磁共振超短回波時間序列的應(yīng)用研究進(jìn)展

張旭陽，于楠，，張喜榮，，賈永軍，任革，任占麗，賀太平*

作者單位：1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)，咸陽 712046；2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，咸陽 712021

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是利用射頻脈沖對處于磁場中的含有自旋不為零的原子核的物質(zhì)進(jìn)行激發(fā)，引起氫原子核共振，在射頻脈沖停止后，氫原子核釋放能量，發(fā)生弛豫，最終被感應(yīng)線圈采集，經(jīng)電子計算機(jī)處理而成像[1]。MRI 檢查具有優(yōu)越的軟組織對比、不存在電離輻射損傷、可任意體層成像、不僅可以反映被檢體解剖信息，而且能對組織生理、生化特征進(jìn)行檢測[2]。目前，這種檢查方法被廣泛應(yīng)用于人體各個系統(tǒng)中。但在人體中存在著一些T2 值非常短的組織，它們的T2 值一般小于10 ms，有的甚至小于1 ms。在用常規(guī)MRI 序列掃描時，還未等填充到K 空間中心，組織的T2 信號已經(jīng)衰減至零，無法對其進(jìn)行編碼，導(dǎo)致圖像對比差，組織解剖結(jié)構(gòu)和生理信息丟失，給疾病的診斷造成一定困難[3]。近年來，磁共振超短回波時間(ultrashort echo time，UTE)序列的應(yīng)用使超短T2值的組織得以很好地顯示，現(xiàn)將近年來UTE序列的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 骨肌系統(tǒng)

隨著社會的發(fā)展，人口老齡化現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，骨的發(fā)病率也逐年增高。據(jù)統(tǒng)計，在美國，骨質(zhì)疏松癥引發(fā)的骨折數(shù)每年超過150 萬個，費用約為150 億美元[4]。骨的T2 值極短，導(dǎo)致其信號衰減極快，臨床上使用的常規(guī)MRI 序列不能捕捉到骨的磁共振信號[5]。

1.1 骨皮質(zhì)

骨皮質(zhì)約占骨骼重量的80%，骨皮質(zhì)由大約40%的礦物質(zhì)、35%的膠原蛋白和25%的水組成，這些成分的結(jié)合使骨皮質(zhì)具有獨特的生物力學(xué)特性，包括抗壓縮力、抗拉強(qiáng)度和粘彈性,骨皮質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)在確定骨折風(fēng)險方面起著關(guān)鍵作用，并受多種因素影響，如骨質(zhì)疏松、甲狀旁腺功能亢進(jìn)、腎臟疾病和糖尿病等，這些疾病通常會對骨骼代謝和重建產(chǎn)生彌漫性影響[6]。磁共振波譜成像表明，骨皮質(zhì)MR 信號有多種不同的T2 值[7],UTE 脈沖序列能夠以與常規(guī)脈沖序列相當(dāng)?shù)目臻g分辨率、信噪比和對比噪聲比直接對骨皮質(zhì)進(jìn)行成像，還可對骨皮質(zhì)的組成成分進(jìn)行測量、評估[8]。Lu 等[9]學(xué)者在3 T 磁共振掃描儀上利用三維UTE 序列建立的多峰脂肪信號模型，對人體骨皮質(zhì)進(jìn)行分析，包括結(jié)合水T2*及其組分、自由水T2*及其組分、脂肪T2*及其組分，對9 例人骨皮質(zhì)標(biāo)本進(jìn)行了可行性研究，在4個圓周區(qū)域內(nèi)從骨內(nèi)膜到骨膜進(jìn)行感興趣區(qū)選擇,采用微型計算機(jī)掃描來測量骨孔隙度和骨礦物質(zhì)密度，以比較和驗證結(jié)合水和自由水分析,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三組分分析顯著提高了人骨皮質(zhì)結(jié)合水和自由水含量的估算準(zhǔn)確性。Wan等[10]采用拉伸采樣窗口對3 T磁共振UTE序列骨皮質(zhì)定量的影響，通過3 T MRI 對10 例牛骨皮質(zhì)和17 例人脛骨中段標(biāo)本進(jìn)行成像，對生物標(biāo)志物進(jìn)行定量，發(fā)現(xiàn)在992～1600 μs的螺旋采樣窗和668 μs的徑向采樣窗下，牛和人皮質(zhì)骨的所有生物標(biāo)志物(單組T2、雙組分T2 及其相對組分、T1、磁化傳遞比和高分子組分的磁化傳遞模型)均無顯著性差異，證明在低空間頻率對象(如脛骨中段)中，使用較長的采樣窗口可以大大加快定量UTE-MRI技術(shù)的速度，而不會產(chǎn)生明顯的量化誤差。Jerban 等[11]使用3D-UTE-Cones 序列掃描8 個脛骨骨皮質(zhì)標(biāo)本，用IR-UTE 技術(shù)測量總水量、結(jié)合水和孔隙水質(zhì)子密度，提出了3D-UTE 序列可對體內(nèi)、外骨皮質(zhì)進(jìn)行質(zhì)子定量，發(fā)現(xiàn)PWPD 和MMPD 可以作為潛在的新型生物標(biāo)志物來評估骨基質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，以及骨齡或相關(guān)變化。綜上所述，UTE 序列不僅可以清楚顯示骨皮質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且可以較好地對其組成成分進(jìn)行定量分析。

