定量磁共振成像技術(shù)原理及研究進(jìn)展

羅明芳，孫振博，榮 康，李祥林

濱州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，山東 煙臺 264003

定量分析體內(nèi)特定物質(zhì)的變化往往能夠表征人體病變發(fā)生與發(fā)展程度，為疾病早期診斷和治療提供有價值的信息。相比傳統(tǒng)定量的金標(biāo)準(zhǔn)“組織活檢”，定量磁共振成像技術(shù)具有無創(chuàng)、可重復(fù)性好、不存在采樣誤差等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。在疾病相關(guān)物質(zhì)的檢測和定量分析中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著磁共振成像技術(shù)不斷發(fā)展，磁共振可定量的物質(zhì)更廣泛，定量精度逐步提高。應(yīng)用特定的定量磁共振技術(shù)能夠?qū)Χ喾N疾病相關(guān)物質(zhì)定量分析，針對某種特定物質(zhì)，也同時具有多種定量分析方法。本文對常見定量磁共振技術(shù)及臨床應(yīng)用研究進(jìn)展分析匯總，根據(jù)成像原理來認(rèn)識多種定量磁共振技術(shù)及其優(yōu)勢和不足，便于在疾病診斷時有針對性的選取精準(zhǔn)、高效的定量分析技術(shù)。

1 基于磁化傳遞的定量成像技術(shù)

化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移技術(shù)（CEST）是在磁化傳遞技術(shù)基礎(chǔ)上，依靠自由水與溶質(zhì)中可交換氫質(zhì)子的共振頻率不同來進(jìn)行成像的物質(zhì)定量技術(shù)。CEST技術(shù)能對包括人體內(nèi)大分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、氨基酸、糖胺聚糖等），以及外源性物質(zhì)在內(nèi)的多種物質(zhì)進(jìn)行定量。其中利用蛋白質(zhì)或多肽上的酰胺基與水的化學(xué)交換頻繁這一特點(diǎn)來進(jìn)行成像的技術(shù)稱為酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移（APT）成像[2]。近年來CEST技術(shù)被廣泛應(yīng)用于腦部相關(guān)疾病的研究之中，也有研究將其應(yīng)用于胸部、前列腺等相關(guān)疾病[3-5]。傳統(tǒng)的CEST成像技術(shù)不能消除直接水飽和效應(yīng)、磁化轉(zhuǎn)移效應(yīng)和不對稱效應(yīng)，且不對稱磁化傳遞轉(zhuǎn)移率的量化精度有限，因此在成像技術(shù)以及量化方式上不斷改進(jìn)優(yōu)化，可提高CEST技術(shù)量化精度。隨著新的量化方式不斷被提出，Heo等[6]針對多種成像指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，并認(rèn)為不同的參考指標(biāo)需要與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合來選取。而Wang等[7]利用頻率交替射頻輻射飽和法，消除直接水飽和效應(yīng)、磁化轉(zhuǎn)移效應(yīng)和不對稱效應(yīng)，從而提高APT信號的精度，其研究表明，利用頻率交替射頻輻射飽和法的APT成像比傳統(tǒng)的APT成像，更能提高阿爾茲海默癥診斷的準(zhǔn)確性。在pH定量的一項研究中則發(fā)現(xiàn)洛倫茲分析法比不對稱磁化轉(zhuǎn)移分析和31P-MRS分析更具有實(shí)用性[8]。

CEST成像技術(shù)可定量的物質(zhì)種類繁多，臨床應(yīng)用價值廣泛，在獲取數(shù)據(jù)時常由于技術(shù)困難使得準(zhǔn)確性受限，并存在量化方式不統(tǒng)一，對磁場要求高等缺點(diǎn)[9]。隨著量化指標(biāo)的不斷更新，CEST技術(shù)將會更好地服務(wù)于臨床。

2 基于化學(xué)位移的定量成像技術(shù)

在均勻穩(wěn)定的磁場環(huán)境下，處于不同化學(xué)環(huán)境的同種原子核所受磁屏蔽作用的程度不同，因此共振頻率也有所差別，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移。利用兩種質(zhì)子之間存在的進(jìn)動頻率差異，或化學(xué)位移導(dǎo)致的相位差效應(yīng)[10]，可以進(jìn)行多種磁共振成像，其中包括化學(xué)位移同反相位成像技術(shù)、磁共振波譜成像技術(shù)。

