學(xué)齡前兒童肺磁共振成像掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

陳詩艷 綜述 藍(lán)海龍 審校

1983 年，Siemens 在德國漢諾威醫(yī)學(xué)院成功安裝了世界第一臺臨床磁共振（magnetic resonance，MR），同年Smith［1］發(fā)表了一篇肺MR 應(yīng)用的論文。MR 給諸多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來革命性的變化，但受限于肺超低質(zhì)子密度、呼吸及心跳偽影等困擾，在很漫長一段時(shí)間里肺MR 的開發(fā)及應(yīng)用處于停滯不前的狀態(tài)。隨著社會環(huán)保意識的不斷強(qiáng)化，學(xué)者們已在尋求一種可以避免電離輻射的學(xué)齡前兒童肺部檢查方式［2］。在過去十年里，隨著超短時(shí)間回波序列（ultrashort time echo，UTE）甚至零回波時(shí)間序列［3］、超極化氣體造影（hyperpolarized gas angiography，HGA）［4］、傅立葉分解等技術(shù)的發(fā)展，肺MR 圖像的分辨率、信噪比、掃描時(shí)間有了驚人的進(jìn)步，已成功獲得亞毫米高分辨率圖像，進(jìn)一步縮小肺MR 與肺CT 之間的圖像質(zhì)量差距［5］。這些新技術(shù)甚至已應(yīng)用于自由平靜呼吸的新生兒，Liszewski 等［6］于2017 年通過探索性、回顧性研究，證實(shí)了用MR 診斷兒童肺病在大多數(shù)醫(yī)院是可行的。Zucker 等［7］在2018 年利用3.0 T 磁共振對32 名兒童進(jìn)行胸部MR 檢查，采用自由呼吸、HGA 造影與UTE 技術(shù)，可獲取理想的肺氣道、肺實(shí)質(zhì)四維圖像。

學(xué)齡前兒童肺MR 檢查的迫切需求與應(yīng)用前景

X 光與CT 的電離輻射問題日益被重視，即使患者的受益/風(fēng)險(xiǎn)比高，但在臨床應(yīng)用中仍應(yīng)盡量減少醫(yī)源性輻射，并應(yīng)酌情考慮無電離輻射的替代檢查方法。對于5 歲以下兒童，女孩做360 次、男孩做1 200 次胸部CT 可達(dá)參考誘發(fā)固體癌閾值［8］。對于10 歲以下兒童，估計(jì)每一萬次頭顱CT 掃描就會增加1 例白血病和1 例腦腫瘤［9］。Meulepas等［10］對168 394 名兒童進(jìn)行回顧研究，發(fā)現(xiàn)CT 掃描組兒童腦腫瘤的發(fā)生率更高。

CT 通過迭代重組等技術(shù)，在不影響診斷的前提下大幅降低輻射劑量［11］；高速CT 的面世可以在不做麻醉或鎮(zhèn)靜的情況下進(jìn)行嬰幼兒低劑量掃描。上述CT 技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致MR 在肺這領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用空間進(jìn)一步受限。盡管如此，MR對于不能暴露于電離輻射的學(xué)齡前兒童患者，或?qū)Ψ磸?fù)感染的免疫功能低下的兒童非常重要，尤其適用于兒童肺囊性纖維化、肺炎［12］、肺結(jié)核［13］、先天性膈疝［14］、肺結(jié)節(jié) ?。?5］、膈肌力 學(xué)［16］、哮 喘、肺發(fā)育不良評估［17］等疾病的多次隨訪。此外，MR在通氣［18］、灌注［19］等功能評價(jià)具有先天優(yōu)勢。

超短時(shí)間回波UTE 技術(shù)

與傳統(tǒng)的自旋回波序列和梯度回波序列不同，UTE 序列是一種硬脈沖激發(fā)并在0～70 μs 之內(nèi)直接檢測自由感應(yīng)衰減的新型技術(shù)，其回波時(shí)間相當(dāng)于普通序列的0.5%～10%，可采集短T2信號的組織，對骨皮質(zhì)、腦白質(zhì)、半月板、肺實(shí)質(zhì)等顯影良好［20］。超短TE 得益于以下3 個(gè)條件［21］：（1）使用Sinc 函數(shù)型脈沖，激發(fā)其相反層面，去除對射頻脈沖相位編碼這一環(huán)節(jié)；（2）在徑向成像的k 空間中心開始采集，并進(jìn)行無需梯度的原始相位編碼；（3）自由感應(yīng)衰減。實(shí)現(xiàn)UTE 技術(shù)無需額外硬件或特殊后處理軟件，1.5 T 或3.0 T 場強(qiáng)設(shè)備的應(yīng)用均有報(bào)道應(yīng)用。