1.2 關(guān)節(jié)軟骨

關(guān)節(jié)軟骨是一層薄薄的結(jié)締組織，由軟骨細(xì)胞、水、膠原蛋白和蛋白多糖組成，其厚度、細(xì)胞密集度和基質(zhì)成分等在不同關(guān)節(jié)內(nèi)呈現(xiàn)出不同的差異。正常軟骨為層狀結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外分別為鈣化層、放射層、移行層及切線層。常規(guī)MRI 主要通過與周圍高信號組織形成對比來進(jìn)行關(guān)節(jié)軟骨的成像，僅使關(guān)節(jié)軟骨的最表層顯示高信號，組織對比不佳，診斷存在一定困難[12-13]。近年來，MRI-UTE 序列的出現(xiàn)緩解了這一局面，其對關(guān)節(jié)軟骨成像可直接顯示軟骨深層，使關(guān)節(jié)軟骨的全層均顯示為較清晰的線狀高信號[14]。早在2010 年就有學(xué)者[15]在3 T MRI 下利用UTE 和常規(guī)脈沖序列對自然產(chǎn)生和實驗制備的人軟骨-骨標(biāo)本的軟骨-骨界面進(jìn)行成像，將UTE 圖像與質(zhì)子密度加權(quán)、脂肪抑制和T1加權(quán)圖像進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在MRI-UTE圖像上，所有髕骨切片均在骨-軟骨交界處附近顯示高強(qiáng)度線性信號，而在質(zhì)子密度加權(quán)、脂肪抑制或T1 加權(quán)圖像上看不到該信號，人體關(guān)節(jié)UTE 圖像的高信號來源于關(guān)節(jié)深層軟骨和軟骨最深處的鈣化層，說明UTE 序列可提供一種評估骨-軟骨交界處或其附近異常的方法[16]。UTE 序列不僅可以清楚顯示關(guān)節(jié)軟骨的高信號，而且可以對軟骨的生化成分進(jìn)行定量分析[17]。Pauli等[18]采用UTE序列、自旋回波序列、組織病理學(xué)分析和偏光顯微鏡對20 例人體尸體髕骨進(jìn)行評估,使用UTE信號衰減的雙分量擬合，評估每個髕骨的短T2*水成分和長T2*水成分，發(fā)現(xiàn)短T2*成分的百分比增加越明顯，即UTE T2*值降低越顯著，軟骨退變越嚴(yán)重。UTE T2*結(jié)果可以對關(guān)節(jié)軟骨的化學(xué)成分進(jìn)行定量分析，在骨關(guān)節(jié)炎患者骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之前更早地發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的生化成分微變化,短T2*水含量可作為軟骨退變的生物標(biāo)志物。Yang等[19]通過收集20份接收全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者的前外側(cè)髁標(biāo)本，行3.0 T 磁共振掃描，共勾畫出72 個感興趣區(qū)進(jìn)行UTE-MT、UTE-T2*和T2 測量，并對相應(yīng)骨-軟骨區(qū)域進(jìn)行退化等級劃分，發(fā)現(xiàn)UTE-MT 值與軟骨退變的組織學(xué)分級密切相關(guān)，診斷效果優(yōu)于UTE T2*和T2。UTE序列克服了常規(guī)MR 掃描序列僅顯示關(guān)節(jié)軟骨最表層的缺點，可使關(guān)節(jié)軟骨全層均顯示為清晰線狀高信號，不僅可以對骨-軟骨交界清晰顯示，而且可以對其生化成分進(jìn)行定量分析，先于形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之前監(jiān)測生化成分微變化。

