磁共振快速采集技術(shù)在胎兒檢查中的應(yīng)用

， ，，，,3

1. 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)2. 上海兒童醫(yī)學(xué)中心(上海，200127)3. 上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校(上海，200093)

0 引言

磁共振胎兒成像是1983年由Smith 等第一次提出的。1985年Smith在低磁場(chǎng)強(qiáng)度(0.08-0.35)T下，使用T1加權(quán)、反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列和質(zhì)子密度加權(quán)序列獲得到磁共振胎兒的圖像[1]。之后，有許多文獻(xiàn)報(bào)道MRI評(píng)價(jià)前置胎盤、孕產(chǎn)婦和胎兒解剖學(xué)方面的文章。但由于掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致需要通過(guò)鎮(zhèn)靜減少胎兒運(yùn)動(dòng)，限制了磁共振胎兒成像的發(fā)展。

近幾年推出的新一代磁共振擁有更強(qiáng)的梯度,結(jié)合并行采集技術(shù),大大加快了MRI掃描速度。其圖像質(zhì)量已經(jīng)能夠達(dá)到影像學(xué)診斷的標(biāo)準(zhǔn)。超聲一直是胎兒檢查的首選，但其不足之處是視野偏小，對(duì)肥胖﹑孕晚期、有子宮肌瘤﹑羊水過(guò)少﹑多胎等情況時(shí)對(duì)胎兒顯示欠佳[2]。本中心一項(xiàng)調(diào)查表明，經(jīng)過(guò)胎兒B超檢查后不能確診的再行磁共振檢查的陽(yáng)性率達(dá)到95%以上?？梢娞篗RI可以進(jìn)一步定性，可作為B超檢查的補(bǔ)充。MRI優(yōu)勢(shì)在于能提供高信噪比的圖像，與CT相比沒(méi)有電離輻射,允許多平面成像,越來(lái)越多的被用于胎兒檢查。

1 快速信息采集技術(shù)

1.1 信噪比

信噪比是磁共振成像一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。過(guò)去為了得到高信噪比的圖像往往使用較長(zhǎng)的掃描時(shí)間。而在胎兒磁共振掃描中，較短的掃描時(shí)間并保證可以診斷的圖像信噪比是非常重要的。所以需要了解信噪比的原理和影響信噪比的參數(shù)。圖像的信噪比 SNRSE指圖像的信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值[3]。場(chǎng)強(qiáng)并不是唯一影響信噪比的參數(shù),還有一些其他參數(shù)。如體素,采集時(shí)間,接收帶寬,和弛豫時(shí)間。自旋回波序列中信噪比與其他參數(shù)之間的相關(guān)性[4]，見(1)式所示 。

(1)

B0表示磁場(chǎng)強(qiáng)度,V是體素,Nex是采集次數(shù),Nph是K空間中相位編碼線的數(shù)量,BW是接收帶寬。采集次數(shù)和Nph乘積衡量圖像采集時(shí)間。TR和TE是重復(fù)時(shí)間和回波時(shí)間,T1和T2是弛豫時(shí)間。從式(1)可知,信噪比與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比,但高場(chǎng)強(qiáng)在胎兒的快速采集中的會(huì)產(chǎn)生很多影響。一是導(dǎo)致的一個(gè)局限信噪比優(yōu)勢(shì),增加T1的弛豫時(shí)間。二是增加沉積的射頻能量(SAR)。目前，98%的關(guān)于磁共振胎兒成像的文獻(xiàn)報(bào)道是使用1.5T場(chǎng)強(qiáng)的磁共振。國(guó)外報(bào)道3.0T磁共振與1.5T相比并沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。目前胎兒磁共振絕大多數(shù)都是使用1.5T使用高場(chǎng)強(qiáng)提高信噪比的方法并不適用于磁共振胎兒檢查。需要通過(guò)其他的方法來(lái)獲得高信噪比的圖像。

