ZTE技術(shù)原理及其在肺成像中研究

陳俊汝 綜述 孫學進， 魯毅， 王聰 審校

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是一種多方位、多參數(shù)影像學檢查方式，因其無輻射、軟組織分辨率高而極具優(yōu)勢，近年來在臨床及科研中應用范圍不斷擴大。但是MRI尚未廣泛用于肺部成像，因為肺組織特殊性質(zhì)[1]：肺部含氣量大，氫質(zhì)子含量低，橫向弛豫時間短；空氣-組織界面磁敏感性差異造成微觀磁場不均勻；心跳和呼吸運動產(chǎn)生偽影等原因。因此，在TE較長常規(guī)脈沖序列中[2]射頻脈沖激發(fā)后還來不及采集信號，肺組織信號就已經(jīng)衰減至零，表現(xiàn)為極低信號。為采集到肺組織信號且實現(xiàn)較高空間分辨率和信噪比就必須選擇TE值比肺組織T2值短序列進行成像。ZTE成像技術(shù)基于三維放射狀K空間填充方式，結(jié)合微動梯度編碼和超快速瞬切射頻技術(shù)實現(xiàn)了零回波時間信號采集[3,4]，它在肺部成像中具有極大潛力。本文綜述ZTE技術(shù)基本原理及其在肺部成像中應用以期將ZTE新技術(shù)應用于臨床肺部疾病診斷。

ZTE技術(shù)

1.ZTE技術(shù)原理

ZTE技術(shù)是近年來開發(fā)一種可顯示短T2組織磁共振新技術(shù)，其原理是在成像過程中先行梯度場爬升，而后施加射頻脈沖，射頻脈沖結(jié)束后立即對信號進行采集去除了常規(guī)脈沖序列中梯度場切換，因此實現(xiàn)了TE為零的信號采集[3,4]。首先，將讀出梯度場設置為所需要的方向和幅度并保持不變直到下一次重復周期再進行調(diào)整，然后采用短的硬脈沖進行激發(fā)[3]，迅速以高帶寬覆蓋梯度場作用的所有頻率范圍，緊接著利用接收線圈進行三維徑向采樣，以實現(xiàn)各向同性掃描，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后通過代數(shù)重建和標準網(wǎng)格化法進行數(shù)據(jù)處理，最終經(jīng)傅里葉變換獲得ZTE三維影像[5]。

2.ZTE技術(shù)特點

ZTE是一種快速、穩(wěn)定、噪音小的三維成像方式[3,4,6]。(1)ZTE成像速度較快。ZTE在梯度場打開情況下行脈沖激勵去除脈沖之后梯度場切換，可在脈沖結(jié)束后立即采集信號，能夠快速獲取迅速衰減肺組織信號。(2)ZTE抗運動穩(wěn)定性較強。ZTE采用三維徑向采樣和K空間周邊數(shù)據(jù)過采樣技術(shù)能有效克服運動偽影。并且，ZTE序列大部分時間僅用于數(shù)據(jù)采集和梯度逐級爬升，所需要重復時間(repetition time,TR)較短，因此，快速掃描可明顯凍結(jié)運動偽影。(3)ZTE噪音很小。磁共振成像中噪音主要來源于梯度場切換，而ZTE技術(shù)梯度場一直保持開啟狀態(tài)，在脈沖重復之間不進行梯度切換，只進行很小梯度爬升，因此，大大減小了噪音。(4)ZTE是一種三維成像方式。由于在射頻脈沖激發(fā)前讀出梯度就處于開啟狀態(tài)，無法再施加選層梯度，所以ZTE不能進行2D掃描，但可在3D各向同性采集后進行2D重建。

