ZTE成像技術(shù)對(duì)肺實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯示價(jià)值

陳俊汝，凌冰冰，孫學(xué)進(jìn)，魯毅，莫茵

肺組織由肺實(shí)質(zhì)和肺間質(zhì)組成，肺實(shí)質(zhì)是指支氣管在肺內(nèi)的各級(jí)分支及其終末端的肺泡，肺間質(zhì)是指填充于實(shí)質(zhì)之間的結(jié)締組織，血管、神經(jīng)和淋巴管等[1]。肺實(shí)質(zhì)是肺內(nèi)具有氣體交換功能的含氣腔隙及結(jié)構(gòu)，其內(nèi)含有大量的氣體，氫質(zhì)子含量低，而磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)主要依賴于氫質(zhì)子[2]，因此，在常規(guī)的脈沖序列中，肺實(shí)質(zhì)表現(xiàn)為極低的信號(hào)。此外，由于肺實(shí)質(zhì)中氣體與軟組織界面存在很大的磁敏感差異，造成局部微觀磁場(chǎng)不均勻，以及心跳和呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影等，使肺部的圖像質(zhì)量很差[3]。目前，單次激發(fā)快速自旋回波(single shot fast spin echo，SS-FSE)序列是臨床常用的胸部MRI序列，其在顯示胸壁肌肉等軟組織方面具有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值，但是在肺實(shí)質(zhì)的顯示方面卻受到了限制[4]。隨著磁共振新技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)逐漸打破了肺部MRI的局限性。零回波時(shí)間(zero echo time，ZTE)成像技術(shù)是一種顯示短T2組織的成像技術(shù)[5-6]，它基于三維放射狀K空間填充方式，結(jié)合微動(dòng)梯度編碼和超快速瞬切射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了零回波時(shí)間信號(hào)采集[7]，能夠快速獲取迅速衰減的肺組織信號(hào)，在肺部成像中具有較大的潛力。本研究通過比較臨床常用的SS-FSE序列和磁共振新技術(shù)ZTE序列在肺成像中的圖像質(zhì)量，旨在探討ZTE技術(shù)顯示肺實(shí)質(zhì)的價(jià)值，為MRI在肺部的應(yīng)用推廣打下基礎(chǔ)。

材料與方法

1.一般資料

搜集健康志愿者20例，男、女各10例，年齡20～36歲，平均年齡29歲，2019年5-7月在昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院進(jìn)行MRI檢查。納入標(biāo)準(zhǔn)：①無咳嗽、咳痰等呼吸系統(tǒng)癥狀；②沒有經(jīng)常暴露于粉塵環(huán)境中；③受試者自愿參與研究并能遵守實(shí)驗(yàn)要求。排除標(biāo)準(zhǔn)：①M(fèi)RI檢查發(fā)現(xiàn)肺部具有明顯病變者；②肥胖及胸腔較小者；③MRI檢查禁忌癥者。本研究得到了醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，檢查前所有志愿者均簽署知情同意書。

2.檢查設(shè)備與方法

采用GE 750W 3.0T超導(dǎo)型MRI掃描儀，16通道腹部接收陣列線圈，利用彈性呼吸帶獲取呼吸信息。受檢者仰臥位，腳先進(jìn)，雙手上舉置于頭頸部?jī)蓚?cè)，線圈中心置于肺野中心，采用呼吸觸發(fā)技術(shù)在自由呼吸狀態(tài)下采集圖像。掃描序列包括常規(guī)SS-FSE序列和ZTE序列，掃描參數(shù)：SS-FSE序列：FOV 36 cm×36 cm，TR 2100 ms，TE 62.4 ms，層厚6 mm，層間距1 mm，層數(shù)24層，矩陣288×224，BW 41.67 kHz，F(xiàn)A 180°，NEX 0.54次，掃描時(shí)間66 s。ZTE序列：FOV 36 cm×36 cm，TR 466 ms，TE 0 ms，層厚1.2 mm，層間距0 mm，層數(shù)120層，矩陣300×300，BW 62.5 kHz，F(xiàn)A 2°，NEX 1.0次，掃描時(shí)間249 s。

