集成MRI在臨床診斷中的應(yīng)用價值

陳爽，歐陽漢

作者單位：

國家癌癥中心 國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 腫瘤醫(yī)院影像診斷科，北京 100021

集成磁共振(synthetic magnetic resonance imaging，SyMRI)是一種定量磁共振(quantitative magnetic resonance imaging，QMRI)技術(shù)，可以測量固有的縱向弛豫時間(longitudinal relaxation time，T1)和橫向弛豫時間(transverse relaxation time，T2)，并可以僅僅通過一次圖像采集產(chǎn)生多種對比加權(quán)圖像[1]?；镜腟yMRI序列包括常規(guī)的T1加權(quán)成像(T1 weighted image，T1WI)、T2加權(quán)成像(T2 weighted image，T1WI)、質(zhì)子密度加權(quán)成像(proton density weighted image，PDWI)、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR)、短反轉(zhuǎn)時間反轉(zhuǎn)恢復(fù)(short T1 inversion recovery，STIR)序列。現(xiàn)如今，SyMRI已獲得多個國家醫(yī)療監(jiān)管部門的批準，能夠集成到醫(yī)療圖像存儲與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication systems，PACS)中，并用于通用電氣、飛利浦和西門子平臺上[2]?，F(xiàn)筆者將對SyMRI在臨床疾病診斷過程中的應(yīng)用進行簡單的介紹。

1 SyMRI的基本原理

SyMRI是利用渦輪自旋回波來讀出飽和恢復(fù)參數(shù)的一種多回波信號，可以對弛豫時間和質(zhì)子密度(proton density，PD)進行量化，從而測量出組織的弛豫時間[2]。包括T1、T2或它們的反弛豫率R1 (1/T1)、R2 (1/T2)以及PD的絕對定量，因此可以對疾病進行更客觀的評估。SyMRI通過調(diào)整重復(fù)時間(repetition time,TR)、回波時間(echo time，TE)等掃描參數(shù)來重新合成各種圖像[3]。也可以從T1、T2和PD值重新格式化優(yōu)化SyMRI?；谶@種絕對定量MRI掃描合成一致的圖像，通過圖像校準來補償由于圖像運動和采集過程引起的幾何失真，所合成的圖像不會形成與掃描儀相關(guān)的缺陷和脈沖序列的變化[4]。

2 SyMRI的優(yōu)缺點及在臨床診斷中的相關(guān)應(yīng)用

2.1 SyMRI的可重復(fù)性

作為近幾年新興的一種MR掃描技術(shù)，SyMRI在成像及測量過程中的可重復(fù)性得到了諸多研究的驗證。Granberg等[5]應(yīng)用SyMRI對多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)患者及健康對照組(healthy control，HC)進行兩次掃描，對腦成分進行分割體積測量，結(jié)果顯示SyMRI對于腦容量(brain volume，BV)、顱內(nèi)容積(intracranial volume，ICV)、腦實質(zhì)分數(shù)(brain parenchymal fraction，BPF)、腦灰質(zhì)分數(shù)(gray matter fraction，GMF)測量結(jié)果的重復(fù)性誤差低于其他MRI圖像處理和分析軟件(如FreeSurfer，F(xiàn)SL和SPM)，尤其是在BV和BPF測量中的重復(fù)性最好，變異系數(shù)(Coefficient of Variation，CoV)分別為0.30%和0.23%。之后，在一項應(yīng)用SyMRI檢出MS斑塊的研究中[6]，即便SyMRI檢測出的MS斑塊要多于常規(guī)MRI，但SyMRI的觀察者間一致性卻低于常規(guī)MRI，分別為0.858 (95%CI，0.496；0.959)及0.950 (95%CI，0.824；0.986)。研究者分析這可能是由于觀察者對于SyMRI圖像較生疏的緣故。