1.3 椎間盤軟骨終板

位于中央的髓核、環(huán)繞髓核周圍的纖維環(huán)和位于椎體邊緣骨質(zhì)下方的透明軟骨終板(cartilaginous endplate,CEP)共同構(gòu)成了椎間盤，是體內(nèi)最大的無血管結(jié)構(gòu)[20],CEP 是營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入椎間盤的通路，其退變會導(dǎo)致椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)異常，進(jìn)而發(fā)生椎體退行性改變[21]。常規(guī)MRI 序列可以清晰顯示纖維環(huán)和髓核結(jié)構(gòu)，但對CEP顯示存在一定局限。隨著MRI技術(shù)的快速發(fā)展，UTE序列的出現(xiàn)使CEP成像成為可能，UTE可以使CEP 顯示為高信號，有利于CEP 的結(jié)構(gòu)形態(tài)成像和定量分析。陳寧等[22]通過對87 例志愿者共435 個椎間盤進(jìn)行UTE 序列和常規(guī)序列成像，發(fā)現(xiàn)常規(guī)序列圖像上終板區(qū)僅可見髓核與椎體骨質(zhì)間條帶狀低信號，細(xì)微結(jié)構(gòu)仍無法顯示,而在UTE 序列圖像上，低信號鈣化及高信號非鈣化兩層結(jié)構(gòu)清晰可見。MRI-UTE 序列成像可顯示常規(guī)MRI 序列不能夠顯示的腰椎間盤軟骨終板及其分層，進(jìn)而觀察其損傷，為臨床無創(chuàng)評估腰椎結(jié)構(gòu)提供了一種新的方法。王嬌等[23]通過對26 例受檢者共130 個椎間盤進(jìn)行3D-UTE 序列和T2*mapping 序列檢查，發(fā)現(xiàn)軟骨終板無缺損組、軟骨終板頭側(cè)缺損組、軟骨終板尾側(cè)缺損組、軟骨終板頭尾側(cè)缺損組的髓核區(qū)T2*值分別為(49.60±1.97)、(45.59±4.76)、(40.64±2.84)、(24.63±2.66) ms，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，說明3D-UTE 與T2*mapping 聯(lián)合可以對椎間盤退變進(jìn)行定量分析。綜上，MRI-UTE 序列的出現(xiàn)使CEP 成像成為可能，不僅可以顯示CEP 及其分層結(jié)構(gòu)，而且可以進(jìn)行定量分析，為疾病診斷提供準(zhǔn)確依據(jù)。

2 呼吸系統(tǒng)

肺實質(zhì)的成像對MRI 來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，由于正常肺組織質(zhì)子密度極低且存在大量的氣體-組織界面導(dǎo)致磁敏感率不均勻，同時又在成像過程中易受到運(yùn)動偽影的干擾，導(dǎo)致肺部MRI 技術(shù)應(yīng)用較為局限[24]。T2WI 序列常被用來顯示病變，常規(guī)SE 序列的回波時間在10 ms 左右，但肺部的T2 值極低，在常規(guī)MRI 序列上表現(xiàn)為低信號或無信號，不能直接對其進(jìn)行成像[25]。