3.ZTE技術(shù)需要解決問題

實現(xiàn)ZTE成像需要解決以下技術(shù)問題：第一，射頻脈沖帶寬必須覆蓋由梯度場產(chǎn)生所有頻率范圍以保證信號采集均勻性和采集層面一致性。這可通過短硬脈沖激發(fā)，也可通過具有頻率掃描脈沖來實現(xiàn)[3]。第二，ZTE序列由于讀出梯度場持續(xù)存在，空間編碼從射頻脈沖激發(fā)時就已經(jīng)開始，而數(shù)據(jù)采集在脈沖激發(fā)后有一定響應時間，所以導致填充于K空間中心數(shù)據(jù)部分丟失[4]。采用快速系統(tǒng)切換能力[7]尤其是高性能線圈以保證脈沖激發(fā)到數(shù)據(jù)采集之間響應時間非常短是至關重要的，隨著硬件設備提高，高速切換信號接收線圈已逐漸減少了ZTE成像局限性。另外，也可以通過周邊數(shù)據(jù)過采樣以及線性代數(shù)重建來解決K空間中心數(shù)據(jù)丟失[5,8]。第三，由于ZTE技術(shù)回波時間為零，因此，所采集圖像缺乏組織對比度，主要表現(xiàn)為質(zhì)子密度對比，并且，ZTE增加了其他短T2成分敏感性，例如硬件設備中線圈以及檢查床均可在ZTE序列中顯像[4]。近年來，ZTE可實現(xiàn)壓脂掃描以及長T2組織信號抑制[9]，進一步提高了圖像對比度，此外，ZTE在背景信號抑制上改進以及無氫質(zhì)子線圈出現(xiàn)都極大改善了ZTE圖像質(zhì)量。

ZTE在肺成像中技術(shù)優(yōu)化

ZTE技術(shù)最初由Weiger等[4]提出，由于肺組織T2值非常短，需要在射頻脈沖結(jié)束后立即進行空間編碼和信號采集以實現(xiàn)高信噪比和高空間分辨率。在超短回波時間(ultrashort echo time,UTE)成像中[10-12]此過程通過提高梯度場爬升速度來實現(xiàn)?；谶@一理論，Weiger等[4]進一步提出了將梯度場爬升置于射頻脈沖之前，這樣在射頻結(jié)束后就可以立即對信號進行采集，從而實現(xiàn)零回波時間成像。ZTE提出后，相繼有學者在物理學上對ZTE進行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過調(diào)整ZTE序列成像方式對其進行了不斷變體。因為ZTE采用硬脈沖激發(fā)[3]雖硬脈沖可快速實現(xiàn)高帶寬激勵，但因為脈沖持續(xù)時間非常短，這樣就會在保證脈沖振幅一定的情況下限制了翻轉(zhuǎn)角[4]。并且，帶寬也不可以無限大，當固定數(shù)據(jù)采集響應時間后，增加帶寬會引起K空間中心數(shù)據(jù)丟失間隙尺寸變大，經(jīng)代數(shù)重建后圖像會出現(xiàn)頻率失真。為解決帶寬和翻轉(zhuǎn)角限制，Weiger等[13]通過還原代數(shù)重建K空間中心數(shù)據(jù)丟失原理，發(fā)現(xiàn)帶寬受限主要原因是射頻系統(tǒng)切換能力較低，對此他們利用高性能射頻切換系統(tǒng)，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化后的ZTE技術(shù)實現(xiàn)了在更高帶寬下顯示短T2成分。翻轉(zhuǎn)角受限是通過優(yōu)化激勵脈沖來實現(xiàn)的[14]，結(jié)合振幅和頻率調(diào)制脈沖被證明可提高ZTE圖像均勻性，并且可以提高翻轉(zhuǎn)角，翻轉(zhuǎn)角提高使圖像對比度得到了改善，但是，由于調(diào)制脈沖成像時間較長，以及解析短T2信號過程較復雜，因此尚未廣泛應用于ZTE成像。

