí)間的限制，但是通過縮短線圈發(fā)射/接收模式切換時(shí)間及濾波時(shí)間的方式，可縮短接收延遲時(shí)間，一定意義上實(shí)現(xiàn)了回波時(shí)間為零的突破，因此可有效采集短T2信號(hào)[4,5]。

1.常規(guī)ZTE序列

ZTE序列原理可大致分為數(shù)據(jù)采集和圖像重建兩部分。①數(shù)據(jù)采集：目前，常規(guī)磁共振序列主要采用傅立葉變換(fourier transform,FT)法，沿直角笛卡爾軌跡填充K空間，受相位編碼時(shí)間限制，回波時(shí)間往往大于短T2信號(hào)的衰減時(shí)間，所以難以采集短T2信號(hào)。此外，常規(guī)序列在實(shí)施過程中首先施加射頻脈沖，然后通過射頻脈沖或梯度場的切換產(chǎn)生信號(hào)，而后對產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行編碼和采集，這種先激發(fā)后編碼的信號(hào)采集模式同樣造成短T2信號(hào)的提前衰減。ZTE序列采用投影重建法，在極坐標(biāo)模型下，利用純頻率空間編碼的方式，由中心向外周呈放射狀填充K空間即徑向填充，去除了常規(guī)序列中相位編碼的延時(shí)，能以最快速度完成對信號(hào)空間編碼和數(shù)據(jù)采集[1]。ZTE序列的一維K空間數(shù)據(jù)采集原理(圖1)[1]是在一個(gè)重復(fù)時(shí)間(repetition time，TR)周期開始前首先進(jìn)行梯度場的爬升，在梯度場開啟的情況下施加射頻脈沖，脈沖后預(yù)先開啟的梯度場立即對信號(hào)進(jìn)行編碼和采集，最后調(diào)整梯度場，為下一個(gè)TR周期做準(zhǔn)備。ZTE所采用的這種先編碼后激發(fā)的信號(hào)采集模式，去除了常規(guī)序列中射頻脈沖后的梯度切換，確保了信號(hào)產(chǎn)生與采集之間沒有任何延遲。②圖像重建：由于接收延遲時(shí)間的存在，導(dǎo)致K空間中心部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，直接進(jìn)行圖像重建會(huì)產(chǎn)生偽影，因此，ZTE序列的圖像重建可分為數(shù)據(jù)填補(bǔ)和圖像重建兩個(gè)過程。①數(shù)據(jù)填補(bǔ)：常規(guī)ZTE序列在數(shù)據(jù)采集過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣，然后通過代數(shù)重建(algebraic reconstruction,AR)將一維數(shù)據(jù)中梯度方向相同、極性相反的兩組數(shù)據(jù)組合，而后利用插值的方法填補(bǔ)兩者之間的數(shù)據(jù)空白即K空間中心部分的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過反傅立葉變換獲取完整的一維K空間數(shù)據(jù)。②圖像重建:在數(shù)據(jù)填補(bǔ)的基礎(chǔ)上將不同方向的一維K空間數(shù)據(jù)組合，對組合后完整的K空間數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格化處理，形成類似笛卡爾采樣數(shù)據(jù)即常規(guī)序列的K空間數(shù)據(jù)形式，最后通過三維傅立葉變換重建出圖像[1]。

圖1 ZTE序列一維K空間數(shù)據(jù)采集示意圖。首先，射頻脈沖RF發(fā)出前投影梯度場G爬升至特定強(qiáng)度和方向并在一個(gè)重復(fù)時(shí)間TR內(nèi)保持不變；而后，對自旋施加射頻脈沖RF；經(jīng)過接收延遲時(shí)間△后，投影梯度場立即對產(chǎn)生的FID信號(hào)進(jìn)行空間編碼并完成數(shù)據(jù)采集AQ。序列的重復(fù)時(shí)間TR=編碼時(shí)間(Tenc)+梯度準(zhǔn)備時(shí)間(TG)。