SS-FSE序列和ZTE序列均采集冠狀面圖像，ZTE序列采用各項(xiàng)同性掃描，掃描結(jié)束后利用冠狀面重建橫軸面和矢狀面圖像。為減少采集時(shí)間以及增加左右方向的空間分辨率，相位編碼方向設(shè)為左右方向(R/L)；為獲得理想的肺部MRI圖像，檢查前訓(xùn)練志愿者平靜規(guī)律的呼吸，以保證采集層面的一致性；為減少噪音對(duì)志愿者聽力的影響，檢查中給志愿者佩戴耳機(jī)。掃描完成后將肺部圖像傳至MRI ADW 4.6工作站，進(jìn)行圖像處理和分析。

3.圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)：由2名經(jīng)驗(yàn)豐富的影像診斷醫(yī)師，采用雙盲法閱片評(píng)估，根據(jù)偽影程度，肺實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)清晰度，以及總體滿意度對(duì)兩組圖像進(jìn)行評(píng)分，具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1。3分以上為滿足診斷要求，當(dāng)個(gè)別圖像評(píng)分不一致時(shí)通過討論后達(dá)成一致。將評(píng)分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以比較兩組不同序列獲取的圖像質(zhì)量差異。

表1 圖像質(zhì)量主觀評(píng)分表

客觀評(píng)價(jià)：同一受檢者，在SS-FSE序列和ZTE序列中的相同層面和相同位置，繪制大小相同(35 mm2)的圓形興趣區(qū)(region of interest，ROI)，每個(gè)序列均選擇在氣管分叉層面繪制ROI，ROI分別放置在左、右側(cè)肺野，左、右側(cè)主支氣管腔內(nèi)，左、右側(cè)相位編碼方向上視野內(nèi)組織外的背景區(qū)域。將肺野中每個(gè)ROI內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度(signal intensity，SI)均值作為該ROI內(nèi)的肺組織信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算該層面肺野中2個(gè)ROI內(nèi)肺組織信號(hào)強(qiáng)度的均值作為該序列的肺組織信號(hào)強(qiáng)度(SI肺)；每個(gè)序列主支氣管腔內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度和背景區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度(SI背景)的計(jì)算方法同肺，背景噪聲的計(jì)算是將背景中ROI內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差作為該ROI內(nèi)的噪聲，計(jì)算該層面背景區(qū)域2個(gè)ROI內(nèi)的噪聲均值作為該序列的噪聲(SD背景)。每個(gè)數(shù)值均測(cè)量?jī)纱稳∑骄?，最后根?jù)以下公式計(jì)算信噪比(signal to noise ratio，SNR)和信號(hào)強(qiáng)度比(signal intensity ratio，SIR)：

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。服從正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，偏態(tài)分布以中位數(shù)±四分位數(shù)間距表示。兩組間評(píng)分結(jié)果比較采用配對(duì)符號(hào)秩和檢驗(yàn)，SNR和SIR比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)；兩組內(nèi)肺實(shí)質(zhì)SI和主支氣管腔內(nèi)SI比較采用配對(duì)符號(hào)秩和檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.兩組評(píng)分結(jié)果比較

在20例健康志愿者中，SS-FSE序列的評(píng)分為2.00±0.75，ZTE序列的評(píng)分為3.50±1.00，ZTE序列顯示肺實(shí)質(zhì)的評(píng)分優(yōu)于SS-FSE序列，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-3.681，P<0.001)。SS-FSE序列和ZTE序列對(duì)肺實(shí)質(zhì)的顯示見圖1，在SS-FSE序列中，肺實(shí)質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度較弱，肺門區(qū)出現(xiàn)條帶狀偽影疊加在肺實(shí)質(zhì)內(nèi)，導(dǎo)致肺實(shí)質(zhì)圖像質(zhì)量較差，解剖結(jié)構(gòu)顯示不清，不能進(jìn)行正常診斷。在ZTE序列中，雙側(cè)肺野內(nèi)可見散在點(diǎn)狀或條狀肺紋理，以肺門區(qū)和雙肺下野較明顯。肺實(shí)質(zhì)內(nèi)偽影得到了有效抑制，圖像SNR較好，解剖結(jié)構(gòu)顯示良好，達(dá)到診斷要求。并且，在ZTE序列中，應(yīng)用冠狀面圖像重建出來的橫軸面和矢狀面圖像，其質(zhì)量也較好，能夠多方位地顯示肺實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖1 a～c)SS-FSE序列中不同層面的肺部圖像；d～f)與SS-FSE序列相對(duì)應(yīng)層面的ZTE序列肺部圖像。a、d)肺動(dòng)脈分叉層面；b、e)氣管分叉層面；c、f)降主動(dòng)脈層面。 圖2 ZTE序列的冠狀面圖像及重建圖像。a)ZTE序列采集的原始冠狀面圖像；b)通過冠狀面圖像重建出來的橫軸面圖像；c)通過冠狀面圖像重建出來的矢狀面圖像。