在過去十年里，UTE 序列已應(yīng)用于兒童部分肺疾病的診斷：

肺炎：肺炎是學(xué)齡前兒童最常見的呼吸系統(tǒng)疾病，也是導(dǎo)致患兒接觸醫(yī)源性輻射最常見的病 因。Yikilmaz 等［22］在2011 年用UTE 序列研究兒童肺炎，納入實(shí)驗(yàn)的40 名患兒均在24 h 內(nèi)完成X 光、UTE 序列檢查，對比兩組影像資料的診斷效能，發(fā)現(xiàn)UTE 成像可與胸部X 線平片相媲美，可用于評估兒童肺部實(shí)變、支氣管擴(kuò)張、壞死/膿腫和胸腔積液。Sodhi 等［23］2015 年對75 名肺炎兒童進(jìn)行1.5 T 磁共振與64 排螺旋CT 的對照研究，所有患者均在48 h 內(nèi)完成上述兩項(xiàng)檢查；Kappa檢驗(yàn)顯示MR 與CT 對肺炎的診斷基本一致（k=0.9）；經(jīng)McNemar 檢驗(yàn)，兩者對肺炎診斷無顯著性差異（P=0.125）。

肺囊性纖維化：本病多見于北美白種人，是一種常染色體隱性遺傳??；患者支氣管黏液分泌過多，氣道栓塞，細(xì)菌滋生，支氣管與肺反復(fù)感染，繼之引起肺囊性纖維化，嚴(yán)重?fù)p害肺功能，并繼發(fā)心 功能異 常。Dournes 等［24］2016 年使用UTE技術(shù)對兒童和青年肺囊性纖維化患者的氣道進(jìn)行亞毫米3D-MRI 檢查，并通過Helbich-Bhala 評分與常規(guī)序列比較，發(fā)現(xiàn)CT 和UTE 成像之間有很好的一致性。Roach 等［25］2016 年研究UTE 序列用于診斷早期肺囊性纖維化，11 例患者行CT 和UTE 序列掃描，11 例正常人只行UTE 序列掃描，發(fā)現(xiàn)患者CT 與UTE 序列成像評分相關(guān)性很強(qiáng)，可使用無電離輻射的MR 檢查量化早期肺囊性纖維化。

觀察肺亞結(jié)構(gòu)與評估發(fā)育、變異：Higano 等［26］2017 年用UTE 序列研究兒童肺密度，發(fā)現(xiàn)其信號強(qiáng)度與CT 密度有很強(qiáng)的相關(guān)性（P<0.007）。Yoon等［27］2018 年利用1.5 T 與3.0 T 設(shè)備做人體實(shí)驗(yàn)，對人體MR 圖像質(zhì)量進(jìn)行了5 點(diǎn)評分，并與常規(guī)肺MR 序列進(jìn)行了比較；用3.0 T和9.4 T 設(shè)備做動物實(shí)驗(yàn)，動物研究中評估了支氣管、亞厘米結(jié)節(jié)和空氣支氣管圖的可見度；證實(shí)亞毫秒級UTE 肺磁共振成像在技術(shù)上是可行的，適用于臨床與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)磁共振。Yoder 等［28］2019 年用UTE 序 列研究17 例新生兒支氣管發(fā)育不良，發(fā)現(xiàn)MR 能精準(zhǔn)量化肺體積。綜上，UTE 技術(shù)理論上能顯示肺疾病的早期結(jié)構(gòu)異常，包括支氣管擴(kuò)張、支氣管壁增厚、實(shí)變、磨玻璃混濁、黏液堵塞和空氣滯留；但Roach 等［25］在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)它在支氣管壁增厚的敏感性明顯弱于CT，原因可能為UTE 序列為自由呼吸下采集，而CT 為吸氣相下采集。

超極化氣體造影HGA 技術(shù)