ZTE序列借助投影重建法和先編碼后激發(fā)的信號(hào)采集模式，實(shí)現(xiàn)了回波時(shí)間為零的突破，并且能夠以最大K空間速度對短T2信號(hào)進(jìn)行采集。除此之外，與常規(guī)序列相比ZTE 序列的特點(diǎn)還包括[1]：①ZTE序列是固有的3D掃描序列。由于梯度場在射頻脈沖前開啟，射頻脈沖激發(fā)時(shí)無法再施加層面選擇梯度場，因此ZTE序列只能進(jìn)行3D掃描。②靜音掃描。在ZTE序列的整個(gè)信號(hào)采集過程中，梯度場始終保持開啟狀態(tài)，只在相臨采集周期，即重復(fù)時(shí)間(repetition time,TR)之間才會(huì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以改變采樣方向，因此該序列中梯度場只發(fā)生輕微改變，不會(huì)造成明顯噪聲。③成像穩(wěn)定性高。梯度場的輕微變化減少了硬件的渦流效應(yīng)，確保了K空間填充的準(zhǔn)確性，避免了相關(guān)偽影，提高了成像的穩(wěn)定性。④小翻轉(zhuǎn)角(flip angles,FA)和短TR。由于硬脈沖持續(xù)時(shí)間受到限制可獲得的FA較小，并且該序列的設(shè)計(jì)較為簡單，去除了常規(guī)序列中的梯度切換，因此TR較短。⑤對運(yùn)動(dòng)偽影及流動(dòng)偽影不敏感。ZTE序列基于投影重建法，采用純頻率編碼的方式采集信號(hào)，因此可獲得最大K空間采集速度以減少運(yùn)動(dòng)及流動(dòng)相關(guān)偽影對圖像的影響。⑥ZTE序列的局限性在于受該序列自身回波時(shí)間的限制，所獲得的圖像對比度較單一，通常為質(zhì)子密度加權(quán)或者T1加權(quán)，并且容易受到來自線圈等硬件設(shè)備的短T2信號(hào)影響。

2.非常規(guī)ZTE序列

隨著ZTE技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?yōu)榱嗽黾臃D(zhuǎn)角度，減少接收延遲時(shí)間對圖像質(zhì)量的影響，開發(fā)出多種ZTE技術(shù)相關(guān)序列，主要通過改變射頻脈沖類型，優(yōu)化填補(bǔ)K空間中心數(shù)據(jù)的方式，有以下3種常用序列：

(1)傅立葉變換掃描成像(sweep imaging with Fourier transformation,SWIFT)序列:常規(guī)ZTE序列中由于脈沖持續(xù)時(shí)間有限可獲得最大射頻脈沖場B1的振幅較小，因此常規(guī)硬脈沖所產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)角度受限。SWIFT序列中[6-8]提出了采用經(jīng)過振幅和頻率調(diào)制的射頻脈沖，其屬于絕熱脈沖的一種，通過分時(shí)方法在激勵(lì)脈沖后的幾微秒對信號(hào)進(jìn)行采集，依次對不同頻率進(jìn)行掃描并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完成后，經(jīng)過3D反投影重建或者標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格化的方法完成數(shù)據(jù)的處理，最終獲得掃描圖像[6]。

SWIFT技術(shù)有效克服了常規(guī)ZTE序列翻轉(zhuǎn)角較小的問題，協(xié)調(diào)了長脈沖與短接收延遲時(shí)間的關(guān)系，通過快速切換線圈的激勵(lì)與接收模式實(shí)現(xiàn)激發(fā)與接收的準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行。該序列的局限性在于高時(shí)間分辨率對線圈性能要求較高，并不適用于所有臨床掃描儀；特殊吸收率(specific absorption rate ,SAR)高于常規(guī)序列[6]。