2.兩組SNR和SIR比較

SS-FSE序列中肺實(shí)質(zhì)的SNR為5.81±1.96，ZTE序列中肺實(shí)質(zhì)的SNR為8.84±1.36，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=7.804，P<0.001)。SS-FSE序列和ZTE序列的SIR分別為0.78±0.22和0.97±0.11，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=4.056，P=0.001)。ZTE序列的SNR和SIR均高于SS-FSE序列(圖3)。

圖3 SS-FSE和ZTE序列圖像的SNR和SIR比較。

3.兩組肺實(shí)質(zhì)SI和主支氣管腔內(nèi)SI比較

在ZTE序列中，肺實(shí)質(zhì)SI與主支氣管腔內(nèi)SI差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-2.837，P=0.005)，見表2。肺實(shí)質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)于主支氣管腔內(nèi)空氣。在SS-FSE序列中，肺實(shí)質(zhì)SI與主支氣管腔內(nèi)SI差異也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-3.920，P<0.001)，但表現(xiàn)為主支氣管腔內(nèi)空氣的信號(hào)強(qiáng)度明顯強(qiáng)于肺實(shí)質(zhì)。

表2 兩組內(nèi)肺實(shí)質(zhì)SI和主支氣管腔內(nèi)SI比較

討 論

肺組織是具有生理運(yùn)動(dòng)的器官，它會(huì)隨呼吸運(yùn)動(dòng)和心臟搏動(dòng)而自由運(yùn)動(dòng)，并且因其內(nèi)含有大量的氣體，氫質(zhì)子含量低，橫向弛豫時(shí)間短，以及空氣-組織界面的磁敏感差異造成的微觀磁場(chǎng)不均勻性[3]，所以要利用MRI檢查獲得較好的肺部圖像具有很大的挑戰(zhàn)性。SS-FSE序列作為臨床常用的脈沖序列，在顯示胸壁肌肉等軟組織方面具有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值，但是在肺實(shí)質(zhì)的顯示方面卻受到了限制[4]，因此，有必要不斷探索新的磁共振技術(shù)應(yīng)用于對(duì)肺實(shí)質(zhì)的顯示。ZTE序列是一種快速、穩(wěn)定、噪聲小的三維成像方式。它采用硬脈沖激勵(lì)，結(jié)合較大的采樣帶寬，能夠快速獲取迅速衰減的肺組織信號(hào)[8]。采用放射狀K空間填充方式和K空間周邊數(shù)據(jù)的過采樣技術(shù)，能有效克服運(yùn)動(dòng)偽影[7,9]。在梯度場(chǎng)打開的情況下進(jìn)行脈沖激勵(lì)，并且在脈沖重復(fù)之間不進(jìn)行梯度開關(guān)，只進(jìn)行小的梯度爬升，大大減少了噪音[10]。由于ZTE技術(shù)具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此，它在肺部成像中具有很大的潛力。

在國外研究中，ZTE技術(shù)在肺實(shí)質(zhì)成像中已經(jīng)得到應(yīng)用并取得了初步成效。以往有研究報(bào)道，ZTE技術(shù)在小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中已成功應(yīng)用于各向同性高空間分辨率形態(tài)學(xué)肺成像，2014年，Weiger等[11]首次提出了ZTE技術(shù)在健康小鼠肺成像中的應(yīng)用，利用ZTE技術(shù)可以獲得包括氣道在內(nèi)的全肺覆蓋的各向同性高空間分辨率圖像，并且由于K空間中心的重復(fù)采樣降低了對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性。有研究表明，ZTE技術(shù)在小鼠肺部疾病中可用于檢測(cè)肺氣腫的病理形態(tài)學(xué)改變，Bianchi等[12]利用ZTE對(duì)健康小鼠和肺氣腫小鼠進(jìn)行成像，研究發(fā)現(xiàn)，在肺氣腫小鼠中ZTE圖像的SNR明顯降低，結(jié)果提示，ZTE可作為一種預(yù)測(cè)肺氣腫的影像學(xué)標(biāo)志物。ZTE技術(shù)在健康人體肺成像中的應(yīng)用是由Gibiino等[13]首次提出的，他們將ZTE技術(shù)應(yīng)用于顯示健康人體肺結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，自由呼吸ZTE脈沖序列在健康人群氣道可視化、高SNR和各向同性高空間分辨率方面顯示了巨大的前景。最近，Bae等[14]已將ZTE技術(shù)應(yīng)用于肺結(jié)節(jié)的診斷，并與超短回波時(shí)間(ultrashort echo time，UTE)序列進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)ZTE序列對(duì)肺結(jié)節(jié)的檢出率以及在顯示肺結(jié)節(jié)的SNR方面均優(yōu)于UTE。

