MR骨皮質(zhì)成像研究進展

張琪明，祁 良，顧曉清，李俊華，鄭 凱

(1.南京醫(yī)科大學附屬江蘇盛澤醫(yī)院放射科，江蘇 蘇州 215200;2.南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院放射科，江蘇 南京 210000)

MRI軟組織對比度好,無電離輻射損傷,可任意體層成像，不僅能反映解剖信息，還可用于檢測組織的生理、生化特征[1]。骨皮質(zhì)包含骨基質(zhì)、礦物質(zhì)及少量水，T2極短，常規(guī)序列MR成像中，骨皮質(zhì)信號尚未被采集到k空間中心時已大幅度衰減到幾乎為零而呈低信號[2]，使得僅憑常規(guī)MRI無法有效診斷骨皮質(zhì)病變而易造成誤診。CT對于診斷骨皮質(zhì)病變具有重要作用，但電離輻射較高，用于對電離輻射敏感人群如孕婦和兒童時需要非常謹慎。近年來，隨著MR硬件的提升、新序列的開發(fā)和新方法的應用，MRI顯示骨皮質(zhì)的能力已接近或達到CT。本文就骨皮質(zhì)MR成像研究進展進行綜述。

1 翻轉(zhuǎn)灰度圖像

MR翻轉(zhuǎn)灰度圖像是顯示骨皮質(zhì)的最簡單的方法，在T1WI基礎上直接進行灰度翻轉(zhuǎn)[3]，可使骨皮質(zhì)顯示為高信號、骨髓腔為低信號；對某些特殊群體可利用MR翻轉(zhuǎn)圖像形成類似CT的圖像，以大體顯示骨皮質(zhì)。

GERSING等[3]通過翻轉(zhuǎn)3D-T1WI生成類似CT圖像，發(fā)現(xiàn)其可評估骨腫瘤骨皮質(zhì)破壞方式及骨膜反應，區(qū)分侵襲性與非侵襲性腫瘤，診斷效果與X線平片相當。游婷婷等[4]觀察100例長骨病變的翻轉(zhuǎn)T1WI，發(fā)現(xiàn)其檢出長骨骨皮質(zhì)異常的能力大致與常規(guī)X線平片相當而略低于CT，提示該方法可在一定程度上提高常規(guī)MR診斷骨皮質(zhì)病變的能力。但另一方面，盡管對常規(guī)T1WI進行灰度翻轉(zhuǎn)可使骨皮質(zhì)呈現(xiàn)高信號而更便于觀察，但同時也使得讓部分其他組織的信號翻轉(zhuǎn)而影響圖像質(zhì)量，進而增加疾病誤診率；且常規(guī)序列MRI層厚遠大于CT，故其顯示細微病變的能力仍不及CT，目前僅用為常規(guī)MRI的補充。

2 超短回波時間

超短回波時間(ultra short echo time, UTE)是較新的MR成像技術(shù)，通過以硬脈沖激發(fā)并直接檢測自由感應衰減而成像[5]，其回波時間僅為臨床常規(guī)最短回波時間的0.5%～10%，可采集到骨皮質(zhì)等短T2組織的信號。常規(guī)2D-UTE序列于以2個帶有相反層面選擇梯度的半辛格(Sinc)函數(shù)型射頻(radio frequency, RF)脈沖激發(fā)后立即采集信號，以獲得超短TE，避免對射頻脈沖進行相位編碼；同時利用k空間的徑向成像，在k空間中心開始采集并進行相位編碼，此類編碼屬初始編碼，無需梯度，可再次縮短TE；而自由感應衰減僅受RF發(fā)射和信號采集時間的限制，由此可進一步縮短TE；利用短硬激發(fā)脈沖，結(jié)合三維放射狀數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以圓錐形自內(nèi)向外填充k空間，可實現(xiàn)3D-UTE[6-7]。因此，UTE序列并不屬于傳統(tǒng)(spin echo, SE)或梯度回波(gradient echo, GRE)序列[8]。