近年來，MRI技術(shù)的進(jìn)步為肺實質(zhì)疾病的檢出及診斷提供了更廣闊的前景，包括UTE 序列成像、超快速渦輪自旋回波采集、投影重建技術(shù)、屏氣成像、ECG 觸發(fā)、對比劑(灌注成像、氣霧劑)、鈉成像、超極化惰性氣體成像和氧增強(qiáng)技術(shù)等，有利于肺結(jié)節(jié)的檢測和良惡性鑒別、肺炎的檢測、定性和隨訪、阻塞性肺不張與非阻塞性肺不張和梗死的鑒別，以及肺含水量的測量[26]。UTE 脈沖序列采用硬脈沖激發(fā)后直接檢測自由感應(yīng)衰減，其圖像具有梯度回波特征，在短T2 成分的信號衰減之前快速采集其信號，降低了肺內(nèi)氣體-組織界面大引起的磁敏感率不均勻的影響。夏藝等[27]通過對16例慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)患者進(jìn)行MRI-UTE 序列、CT、PET 檢查，發(fā)現(xiàn)MRI-UTE 的T2*值與FEV1，F(xiàn)EV1/FVC 具有中度正相關(guān)性，而相對于CT 容積量化參數(shù)，MRI-UTE 的T2*值與PFT 參數(shù)的相關(guān)系數(shù)絕對值更大，T2*值在一定程度上反映著肺功能的變化，且與CT 容積參數(shù)間存在明顯負(fù)相關(guān)性；T2*的測量是一種可用于COPD患者的肺功能評估的新方法，且敏感度較高。

不僅如此，UTE 序列在肺部小結(jié)節(jié)的檢出方面優(yōu)勢顯著。Ohno等[28]對85 例肺實質(zhì)疾病患者進(jìn)行胸部低劑量CT 及MRI-UTE序列檢查，并對是否存在結(jié)節(jié)或腫塊、磨玻璃影、支氣管擴(kuò)張、肺氣腫、肺大泡等影像學(xué)特征進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)肺部MRI-UTE 序列成像與標(biāo)準(zhǔn)劑量和低劑量CT 的方法間一致性顯著，對肺及縱隔病變的評估及各種肺實質(zhì)病變的影像學(xué)表現(xiàn)評價有重要價值。另有研究發(fā)現(xiàn)MRI-UTE序列對直徑4～8 mm的肺結(jié)節(jié)檢出的敏感度在60%～90%之間，對直徑大于8 mm的結(jié)節(jié)敏感度達(dá)到100%[29]，與常規(guī)三維雙回波GRE 序列相比，自由呼吸UTE序列對肺小結(jié)節(jié)(4～8 mm)的檢出具有更高的敏感度，造成這種現(xiàn)象的根本原因是UTE序列體素大小相對于GRE序列較小，回波時間較短，空氣-軟組織界面磁化率偽影較少[30]。Zhu等[31]提出了一種新的自由呼吸高分辨率運(yùn)動校正肺MRI 策略，稱為iMoCo UTE，大大提高了空間分辨率，在兒科和嬰兒肺部MRI 研究中顯示出巨大潛力。Hysinger 等[32]采用自門控UTE MRI，實現(xiàn)了無創(chuàng)評估新生兒氣管軟化，且無需鎮(zhèn)靜，無電離輻射損傷，克服了其他檢查方法的局限性，適用于氣管動力學(xué)的縱向研究。UTE 序列可以對含低質(zhì)子密度的肺組織進(jìn)行成像，彌補(bǔ)了既往MRI 掃描序列的不足，在良惡性結(jié)節(jié)的鑒別、小結(jié)節(jié)的檢出等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 心血管系統(tǒng)