在本研究中，筆者將ZTE序列和SS-FSE序列進(jìn)行了比較，因?yàn)镾S-FSE序列是臨床常用的脈沖序列，與UTE相比[15-18]，SS-FSE序列的成像速度較快，臨床實(shí)踐性較強(qiáng)，并且，這是在國內(nèi)研究中首次使用ZTE序列對(duì)健康人體肺進(jìn)行成像。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SS-FSE序列顯示肺實(shí)質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度很弱，圖像偽影較重，達(dá)不到臨床診斷要求，而ZTE序列顯示肺實(shí)質(zhì)的圖像質(zhì)量較好，平均評(píng)分在3分以上，能夠滿足診斷要求。同時(shí)，就兩個(gè)序列的SNR和SIR而言，ZTE序列也明顯優(yōu)于SS-FSE序列。因?yàn)镾NR是圖像質(zhì)量最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而SIR是各自序列中肺實(shí)質(zhì)與背景區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度的比值，它去除了不同序列的本底噪聲，相當(dāng)于把兩個(gè)序列的噪聲歸一化，在此基礎(chǔ)上僅僅比較肺實(shí)質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度。因此，應(yīng)用SNR與SIR進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可靠。此外，筆者還比較了兩個(gè)序列內(nèi)部的肺實(shí)質(zhì)SI和主支氣管腔內(nèi)SI，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在ZTE序列中，肺實(shí)質(zhì)的SI明顯強(qiáng)于主支氣管腔內(nèi)的SI，由于主支氣管腔內(nèi)僅含有氣體，而肺實(shí)質(zhì)內(nèi)含有支氣管的各級(jí)分支和肺泡組織，肺實(shí)質(zhì)的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)于主支氣管腔內(nèi)空氣，說明ZTE序列檢測(cè)到了肺實(shí)質(zhì)里面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了ZTE序列對(duì)肺實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯示價(jià)值，這與Bae等[14]的研究結(jié)果一致。而在SS-FSE序列中，結(jié)果正好相反，筆者推測(cè)，可能是因?yàn)镾S-FSE序列對(duì)不規(guī)律運(yùn)動(dòng)的敏感性較強(qiáng)，由于心臟、大血管的搏動(dòng)，導(dǎo)致肺門區(qū)出現(xiàn)較重的偽影，疊加在主支氣管腔內(nèi)，因此導(dǎo)致主支氣管內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)于肺實(shí)質(zhì)。

本研究還存在一定的局限性。首先，由于受到硬件設(shè)備的限制，本研究中ZTE序列的掃描時(shí)間較長(zhǎng)，在未來可通過硬件設(shè)備的提高以及進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，來縮短ZTE序列的掃描時(shí)間。其次，本研究采用的樣本量較少，并且主要是青壯年，缺乏兒童及老年人，有待進(jìn)一步擴(kuò)大樣本含量，增加研究對(duì)象的年齡范圍。最后，本研究?jī)H對(duì)正常肺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯示，在以后的研究中應(yīng)針對(duì)不同的肺部疾病進(jìn)行探討。

綜上所述，常規(guī)SS-FSE序列雖然成像速度快，但其顯示肺實(shí)質(zhì)信號(hào)強(qiáng)度弱，且偽影嚴(yán)重，圖像質(zhì)量差。而ZTE序列能夠清晰顯示肺紋理，且有效抑制了呼吸運(yùn)動(dòng)和心臟、大血管的搏動(dòng)偽影，圖像信噪比較高。本研究通過比較SS-FSE序列與ZTE序列對(duì)正常肺結(jié)構(gòu)的顯示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZTE序列顯示正常肺實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)是可行的，使MRI在肺部中的應(yīng)用為臨床研究開辟了新的方向。