超高場磁共振成像技術與臨床應用＊

1.廣東省北京大學深圳醫(yī)院 (廣東 深圳 518036)

2.廣東省北京大學深圳研究生院 (廣東 深圳 518055)

張 宏1 成官迅1 陳延軍1吳 軍1 王樹濱1 石 宇1趙永勝1 任秋實2

在大部分人體成像情況下，測量噪聲由樣品而非測量硬件控制[1]。因此，克服信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)基本極限的最有前途的方法是增加樣品的自旋極化，這可以通過注入多種超極化技術制備的外源性物質來實現(xiàn)。但是，人們對利用更高的靜磁場來提高體內整個樣品的熱平衡自旋極化非常感興趣，自1990年代后期以來，在適當?shù)膫惱碓S可下，人們一直在探索高達9.4T的更高磁場，用于神經(jīng)科學和臨床研究[2]。本綜述定義≥7T的磁場強度為“超高場”或UHF，本綜述的目的是介紹這種高磁場人體磁共振成像可能帶來的臨床應用。

1 平行傳輸(Parallel Transmission)

1.1 技術方面 通往臨床超高場磁共振成像的主要挑戰(zhàn)是應對射頻場發(fā)射的磁場和電場分量的空間幅度大小和相位變化。這些變化是由于射頻波長較低而導致的，其與超高場時人體頭部和身體的空間尺寸相似。射頻場的空間變化會影響信號和MR圖像的對比度，電場的變化會導致比吸收率(specific absorption rate，SAR)出現(xiàn)局部峰值，導致組織的局部加熱，許多技術試圖減少這種變化，其他技術則旨在MRI采集過程中控制這一變化。用于體部成像以及進一步提高頭部圖像質量的一種有前途的辦法是使用通常具有8個、16個或更多傳輸通道的多Tx發(fā)射通道線圈。這種線圈允許在N個Tx通道上傳輸N個獨立的射頻脈沖，這種方法稱為并行傳輸(pTx)[3]。

1.2 應用領域 現(xiàn)在，通常用于人體應用的一些最先進的3T系統(tǒng)具有2個發(fā)射通道的pTx系統(tǒng)，這促進了pTx在高磁場下的應用[4]。二維或三維空間選擇性pTx射頻脈沖對于超高場應用非常重要，因為它們可以在獲得高空間分辨率的同時減少采樣時間，并通過超高場抵消SNR(signal-to-noise ratio，信噪比)的降低，這樣的射頻脈沖是當前成像和光譜學研究的主題。

2 高分辨率成像和運動校正

在臨床MRI中，已經(jīng)提出了許多方法來探測和校正患者運動和相關的成像偽影，它們可以分類為運動探測方式和校正方法。可以使用基于MR本身進行檢測，可以使用采用其他硬件的外部運動跟蹤系統(tǒng)來檢測運動，而與MRI采樣無關，例如通過光學方法[5]或通過將小型射頻線圈連接到成像物體上。

Stucht等已經(jīng)使用前瞻性光學運動校正技術提供了非常高分辨率的人腦數(shù)據(jù)。在比較440μm分辨率的三維MPRAGE(magnetizationprepared rapid gradient echo 磁化準備快速梯度回波)和平面內分辨率為250μm，切片厚度為2mm的二維 GRE時，結果證實了Federau等人的發(fā)現(xiàn)，即使在高分辨率采集的高度合作受試者中，運動校正可以提高結構的清晰度和SNR。

3 磁敏感加權成像，相襯和定量磁敏感圖

磁敏感加權成像(susceptibility-weighted imaging，SWI)和定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)均使用相位信息，超高場強對MR信號相位進行成像的好處和挑戰(zhàn)至關重要。

3.1 腦部解剖

3.1.1 正常的大腦：超高場MRI提供的SWI，MR相和QSM的高空間分辨率和高對比度使以前難以使用常規(guī)MRI定義的各種大腦結構成為可能。在7T時，在SWI和QSM中可以明顯地區(qū)分丘腦下核與黑質，可見紅色核的子結構?？梢允褂肧WI明確定義蒼白球內側和蒼白球外部，以及小腦核及其子結構。QSM還為基底神經(jīng)節(jié)及其子結構以及腦干提供了出色的，與組織學染色相當?shù)目梢暬Ч鸞6]。