REICHERT等[9]以UTE成像對比觀察10例骨病患者與7名健康志愿者的骨皮質(zhì)信號，發(fā)現(xiàn)UTE序列能檢出正常及異常的骨皮質(zhì)信號，且其信號差異具有診斷價值。UTE序列圖像中，骨皮質(zhì)一般呈最高信號，與其他組織形成明顯對比，故可較好地診斷骨折、骨贅和腫瘤病變累及骨皮質(zhì)等。近年來出現(xiàn)很多UTE成像衍生技術(shù)，包括脂肪抑制 UTE(fat suppressed UTE, fUTE)、短反轉(zhuǎn)時間 UTE (short inversion time UTE, stUTE)、雙 通 道 UTE (dual-echo UTE, dUTE)、長T2飽和 UTE(long-T2 saturation UTE, sUTE)、單絕熱反轉(zhuǎn)恢復 UTE(single adiabatic inversion recovery UTE, SIR-UTE)、雙絕熱反轉(zhuǎn)恢復UTE(dual adiabatic inversion recovery UTE, DIR-UTE)及UTE光譜成像(UTE spectroscopic imaging, UTESI)等[10]，使得圖像對比度進一步提高，并能定量評價骨皮質(zhì)的T1、T2*，以及其中的自由水、結(jié)合水、質(zhì)子密度、磷鈉含量、灌注參數(shù)及骨有機基質(zhì)密度等，為UTE序列成像的臨床應用提供了廣闊前景。

但是，UTE序列對場強及掃描線圈的轉(zhuǎn)換速度有一定要求，且掃描時間過長、后處理技術(shù)較為繁瑣，對操作者的要求亦較高，故其目前仍處于臨床試驗階段。

3 零回波時間

零回波時間(zero echo time, ZTE)數(shù)據(jù)采集比UTE更為有效，具有快速、穩(wěn)定和低噪聲等特點[11]。目前常規(guī)序列MR基于傅立葉變換法進行成像，其信號編碼和采集過程如下：先以RF脈沖激發(fā)自旋質(zhì)子，再通過RF脈沖或切換梯度場而產(chǎn)生信號，這種先激發(fā)后編碼的信號采集模式使其回波時間(echo time, TE)大于骨皮質(zhì)等短T2組織的信號衰減時間，導致其無法有效采集骨皮質(zhì)等組織的信號[12]。與經(jīng)典SE及GRE序列不同，ZTE序列基于投影重建法[13]，以先編碼后激發(fā)的采集模式，通過RF激勵自旋質(zhì)子，并在預先開啟的梯度場中進行直接檢測，使其TE幾乎為零；以純頻率編碼的徑向k空間填充方式采集信號，實現(xiàn)了最大k空間填充速度，可減少信號采集時間延遲。因此，ZTE序列能在骨皮質(zhì)組織信號完全衰減前采集其信號，以實現(xiàn)骨皮質(zhì)成像。

WRIGHT等[13]探討將ZTE用于MRI觀察健康人群骨皮質(zhì)的可行性，并實現(xiàn)了幾乎無噪聲成像。ARGENTIERI等[14]通過對比ZTE序列及CT掃描評估頸神經(jīng)孔狹窄，發(fā)現(xiàn)二者測量結(jié)果一致，提示ZTE序列在某些情況下可代替CT掃描。SANDBERG等[15]以ZTE序列行兒童骨骼肌肉系統(tǒng)MR檢查，與CT圖像進行比較，評估其圖像質(zhì)量及骨皮質(zhì)厚度，認為ZTE序列圖像對骨皮質(zhì)病變的診斷能力與CT相當，可將其作為兒童骨骼肌肉常規(guī)MR檢查的補充。

近年出現(xiàn)的ZTE相關(guān)序列包括傅立葉變換掃描成像序列[16]、逐點編碼時間減少及徑向采集序列[17]、水和脂肪抑制質(zhì)子投影成像序列[18]等，進一步拓寬了ZTE的應用范圍。但ZTE對硬件要求很高，包括更快的收發(fā)切換速度、精確的RF波形傳輸、高梯度性能和校準。此外，通常不會影響常規(guī)序列的線圈等硬件產(chǎn)生的背景信號對ZTE序列影響較大，故需要使用專用線圈[19]來抑制背景信號。ZTE序列需要額外向開發(fā)商購買，也限制了其應用。

4 Dixon技術(shù)

Dixon技術(shù)也被證實可用于骨皮質(zhì)成像。傳統(tǒng)Dixon技術(shù)是基于水和脂肪中質(zhì)子的進動頻率不同，分別采集同相位和反相位兩種回波信號，通過相加及相減運算，各產(chǎn)生一幅水相及脂肪相圖像，從而達到脂肪抑制的目的。與標準T1或T2加權(quán)成像相比，Dixon成像有更好的骨對比度[20-21]。

LANSDOWN等[22]分析16例復發(fā)性肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)定患者的3D-CT及3D-Dixon MRI，后者通過算法自動生成水脂分離圖像，再通過后處理對水相圖進行減影，得到具有類似CT圖像的“減影圖像”，其中骨組織呈高信號，周圍肌肉組織呈低信號，并以重建3D MRI建立關(guān)節(jié)盂模型；結(jié)果顯示模型的肩關(guān)節(jié)盂表面骨皮質(zhì)缺損測量值與關(guān)節(jié)鏡檢查對骨皮質(zhì)缺損的估計值高度相關(guān)，其診斷效能類似于三維CT重建，并有可能替代后者。但Dixon技術(shù)受B0場不均勻影響較大，B0場不均勻可致圖像信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)明顯降低，其臨床應用目前僅限于肩關(guān)節(jié)。

