短T2組織磁共振成像技術(shù)研究進(jìn)展

雷格格，張光鋒，賈慧惠，吳繼志，常嚴(yán)，易佩偉，盛茂，楊曉冬

1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210094；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州215163；3.蘇州大學(xué)附屬兒童醫(yī)院放射科，江蘇蘇州215025；4.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510515

前言

磁共振成像（MRI）具有良好的軟組織對(duì)比度和空間分辨率，可彌補(bǔ)X線和CT成像的不足［1］。除軟組織以外，還存在一類“質(zhì)地較硬”的短T2組織，這類組織的T2值一般在10 ms以下，有的甚至不到1 ms。常見的短T2組織包括肌腱、韌帶、半月板、骨膜、皮質(zhì)骨、牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)，除此之外，還有一些病變?nèi)缏岳w維化、神經(jīng)膠質(zhì)增生、器官硬化等也會(huì)使部分組織T2降低到短T2組織范疇。通常MRI序列的回波時(shí)間大于1 ms，因此短T2組織信號(hào)還未采集到k空間中心時(shí)就已經(jīng)大幅度衰減到幾乎為零［2］，造成常規(guī)MRI圖像信號(hào)特征不足，無法對(duì)上述組織的病變進(jìn)行有效診斷。隨著MRI技術(shù)的發(fā)展，短T2組織成像已在臨床獲得廣泛應(yīng)用，此外，還可通過定量MRI技術(shù)來獲取短T2組織的生化信息［3］。

從MRI基本原理上可將短T2組織成像方法分為兩大方面，分別是改變組織的T2時(shí)間和縮短序列的回波時(shí)間，前者包括利用魔角效應(yīng)［4］和造影劑成像［5］，后者常用的方法有可變回波時(shí)間成像（Variable Echo TimeImaging,vTE）［6］、超短回波時(shí)間成像（Ultrashort Echo Time Imaging,UTE）［7］、零回波時(shí)間成像（Zero Echo TimeImaging,ZTE）［8］等技術(shù)，使用這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)T2＞100 μs的短T2組織成像，并能顯示大多數(shù)短T2組織的病變信息［2］。但是UTE和ZTE的圖像往往存在對(duì)比度不佳的問題，通過長(zhǎng)T2組織抑制技術(shù)可以提高圖像質(zhì)量，獲得更豐富的形態(tài)學(xué)信息。近年來，為了實(shí)現(xiàn)病變的精準(zhǔn)評(píng)估，定量MRI技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于短T2組織，定量MRI技術(shù)通過特定的序列獲得短T2組織的相應(yīng)弛豫參數(shù)，從而反映病變發(fā)生發(fā)展過程中的生物學(xué)和病理生理學(xué)信息（如蛋白多糖、糖胺聚糖、自由水、結(jié)合水和組織膠原等含量變化），為短T2組織的精確評(píng)估提供了可能。目前應(yīng)用最為廣泛的定量技術(shù)包括延遲釓MRI［9］、T2mapping［10］、T1ρ mapping［11］、T2*mapping［12］等。

1 常規(guī)短T2組織成像方法

1.1 利用魔角效應(yīng)成像

利用魔角效應(yīng)成像主要原理是在偶極相互作用下，固態(tài)或半固態(tài)組織中水分子與膠原纖維具有較短的T2，當(dāng)組織與靜磁場(chǎng)約55°角（魔角）時(shí)，偶極作用消失，造成T2明顯延長(zhǎng)［4］。

Berensden等［13］首次觀察到肌腱的T2值對(duì)磁場(chǎng)的方向具有高度依賴性。Wang等［14］發(fā)現(xiàn)人體股骨軟骨T2值的角度依賴性與軟骨組織細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)骨質(zhì)疏松的診斷有重要意義。Shao等［15］研究正常和異常軟骨組織不同區(qū)域T1ρ和T2的角度依賴性，結(jié)果表明較深層關(guān)節(jié)軟骨對(duì)魔角效應(yīng)更敏感。

利用魔角效應(yīng)成像不需要改變?cè)夹蛄?，即可提高短T2組織在MRI圖像中的對(duì)比度，但掃描時(shí)患者需長(zhǎng)時(shí)間保持被測(cè)部位在固定角度，因而不適合全身各部位的短T2組織成像。