1.2 基礎(chǔ)序列

1.2.1 快速回波序列(FSE)

快速回波序列(FSE)是一種快速成像技術(shù), 通過(guò)減少射頻激勵(lì)的次數(shù)可以大大減少磁共振掃描時(shí)間。90°射頻脈沖激勵(lì)把質(zhì)子橫向磁化。之后不是使用一個(gè)180°射頻脈沖來(lái)創(chuàng)建一個(gè)單一的回波信號(hào)(如標(biāo)準(zhǔn)SE成像),是N個(gè)180°射頻脈沖應(yīng)用于生成N個(gè)自旋回波，填充K空間的N條相位編碼線。MRI的采集時(shí)間縮短為相應(yīng)SE序列的1/N。(圖1)獲得多個(gè)回波鏈來(lái)填充K空間,縮短了掃描時(shí)間。K空間中提到,圖像對(duì)比主要取決于K空間的中心。因此,T2加權(quán)或自旋密度加權(quán)可以通過(guò)晚或早填充K空間中心, 在使用FSE相比傳統(tǒng)的SE序列分別有一些差異。此外,因?yàn)檫B續(xù)應(yīng)用多個(gè)180°脈沖使沉積的射頻能量(SAR)增加。因此, 胎兒磁共振成像使用小角度脈沖，使胎兒磁共振成像的采集時(shí)間大大縮短。如果胎兒胎動(dòng)不明顯可以獲得滿意的診斷質(zhì)量的圖像，但頻繁的胎動(dòng)會(huì)使圖像質(zhì)量降低。

圖1 快速回波序列(FSE)N個(gè)180°脈沖在90°脈沖后, 得到較長(zhǎng)的信號(hào)，縮短了掃描時(shí)間。Fig.1 Fast echo sequence (FSE) N 180 ° pulse in the 90 °pulse, results to longer signal, and shortens the scan time.

1.2.2 單次激發(fā)快速回波序列(Single Shot FSE)

單次激發(fā)快速回波序列不同于快速回波序列。它通過(guò)一次90°脈沖激發(fā)后利用連續(xù)的聚焦脈沖采集K空間所需要的全部回波信號(hào)。單層圖像采集的時(shí)間小于1 s，整個(gè)掃描時(shí)間只需幾s。由于其除了水以外，其他組織的信號(hào)幾乎衰減。而胎兒生活在充滿羊水的環(huán)境中，使其有一個(gè)天然的對(duì)比效果。在臨床應(yīng)用過(guò)程中主要用于MRCP，MRM等水成像。

1.2.3 半傅里葉采集單次激發(fā)快速自旋回波序列(Haste)

Haste只有略多于一半的總數(shù)量的相編碼線是通過(guò)采集獲得，其余的K空間填充使用鏡面對(duì)稱的K空間。一個(gè)相位編碼信號(hào)能填充兩根相位編碼線,所以獲得了較好的信噪比和分辨率。因?yàn)橐粋€(gè)90°射頻后只需要填充多于一半的相位編碼線,所以掃描時(shí)間也相應(yīng)減半。同時(shí)再使用單次激發(fā)技術(shù)再次縮短掃描時(shí)間,即使有胎動(dòng)的情況下也能獲得滿意的診斷圖像。Haste序列的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)患者運(yùn)動(dòng)和呼吸不敏感使它非常適合胎兒成像[5]。缺點(diǎn)包括由于T2在采集的N個(gè)回波鏈?zhǔn)箞D像模糊,較高的SAR值和較低的信噪比[6]。對(duì)于胎兒成像,我們通常使用一個(gè)翻轉(zhuǎn)130°角為調(diào)整脈沖。這樣可以減少能量沉積,但代價(jià)是降低信噪比。在臨床的操作中，嘗試過(guò)使用螺旋槳技術(shù)(Propeller)的采集方法來(lái)降低移動(dòng)偽影。結(jié)果證明螺旋槳技術(shù)確實(shí)可以降低小幅度運(yùn)動(dòng)的偽影，但對(duì)于大幅度的胎動(dòng)偽影并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

