劉雅文，牛海軍，尹紅霞，鄭作鋒，任鵬玲，張婷婷，，趙鵬飛，呂晗，王振常，*

作者單位：1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100191；3.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科，北京 100050；4.北京市垂楊柳醫(yī)院放射科，北京 100022

定量磁共振成像(quantitative magnetic resonance imaging，qMRI)技術(shù)是隨著精準(zhǔn)磁共振成像的發(fā)展而出現(xiàn)的一種成像技術(shù)，可以提供人體組織物理特性的定量信息，是目前國際MRI應(yīng)用研究的前沿。狹義上的qMRI 技術(shù)指對弛豫時間進(jìn)行定量，主要包含對縱向弛豫時間(longitudinal relaxation time，T1)和橫向弛豫時間(transverse relaxation time，T2)的測量。通過對T1、T2 等人體組織成分固有參數(shù)值的測量，可以準(zhǔn)確區(qū)分不同的組織類型，為臨床診斷提供重要依據(jù)[1-2]。

目前已有多種技術(shù)用于弛豫時間的定量計算，傳統(tǒng)的T1 Mapping成像技術(shù)使用基于飽和恢復(fù)法和反轉(zhuǎn)恢復(fù)法對T1 值進(jìn)行定量，T2 Mapping 主要使用基于單回波的自旋回波序列或多回波的快速自旋回波序列[3-4]。各種定量技術(shù)各有優(yōu)點和局限性，通常情況下，為了獲得更準(zhǔn)確的定量值，需要進(jìn)行多次序列掃描或者在同一個序列下改變參數(shù)得到更多的信號值以便進(jìn)行擬合計算，但是這樣會使單次掃描的時間大幅增加，不利于在臨床中的推廣應(yīng)用。因此，在定量原理和基礎(chǔ)序列之上衍生出多種快速定量成像技術(shù)。

目前，合成磁共振成像技術(shù)和磁共振指紋成像是兩種主要的快速同步定量成像技術(shù)[5-6]。其中，基于動態(tài)多回波(multiple-dynamic, multiple-echo，MDME)序列的合成MRI技術(shù)是一種全新的qMRI采集方式，可以通過一次采集獲得包含T1 Mapping 和T2 Mapping 在內(nèi)的多種定量和對比度圖像。MDME 序列包含兩個重復(fù)的數(shù)據(jù)采集階段，第一階段使用片選飽和脈沖進(jìn)行層面選擇，第二階段通過激勵脈沖和多個重聚焦脈沖對另一個層面進(jìn)行多回波自旋回波采集，最終通過多回波和不同的飽和延遲進(jìn)行T1 和T2的定量估計。在生成定量圖像后，可以通過任意改變回波時間(echo time，TE)和重復(fù)時間(repetition time，TR)值以獲得不同對比度的圖像，便于臨床應(yīng)用[7-8]。針對合成MRI獲得的加權(quán)圖像，目前已有研究表明，其在不同部位和疾病的診斷中與傳統(tǒng)掃描序列圖像的診斷價值相當(dāng)，具有較好的應(yīng)用前景[9-11]。除此之外，合成MRI 的掃描時間較短，使得這一技術(shù)有望在常規(guī)臨床掃描中得到應(yīng)用[12]。

但是，相較于合成MRI 的應(yīng)用研究，目前對合成MRI 的定量測定準(zhǔn)確性評估及與傳統(tǒng)定量技術(shù)對比的驗證研究較少，而準(zhǔn)確性又是qMRI 方法得以發(fā)展的前提和關(guān)鍵，將會影響其在定量研究中的應(yīng)用和推廣[13-15]。因此，本研究針對3.0 T MR設(shè)備，對灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液模體采用合成MRI 和傳統(tǒng)定量技術(shù)對T1 和T2 弛豫時間進(jìn)行重復(fù)定量測定，對比研究合成MRI在定量研究中的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