1.2 注射造影劑

MRI造影劑本身不產(chǎn)生信號(hào)，通過與氫核發(fā)生磁性的相互作用，改變水質(zhì)子的弛豫效率，形成組織間的對(duì)比，從而達(dá)到造影目的［5］。

用于短T2組織的MRI造影劑通常分為順磁性和超順磁性。順磁性金屬離子主要包括Gd3+、Dy3+、Mn2+和Fe3+等鑭系元素或第四周期過渡元素，其中，釓劑是最先被應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的造影劑，但釓離子有毒性且易在骨中累積，不利于臨床推廣［16］。順磁性造影劑Gd-DTPA采用靜脈注射方式，利用骨的再吸收過程釋放Gd3+到血液中，有效緩解Gd3+的毒性沉積，是目前骨組織成像最常用的MRI醫(yī)學(xué)造影劑［17］。Gd-BPAMD 和Gd-DOTA均是可于骨成像的MRI順磁性造影劑，具有很好的骨細(xì)胞靶向性［18］。超順磁性氧化鐵（SPIO）是一種靜脈注射MRI造影劑，通過內(nèi)吞作用與吞噬細(xì)胞結(jié)合，能很好地鑒別骨髓基質(zhì)細(xì)胞的癌變，具有較好的均勻性和靶向性，但是對(duì)較短T2組織（骨關(guān)節(jié)等）顯影效果不是很好［19］。

注射造影劑可以達(dá)到良好的顯影效果，但是該技術(shù)存在成像時(shí)間長(zhǎng)、有造影劑殘留、部分造影劑有毒性等不足，而且侵入式手段會(huì)給病人帶來身心的痛苦。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于短T2組織成像的造影劑將趨向于微創(chuàng)、高效、無毒和靶向性等方向發(fā)展。

2 短T2組織成像序列技術(shù)

2.1 vTE

vTE技術(shù)充分利用梯度系統(tǒng)硬件的最大幅度，通過減小回波序列的相位編碼時(shí)間來縮短k空間中心行的回波時(shí)間，從而可獲得豐富的短T2組織結(jié)構(gòu)信息［6］。

Ying等［20］首次提出vTE技術(shù)的相位編碼理論，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。與常規(guī)MRI相比，該方法可以顯著縮短回波時(shí)間，但Constable等［21］發(fā)現(xiàn)使用常規(guī)的vTE技術(shù)，回波時(shí)間的急劇減少可能會(huì)造成小病灶信號(hào)的丟失。Deligianni等［22］用vTE技術(shù)結(jié)合非對(duì)稱讀出梯度和專門的欠采樣數(shù)據(jù)重建算法將回波時(shí)間縮短到亞毫秒量級(jí)，該方法可在臨床能接受掃描時(shí)間內(nèi)獲得高信噪比和高分比率的圖像。

vTE技術(shù)雖然能有效地縮短回波時(shí)間，但可能會(huì)產(chǎn)生明顯偽影和造成對(duì)比度下降，而且由于梯度硬件的限制，回波時(shí)間不能無限縮小，這一定程度上限制了部分短T2組織的MRI。

2.2 UTE

二維UTE技術(shù)利用半個(gè)sinc脈沖配合正反層選梯度進(jìn)行激發(fā)后，立即采集信號(hào)，并將兩次采集的信號(hào)從中心向外填充一條完整的k空間線［23］。目前該技術(shù)可以將回波時(shí)間縮短到8 μs，能對(duì)大多數(shù)短T2組織（如皮質(zhì)骨、鈣化軟骨、半月板、韌帶和肌腱）直接成像［24］；且結(jié)合定量技術(shù)可精確獲取組織的生化信息［25］。同理，使用短時(shí)硬脈沖進(jìn)行全激發(fā)和三維放射狀采集可實(shí)現(xiàn)三維UTE。

為進(jìn)一步提高UTE的成像速度，Rettenmeier等［26］提出同時(shí)多層UTE，該方法可以在3 min內(nèi)獲得具有短對(duì)比度的多層圖像，成像速度是常規(guī)UTE的8倍。Jerban等［27］利用UTE結(jié)合定量成像技術(shù)獲得了骨關(guān)節(jié)組織孔隙變化信息，表明UTE結(jié)合定量成像技術(shù)可用于骨類疾病的損傷和修復(fù)。Chen等［28］利用優(yōu)化的三維UTE序列獲得3T下跟腱及其附著點(diǎn)的清晰的形態(tài)學(xué)圖像，并結(jié)合定量方法獲取跟腱的生理學(xué)信息（如T2*、T1和磁化轉(zhuǎn)移），該技術(shù)可為鑒別血清陰性關(guān)節(jié)炎和相關(guān)疾病提供幫助。