肺組織富含空氣，質(zhì)子密度極低，導(dǎo)致常規(guī)序列成像的信號極其微弱，在很長一段時(shí)間里嚴(yán)重限制肺MR 的發(fā)展；而HGA 技術(shù)的出現(xiàn)很好彌補(bǔ)了肺質(zhì)子信號微弱的尷尬。何為“超極化”？即通過動態(tài)核極化方法使原子核自旋極化達(dá)熱平衡之上，以增強(qiáng)分子MR 信號。超極化所用的吸入性3He 或129Xe 都是非放射性惰性氣體，從肺泡間隙擴(kuò)散到肺泡間隔，改變肺MR 圖像的空間分辨率，通過信號的不均勻分布識別通氣不足的區(qū)域；此外，吸入3He 或129Xe 除了能提供形態(tài)學(xué)信息，還能提供肺生理學(xué)信息［29］。目前使用的主要是3He，但由于其產(chǎn)量少、價(jià)格高，學(xué)者們開始關(guān)注價(jià)格便宜的129Xe，其氣體交換、擴(kuò)散、分壓成像與3He 相仿，但安全性仍有待考察。

HGA 技術(shù)能有效檢測兒童肺部疾病的通氣和肺微結(jié)構(gòu)變化，對小兒肺部疾病早期結(jié)構(gòu)及功能改變敏感度較高，已應(yīng)用于哮喘、肺囊性纖維化、早產(chǎn)兒肺病、評估肺發(fā)育、先天性膈疝等領(lǐng)域。該技術(shù)主要涉及通氣與灌注兩方面應(yīng)用；在通氣檢測方面，被阻塞的肺區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)比信號均值更暗的區(qū)域，即所謂的“通氣缺陷”，可用于評估哮喘和慢性阻塞性肺病。Altes 等［30］2017 年做了一項(xiàng)前瞻性研究，對7 名年齡2 個(gè)月～3 歲的小兒進(jìn)行非鎮(zhèn)靜式HGA 造影，以0.12～0.19 秒/圖的速度采集，3He 在健康人中分布均勻，在呼吸系統(tǒng)疾病患者存在局部通氣缺陷。

實(shí)現(xiàn)HGA 技術(shù)需解決氣體的獲得與吸入兩項(xiàng)問題。3He、129Xe 的制作或長期儲存設(shè)備需與主磁體分離，將氣體導(dǎo)入塑料袋或氧枕，連接氧管，再帶進(jìn)檢查間讓受檢者吸入。但對于學(xué)齡前兒童而言，要克服的困難遠(yuǎn)不止于此。首先是突然改變患兒所處的氣體環(huán)境，會引起短暫不適；其次，絕大多數(shù)學(xué)齡前兒童難以配合屏氣。成人可屏氣4～20 s 可完成全肺MR 掃描；但對于學(xué)齡前兒童，尤其是嬰幼兒，屏氣時(shí)間通常較短，檢查失敗率較高。采用螺旋漿掃描技術(shù)，可將獲取時(shí)間縮短10倍，從而使自由呼吸的嬰兒和幼兒肺MR 成像成為可能。對于嬰兒做HGA 造影，吸氣前讓小兒先適應(yīng)霧化給藥、禁食2 h 并在檢查前哺乳、利用玩具分散注意力、父母陪同檢查等策略可提高檢查的成功率。

肺灌注技術(shù)

目前肺灌注技術(shù)主要有以下四種：（1）需注射釓劑的二維灌注成像（two-dimension perfusion weighted imaging，2D-PWI）；（2）無需注射釓劑的三維動脈自旋標(biāo)記技術(shù)（three-dimension arterial spin labeling，3D-ASL）；（3）HGA 造影；（4）傅立葉分解。

2D-PWI：2D-PWI 如同腦灌注、心肌灌注等，早期的肺MR 灌注亦是通過靜脈注射對比劑實(shí)現(xiàn)，亦是目前最成熟、研究最充分的方法。在注射前、注射后在信號峰值期分別用平面回波成像（echo planar imaging，EPI）序列采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)減影即可獲得興趣區(qū)的血流量、血容量信息；或注射后連續(xù)動態(tài)掃描多期，可獲得興趣區(qū)的血流量、血容量、達(dá)峰時(shí)間、平均通過時(shí)間等更豐富的灌注參數(shù)。Amaxopoulou 等［31］用1.5 T 磁共振掃描25 例肺囊性纖維化兒童患者和12 例正常兒童的肺，掃描序列包括呼吸門控依賴的常規(guī)序列和2D-PWI 灌注序列，發(fā)現(xiàn)有囊性纖維化的兒童結(jié)構(gòu)和灌注異常；動態(tài)2D-PWI 的半定量評估有助于區(qū)分與肺不張或肺實(shí)變。靜脈注射對比劑為有創(chuàng)操作且過敏風(fēng)險(xiǎn)稍高，兼之在學(xué)齡前兒童領(lǐng)域要鎮(zhèn)靜又進(jìn)一步限制了其使用。