1 材料與方法

磁共振模體采用萬東公司配制的磁共振人體組織仿真模體：灰質(zhì)(gray matter，GM)模體(圓柱形，型號WD-TP001，內(nèi)部填充水1000 g，六水合氯化鎳0.25 g，瓊 脂 糖9.6 g 和 山 梨 酸 鉀0.1 g)，白 質(zhì)(white matter，WM)模體(圓柱形，型號WD-TP002，內(nèi)部填充水1000 g，六水合氯化鎳0.50 g，瓊脂糖11 g和山梨酸鉀0.1 g)，腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)模體(圓柱形，型號WD-TP003，內(nèi)部填充水1000 g，五水硫酸銅0.02 g)。三個模體內(nèi)部填充的物質(zhì)較為均勻。

1.1 MR掃描及序列參數(shù)

MRI設(shè)備采用GE 3.0 T Pioneer，配備數(shù)字環(huán)繞技術(shù)體線圈和頭頸聯(lián)合線圈，進(jìn)行合成MRI和傳統(tǒng)定量成像。使用GE 設(shè)備中的動態(tài)多回波序列(magnetic resonance image compilation，MAGiC)進(jìn)行合成磁共振圖像采集，具體掃描參數(shù)如下：TE1=18.3 ms，TE2=91.4 ms；TR=4000 ms；掃描野=220 mm×220 mm；矩陣=320×256；回波鏈長度=16；層厚=5 mm；層間距=1 mm；三個模體可同時掃描，從上至下掃描20層，掃描時間為4 min 30 s。T1 Mapping的掃描序列為快速自旋回波序列，反轉(zhuǎn)時間(inversion time，TI)取6 個不同的值，分別設(shè)置為50、100、200、500、1000 和2500。其他掃描參數(shù)如下：TR=4000 ms，TE=7.8 ms，層厚=5 mm，矩陣=192×160；依次掃描三個模體，每個模體掃描5層，覆蓋模體中間區(qū)域，用時共計約10 min。T2 Mapping采用基礎(chǔ)自旋回波序列，依次預(yù)掃描三個模體，設(shè)置TR=5000 ms，層厚=10 mm，層間距=2.5 mm，矩陣=128×128，回波時間分別設(shè)置為20、40、60、80、100、120、180、240、300、400、500、1000 ms，用時共計約10 min。

1.2 T1和T2的計算方法

基于MDME 序列的合成MRI 通過設(shè)置兩個回波時間和4個延遲時間來獲取原始圖像，并通過最小二乘法擬合計算出T1 和T2 定量圖，定量擬合計算公式見式(1)[16-17]：

其中，S 是信號強度，A 為常數(shù)，α 是翻轉(zhuǎn)角，θ 是飽和翻轉(zhuǎn)角。

本研究中的傳統(tǒng)T1擬合計算方法基于Barral等[18]提出的T1計算方法：

N 是采樣點的個數(shù)，TIn是不同的反轉(zhuǎn)時間，a?、b?、T?1分別是復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)和T1的估計值。

對于傳統(tǒng)的T2 曲線擬合，通過最小化Blcoch 方程對不同回波時間的信號強度進(jìn)行最小二乘擬合：

S = K·[H]·(1 -e-TR T1)·e-TE T2

其中，[H]為組織的質(zhì)子密度，K 為常數(shù)，S 為整體信號強度，當(dāng)TR ＞＞T1 時，e-TR T1接近于0，即可由最小二乘法擬合計算出T2值。

1.3 模體實驗

為了驗證合成MRI 技術(shù)對T1、T2 弛豫定量測定的準(zhǔn)確性，本研究除進(jìn)行合成MRI 序列掃描外，還基于基礎(chǔ)磁共振序列和T1、T2 擬合測定方法對模體進(jìn)行掃描。共掃描四次，每次至少間隔半天，每次掃描前模體處于靜置狀態(tài)，掃描中環(huán)境溫度和模體溫度基本不變。

合成MRI掃描時將模體進(jìn)行組合，整體放置在頭線圈中進(jìn)行，采用GE 公司提供的專用MAGiC 后處理軟件[19]進(jìn)行圖像重建，在重建過程中無錯誤記錄。在重建后的第十層圖像上進(jìn)行感興趣區(qū)的選取和勾畫，感興趣區(qū)形狀為方形，大小盡可能覆蓋模體的成像區(qū)域，軟件自動計算得到T1 和T2 值并記錄。每例的后處理時間約為2 min。