(2)逐點(diǎn)編碼時(shí)間減少與徑向采集(pointwise encoding time reduction with radial acquisition,PETRA)序列:PETRA序列類似于鑰匙孔技術(shù)，采用徑向采集和笛卡爾單點(diǎn)采集兩種成像方法組合的方式，將K空間的數(shù)據(jù)采集分成中心和外周兩部分。K空間的外周部由ZTE序列通過徑向采集填充，K空間中心部由單點(diǎn)成像(single-point imaging,SPI)序列[9]通過笛卡爾軌跡逐點(diǎn)填充。完成數(shù)據(jù)采集后將兩組數(shù)據(jù)合并，經(jīng)過重建生成圖像。

該方法混合了ZTE和SPI兩種序列，中心信號(hào)采集時(shí)間稍長，但圖像具有較好的均勻性和信噪比，在成像性能上優(yōu)于常規(guī)ZTE序列且對硬件無特殊要求，可很好的應(yīng)用于臨床MRI掃描儀[9,10]。

(3)水和脂肪抑制質(zhì)子投影成像(water-and fat-suppressed proton projection imaging,WASPI)序列:WASPI序列具有抑制水和脂肪信號(hào)的作用，只保留短T2信號(hào)。WASPI序列中首先通過預(yù)脈沖選擇性飽和水和脂肪成分，飽和脈沖之后施加擾相梯度場，使水和脂肪的信號(hào)失相位有效抑制了水和脂肪的信號(hào)[11]。WASPI技術(shù)中K空間中心數(shù)據(jù)是通過降低梯度場強(qiáng)度，增加額外的徑向采集以實(shí)現(xiàn)對K空間中心數(shù)據(jù)的采樣，彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)缺失[12]。該方法通過調(diào)整投影的角密度，時(shí)間分辨率通常高于PETRA序列。

綜上所述，常規(guī)ZTE序列由于設(shè)計(jì)簡單且梯度場變化小具有很好的穩(wěn)定性，在使用非氫質(zhì)子材料制作的線圈及接收延遲時(shí)間較小的情況下性能較好，但其對射頻系統(tǒng)及線圈要求較高；SWIFT序列有效克服了常規(guī)ZTE序列翻轉(zhuǎn)角較小的問題；PETRA序列在接收延遲時(shí)間較長時(shí)可減少圖像偽影；WASPI序列在成像組織的T2衰減時(shí)間較接收延遲時(shí)間足夠長時(shí)時(shí)間分辨率更高[13]。此外，線圈等硬件產(chǎn)生的背景信號(hào)通常不會(huì)影響常規(guī)序列，而對ZTE序列影響較大，因此，需要通過增加預(yù)脈沖[14]或使用專用線圈[15]來抑制背景信號(hào)。

應(yīng)用

1.牙齒

目前，牙科成像的金標(biāo)準(zhǔn)依然是CT，其成像速度快、成本低，但軟組織對比度較差，存在電離輻射。相比之下，隨著ZTE等超短回波序列的應(yīng)用，MRI圖像可同時(shí)提供牙髓質(zhì)及牙釉質(zhì)的對比度，并且無電離輻射。Ute等[16]應(yīng)用一種無線、電感耦合口腔內(nèi)線圈提高M(jìn)RI圖像中牙齒軟組織分辨率。在體外、體內(nèi)牙齒成像實(shí)驗(yàn)中證實(shí)MRI可獲得與CT相似質(zhì)量的圖像，并且體內(nèi)高分辨率掃描僅用時(shí)4 min。Djaudat等[17]對比SWIFT、梯度回波、CT對牙齒裂縫顯示的敏感度分別對兩顆體外牙齒進(jìn)行成像，已知兩顆牙齒上裂縫的部位及寬度，結(jié)果顯示SWIFT序列可顯示僅20 μm寬的牙齒裂縫，遠(yuǎn)小于成像體素尺寸，而梯度回波序列及CT成像卻難以顯示該裂縫。該研究提示SWIFT序列可以有效檢測牙齒微裂紋。與此同時(shí)，小孔徑專用磁體、高溫超導(dǎo)導(dǎo)線等硬件的開發(fā)能降低磁共振設(shè)備的安裝、運(yùn)行成本，為將來牙科專用MRI設(shè)備的普及創(chuàng)造了可能[18]。因此，軟件和硬件的發(fā)展使牙科診斷更加準(zhǔn)確，有望改善齲齒等病變的早期診斷，避免了不必要的電離輻射，提高了被檢者的舒適度。