UTE技術(shù)是研究短T2組織常用的MRI技術(shù)，能直接顯示短T2組織信號(hào)。在保證成像質(zhì)量的情況下，UTE技術(shù)目前已經(jīng)能將回波時(shí)間縮短到微秒量級(jí)，這是vTE無法實(shí)現(xiàn)的。但由于缺乏大規(guī)模的臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)，UTE技術(shù)在臨床尚未完全普及。

2.3 ZTE

相比于UTE技術(shù)，ZTE技術(shù)具有更高的效率，其原因在于其能在大帶寬脈沖激發(fā)前施加讀出梯度，在最高采集占空比的情況下立即進(jìn)行空間編碼，信號(hào)讀出后僅需很短時(shí)間即可進(jìn)行下一次射頻激發(fā)，無需在重復(fù)時(shí)間（TR）之間進(jìn)行梯度切換，從而可獲得低噪音掃描效果［8］。ZTE序列的數(shù)據(jù)采樣發(fā)生在讀出梯度的平穩(wěn)期，因此可避免斜坡采樣相關(guān)的圖像失真［29］。此外，ZTE技術(shù)在激發(fā)過程中存在空間編碼梯度，使硬脈沖在空間上具有選擇性，從而導(dǎo)致圖像模糊和偽影的產(chǎn)生，Li等［30］提出利用二次相位調(diào)制的方法，對(duì)磁矩激發(fā)輪廓進(jìn)行校正，從而消除非均勻激勵(lì)引起的圖像偽影。Weiger等［31］利用ZTE技術(shù)獲得11.7T場(chǎng)強(qiáng)下人體牙齒的清晰MRI圖像，用于早期識(shí)別齲齒病變。Delso等［32］首次利用質(zhì)子密度加權(quán)ZTE技術(shù)進(jìn)行顱骨鑒定，結(jié)果表明該方法可獲得高分辨率骨組織圖像，且具有足夠的解剖精度。

目前，ZTE技術(shù)已應(yīng)用于對(duì)T2約為數(shù)百微秒的樣本或者動(dòng)物組織進(jìn)行成像，但由于射頻切換速度的限制（幾十微秒左右），該技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于臨床［8］。未來更短的脈沖時(shí)間、更快的收發(fā)切換速度、更靈敏的數(shù)字帶通濾波器等硬件支持以及徑向采集過采樣和代數(shù)重建算法等軟件支持將有助于ZTE技術(shù)的臨床推廣。

3 長(zhǎng)T2組織抑制

基于UTE或ZTE技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了短T2組織MRI，但是短T2組織（如骨、軟骨等）的信號(hào)往往會(huì)被周圍長(zhǎng)T2組織（如脂肪、肌肉等）更強(qiáng)烈的共振信號(hào)所掩蓋，通常需要抑制長(zhǎng)T2組織的信號(hào)來提高圖像的對(duì)比度，常用的技術(shù)包括絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)［33］、長(zhǎng)T2飽和［34］、回波圖像差分［35］等，使用長(zhǎng)T2組織抑制技術(shù)可以顯著提高UTE或者ZTE圖像的組織對(duì)比度。

絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)法是利用脂肪和水的縱向弛豫時(shí)間不同，通過選取適當(dāng)?shù)幕謴?fù)時(shí)間（TI）和翻轉(zhuǎn)角度（θ），可選擇性地使水或者脂肪信號(hào)恢復(fù)為零，而對(duì)短T2組織的磁矩影響很小。與傳統(tǒng)反轉(zhuǎn)恢復(fù)不同，絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)技術(shù)是用長(zhǎng)絕熱反轉(zhuǎn)脈沖取代硬脈沖激發(fā)［33］，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)射頻場(chǎng)不均勻性不敏感，可穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)T2組織磁矩的有效反轉(zhuǎn)，但要求射頻脈沖的幅值大于絕熱極限。同時(shí)，絕熱反轉(zhuǎn)脈沖的設(shè)計(jì)帶寬也非常重要，為避免短T2組織的信號(hào)衰減，通常需要窄帶寬絕熱脈沖，但由于組織抑制對(duì)共振偏移較敏感，因而應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)帶寬進(jìn)行調(diào)整［36］。