關(guān)于使用SyMRI來進行腦組織分割測量判斷可重復(fù)性的研究相繼開展。Andica等[7]在通過SyMRI分割測量結(jié)果顯示ICV的CoV小于1.00%，BPF的CoV小于0.54%。Krauss等[8]采用SyMRI測量MS患者正常腦實質(zhì)及HCs的腦實質(zhì)中的T1、T2、PD值，總體相對差異度分別為-1.2%±5.3% (T1)，-6.6%±1.9% (T2)和0.7%±5.1% (PD)。West等[9]分別采用1.5 T及3.0 T的MR掃描儀進行腦白質(zhì)(white matter，WM)、灰質(zhì)(grey matter，GM)、腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)、腦實質(zhì)容量(brain parenchymal volume，BPV)和BPF分割測量，所有測量的重復(fù)性均較高，且1.5 T的結(jié)果重復(fù)性略高于3.0 T，這可能是由于采用1.5 T掃描儀測得的R1、R2值的較高動態(tài)范圍導(dǎo)致組織間更明顯的信號分離，如BPF在1.5 T時的重復(fù)性為0.22%，在3.0 T時為1.21%。以上研究表明，SyMRI在腦成分的分割測量中具有良好的重復(fù)性，因此可繼續(xù)用于后續(xù)的研究。

2.2 SyMRI在腦部掃描中的應(yīng)用

SyMRI對腦組織體積分割及髓鞘體積測量有一定作用。Virhammar等[10]通過對ICV，CSF和BPF的快速定量計算，發(fā)現(xiàn)SyMRI可用于監(jiān)測腦室容量，并可作為評估腦積水治療后反應(yīng)的非侵入性方法。但有研究表明[9]，在用1.5 T和3.0 T MRI進行腦分割測量時，WM、GM、CSF和BPF在這兩種磁場強掃描儀之間存在顯著的統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.001)，在1.5 T掃描時WM被低估，而GM和CSF被高估。其原因可能是隨著主磁場強度增加，富鐵區(qū)和乏鐵區(qū)之間的對比度增加及3.0 T MR掃描儀的B1場不均勻性較大所致。Andica等[11]使用SyMRI研究在復(fù)發(fā)緩解MS (relapsing-remitting MS，RRMS)患者中GM相應(yīng)的變化，他們發(fā)現(xiàn)RRMS患者的MVF低于HC，晚期RRMS患者的灰質(zhì)內(nèi)髓鞘體積(myelin volumes of GM，GM-MyVol)最小。并且，RRMS患者的GM-MyVol與疾病的活動持續(xù)時間呈負相關(guān)(r=-0.43，P=0.005)。總之，通過SyMRI得到的MVF和MyVol可用于評估RRMS患者的GM改變，這是SyMRI在臨床疾病診斷中較為廣泛的應(yīng)用。在存在認知功能障礙的患者SyMRI檢查中[12]，正常腦白質(zhì)中的髓鞘體積多于白質(zhì)內(nèi)存在高信號的髓鞘體積(39.9%±2.4%與37.5%±2.7%比較，P＜0.001)。還有研究發(fā)現(xiàn)，在相似的采集時間下，SyMRI上MS與WM的對比度及對比信噪比高于常規(guī)MRI[6]，因此能夠檢出更多的MS病灶(P=0.001)。

同時部分研究表明，SyMRI在觀察兒童腦部發(fā)育方面具有明顯優(yōu)勢，已有研究機構(gòu)已將其作為新生兒的常規(guī)檢查序列。兒童腦部MRI隨著年齡的增長和髓鞘化的完善逐漸發(fā)生相應(yīng)的變化，尤其是不足2歲的幼兒，由于不完整髓鞘化，成為腦部MR掃描的一個特殊群體[13]。有研究表明[14]，使用SyMRI和常規(guī)MRI在掃描新生兒腦部時，雖然圖像報告的敏感性和特異性不存在統(tǒng)計學(xué)差異(P＞0.05)，但SyMRI可以減少采集不同序列圖像的次數(shù)，縮短掃描時間，從而減少麻醉劑對神經(jīng)和認知功能方面的影響，同時有利于發(fā)育中的大腦可視化。如McAllister等[15]以測量絕對R1、R2和PD值建立了兒童的ICV、BPV、BPF、GM、WM、CSF、髓鞘(myelin volume，MY)和髓鞘體積分數(shù)(myelin volume fraction，MYF)的規(guī)范化數(shù)據(jù)庫。其中R1、R2和PD值是給定組織/體素在給定場強下的固有物理特性，并且獨立于采集序列[16]。Lee等[17]研究發(fā)現(xiàn)，除腦皮質(zhì)的PD外，所有腦區(qū)的T1、T2值均隨著年齡的增加而減少，這種變化在1歲內(nèi)的兒童中最為顯著。以上研究均表明，在兒童大腦可視化的研究中，SyMRI進展卓越。