1.3 并行采集技術(shù)(Parallel Acquisition)

近年來(lái)磁共振成像最重大的進(jìn)展是并行成像技術(shù)。它已經(jīng)成為磁共振胎兒檢查的重要手段[7]。并行采集技術(shù)的基本理論是減少K空間采集的密集度。利用相控陣線圈的優(yōu)點(diǎn)可以采集較少的MRI信號(hào)進(jìn)行K空間相位編碼的低密度填充得到矩形的視野先進(jìn)行傅里葉變化后再利用相控陣線圈的參考掃描的敏感度去除卷積偽影最后獲得需要的磁共振圖像,見圖2。

圖2 并行采集獲得MRI圖像Fig.2 Collected two phased-array coil K-space filled with low-density conducts after Fourier transform to obtain a convolution image artifacts and with reference to the scan sensitivity parallel acquisition, obtains MRI images after the above processing.

并行采集技術(shù)不但能夠有效的減少掃描時(shí)間。其重大的意義在于能使用多組相控陣線圈通過(guò)減少回波鏈的長(zhǎng)度降低圖像的模糊效應(yīng)來(lái)提高圖像的信噪比[8]?？焖偬畛銴空間的方法雖然加快了采集時(shí)間和減少了胎兒的運(yùn)動(dòng)偽影，但這是以犧牲信噪比作為代價(jià)的。并行采集技術(shù)的應(yīng)用使圖像的信噪比有所提高，通過(guò)減少相位編碼填充的次數(shù)，使信噪比和采集時(shí)間都有所優(yōu)化。比如使用相控陣線圈2組分別采集信號(hào)相當(dāng)于普通表面線圈采集2次，減少了一半的采集時(shí)間的同時(shí)，根據(jù)式(1)可的信噪比提高了1.41倍。圖3A圖未使用sense技術(shù)，圖3B使用sense技術(shù)后的圖像，顯而易見B圖的信噪比更好。胎兒頭顱透明隔間隙存在，側(cè)腦室后角寬。

圖3 SSFSE序列橫斷位T2圖像Fig.3 In SSFSE axial T2 image sequence,

2 胎兒磁共振的臨床應(yīng)用

2.1 SSFSE T2加權(quán)序列

單次激發(fā)快速回波序列(SSFSE)T2加權(quán)序列和半傅里葉采集單次激發(fā)快速自旋回波序列(Haste) 是磁共振胎兒成像的最重要的序列[9]。飛利浦的單次激發(fā)快速回波序列稱SS-TSE序列，GE稱為SSFSE序列，西門子稱為Haste序列。SSFSE序列的特點(diǎn)是能夠掃一層出一層圖像，即便胎動(dòng)頻繁對(duì)圖像的影響小。這些序列能夠清晰的顯示胎兒解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。尤其適用于胎兒大腦充滿流體的腔包括(鼻腔、口腔、咽喉、氣管、胃和小腸,泌尿系統(tǒng),膽囊)、以及肺和胎盤，見圖4。同時(shí)在大腦的解剖結(jié)構(gòu)顯示上有明顯的優(yōu)勢(shì),允許小FOV(最低為170 mm)成像和具有較高的組織對(duì)比。當(dāng)需要評(píng)估膽囊病變時(shí)，將序列改成長(zhǎng)TE(> 250 ms)能夠提供更好的對(duì)比。,因?yàn)樵撔蛄心軌蛎枋鼋M織內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如先天性囊性腺瘤樣畸形等)[10]。2006年Brugger報(bào)道了在常規(guī)胎兒成像序列的基礎(chǔ)上的重T2加權(quán)單次激發(fā)序列，顯示了子宮內(nèi)的新的面貌[11]。重T2加權(quán)圖像便于評(píng)估整個(gè)胎兒,胎兒比例、表面結(jié)構(gòu)和四肢。

圖4 SSFSE的橫斷位T2序列顯示胎兒顱內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)Fig.4 SSFSE the axial T2 sequences can clearly display the fetal intracranial anatomy.