傳統(tǒng)T1 Mapping 掃描時將模體進(jìn)行組合，整體放置在頭線圈中進(jìn)行，T1 定量圖的計算和生成在MATLAB 平臺下完成，每例的計算時間約為1 min，計算完成后得到T1定量圖及其閾值范圍。對計算得到的T1 定量圖，選取第三層圖像，使用ImageJ 軟件(version 2.0.0，http://imagej.net)的ROI 選取和測量功能，測得不同組織模體在相同ROI 下的T1 值并記錄。

傳統(tǒng)T2 Maping 依次掃描GM、WM、CSF 模體，使用手動預(yù)掃描模式對不同回波時間下的信號強度進(jìn)行測量和記錄。根據(jù)T2 擬合公式在MATLAB 平臺下進(jìn)行計算，得到T2值及指數(shù)擬合曲線圖。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用GraphPad Prism 9.1.1 軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。對測得的T1和T2值，以傳統(tǒng)定量計算結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，計算合成MRI與傳統(tǒng)定量計算結(jié)果的差值。使用Bland-Altman分析對傳統(tǒng)定量計算和合成MRI 定量計算的結(jié)果進(jìn)行一致性評估。雙因素重復(fù)測量方差分析用于測量傳統(tǒng)定量計算和合成MRI 定量計算的結(jié)果的差異和四次重復(fù)實驗之間的可重復(fù)性。

2 結(jié)果

合成MRI 和傳統(tǒng)定量計算得到的T1，T2 及二者差值顯示除CSF 的T1 值之外，誤差基本在20%以內(nèi)(表1)。

表1 合成MRI和傳統(tǒng)定量計算的T1，T2值及誤差Tab.1 T1 and T2 value of synthetic MRI and conventional mapping methods

合成MRI 和傳統(tǒng)定量計算方法得到的定量值的Bland-Altman 圖如圖1 所示。所有的數(shù)據(jù)點均在95%的一致性范圍內(nèi)。圖2 為四次重復(fù)測量下合成MRI 和傳統(tǒng)定量計算方法的折線圖，其結(jié)果經(jīng)過Sidak 多重比較檢驗。統(tǒng)計結(jié)果表明，對于T1 值計算，兩種定量計算方法差異無統(tǒng)計學(xué)意義(F=0.113，P=0.7537)，并且四次測量之間差異也無統(tǒng)計學(xué)意義(F=0.613，P=0.4968)；同樣地，兩種方法計算的T2 值之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(F=0.001，P=0.9737)，四次測量之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(F=1.162，P=0.3498)。計算方法對T1 和T2 值的影響不會隨著時間的變化而變化，二者之間不存在交互作用(分別為F=1.187，P=0.3560；F=0.797，P=0.5190)。

圖2 合成MRI和傳統(tǒng)定量方法重復(fù)測量結(jié)果的折線圖。2A:T1值的結(jié)果；2B：T2值的結(jié)果。Fig. 2 Synthetic line charts of MRI and conventional quantitative methods for repeated measurements. 2A: result of T1 value; 2B: result of T2 value.

3 討論

本研究針對3.0 T MR 設(shè)備，采用合成MRI 序列和傳統(tǒng)定量成像技術(shù)分別對灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液三個模體進(jìn)行四次重復(fù)掃描，并采用MAGiC后處理軟件和傳統(tǒng)T1、T2擬合計算方法進(jìn)行定量計算，觀察傳統(tǒng)擬合方法和合成MRI定量計算的結(jié)果的差異及穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，重復(fù)測量下的合成MRI和傳統(tǒng)擬合的T1 和T2 值差異無統(tǒng)計學(xué)意義，合成MRI 下弛豫值定量計算表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，且操作更為簡便，這為合成MRI序列及其定量計算的臨床應(yīng)用和推廣提供了初步支撐。