2.1 化學(xué)位移同反相位成像技術(shù)

化學(xué)位移同反相位成像技術(shù)最早由Dixon提出及應(yīng)用，故也稱Dixon技術(shù)。早期三點(diǎn)Dixon采用對稱回波成像，而后來發(fā)展起來的IDEAL技術(shù)則采用三點(diǎn)不對稱回波成像迭代最小二乘估計算法并與多種序列相結(jié)合，從而使得成像速度得到提升[11]。在腹部成像時，通常僅需1次屏氣掃描，就能同時得到水像、脂像、同相位和反相位4幅圖像。通過在IDEAL基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，最新技術(shù)如飛利浦公司的mDixon XD系列中的mDixon quant、GE公司的IDEAL-IQ、西門子公司的Liver Lab技術(shù)則克服了其不能完全糾正T2*效應(yīng)的缺點(diǎn)。三者均可通過一次掃描就在原基礎(chǔ)上增加脂肪分?jǐn)?shù)圖以及R2*mapping圖[12]。

化學(xué)位移同反相位成像技術(shù)常用于腹部的脂肪定量評估。以IDEAL-IQ技術(shù)為代表的同反相位技術(shù)通過將R2*圖整合到算法中，能產(chǎn)生沒有被鐵超載所混淆的質(zhì)子密度脂肪分?jǐn)?shù)圖，對脂肪定量更加精確。有研究表明IDEAL-IQ技術(shù)相比于傳統(tǒng)同反相位技術(shù)，受到鐵沉積的影響更小，對脂肪的定量更加精準(zhǔn)[13]。在其他部位脂肪定量的應(yīng)用上，最新的技術(shù)也展現(xiàn)出了驚人的表現(xiàn)，有研究應(yīng)用IDEAL-IQ技術(shù)定量測量頸部鎖骨上脂肪含量，表明了IDEAI-IQ在其他部位應(yīng)用的可行性[14]。同時以IDEAL-IQ代表的技術(shù)還在腎上腺、骨關(guān)節(jié)病變以及骨髓脂肪含量分析中體現(xiàn)了適用性[15-17]。

由于R2*值與鐵的含量呈正相關(guān)，理論上以IDEAL-IQ為代表的相關(guān)技術(shù)還可用于鐵沉積的定量分析中，聯(lián)合R2*圖或定量磁化率成像可做進(jìn)一步技術(shù)上的對比分析研究。

2.2 磁共振波譜成像技術(shù)

磁共振波譜（MRS）成像技術(shù)是把磁共振和化學(xué)位移自旋耦合現(xiàn)象相結(jié)合的一種成像技術(shù)，可用于反映活體內(nèi)組織代謝和生化變化情況，其中質(zhì)子磁共振波譜成像（1H-MRS）在臨床上最為常用。1H-MRS主要通過對水、N-乙酰天門冬氨酸、肌酸、膽堿、脂肪等的特征峰進(jìn)行評價來間接評估代謝物質(zhì)的含量，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個部位的疾病診斷之中。異常代謝峰或不同代謝峰的比值變化可用于腦腫瘤和前列腺癌、中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)性疾病的診斷以及預(yù)后評估[18]。

雖然MRS已被廣泛應(yīng)用，但體內(nèi)MRS代謝物測量值的驗(yàn)證仍是一個尚需解決的問題。過去除了使用有創(chuàng)的方法對組織提取物進(jìn)行測量外，沒有其他的測量技術(shù)同MRS測量進(jìn)行比較[19]。近年來，隨著新興技術(shù)的不斷研發(fā)，MRS常同其他技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行對比分析研究。

3 基于磁敏感加權(quán)成像的定量技術(shù)