2.2 穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)序列(SSFP)

快速穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)序列(SSFP)提供的T2影像具有良好的組織對(duì)比[12]。飛利浦的快速穩(wěn)態(tài)回波序列稱為Balance TFE序列， GE稱為2D FIESTA序列，西門子稱為True FISP序列。SSFP序列的特點(diǎn)是無(wú)間隔,負(fù)間隔掃描,可用于回顧性重建。SSFP是磁共振胎兒成像中的白血序列即血管呈高信號(hào)。圖5能清楚的顯示血管結(jié)構(gòu)尤其是周圍有復(fù)雜血供的組織:如肝內(nèi)血管,頸部和四肢血管。此外,這些是唯一能清晰的顯示胎兒心臟的序列，可以完成胎兒心臟的動(dòng)態(tài)成像。

圖5 SSFP序列矢狀位血管呈高信號(hào)Fig.5 SSFP sagittal sequence shows high signal sequences vessels, for the diagnosis of fetal congenital heart a great help.

2.3 T1加權(quán)成像

各種不壓脂T1加權(quán)序列一直用于胎兒磁共振成像。飛利浦的T1加權(quán)回波序列稱為TFE序列， GE稱為FIRM序列，西門子稱為FLASH序列。T1的掃描時(shí)間較長(zhǎng)，空間分辨率不如T2[13]。孕產(chǎn)婦屏氣狀態(tài)下對(duì)于提高圖像質(zhì)量有一定的效果。從20孕周起垂體、甲狀腺在T1加權(quán)序列中是高信號(hào)。檢測(cè)胎兒甲狀腺腫[14]和甲狀位置可能提供額外的信息以防胎兒頸部疾病。在T1中肝臟也是高信號(hào),因此T1加權(quán)序列已經(jīng)被用來(lái)確定先天性膈疝的位置[15]或腹壁缺損。由于高信號(hào)的胎糞能清晰的顯示腸段(大腸、小腸)，T1加權(quán)序列在胎兒腹部成像中是有重要意義的[16]。此外,T1加權(quán)序列能確定大量的脂肪組織,推算胎齡,可以界定胎兒的營(yíng)養(yǎng)狀況[17]。也可用于顱內(nèi)出血和脂肪瘤的檢測(cè)[18-19]。

2.4 擴(kuò)散加權(quán)成像(DWI)

擴(kuò)散加權(quán)成像序列可以在不到20 s的時(shí)間中獲得胎兒磁共振成像。這項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用在胎兒的腦部檢查[20]，由于DWI檢測(cè)缺血腦損傷有較高的敏感度[21]。圖6變化的表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)已被證明可以評(píng)估產(chǎn)前大腦的成熟度[22]。DWI也被用于研究胎兒肺成熟和胎兒肺擴(kuò)散被[23]。

2.5 MRS的應(yīng)用

近年來(lái)磁共振光譜學(xué)已經(jīng)成功應(yīng)用于磁共振胎兒成像，大腦的磁共振光譜成像顯示信號(hào)為肌醇(Ino),膽堿(Cho),肌酸(Cr)和N -乙酰(NA)化合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從30到41孕周絕對(duì)組織水平的鈉、NA / Cr比值和NA /Cho比值升高,而Cho/ Cr的比值降低。這些值的變化反映了大腦的成熟[24]。同時(shí)第一篇有關(guān)磁共振功能成像(fMRI)也被發(fā)表[25]。但MRS采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，只適用于孕周較長(zhǎng)的胎兒。隨著影像技術(shù)的發(fā)展，在未來(lái)的磁共振胎兒檢查中會(huì)起到重要的作用。