3.1.2 神經(jīng)退行性疾?。航栌蒕SM顯示帕金森病程黑質腦解剖結構的變化已有報道[7]，超高場的SWI和QSM可以提供MRI指導的治療策略(如深部腦刺激)所需的對比度和精度。

3.1.3 血管成像，充氧：由于血液氧合的變化與血液磁化率的變化直接相關，因此QSM可用于跟蹤血液氧合的變化，超高場 MRI具有很高的空間分辨率，可以評估血管內的磁化率。

3.1.4 正常的大腦：超高場 MRI可以可看到和分割更精細的血管[8]。

3.1.5 功能性MRI：與在幅度成像上觀察到的BOLD(bloodoxygen-level-dependent，血氧水平依賴)效應相比，使用QSM可以更直接地繪制與磁敏感相關的血液氧合變化的效應圖像，超高場由于其相位圖像中的高CNR而特別有用。

3.1.6 微出血，出血和畸形：當對血管性癡呆中發(fā)生的微出血進行成像時，在7T時發(fā)現(xiàn)的大腦微出血幾乎是兩倍1.5T使用相當?shù)男蛄袇?shù)。使用SWI的超高場MRI也是對腦腫瘤血管出血進行成像的絕佳方式，以及觀察放射治療長期影響所致微出血[9]。

3.2 多發(fā)性硬化癥 在研究新發(fā)現(xiàn)的多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)病變的病變內靜脈時，使用SWI觀察到靜脈體積增加，有助于區(qū)分MS和視神經(jīng)脊髓炎，因為在MS中通常觀察到病灶內靜脈，但大多數(shù)病變在視神經(jīng)脊髓炎中卻沒有[10]。

3.3 非血紅素鐵和礦化的成像和定量 超高場的鐵定量也得益于高CNR和更高的分辨率，因為可以從周圍環(huán)境更好地描繪出鐵定量的相關結構并且子結構變得可見。

3.4 腫瘤 QSM能夠可視化膠質瘤的鈣化，并且由于其磁化性不同，能夠可靠地區(qū)分鈣化和出血。在膠質母細胞瘤中檢測鈣化可以區(qū)分是否為含少突膠質細胞，這在為患者提供預后時可能是重要的。

3.5 多發(fā)性硬化病灶 超高場具有很高的空間分辨率，可以使用相圖和磁敏感圖對MS病變進行詳細分類，其外觀與鐵積累有關。3T MRI無法像7T MRI一樣可靠地檢測到皮質病變[11]。

3.6 神經(jīng)退行性疾病 在各種神經(jīng)退行性疾病中已經(jīng)報道了在不同的腦核和皮質中的鐵蓄積或鐵耗竭。與健康對照組相比，已對確診前的亨廷頓氏病患者的尾狀核，殼核和蒼白球的鐵積累相關的磁化率變化進行了測 量[12]。

3.7 體部應用 除大腦外，在超高場，通過使用專用16通道發(fā)射/接收線圈陣列的SWI和體積選擇性靜磁場勻場實現(xiàn)了對心肌微結構的評估。7T可用于縮短QSM的采集時間或在臨床可接受的掃描時間內實現(xiàn)更高分辨率的QSM[13]。

4 X核成像

為表征各種細胞代謝過程，通常希望通過MRI或MRS對除1H以外的其他核進行無創(chuàng)測量。這些核通常表示為X核。只有具有奇數(shù)個質子和/或奇數(shù)個中子的原子核具有磁自旋矩，因此對于MRI/MRS可見。X核可分為自旋-1/2核(例如13C，19F，31P)和四極核(即自旋＞1/2；例如17O，23Na，35Cl，39K)。