ZTE成像中背景信號干擾問題嚴重影響了ZTE圖像質(zhì)量。平時使用普通線圈因含有少量的氫質(zhì)子在射頻激勵和數(shù)據(jù)采集之間響應時間非常短時，線圈信號來不及衰減至零，所以會使ZTE圖像出現(xiàn)偽影。Dreher等[15]研究證明利用高階勻場線圈引起空間非均勻B0場造成的信號失相位可有效地抑制來自線圈背景信號，并且，結(jié)合容積外抑制射頻脈沖的使用可進一步抑制電子元件產(chǎn)生背景信號。在Weiger等[4]試驗中他們提出了其他背景信號抑制方法可據(jù)T2差異利用預脈沖來抑制干擾信號，或者利用從肺中測量數(shù)據(jù)減去從水模中測量數(shù)據(jù)，從而進行背景信號校正[16]。雖然這些方法均能在一定程度上抑制背景信號，但是仍然存在一定的缺點，例如，高階勻場線圈引起局部磁場不均勻性會使肺組織信號衰減更快導致圖像信噪比降低；預脈沖使用會增加TR；采用減法背景校正需要很大視野。因此，背景信號抑制最好方法是開發(fā)無氫質(zhì)子線圈。最近，Weiger等[17]設計了一個幾乎不含氫質(zhì)子線圈，使用螺紋代替膠合機械連接，開發(fā)帶有玻璃電介質(zhì)電纜槽并采用鐵磁材料進行背景信號破壞。無氫質(zhì)子線圈使用可使ZTE獲得幾乎沒有背景信號圖像，從而有助于ZTE技術(shù)進一步提高肺部圖像質(zhì)量。

ZTE在肺部中應用

1.ZTE在顯示正常肺結(jié)構(gòu)中應用

關于磁共振在肺成像中研究，最先采用的是UTE序列，UTE作為一種顯示短T2成分技術(shù)，與ZTE相比具有更長發(fā)展史，目前UTE已經(jīng)可以用于骨關節(jié)動態(tài)增強掃描[18]，其在肺部中研究歷程更長[19,20]，但目前為止，UTE臨床影響力較低，由于其成像時間較長，圖像質(zhì)量較差。ZTE較UTE而言，其獲取短T2肺組織信號能力更強，因此，它在肺成像中具有更大潛力。然而，關于ZTE的研究以前大部分是在頭顱、牙齒、關節(jié)等[21-26]沒有生理運動結(jié)構(gòu)中進行，而在肺成像中研究卻很少。最初，ZTE在肺成像中研究主要以顯示正常肺結(jié)構(gòu)為主，在小動物實驗中已成功應用于各向同性高空間分辨率形態(tài)學肺成像[27]。Weiger等[16]對比觀察常規(guī)梯度回波序列和ZTE序列對健康小鼠肺成像圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)即使在沒有使用呼吸門控狀態(tài)下ZTE序列也能較好顯示肺組織結(jié)構(gòu)，并且沒有明顯運動偽影，而梯度回波序列顯示肺組織信號較低，結(jié)構(gòu)觀察不清。在使用呼吸門控和增加信號平均次數(shù)后，ZTE序列進一步改善了肺部圖像信噪比，同時增加了細節(jié)可見性。

ZTE在健康人體肺成像中應用是由Gibiino等[28]首次提出的，他們采用不同呼吸運動管理方法，同時比較不同帶寬采集圖像質(zhì)量，結(jié)果表明采用前瞻性和回顧性呼吸門控均可使ZTE序列在自由呼吸狀態(tài)下獲得較高質(zhì)量的肺部圖像。參數(shù)選擇在兼顧信噪比和采集時間后62.5kHz帶寬被證明是最佳的。Niwa等[29]將ZTE序列和單點回波時間成像相結(jié)合用于對肺組織進行成像，此種組合在徑向模式下獲取k空間的外周部分，而在笛卡爾模式下逐點獲取K空間的中心部分。結(jié)果證明這種方法可進一步減少編碼時間獲取更多肺組織信號。Dournes等[30]研究也證明徑向采集的ZTE技術(shù)可以顯示支氣管的4級分支和肺組織的葉間裂，與標準體積插值屏氣檢查(volumetric interpolated breath-hold examination，VIBE)相比，ZTE對于支氣管結(jié)構(gòu)可視化和肺實質(zhì)信號強度檢測能力均優(yōu)于VIBE序列。Bae等[31]采用UTE和ZTE對正常肺結(jié)構(gòu)進行定性和定量評估，結(jié)果顯示ZTE比UTE更有利于成像外周支氣管和肺血管，進一步驗證了ZTE在顯示肺內(nèi)精細結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢。通過對ZTE序列不斷研究和改進已能在合理掃描時間內(nèi)提供分辨率達1.2mm全肺覆蓋影像[28]。自由呼吸ZTE脈沖序列在健康人群氣道可視化實現(xiàn)高信噪比和各向同性高分辨率方面顯示了巨大前景。