2.6 SWI的應(yīng)用

SWI是一種利用不同組織間的磁敏感性差異而成像的技術(shù)，對(duì)小靜脈、微出血和鐵沉積更敏感。飛利浦公司稱為VenoBOLD 靜脈血氧水平，GE稱為SWAN是T2加權(quán)血管造影，西門子稱為SWI磁敏感加權(quán)成像。SWI序列的特點(diǎn)是以T2*加權(quán)梯度回波序列作為基礎(chǔ)具有三維、高分辨率、高信噪比等特點(diǎn)。SWI是一項(xiàng)全新的技術(shù)，現(xiàn)階段還沒(méi)有關(guān)于磁敏感加權(quán)在胎兒磁共振的應(yīng)用的報(bào)道。將來(lái)可能成為檢出胎兒顱內(nèi)微出血的主要手段。

圖6 不同b值的DWI圖像對(duì)于診斷缺血型腦損傷Fig.6 Various B-value DWI images helps a lot for the diagnosis of ischemic brain injury.

3 安全性控制

3.1 場(chǎng)強(qiáng)對(duì)于胎兒的影響

過(guò)去十幾年里，已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)記載在磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于胚胎發(fā)育的影響。有證據(jù)表明,磁場(chǎng)能改變?cè)缙诘那嗤芘咛シ至?但是這個(gè)效應(yīng)不影響胚胎的發(fā)育[26]。 有研究表明,磁場(chǎng)可以影響小雞胚胎發(fā)展,但這些結(jié)果對(duì)于哺乳動(dòng)物的影響并不一致[27-28]?？偟膩?lái)說(shuō),結(jié)論證明在低于1.0T的場(chǎng)強(qiáng)影響下是無(wú)副作用。但高于1.5T場(chǎng)強(qiáng)時(shí)可能改變DNA修復(fù)機(jī)制。

3.2 梯度場(chǎng)噪聲對(duì)于胎兒的影響

梯度場(chǎng)產(chǎn)生的MRI噪聲可達(dá)120 dBA。這樣的噪聲水平是否會(huì)損傷胎兒耳朵是一個(gè)問(wèn)題。Glover等報(bào)道胎兒的耳朵充滿了羊膜流體防止能夠減少外部噪聲對(duì)耳朵的損傷[29]。有三個(gè)方法能降低噪聲對(duì)于胎兒和產(chǎn)婦的影響：

1)產(chǎn)婦可以佩帶聽力保護(hù)裝置的耳機(jī)來(lái)減少噪聲；

2)使用海綿墊使檢查部位和線圈隔離；

3)盡量選擇噪聲較小的脈沖序列同時(shí)縮短檢查時(shí)間。

3.3 SAR值的升高對(duì)于胎兒的影響

關(guān)于磁場(chǎng)強(qiáng)度使SAR值升高對(duì)于胎豬體溫變化實(shí)驗(yàn)表明,在MRI采集過(guò)程中測(cè)量羊水、胎腦和胎腹的溫度，未發(fā)現(xiàn)溫度變化[30]。Hand等報(bào)道胎兒在MRI檢查中暴露于一個(gè)峰值約為40-60%的值在64 MHz,增加到約50-70%至127 MHz，符合美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)及國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)標(biāo)準(zhǔn)需要控制的SAR值的平均值[31]。在設(shè)置掃描參數(shù)時(shí)，所有序列都要控制SAR值在3.0以下。

4 結(jié)論

隨著MRI序列和并行采集技術(shù)的發(fā)展，使磁共振胎兒檢查越來(lái)越多的應(yīng)用于臨床。由于常規(guī)的胎兒B超檢查有一定的局限性。磁共振檢查能夠任意位置定位，有較高的信噪比和圖像對(duì)比度是B超檢查很好的補(bǔ)充。而且實(shí)驗(yàn)證明，目前1.5T磁共振的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)胎兒沒(méi)有影響。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于將來(lái)磁共振胎兒檢查普及，提供了很有利的條件。

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