4.2 人腦的23Na MRI 大多數(shù)23Na MRI研究都集中在大腦上，23Na MRI已應用于研究腦腫瘤，缺血性中風，阿爾茨海默氏病，亨廷頓氏病，癲癇，老年病，創(chuàng)傷性腦損傷和多發(fā)性硬化癥。在腦腫瘤中，Na+濃度通常會增加。鈉反轉恢復成像可能有助于區(qū)分這兩種基本的可能性[15]。在缺血性中風中，23Na MRI可被用來識別離子穩(wěn)態(tài)的區(qū)域。但是，較長的采集時間和23Na MRI的實驗特性(例如，要求在1H和23Na之間改變射頻線圈)一直無法使23Na MRI應用在涉及卒中患者的較大型的臨床研究中。23Na MRI也可用于研究正常衰老過程中的細胞體積分數(shù)，在正常人的所有腦區(qū)域，體內組織細胞體積分數(shù)隨年齡的增長而保持恒定。隨著高場磁共振掃描儀和更先進的鈉磁共振采集技術的出現(xiàn)，使得分辨率和信噪比更高，鈉磁共振成像(23Na MRI)以其非侵入性的特性提供了一個獨特的機會[16]。

4.323Na肌肉骨骼系統(tǒng)的Na MRI 也有一些23Na MRI研究專注于肌肉組織。與其他器官(如腦，皮膚和軟骨組織)相比，高空間分辨率對骨骼肌23Na MRI的要求不那么重要。超高場系統(tǒng)似乎是建立23Na MRI作為研究軟骨退變的臨床工具的先決條件。

4.423Na MRI在其他身體部位23Na MRI在人腦和肌肉骨骼系統(tǒng)之外應用較少，這很可能是由于缺乏可用的專用射頻線圈。但是，許多令人感興趣的應用研究都受益于在超高場強下可獲得的更高的SNR。例如，已經(jīng)在乳腺癌患者中進行了23Na MRI研究并用于乳腺癌的治療監(jiān)測，探究肺部腫瘤，研究腎功能，并分析Na+在皮膚組織中的儲存，這似乎在鹽敏感性高血壓中起重要作用。然而，較小的皮膚厚度對23Na MRI具有挑戰(zhàn)性。研究顯示，超高場23Na MRI與專用射頻線圈相結合可以可靠地定量皮膚Na+含量。在超高磁場強度下，心肌鈉MRI也可能發(fā)展為研究組織活力的臨床研究工具。但是，即使在7T的磁場強度下，由于呼吸和心臟運動，心肌鈉MRI仍然存在挑戰(zhàn)[17]。

4.517O磁共振成像17O的低自然豐度可以使MRI研究用富含17O2作為示蹤劑。17O MRI可以無創(chuàng)地確定腦代謝的耗氧率(cerebral metabolic rate of oxygen consumption CMRO2)，其可以被視為細胞活力的指標。CMRO2耗氧率降低(Warburg效應)，在癌癥、帕金森氏癥和阿爾茨海默氏病有報道[18]，這可能會發(fā)展成有價值的診斷標記。

超高場MRI可以實現(xiàn)23Na MRI的臨床研究應用，并使更低的在體敏感性的17O，35Cl和39K的核素成像成為可能，由于超高場系統(tǒng)的可用性不斷提高，技術進步以及大量的臨床研究應用，X核MRI在不久的將來有可能從臨床研究工具發(fā)展成為診斷工具。

5 MR波譜和波譜成像

31P核磁共振波譜學和1H 磁共振成像都是在1970年代開發(fā)的，可直接得到在體臨床生化和能量代謝信息。高磁場，特別是超高場磁共振磁體的出現(xiàn)為開發(fā)和優(yōu)化新技術提供了動力，以實現(xiàn)快速，特別是人腦，肝臟和骨骼肌的局部磁共振波譜和磁共振波譜成像，下面討論了腦中快速1H 磁共振波譜成像，肝和心臟中的1H，13C或31P 磁共振波譜以及骨骼肌中動態(tài)31P 磁共振波譜的進展[19]。