心血管系統(tǒng)MRI 可以無創(chuàng)性地評估心肌形態(tài)及功能等，對心血管疾病的診斷有其獨到的優(yōu)勢。Károlyi 等[33]對28 例冠狀動脈粥樣硬化性心臟病患者供體心臟的斑塊進(jìn)行常規(guī)T1WI、T2WI 和UTE 序列成像，得出T1、T2 和超短回波時間磁共振心臟成像(ultrashort echo time cardiac magnetic resonance,UTE-CMR)的組合可以很好地對人類冠狀動脈粥樣硬化斑塊進(jìn)行分類，包括富脂病變和鈣化病變，與先前的一些研究相比[34]，UTE-CMR在本研究中對壞死核心的檢測具有更高的特異性，為評估人類冠狀動脈粥樣硬化類型和診斷奠定了一定基礎(chǔ)。膠原蛋白或纖維化的增加是心臟疾病的一個重要標(biāo)志，可以提高對高?；颊叩淖R別能力，纖維化顯像在指導(dǎo)治療和監(jiān)測療效方面可能發(fā)揮越來越大的作用。MRI 是最常用的無創(chuàng)檢測、可視化和量化纖維化的方法。然而，用于確定心肌纖維化表型的MRI 技術(shù)，需要使用基于釓的對比劑，難以用于裝有心臟起搏器和自動除顫器的患者，心血管UTE 的出現(xiàn)有望在不使用對比劑的情況下對纖維化進(jìn)行早期和全面的評估[35]。Hoerr 等[36]在強(qiáng)磁場下采用UTE 序列，通過心電和呼吸門控技術(shù)克服運(yùn)動偽影，對心臟功能參數(shù)進(jìn)行評價，可實現(xiàn)大多數(shù)心臟參數(shù)的精確測量，且具有較高的圖像質(zhì)量。綜上，UTE 序列應(yīng)用于心血管系統(tǒng)可以對心肌形態(tài)及功能進(jìn)行無創(chuàng)評估，將來有望在不使用對比劑的情況下對心臟纖維化進(jìn)行早期評估。

4 中樞系統(tǒng)

大腦白質(zhì)含有大部分長T2成分和少數(shù)短T2成分，使用具有常規(guī)回波時間的臨床MRI 序列無法檢測到這些。Du 等[37]使用UTE 序列對9 例健康志愿者腦白質(zhì)中的超短T2 成分進(jìn)行成像，并對其T2*s 和相對質(zhì)子密度(RPDs)進(jìn)行定量分析，采用絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)法雙回波UTE序列對腦白質(zhì)超短T2成分進(jìn)行形態(tài)學(xué)成像，健康志愿者腦白質(zhì)超短T2*成分的短T2*約為(0.42±0.08) ms、RPD 為4.05%±0.88%；信號源可能來自細(xì)胞膜中的質(zhì)子以及與白質(zhì)中的大分子結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的水，說明UTE 序列可以對腦白質(zhì)中超短T2*成分急性高對比度形態(tài)學(xué)成像，以及定量測量其MR 弛豫時間和組織屬性，對白質(zhì)疾病的研究提供影像依據(jù)。MRI對髓鞘進(jìn)行成像的主要挑戰(zhàn)是水長T2信號的污染，Ma 等[38]通過對人體模型、離體腦標(biāo)本、20 名健康志愿者和20 名多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)患者進(jìn)行前瞻性研究，用方差分析法評價MS病灶與MS患者的正常腦白質(zhì)之間的信號差異，提取的髓鞘囊泡高信號強(qiáng)度及相應(yīng)的T2*和T1 序列為利用UTE 序列直接成像超短T2 髓鞘質(zhì)子提供了依據(jù)，通過反轉(zhuǎn)恢復(fù)預(yù)脈沖將腦白質(zhì)的長T2 信號清零，剩余來自髓鞘的超短T2 信號可以用UTE 序列檢測到，從而對全腦髓鞘進(jìn)行MRI，為多發(fā)性硬化患者脫髓鞘病變診斷提供依據(jù)。UTE序列可清晰顯示腦白質(zhì)及全腦脊髓，為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷提供支持。

5 總結(jié)與展望

UTE 序列作為一種新型MRI 技術(shù)，不僅能夠獲得較高軟組織分辨率的圖像，且彌補(bǔ)了常規(guī)MRI 序列不能直接對超短T2 組織進(jìn)行成像的缺陷，同時能夠獲得較高軟組織分辨率的圖像，但目前主要以定性觀察短T2組織結(jié)構(gòu)或定量測定T2*值的研究為主，相信隨著研究的深入和MRI 技術(shù)的發(fā)展，在以后研究中將逐步探索UTE 序列在全身各部位的疾病發(fā)現(xiàn)、診斷和疾病評估，使UTE 序列越來越多地應(yīng)用于全身各個系統(tǒng)的臨床和基礎(chǔ)研究中。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。