并且對腦腫瘤的研究中，SyMRI在觀察腫瘤的侵犯范圍及腫瘤檢出方面有一定的價值。Prastawa等[18]使用SyMRI拆分出具有腫瘤大小，位置，周圍水腫程度和增強區(qū)域的變化的腦腫瘤圖像，通過分析血管信息，進而分析出對比劑的聚集特點，同時也可以獲得周圍組織的受壓變形程度和腫瘤的邊緣浸潤的相關(guān)信息。有研究通過測量MRI上R1，R2和瘤周水腫的腦血流量(cerebral blood volume，rCBV)值時發(fā)現(xiàn)，三者的大小均隨著與腫瘤間距離的增加而減小，在注射的對比劑后R1梯度顯著增加(P＜0.0001)[19]，這些信息可用于手術(shù)和放射治療的規(guī)劃。同時，Hagiwara等[20]還發(fā)現(xiàn)腦轉(zhuǎn)移瘤的對比度在增強掃描SyMRI成像中優(yōu)于未使用對比劑的SyMRI成像(P＜0.001)及常規(guī)MRI成像(P=0.04)。但Maekawa等[21]發(fā)現(xiàn)注射對比劑后的T1、T2和PD值均降低，導(dǎo)致了WM和MVF的測量值增加，GM、CSF、ICV的測量值顯著降低，所以他們認為對比劑的使用對SyMRI測量腦組織的體積有著顯著的影響，這也提示影像科醫(yī)生在應(yīng)用SyMRI進行診斷時應(yīng)該更加謹慎。在監(jiān)測使用貝伐單抗治療復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤是否進展的研究中[22]，研究者發(fā)現(xiàn)腫瘤進展的患者顯示T1弛豫時間延長，并且優(yōu)先于腫瘤體積的增加出現(xiàn)。而Hattingen等[23]認為，在貝伐單抗治療復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤進展時T2值持續(xù)降低，即便以上兩項研究的側(cè)重點不同，但SyMRI在檢測腫瘤進展中，均優(yōu)于常規(guī)MRI。

此外有研究比較了腦脊液檢查結(jié)果為陰性可疑細菌性腦膜炎的女嬰的常規(guī)MRI和SyMRI的圖像，發(fā)現(xiàn)在SyMRI的增強T2WI FLAIR序列上，腦膜增強的圖像對比度比常規(guī)MRI的增強T2WI FLAIR序列圖像上的對比度更好[24]，這是唯一一項關(guān)于腦膜炎檢測優(yōu)勢的研究。

目前部分研究對于SyMRI的FLAIR圖像質(zhì)量及應(yīng)用價值尚有爭議。有研究表明[5，25]，盡管腦SyMRI可以提供良好的圖像質(zhì)量并且清晰地顯示出解剖結(jié)構(gòu)，但在SyMRI的T2 FLAIR上卻產(chǎn)生更明顯的偽影，尤其是基底動脈和CSF的搏動偽影，在圖像上顯示為線樣高信號。同樣，Lee等[13]認為在SyMRI的T1和T2圖像中GM和WM的圖像分辨率與常規(guī)MRI的圖像分辨率相當或更好，但在SyFLAIR圖像中對比度較差。為了彌補SyMRI檢查中存在的部分偽影問題，科學(xué)家想出了一系列辦法。例如，為了校正SyT2 FLAIR序列產(chǎn)生的偽影[26]，Ryu等[26]開發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)(deep learning，DL)的SyFLAIR方法，并計算校正前后的歸一化均方根(normalized root mean square，NRMSE)和結(jié)構(gòu)相似性(structural similarity，SSIM)來評定圖像質(zhì)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NRMSE從4.2%優(yōu)化到2.9% (P＜0.0001)，SSIM從0.85提高到0.93 (P＜0.0001)。同時，GM、WM、CSF的NRMSE值分別從1.58%顯著改善至1.26% (P＜0.001)，3.1%至1.5% (P＜0.0001)和2.7%至1.4% (P＜0.0001)。以上表明，DL方法是可以作為糾正SyFLAIR中偽像的一種有前景的方法。