5.1 腦代謝 借助質子具有較高的靈敏度，并且與超高場磁體和多通道相控陣線圈結合使用，給1H波譜成像靈敏度帶來最新進展。盡管仍然受到低靜磁場和射頻場均勻性，低分辨率，長測量時間以及SAR限制的制約，已經(jīng)開發(fā)了超高分辨率磁共振波譜成像序列來克服這些限制。

5.2 肝臟代謝 當應用于肝臟時，磁共振波譜可作為研究健康受試者和各種疾病患者的新陳代謝的重要工具。即使在較低的場強下，1H磁共振波譜也可以估算健康肝臟，非酒精性脂肪肝(NAFL)和丙型肝炎中的脂質含量，肝細胞脂質濃度與肝糖原儲存，內源性葡萄糖生成以及胰島素抵抗相關等。13C磁共振波譜可以測量葡萄糖的產(chǎn)生和糖原儲存，可以研究肝糖原分解和糖異生，并使用標記的前體對肝線粒體通量進行量化。使用31P磁共振波譜，發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者肝臟中的ATP和無機磷酸鹽含量降低，31P飽和轉移法顯示磷酸化通量降低[20]。

5.3 骨骼肌新陳代謝 超高場31P磁共振波譜對于研究肌肉代謝特別有用，因為場強的增加不會像在7T質子磁共振成像對SAR或強制性脂肪/水抑制產(chǎn)生的典型挑戰(zhàn)那樣，產(chǎn)生任何明顯的不良影響。7T時的31P共振頻率僅為約120MHz。更有利的是，由于化學位移各向異性貢獻的增加，在大約3T以上場強下，31P T1弛豫時間減少，可以在更短的TRs上實現(xiàn)更高的掃描效率。因此，31P磁共振波譜是7T及更高場強下超高場磁共振波譜的理想選擇，因為減少的弛豫時間有助于增加靈敏度，而不會產(chǎn)生上述不利影響，從而提高特異性和足夠的靈敏度。

5.4 心臟代謝1H和非質子磁共振波譜方法非常適合研究心臟代謝，并且在廣泛的臨床應用中具有巨大的潛力。肌酸和甘油三酸酯含量可通過1H磁共振波譜獲得，可以使用31P磁共振波譜測量高能代謝物，13C磁共振波譜可用于靶向標記的或超極化的丙酮酸和碳酸氫鹽[21]。

6 CEST成像

化學交換飽和轉移(chemical exchange saturation transfer，CEST)允許通過將飽和質子磁化轉移到豐富的水環(huán)境中，間接檢測含有可交換質子的稀釋分子，典型的CEST序列由一個選定的射頻預飽和塊和隨后通過磁共振成像快速讀取經(jīng)調制的大量水信號組成。

CEST是一種很有前途的分子成像工具，為研究者和臨床醫(yī)生提供了新的機會。它允許對已知經(jīng)典成像方法無法捕獲的化合物信號進行成像，即使是在毫摩爾尺度下。CEST方法主要用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病代謝標志物的成像，但也適用于腫瘤學和肌肉骨骼系統(tǒng)病理生理學的演示[22]。從水質子共振中分離出的更大的頻率特別有利于接近水的CEST共振，如胺、鳥苷或羥基，這些通常在3T時在足夠的信噪比下無法分辨。在超高場上獲得的見解可用于進一步理解3T下可觀察到的CEST效果，這些效果已經(jīng)顯示出潛在的臨床意義。

7 功能磁共振成像

使用血氧合水平依賴性測量大腦激活的功能磁共振成像(fMRI)可能是開發(fā)7T及以上超高場系統(tǒng)的最初驅動力，動機是期望在靜態(tài)磁場強度的作用下，BOLD的靈敏度會有超線性的增加，并且改進了內在的空間定 位[23]。