定量磁化率成像（QSM）是在磁敏感加權(quán)成像基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，經(jīng)過特定后處理生成定量磁化率圖，來量化組織內(nèi)磁化率分布的一種技術(shù)。在生物組織中，產(chǎn)生相位對比的內(nèi)源性物質(zhì)主要包括鐵、血紅蛋白、鈣、脂質(zhì)和髓磷脂等，外源性物質(zhì)主要包括以釓或超順磁性氧化鐵納米顆粒為代表的對比劑[20]。并且腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞的組成和排列都可能影響組織的磁敏感性，從而產(chǎn)生相位對比。因此QSM常應(yīng)用于腦部相關(guān)疾病的診斷評估上，如顱腦的鈣化、腦動脈畸形、多發(fā)性硬化等[21]。其中在神經(jīng)退行性疾病方面，QSM逐漸被證實(shí)有望成為早期評價神經(jīng)影像標(biāo)志物的技術(shù)[22-23]。在其他部位應(yīng)用上，Sharma等[24]證實(shí)QSM在肝鐵含量的分析中具有可行性。但以往的研究中脂肪的存在所引起的誤差沒有被解決，因此QSM聯(lián)合水-脂分離技術(shù)開始被應(yīng)用。如Lin等[25]運(yùn)用QSM聯(lián)合水-脂分離技術(shù)在肝臟鐵超載的定量中進(jìn)行研究，結(jié)果表明QSM聯(lián)合水-脂分離技術(shù)在肝臟鐵超載的定量分級中有一定的價值，特別是在同時存在脂肪變性的情況下。Sato等[26]應(yīng)用QSM聯(lián)合水-脂分離技術(shù)在前列腺疾病中進(jìn)行了探索。在現(xiàn)有研究中，QSM已顯示了廣泛的應(yīng)用前景，且組織特性的直接定位有望為疾病的發(fā)生和發(fā)展提供新的證據(jù)。

4 基于弛豫時間的定量成像技術(shù)

弛豫時間通常由分子運(yùn)動和質(zhì)子-質(zhì)子相互作用產(chǎn)生，局部組織密度、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成、順磁性物質(zhì)的濃度改變等都會對其造成影響。因此，弛豫時間的變化可以指示與疾病、病理或其他生物學(xué)過程相關(guān)的變化。目前與弛豫時間相關(guān)的定量成像主要包括磁共振縱向弛豫率成像（T1 mapping）、橫向弛豫率成像（T2 mapping、T2*mapping、R2*mapping）以及近年來新興的 T1ρ mapping。

4.1 T1mapping

T1 mapping是一種通過獲取T1值來定量評估組織特性的成像技術(shù)。目前T1 mapping是定量評價心肌疾病的主要技術(shù)，T1值與心肌組織的纖維化、脂肪、水分等性質(zhì)的變化有關(guān)。增強(qiáng)前后的T1 mapping可用于計算細(xì)胞外體積分?jǐn)?shù)，對心肌疾病進(jìn)行診斷和預(yù)后評估。由于呼吸和心臟的運(yùn)動會影響T1值精度，所以在心臟成像時通常需要屏氣或應(yīng)用呼吸門控和心電圖的觸發(fā)。然而實(shí)現(xiàn)呼吸自由和心臟運(yùn)動自由觸發(fā)信號采集是難點(diǎn)[27]。但針對自由呼吸圖像信號的采集，有研究驗(yàn)證了從多任務(wù)框架改編的自由呼吸、非心電圖、連續(xù)心肌T1值和細(xì)胞外容積體積分?jǐn)?shù)檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性[28]。

T1 mapping還可用于肝臟組織的表征，但測量的T1值通常會受到鐵、脂肪和頻率偏移的干擾。有學(xué)者提出了一種新的算法，解決了脂質(zhì)和非共振頻率的混雜效應(yīng)，以提供獨(dú)立于這些因素影響的水T1值[29]。而Tirkes等對4種T1 mapping改良序列在肝臟、胰腺的精度進(jìn)行了比較，結(jié)果表明4種方法都具有較好的一致性[30]。盡管T1 mapping在腹部成像上展現(xiàn)出了應(yīng)用價值，但仍需要對脈沖序列進(jìn)行優(yōu)化，以便在一次呼吸中采集更大的范圍，同時保持較高的成像精度。