此外，關(guān)于SyMRI的少量研究還包括以下幾個方面。為了獲得急性腦卒中患者更準確的發(fā)病時間[27]，通過SyMRI測得T2弛豫時間和FLAIR信號強度,并計算出FLAIR信號強度比(signal intensity ratio，rSI)，它可以顯示出T2弛豫時間與起始時間強烈的相關(guān)性(ρ=0.71；95%CI=[0.48；0.85])，這一研究對于確定腦卒中的發(fā)生時間，由此選擇有效的治療方法有著顯著的作用。而Fujiwara等[28]在研究SyMRI生成的T2WI和FLAIR組合圖像的最佳T2對比度加權(quán)圖像(threedimensional T2WI and FLAIR images，SyFLAIR3)是否可以改善WM區(qū)域的對比度(contrast-to-noise ratio，CNR)中，他們發(fā)現(xiàn)，SyFLAIR3的CNR顯著高于FLAIR和雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)(double inversion recovery，DIR)圖像。SyFLAIR3的使用改善了WM區(qū)域內(nèi)的對比度，也無需在SyMRI中再進行額外的掃描，這又為SyMRI圖像的優(yōu)化提供了新的思路。

2.3 SyMRI的其他部位的應(yīng)用

SyMRI作為一種較新的MR掃描機圖像處理技術(shù)，已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于腦部的多項檢查，同時，部分研究者對于SyMRI在人體其他部位的應(yīng)用做出了實踐。與腦組織區(qū)域分割方法類似，有研究對于脊柱的成分(脊髓、椎體、椎間盤等)進行了規(guī)范化的測量，結(jié)果顯示，頸椎間盤和腰椎間盤的T1值相差最大(P＜0.05)，脊柱水平對椎體T1值的影響最顯著(P＜0.001)；脊髓水平對脊髓和椎間盤的T2值有顯著影響(分別為P＜0.05和P＜0.001)[29]，同樣可以可視化脊柱的變化。

Yi等[30]發(fā)現(xiàn)SyMRI和常規(guī)MRI在膝關(guān)節(jié)成像時的圖像質(zhì)量及病變(十字韌帶撕裂，半月板撕裂和軟骨損傷)的診斷效能方面均未見統(tǒng)計學(xué)差異。但Yi等[31]發(fā)現(xiàn)T1WI對比增強比SyMRI在評估膝關(guān)節(jié)滑膜炎時整體的圖像質(zhì)量更高(P＜0.001)，同時，在SyMRI成像中滑膜與積液的對比度也高于常規(guī)MRI (P=0.003)。Lee等[32]用SyMRI測得的T2值進行膝關(guān)節(jié)軟骨的定量評估，并考慮是否可以替代膝關(guān)節(jié)軟骨常規(guī)MRI。他們發(fā)現(xiàn)，在體模研究中，采用SyMRI獲得的T2弛豫時間與常規(guī)多回波自旋回波脈沖序列有顯著相關(guān)性(r2=0.998，P＜0.05)，且SyMRI具有掃描時間短的優(yōu)勢，因此可以替代常規(guī)T2 mapping序列。SyMRI對于膝關(guān)節(jié)的研究較少，但部分實驗表明，SyMRI的圖像質(zhì)量要優(yōu)于常規(guī)MRI，這仍然需要進一步的研究證實。

Baron等[33]在用SyMRI分析發(fā)生骨折時間長短的研究中發(fā)現(xiàn)，T1與愈合時間之間存在顯著的負相關(guān)(ρ=-0.46，P=0.003)，骨折處的T1值隨著時間的推移在女性中顯示出比男性更慢的衰減。此項研究可用于遭受虐待的兒童的身體檢測中，來判斷骨折時間的長短。

另一項關(guān)于SyMRI臨床應(yīng)用的重要研究中[34]，Arita等[34]發(fā)現(xiàn)，具有活動性骨轉(zhuǎn)移的PD值顯著高于無硬化且無活性骨轉(zhuǎn)移病灶及正常紅骨髓的PD值(P均＜0.001)；存在硬化但無活動性的骨轉(zhuǎn)移性病變的PD值顯著低于無硬化且無活動性骨轉(zhuǎn)移病灶及紅骨髓的PD值(P均＜0.001)。所以PD值被證明是區(qū)分前列腺癌骨轉(zhuǎn)移病灶活動度及內(nèi)部是否存在硬化灶的獨立指標(P＜0.001)?？梢詢?yōu)先判斷前列腺癌隱匿存在的骨轉(zhuǎn)移灶。

總而言之，SyMRI是一種新的圖像采集和分析方法，由于其具有成像快，可定量測量弛豫時間等優(yōu)點，在現(xiàn)已應(yīng)用于腦部、骨關(guān)節(jié)等多個部位成像中，對疾病的診斷、療效評估等具有一定價值，隨著SyMRI技術(shù)的不斷完善及臨床應(yīng)用的深入探索，未來必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

利益沖突：無。