長(zhǎng)T2飽和技術(shù)的原理是首先施加具有多個(gè)頻帶的飽和射頻脈沖激發(fā)長(zhǎng)T2組織的核自旋，然后在水平方向采用預(yù)散相梯度使長(zhǎng)T2組織在水平面散相，再用UTE技術(shù)激發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)短T2組織成像［34］。長(zhǎng)T2飽和技術(shù)可較好地抑制肌肉和脂肪的信號(hào)，從而增強(qiáng)短T2組織的對(duì)比度。該方法對(duì)主磁場(chǎng)均勻度比較敏感，容易產(chǎn)生偽影，且該方法僅適用于較小范圍的脂肪抑制［37］。

回波圖像差分方法是先后獲得兩個(gè)回波圖像，前者包含長(zhǎng)T2和短T2組織信息，后者則僅包含長(zhǎng)T2組織信息，通過兩回波圖像加權(quán)相減可選擇性地顯示短T2組織［35］。該方法簡(jiǎn)單有效，對(duì)長(zhǎng)T2組織的抑制效果明顯，但圖像相減過程中會(huì)引入噪聲。

4 短T2組織的定量MRI評(píng)估

常規(guī)MRI是從形態(tài)學(xué)的角度評(píng)估短T2組織病變，而定量MRI是通過從圖像中獲取T2、T2*、T1、T1ρ等弛豫參數(shù)信息，反映組織中糖胺聚糖、蛋白多糖、自由水和結(jié)合水等含量變化，進(jìn)而精確而全面地評(píng)估組織病變的一種技術(shù)，當(dāng)前常用于短T2組織定量成像的技術(shù)有延 遲 釓MRI［9］、T2mapping［10］、T1ρ mapping［11］、T2*mapping［12］等技術(shù)。

4.1 T2 mapping

T2mapping 技術(shù)是最常用的定量MRI技術(shù)，常用序列包括自旋回波（SE）、快速自旋回波（FSE）和多回波自旋回波（MESE）序列等［10］，通過多個(gè)回波圖像逐像素?cái)M合的方法得到T2mapping，用于評(píng)估軟骨含水量變化和膠原纖維方向。有研究表明T2弛豫時(shí)間的增加與膠原纖維完整性的喪失和軟骨基質(zhì)中含水量的增加密切相關(guān)［38］，因此，T2值的增加可被視為早期軟骨損傷的生物標(biāo)志物。但常規(guī)T2mapping技術(shù)存在采集時(shí)間較長(zhǎng)等問題，Ben-Eliezer等［39］提出一種基于Bloch重建的后處理方法，可彌補(bǔ)常規(guī)T2mapping技術(shù)在采集時(shí)間上的缺陷。

Kijowski等［40］發(fā)現(xiàn)T2mapping序列可以顯著提高檢測(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨損傷的敏感性，同時(shí)能有效改善對(duì)早期軟骨退化的鑒別能力。Ogon 等［41］發(fā)現(xiàn)MRIT2mapping技術(shù)可代替侵入性椎間盤造影，作為診斷椎間盤源性疼痛的定量方法。

T2mapping能夠反映軟骨中水分含量、蛋白多糖含量以及膠原纖維排布等綜合信息，這有助于在軟骨形態(tài)發(fā)生變化之前檢測(cè)軟骨組織的異常，但由于短T2組織的膠原纖維取向敏感性，T2mapping易受魔角效應(yīng)的影響［42］。尋找較好的規(guī)避方案將會(huì)進(jìn)一步提高T2mapping診斷的準(zhǔn)確性。

4.2 軟骨動(dòng)態(tài)和延遲釓增強(qiáng)MRI（dGEMRIC）

dGEMRIC是檢測(cè)早期軟骨退化最敏感的定量MRI方法，待靜脈注射帶負(fù)電釓基造影劑并擴(kuò)散均勻后，進(jìn)行一系列T1加權(quán)掃描，計(jì)算獲得T1mapping，進(jìn)而評(píng)估軟骨組織的病變情況。dGEMRIC可從分子水平對(duì)軟骨進(jìn)行生理學(xué)成像，能敏感地反映早期病變軟骨基質(zhì)中糖胺聚糖的變化，而X射線和傳統(tǒng)MRI無法檢測(cè)到這種軟骨異常。