5 黑骨序列

黑骨(black bone)序列是利用優(yōu)化后的低翻轉(zhuǎn)角度梯度回波及預先設定的TE和重復時間(repetition time, TR)，通過減少軟組織對比度在骨皮質(zhì)及其周圍軟組織之間形成高對比的成像序列，并能同時抑制水和脂肪信號。黑骨序列圖像能清晰顯示特殊部位，如下頜區(qū)域等骨被軟組織包裹區(qū)域中的骨皮質(zhì)及周圍組織，其最大優(yōu)勢是可用于診斷顱面骨良性病變。

ELEY等[23]利用黑骨序列測量顱內(nèi)各孔徑的寬度，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果與CT測值及解剖獲得值的相關(guān)性良好。ROBINSON等[24]以黑骨序列評估36胎脊柱側(cè)彎及脊髓脊膜膨出胎兒骨異常，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)序列相比，黑骨序列圖像中，骨對比度更高。DREMMEN等[25]對比黑骨序列成像與CT檢測兒童急性頭部創(chuàng)傷性顱骨骨折的價值，認為黑骨序列有望替代頭顱CT平掃用于兒童頭部創(chuàng)傷。ELEY等[26]采用黑骨序列3D打印顱面骨模型，KANAWATI等[27]以黑骨序列3D打印腰椎模型，所獲模型尺寸均與CT重建打印模型相近，提示通過骨皮質(zhì)成像并重建，黑骨序列可媲美3D CT重建。但是，對骨皮質(zhì)與空氣接觸部位(如鼻竇及口腔)進行成像時，空氣和骨骼均呈低信號，使得黑骨序列難以區(qū)分[18]；且黑骨序列的敏感度與磁場強度呈負相關(guān)，其在高場MR中的敏感度較低[20]。另外，黑骨序列為短TE、短TR的GRE序列，易出現(xiàn)偽影，運動偽影、牙套和植入物(如引流管等)均可能降低圖像質(zhì)量，限制了其臨床應用。

6 FRACTURE序列

FRACTURE序列是JOHNSON等[28]提出的基于高分辨率3D GRE的MR技術(shù)，利用具有恒定回波間隔的多個回波和后處理減法獲得對比度類似CT的圖像；通過精確的回波間隔記錄多個回波，其間隔對應MR場強的同相TE(即3T時為2.3 ms，1.5T時為4.6 ms)；以同相時間分辨率獲取TE有助于形成更好的骨皮質(zhì)和骨小梁對比度和輪廓，同相TE則能最大限度地減少化學位移偽影，更好地描繪和定位骨皮質(zhì)信號，減少邊緣模糊，且可減少T2*衰變引起的額外失相位，進而減少骨組織界面處信號丟失。采集FARACTURE序列后，需執(zhí)行2個額外的后處理步驟：第1步為所有3D GRE求和，第2步是從求和圖像中減去末次回波圖像，以反轉(zhuǎn)灰度并賦予骨皮質(zhì)類似CT的對比度。骨皮質(zhì)T2*衰減時間很快，末次回波的減影也會加劇骨骼信號衰減，通過以上步驟可在骨皮質(zhì)、骨髓和周圍組織之間形成更高的對比度。之后可在MR設備中保存上述操作，并將其轉(zhuǎn)換為自動化后處理，通過改進工作流程使其與特定的圖像存儲與傳輸系統(tǒng)兼容。

FRACTURE序列可作為常規(guī)骨骼肌肉MR序列的補充，用于復雜骨折、肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、腰椎峽部裂和炎癥性關(guān)節(jié)病等相關(guān)病變時，其與CT具有良好的一致性。FRACTURE序列能在幾乎所有MR設備上獲得并操作，無需額外購買，并可在較短時間內(nèi)產(chǎn)生類似CT的圖像，在MR骨皮質(zhì)成像中具有很大潛力。

總之，近年來新技術(shù)的發(fā)展不僅彌補了傳統(tǒng)MR的不足而實現(xiàn)骨皮質(zhì)成像，使之能在一定程度上代替CT，并簡化了檢查流程。但目前這些新技術(shù)缺乏統(tǒng)一的參數(shù)標準，且大多僅開展單一序列臨床研究；設定上述序列的標準化參數(shù)及其應用組合是未來的方向。