功能磁共振成像在超高磁場領域有廣泛的應用，超高場功能磁共振成像顯得特別適合的特定應用，這些包括在新皮層和皮層下灰質中獲得高空間分辨率，并擴展到皮層和皮層列。

7.1 高分辨率功能磁共振成像 在超高場強下進行功能磁共振成像的直接吸引力是提高固有空間分辨率的潛力。大多數(shù)研究都集中在對初級皮層成像上，其中一些基礎的精細結構已經(jīng)從動物實驗中獲知或假設。超高場功能磁共振成像潛在功能的最有說服力的早期展示之一是在初級聽覺皮層中發(fā)現(xiàn)了頻率響應分布，大約十年后，在人類下丘腦中發(fā)現(xiàn)了類似的頻率響應分布。

7.2 圖層和列 人的新皮層大約3毫米厚，最多包含6個組織學層，而皮質柱的直徑各不相同，但通常小于1毫米。因此，要對這些結構進行成像，必須將空間分辨率提高到大于1mm，并且在許多情況下，必然的結果是不再可以實現(xiàn)全腦覆蓋。使用多回波射頻擾動梯度回波進行的詳細研究表明，初級視覺皮層的激活曲線如何隨TE變化，因為在TE較短時，血管內信號(T2較短)趨于占主導地位，而在TE較長時，實質信號更重要[24]。

8 結 論

磁共振[25]已將自己確立為現(xiàn)代臨床醫(yī)學中最主要的診斷方法之一，通過提供有關人腦結構和功能的重要信息，它在最新的神經(jīng)認知研究中也發(fā)揮了至關重要的作用。該技術的主要弱點仍然是靈敏度有限，導致在空間和時間分辨率之間持續(xù)權衡取舍，從而使其無法充分發(fā)揮潛力來提供重要的生物和代謝信息。

分析核磁共振和臨床前磁共振成像研究已經(jīng)引導了解決這些缺陷和提高MR靈敏度的更高磁場的進步，這些應用只需要較小的磁體孔徑，人體尺寸大小的系統(tǒng)和這些小口徑系統(tǒng)之間的明顯區(qū)別是被研究物體的大小。在超高場，人體大小的物體中，被研究物體離開了準靜態(tài)體系并進入電磁體系，因此必須考慮波的傳播。理論研究和實驗研究都顯示了額外的空間非均勻的超線性信噪比增加，深層結構不成比例地受益。最近一項經(jīng)過精心設計的實驗研究表明，在磁場范圍從3T到9.4T，人腦的SNR增長與B1.650成正比[26]。

超高場下SNR和CNR的增加是一項普遍利益，不僅可以改善現(xiàn)有應用，包括高分辨率結構成像和磁化加權成像，也可以促進磁共振的全新應用領域，尤其是在使用1H的波譜學和CEST成像以及使用X核的成像和波譜學方面。隨著超高場的出現(xiàn)，這些新應用甚至可以實現(xiàn)從研究到臨床診斷的飛躍[27]。

超過11.7T的步伐意味著人體尺寸的磁體有了重大的技術飛躍。幾乎所有用于11.7T以下的超導磁體的超導體都是鈮鈦，但是更高的磁場強度要求至少部分使用超導體具有較高的臨界場，很可能是鈮錫(Nb3Sn)。由于鈮錫的制造困難，其價格大約比鈮鈦的價格高一個數(shù)量級。盡管存在這些技術和經(jīng)濟挑戰(zhàn)，但磁場強度的上限很可能最終將取決于強磁場的生理效應。盡管目前尚無已知靜磁場對健康的長期影響，但短暫的感官副作用(如惡心，頭暈，金屬味和閃光)在某些時候可能變得如此嚴重，以至于受試者不愿接受暴露在強磁場下。然而，在7T和9.4T的經(jīng)驗表明，這些副作用尚未成為主要關注的問題[28]。

應當指出，目前，沒有超過7T的項目旨在將新的磁場強度引入常規(guī)臨床應用。而是以獲得對患者群體中健康的腦功能或疾病病理生理學的新見解為目標。從檢查患者的技術和經(jīng)濟角度來看，要使如此高的場強變?yōu)楝F(xiàn)實，可能要走很長的路，盡管如此，磁共振技術的多功能性和強大功能將繼續(xù)推動人們對更高磁場的追求，以幫助闡明有關健康生理，病理過程，腦功能和衰老的重要未解決問題。