4.2 磁共振橫向弛豫率成像

橫向弛豫率成像是一種通過獲取T2、T2*、R2*值來定量評估組織特性的成像技術(shù)。T2值對膠原纖維和水分子敏感，因此T2 mapping常用于骨關(guān)節(jié)、軟骨相關(guān)疾病的研究中[31]；而T2*值對磁場均勻性敏感，T2*mapping則多用于肝臟、心臟鐵沉積的研究。除此以外，T2*mapping也被用在分子影像對比劑以及診療一體化納米探針的研發(fā)中[32]。由于QSM和T2*mapping均能對鐵沉積進(jìn)行定量，所以針對QSM與T2*mapping敏感性和準(zhǔn)確性，關(guān)基景等[33]進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)QSM的敏感性和準(zhǔn)確性高于T2*mapping，原因可能是磁化率差異較大的組織界面R2*受影響較大。除傳統(tǒng)的T2*mapping序列外，化學(xué)位移同反相位相關(guān)定量成像技術(shù)（mDixon-Quant系列）因能獲得R2*mapping，現(xiàn)也被用于脂肪肝伴肝鐵沉積的相關(guān)疾病研究之中[13]。

4.3 T1ρ mapping

T1ρ mapping是通過獲取T1ρ值，來反映水質(zhì)子與大分子物質(zhì)之間的相互作用的一種定量技術(shù)。T1ρ通常對大分子與水分子之間的低頻率相互作用敏感，可用于探查組織中蛋白聚糖、蛋白質(zhì)等大分子的含量，因此多用于軟骨、骨關(guān)節(jié)等部位。由于T1ρ mapping和T2 mapping存在技術(shù)對比，所以相關(guān)研究常將二者聯(lián)合起來對疾病進(jìn)行分析。如Han等[34]研究表明T1ρ mapping和T2 mapping均能較好地診斷股骨頭壞死患者的軟骨變性，但T1ρ mapping比T2 mapping更具有診斷敏感性和特異性。T1ρ mapping也被應(yīng)用于大腦、心臟等部位[35-36]。在肝臟相關(guān)疾病中，T1ρ可評估肝纖維化。早期對大鼠的實(shí)驗(yàn)研究表面，纖維化程度與T1ρ測量值相關(guān)，然而，纖維化患者的臨床研究結(jié)果卻不一致[37]，因此需要進(jìn)一步的研究來驗(yàn)證T1ρ在纖維化患者中的價值。近年來，T1ρ mapping在成像序列上也存在優(yōu)化，各個序列均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[38]。黎繼昕等[39]對3種T1ρ成像序列在肝臟中的應(yīng)用進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)三種序列均有較好的應(yīng)用，但不同序列需設(shè)置不同參考值范圍。T1ρ mapping提供了一種不同于傳統(tǒng)弛豫時間的成像方式以評估大分子物質(zhì)所處環(huán)境，現(xiàn)有的臨床研究已展現(xiàn)出其廣泛的應(yīng)用價值。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，MRI定量技術(shù)種類繁多，且定量物質(zhì)種類廣泛。本文僅從成像原理方面對目前常見定量技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)（表1），發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)不僅能對人體組織內(nèi)的蛋白質(zhì)、脂肪、鐵、粘多糖等內(nèi)源性物質(zhì)進(jìn)行定量分析，還能對外源性引入的物質(zhì)進(jìn)行相關(guān)的定量研究。且定量MRI技術(shù)之間也存在交叉，一種技術(shù)可定量多種物質(zhì)，多種技術(shù)也可用于一種與疾病相關(guān)的物質(zhì)定量研究。盡管目前有相關(guān)研究對定量同一物質(zhì)的多種技術(shù)進(jìn)行比較，但比較結(jié)果仍需進(jìn)一步探索。此外，結(jié)合磁共振成像技術(shù)的優(yōu)勢，定量MRI技術(shù)在疾病早期診斷、疾病分期以及預(yù)后評估中具有重要價值。但成像技術(shù)量化精度也在不斷提高，部分成像技術(shù)存在對磁場要求高、掃描時間長等不足，導(dǎo)致其在臨床上的應(yīng)用還存在受限。相信隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，定量磁共振成像技術(shù)可以更好地服務(wù)于臨床工作。