2.血管成像

零回波時(shí)間磁共振血管造影是將ZTE與連續(xù)式動(dòng)脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)技術(shù)相結(jié)合的磁共振血管成像新技術(shù)[19]，無需注射對比劑，因此采集時(shí)間窗不受對比劑通過時(shí)間的限制，通過調(diào)整標(biāo)記時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)血管造影的效果。翟茂雄等[20]以CE-MRA血管成像為標(biāo)準(zhǔn)對47例患者行3D TOF-MRA與ZTE-MRA頭頸部血管成像，對比分析3D TOF-MRA與ZTE-MRA圖像質(zhì)量及頸內(nèi)動(dòng)脈分支顯示情況。結(jié)果顯示ZTE-MRA血管成像的圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于3D TOF-MRA，提示ZTE-MRA頭頸部動(dòng)脈成像可替代CE-MRA，具有較好臨床應(yīng)用價(jià)值。

3.骨肌系統(tǒng)

人體內(nèi)的短T2組織大多集中在骨肌系統(tǒng)如骨皮質(zhì)、肌腱、韌帶等。由于ZTE技術(shù)可直接顯示短T2成分，相對于常規(guī)序列能提供更多的骨質(zhì)成分信息。其中，在對骨質(zhì)疏松患者的診斷及骨折風(fēng)險(xiǎn)評估方面，ZTE技術(shù)不僅可采集骨內(nèi)礦物質(zhì)成分信號(hào)，同時(shí)可獲取骨內(nèi)水和有機(jī)質(zhì)成分信號(hào)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)骨質(zhì)疏松診斷中雙能X線骨密度儀無法量化骨骼內(nèi)水及有機(jī)質(zhì)成分的不足，提高了骨質(zhì)疏松的診斷及骨折風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性[21]。Ryan等[22,23]將ZTE序列應(yīng)用于肩關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)的檢查中，分別從骨對比度和關(guān)節(jié)形態(tài)等方面與CT檢查比較。研究表明ZTE序列提供了與CT相一致的骨對比度，骨內(nèi)病變的顯示較CT更敏感，并且關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)上與CT存在顯著的一致性。提示磁共振ZTE序列可以有效替代CT檢查。Sung等[24]將PETRA序列及常規(guī)序列相結(jié)合有效提高了膝關(guān)節(jié)紊亂及半月板損傷的檢出率。并且，ZTE技術(shù)還應(yīng)用于肌腱、韌帶等損傷研究。

除此之外，長T2抑制序列[25]及同相位零回波時(shí)間(in-phase zero echo time,ipZTE)序列[26]的開發(fā)提高了MRI骨肌系統(tǒng)中短T2信號(hào)的對比度，減少了偽影對圖像質(zhì)量的影響，為PET/MR衰減校正和MRI引導(dǎo)放射治療計(jì)劃制定的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

4.放射治療計(jì)劃

放射治療中為提高放射靶區(qū)勾畫的準(zhǔn)確性和放射治療計(jì)量的精準(zhǔn)性，治療計(jì)劃的制定依賴于MRI和CT圖像。為獲取患者的MRI與CT圖像，需要對患者進(jìn)行兩次獨(dú)立的圖像采集，這種模式存在著固有缺陷[27]。隨著CT技術(shù)[28]及ZTE等超短回波序列的開發(fā)和應(yīng)用，MRI可以獲取用于放射治療計(jì)劃的電子密度分布和骨質(zhì)信息，Centre等[29]在使用同一種計(jì)算方法的前提下以真實(shí)CT值為標(biāo)準(zhǔn)比較常規(guī)序列T1圖像與ZTE圖像計(jì)算出的偽CT值。結(jié)果顯示利用ZTE圖像得出的偽CT值與真實(shí)CT值之間的平均絕對誤差為20 HU，較常規(guī)序列T1圖像準(zhǔn)確性提高，提示ZTE序列的應(yīng)用提高了偽CT圖像的準(zhǔn)確性。