3.1 T1、T2值的測定方法的比較

傳統(tǒng)的弛豫定量已在全身多個部位的掃描及鑒別診斷中有了一定的應(yīng)用。T1 定量在心臟及腦部中的應(yīng)用較多，如Matthew等[20]比較了兩種常用的T1定量方法的細(xì)胞外容積測量穩(wěn)定性，Daniel 等[21]使用T1定量方法獲得了正常人從嬰兒期到成年的T1弛豫時間，但是，即使采用快速T1 定量方法，單次掃描時間也近3 min。對于T2 定量，Kim 等[22]比較了兩種T2 定量方法在膝關(guān)節(jié)軟骨中的應(yīng)用，David 等[23]將T1和T2定量用于肝臟纖維化的檢測和分期。傳統(tǒng)的T1 和T2 定量方法類型多樣，通常以延長掃描時間為代價獲得更精確的參數(shù)定量，使其無法在臨床中廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的定量成像技術(shù)相比，合成MRI序列參數(shù)設(shè)置簡單，可實現(xiàn)一次掃描多種成像，極大縮短了掃描時間，在得到定量圖之后，還可以通過任意改變TE 和TR 值，得到不同的加權(quán)圖像，為臨床提供豐富的影像信息。在本文研究中也體現(xiàn)了合成MRI 弛豫定量的高效性，傳統(tǒng)方法需對兩個弛豫值分開測定，合成MRI的掃描僅需5 min內(nèi)即可同時獲得T1和T2值。因此，采用合成MRI進(jìn)行弛豫值測定更便于在臨床中應(yīng)用和推廣。

3.2 T1、T2值的測定準(zhǔn)確性及可重復(fù)性的比較

在應(yīng)用合成MRI 技術(shù)進(jìn)行定量研究方面，Hagiwara 等[24-25]的相關(guān)研究表明，從MDME 序列中得出的定量值總體上是穩(wěn)定的，且組織的弛豫值和大腦體積會隨著年齡的變化而改變，這有助于進(jìn)行大腦疾病的診斷。Xu 等[1]在同一臺機器上進(jìn)行了兩次掃描，初步驗證了集成MRI 定量測定的可重復(fù)性。Kang等[26]研究了不同參數(shù)設(shè)置對合成MRI弛豫測定的影響。除了2D的MDME序列，也誕生了基于3D-QALAS序列的三維定量合成磁共振序列，其被用于心臟成像中T1 和T2 的同步定量，并在心臟和具有不同組織特性的模型中顯示出高精確度和準(zhǔn)確性[27-28]。但是，已有研究多是基于臨床驗證或單一使用合成MRI 技術(shù)的重復(fù)性驗證。本研究使用模體進(jìn)行驗證，對比傳統(tǒng)定量方法和合成MRI 技術(shù)弛豫值技術(shù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。差值計算的結(jié)果顯示，兩種方法計算得到的T2 值差值較小，CSF 的T1 值的差值較大，超過了20%，這可能是因為實驗中所用的CSF 模體基本為純水，其T1 弛豫時間絕對值非常大(2000～3000)，接近弛豫曲線的頂部，合成MRI 和傳統(tǒng)T1 掃描在這個區(qū)域取點稀疏，擬合誤差大。除此之外，實驗所用的MDME 序列是為分析真實腦組織而開發(fā)的，機器中搭載的MDME序列可能沒有針對不同弛豫特性的材料進(jìn)行充分的優(yōu)化，從而對計算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[24]。但是，Bland-Altman 圖和重復(fù)測量方差分析表明兩種測量方法間差異無統(tǒng)計學(xué)意義。綜合研究結(jié)果表明，合成MRI在定量成像方面具有與傳統(tǒng)定量成像方法相當(dāng)?shù)乃剑瑸橄乱徊胶铣蒑RI技術(shù)的推廣應(yīng)用和提高打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.3 局限性

本研究仍存在以下局限性：首先，研究僅使用了單中心的單一磁共振機器，因弛豫定量受環(huán)境等因素較大，不同機器在應(yīng)用時需要再單獨進(jìn)行驗證。其次，本研究中僅使用了模體進(jìn)行驗證，雖然排除了個體差異的影響，但同時也缺乏臨床驗證，需增加研究對象進(jìn)一步進(jìn)行驗證。此外，研究中的掃描參數(shù)相對固定，尚不清楚不同掃描參數(shù)對弛豫定量的計算是否有影響，需要進(jìn)一步設(shè)計實驗方案，使驗證更加全面。

總之，本研究通過在模體上的對比驗證表明，在T1 及T2 弛豫值測定中，合成MRI 掃描計算方法與傳統(tǒng)定量擬合計算方法具有同等效力，且掃描參數(shù)設(shè)置簡單，有利于臨床開展相關(guān)定量研究。合成MRI應(yīng)用能極大提高qMRI的可操作性和應(yīng)用性。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。