3D-ASL 灌注：3D-ASL 灌注是由GE 推出并通過美國FDA 認(rèn)證的技術(shù)，在多款1.5 T 及3.0 T設(shè)備均可直接使用。3D-ASL 技術(shù)無需使用釓對比劑與高壓注射器，對即將進(jìn)入肺組織的動脈血進(jìn)行無創(chuàng)標(biāo)記，改變其自旋弛豫狀態(tài)；掃描全肺的標(biāo)記像與非標(biāo)記像，通過減影獲取灌注信息。理論上能提供血流量、血容量、平均通過時(shí)間3 組參數(shù)，但目前只有血流量能直接應(yīng)用于臨床的。Schraml 等［32］2012 年使用ASL 技術(shù)對5 例健康 青年與33例肺囊性纖維化患者行灌注成像，患者的雙肺上葉血流量明顯降低，且平均血流量與一秒用力呼氣容積（forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1）顯著相關(guān)（r=0.84，P<0.0001）。ASL 技術(shù)對運(yùn)動偽影非常敏感，主要應(yīng)用于成人或能配合的學(xué)齡后兒童，用于學(xué)齡前兒童成功率較低。

HGA 造影灌注：3He 或129Xe 溶于肺組織和血液內(nèi)，可用于觀察肺泡毛細(xì)血管床水平的氣體交換及擴(kuò)散能力。Qing 等［33］對4 名COPD 患者與4名正常對照者行2D-PWI 灌注、HGA 造影灌注，發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)在各項(xiàng)指標(biāo)里沒有顯著差異。利用吸入性氣體對比劑取代傳統(tǒng)釓劑，在操作便捷性、安全性都得到明顯提升；然而，HGA 造影灌注目前仍處于可行性研究階段，擁有較好的臨床應(yīng)用前景。此外，與HGA 造影用于評估通氣一樣，該技術(shù)用于學(xué)齡前兒童肺灌注受限因素較多。

傅立葉分解：傅立葉分解是一種新的功能性肺MR 成像技術(shù)，不依賴于靜脈釓劑或吸入性氣態(tài)對比劑，無需心電或呼吸門控即可提供肺通氣和灌注圖。傅立葉分解基于二維穩(wěn)態(tài)梯度回波序列，數(shù)據(jù)采集后，采用非剛性圖像配準(zhǔn)算法對呼吸運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償，然后對肺實(shí)質(zhì)與心肺周期相關(guān)的信號強(qiáng)度變化進(jìn)行利用傅立葉變換分解。Bondesson 等［34］對11 名健康志愿者與5 名患者采集二維超快平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動序列數(shù)據(jù)，使用非均勻傅立葉變換和頻率跟蹤相結(jié)合的方法，通過將信號強(qiáng)度集中到單頻箱上，可顯著提高信噪比，減少頻 率重疊。Kj?rstad 等［35］對10 名志愿者行2D-PWI 肺灌注與傅立葉分解肺灌注進(jìn)行對照研究，發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性，傅立葉分解結(jié)合少量的后處理技術(shù)可定量測量肺灌注。Sch?nfeld等［36］使用傅立葉分解灌注與動態(tài)2D-PWI 灌注對比研究64 例慢性肺栓塞患者，發(fā)現(xiàn)兩者檢測亞節(jié)段和節(jié)段性低灌注有中度一致性（Kappa 值0.68），傅立葉分解可作為診斷慢性肺栓塞的參考標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，兒童肺部MR 技術(shù)進(jìn)步迅速，已初步用于解決一些臨床難題。但就目前的設(shè)備來看，肺MR 對患者的配合程度仍然要求較高，學(xué)齡前兒童在長時(shí)間屏氣、平靜呼吸兩方面都依從性均較差，而嬰幼兒還會因心跳較快和呼吸頻率較高導(dǎo)致運(yùn)動偽影加重。目前肺MR 仍未完全取代X 光或CT 用于肺部疾病診斷。