因此，僅使用MRI的放射治療計(jì)劃流程是可行的，并且可充分發(fā)揮MRI高軟組織對比度的優(yōu)勢，減少了靶區(qū)勾畫的模糊性、簡化工作流程、提高了患者福利。

5.肺

由于ZTE技術(shù)中信號(hào)采集時(shí)間短，有效地避免了呼吸運(yùn)動(dòng)對圖像的影響，能在較短的時(shí)間內(nèi)提供高分辨率的肺部結(jié)構(gòu)信息，具有較好的信噪比和對比度[30]。與CT相比ZTE技術(shù)在肺部的應(yīng)用具有很大的潛力，能夠提高肺纖維化等肺部疾病早期診斷的特異性[31]。

6.靜音掃描

隨著磁共振設(shè)備的普及，MRI已作為常規(guī)檢查手段，但其噪聲對被檢者的影響逐漸引起人們的重視。調(diào)查顯示在MRI檢查中噪聲是導(dǎo)致患者無法忍受檢查的最主要原因，尤其對于焦慮患者以及嬰幼兒被檢者[32]。

ZTE序列中梯度場在幾乎整個(gè)TR周期內(nèi)保持不變，并且在每個(gè)TR周期末僅有輕微調(diào)整，而不會(huì)關(guān)閉，梯度線圈的變形和振動(dòng)可以忽略不計(jì)。因此，ZTE序列中梯度線圈不會(huì)產(chǎn)生明顯噪聲。隨著ZTE序列的不斷發(fā)展如ZTE-BURST[33]、looping star[34]等組合序列可在小噪聲的情況下獲得較高質(zhì)量的顱腦T2、T2*加權(quán)圖像。除此之外，ZTE技術(shù)在靜音fMRI[8]、靜音T1WI[35]等方面已經(jīng)取得一定進(jìn)展。

近年來，ZTE序列的發(fā)展迅速，具有諸多優(yōu)勢，在各個(gè)系統(tǒng)中都擁有廣闊的應(yīng)用前景，并在許多領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，如在骨和骨內(nèi)礦物質(zhì)量化成像中的應(yīng)用，可定量測量骨質(zhì)成分用于骨質(zhì)疏松的診斷[36]。臨床研究除了靜音掃描、骨肌系統(tǒng)、牙齒和放射治療外還用于腦血管、肺實(shí)質(zhì)、血管斑塊以及鈉成像[20,37-39]。除此之外，ZTE技術(shù)還具有直接顯示和量化髓鞘的潛力[40]。

總之，ZTE序列的開發(fā)與應(yīng)用，不僅在成像方面彌補(bǔ)了傳統(tǒng)磁共振檢查的不足，實(shí)現(xiàn)了對骨皮質(zhì)等短T2組織的成像，而且降低了磁共振掃描噪聲，提高了磁共振檢查的舒適度，在一定程度上拓展了磁共振成像的應(yīng)用范圍。雖然ZTE序列的應(yīng)用受到自身回波時(shí)間及線圈等硬件性能要求的限制，但是通過配合其他成像序列以及高性能的硬件設(shè)備，可在一定程度上彌補(bǔ)其不足，以便更好的發(fā)揮該序列的特點(diǎn)。目前，ZTE技術(shù)的臨床應(yīng)用方興未艾，有望在未來磁共振成像中得到廣泛應(yīng)用，使磁共振成像進(jìn)入新時(shí)代。