2.ZTE在診斷肺疾病中價值

ZTE技術(shù)應用對于磁共振診斷肺部疾病至關重要。由于ZTE序列高度穩(wěn)定性，它能夠可視化健康人群肺結(jié)構(gòu)，同樣也能顯示肺部疾病。Bianchi等[32]通過制備大鼠肺氣腫模型采用UTE、ZTE和μCT對正常組和肺氣腫組進行成像，結(jié)果表明ZTE可在自由呼吸狀態(tài)下提供優(yōu)質(zhì)肺部影像，并且由于徑向采樣降低了對運動敏感性。另外，通過對比正常組和肺氣腫組發(fā)現(xiàn)在肺氣腫中ZTE獲得SNR顯著下降，結(jié)果提示ZTE有望成為一種評估肺氣腫病理形態(tài)學改變影像方式。雖動物研究表明ZTE可用于診斷肺疾病，但是在臨床研究中還很少有人利用ZTE來顯示肺部疾病。為了進行初步臨床評估，研究者[30,33]對囊性纖維化患者行MRI成像和CT掃描，結(jié)果顯示徑向采集ZTE序列和CT均可顯示支氣管擴張和管壁的增厚等細微變化。然而，對于ZTE應用于臨床的最終目的是希望能達到對較小病變也有較高的檢出率，例如，亞厘米結(jié)節(jié)檢出通常被認為是肺成像的重要目標。由于常規(guī)磁共振成像對肺結(jié)構(gòu)顯示不佳，因此，肺結(jié)節(jié)檢查手段主要依靠高分辨率CT[34]。但隨著磁共振成像序列的優(yōu)化，國內(nèi)外關于MRI對肺結(jié)節(jié)顯示及檢出率研究逐漸增多。研究表明[35]MRI對肺結(jié)節(jié)檢測敏感度高達80.5%，并能準確地評估其直徑且與CT相比具有較高的一致性。近年來，有研究者提出[36]MRI對鑒別診斷以磨玻璃結(jié)節(jié)為表現(xiàn)浸潤性肺腺癌具有一定價值。針對ZTE對肺結(jié)節(jié)診斷性能，Bae等[31]利用ZTE和UTE同時對CT確診具有肺結(jié)節(jié)患者進行成像，以CT為金標準，比較ZTE和UTE對肺結(jié)節(jié)診斷準確性，結(jié)果顯示ZTE對亞厘米結(jié)節(jié)檢出率明顯高于UTE，并且，ZTE對于顯示結(jié)節(jié)信噪比和對比度也更高。因此，ZTE可作為常規(guī)臨床肺成像補充手段，有助于進一步推進磁共振成像在肺中的應用。

總之，ZTE技術(shù)在肺成像中應用打破了傳統(tǒng)MRI在肺及氣道成像方面局限性。ZTE技術(shù)可用于高分辨率顯示正常肺結(jié)構(gòu)，也可用于診斷肺部疾病。對于孕婦、小孩、老人和長期需要隨訪患者以及體檢者，影像學檢查就多了一個選擇，而不僅局限于CT，因此，減少了不必要輻射損傷。雖然ZTE技術(shù)目前還不夠完善但具有很大可行性和診斷價值。隨著對ZTE技術(shù)不斷研究改進，其在肺部疾病中應用將會越來越廣泛。