Crema等［43］發(fā)現(xiàn)軟骨在退化早期，其腫脹引起的蛋白多糖濃度的降低可能與軟骨厚度的增加有關(guān)，而軟骨厚度的增加會(huì)引起dGEMRIC 指數(shù)的降低，該發(fā)現(xiàn)表明dGEMRIC 指數(shù)的變化對(duì)軟骨的早期退化有較好的預(yù)測(cè)作用。Bekkers 等［44］發(fā)現(xiàn)dGEMRIC 技術(shù)能監(jiān)測(cè)再生軟骨治療后的軟骨修復(fù)情況。目前，dGEMRIC 技術(shù)不但可用于早期軟骨損傷診斷，也能成為髖關(guān)節(jié)損傷評(píng)估的首選方案［45］，但該技術(shù)存在造影劑濃度調(diào)整和造影劑注射后成像延遲等問題［46］，開發(fā)高分辨率的dGEMRIC 脈沖序列是dGEMRIC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［47］。

4.3 T1ρ mapping

T1ρ mapping將自旋回波、梯度回波或UTE序列與自旋鎖定（Spin-Lock）調(diào)制脈沖相結(jié)合，通過設(shè)置不同自旋鎖定時(shí)間獲得多組回波圖像，進(jìn)而利用逐像素?cái)M合的方法計(jì)算T1ρ［11］。T1ρ反映了自由水、結(jié)合水與軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中大分子之間的相互作用，能及時(shí)反映軟骨損傷后蛋白多糖含量以及水含量的變化，因此，與dGEMRIC技術(shù)和T2mapping 技術(shù)相比，T1ρ mapping可對(duì)早期軟骨組織病變進(jìn)行更好的綜合評(píng)價(jià)，用于區(qū)分不同級(jí)別的骨質(zhì)疏松病變［48］。

T1ρ mapping技術(shù)有利于骨關(guān)節(jié)炎的早期檢測(cè)，但由于掃描時(shí)間長(zhǎng)，臨床應(yīng)用有限。Pandit等［49］提出利用壓縮感知和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的并行成像（笛卡爾采樣的自動(dòng)校準(zhǔn)重建）相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方法，彌補(bǔ)常規(guī)T1ρ mapping成像時(shí)間過長(zhǎng)的缺點(diǎn)。與T2mapping 技術(shù)相比，T1ρ序列的自旋鎖定脈沖可消除膠原蛋白的殘余偶極相互作用，削弱魔角效應(yīng)對(duì)定量結(jié)果的影響［50］。但由于自旋鎖定調(diào)制脈沖的能量較高，存在灼傷組織的風(fēng)險(xiǎn)，需要適當(dāng)調(diào)整脈沖的寬度和時(shí)間。

4.4 T2*mapping

5 結(jié)語

早期利用魔角效應(yīng)成像和注射造影劑等技術(shù)可以獲得大多數(shù)短T2組織的形態(tài)學(xué)信息，但還存在成像時(shí)間過長(zhǎng)以及侵入式注射等缺陷。隨著短回波時(shí)間成像序列的開發(fā)，vTE、UTE和ZTE技術(shù)逐漸被應(yīng)用于臨床研究。這些成像技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)大了MRI在短T2組織成像上的應(yīng)用范圍，但它們對(duì)梯度性能和射頻性能有特定的硬件要求，未來硬件的提升和新序列的開發(fā)將會(huì)促進(jìn)這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床。

近年來，定量MRI技術(shù)為臨床提供了一種無創(chuàng)的生物學(xué)診斷工具，從而實(shí)現(xiàn)短T2組織的精準(zhǔn)診療。常用的短T2組織的定量MRI方法包括延遲釓MRI、T2mapping、T1ρ mapping、T2*mapping等。但是，目前短T2組織的定量MRI技術(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，臨床研究大多只針對(duì)單一序列，這些序列的組合使用以及統(tǒng)一全面的評(píng)估體系的建立將會(huì)是短T2組織定量成像的發(fā)展趨勢(shì)。