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综述
磁共振超短回波时间序列的应用研究进展
张旭阳 于楠 张喜荣 贾永军 任革 任占丽 贺太平

Cite this article as: Zhang XY, Yu N, Zhang XR, et al. Progress in the application of ultrashort magnetic resonance echo time sequences[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 163-166.本文引用格式:张旭阳, 于楠, 张喜荣, 等. 磁共振超短回波时间序列的应用研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 163-166. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.041.


[摘要] 磁共振成像具有良好的软组织分辨率同时不存在电离辐射,被广泛地应用于人体多个部位的检查,但人体存在一些T2值超短的物质,如骨皮质、肌腱、韧带、肺组织等,使用常规磁共振成像序列无法对这类组织进行成像。随着磁共振成像技术的发展,磁共振超短回波时间(magnetic resonance imaging ultrashort echo time,MRI-UTE)序列的应用使短T2组织成像成为可能,本文就近年来MRI-UTE序列应用进展进行综述。
[Abstract] Magnetic resonance imaging has good soft tissue resolution and no ionizing radiation, so it is widely used in many parts of the human body, but there are some substances with ultra-short T2 value in human body. such as bone cortex, tendons, ligaments, lung tissue and so on, this kind of tissue cannot be imaged by conventional magnetic resonance imaging sequence. With the development of magnetic resonance imaging technology, the application of Magnetic Resonance Imaging Ultrashort echo time (Magnetic Resonance Imaging Ultrashort echo time. MRI-UTE) sequence makes short T2 tissue imaging possible. The research progress in the application of ultrashort echo time series in recent years was reviewed in this paper.
[关键词] 磁共振成像;超短回波时间序列;短T2组织
[Keywords] magnetic resonance imaging;ultrashort echo time series;short T2 tissue

张旭阳 1   于楠 1, 2   张喜荣 1, 2   贾永军 2   任革 2   任占丽 2   贺太平 1*  

1 陕西中医药大学,咸阳 712046

2 陕西中医药大学附属医院,咸阳 712021

贺太平,E-mail:htp89956@163.com

作者利益冲突声明:全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 陕西省重点研发计划项目 2021ZDLSF04-10 陕西中医药大学学科创新团队建设项目 2019-YS04
收稿日期:2021-08-02
接受日期:2021-12-28
中图分类号:R445.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.041
本文引用格式:张旭阳, 于楠, 张喜荣, 等. 磁共振超短回波时间序列的应用研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 163-166. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.041

       磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是利用射频脉冲对处于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发,引起氢原子核共振,在射频脉冲停止后,氢原子核释放能量,发生弛豫,最终被感应线圈采集,经电子计算机处理而成像[1]。MRI检查具有优越的软组织对比、不存在电离辐射损伤、可任意体层成像、不仅可以反映被检体解剖信息,而且能对组织生理、生化特征进行检测[2]。目前,这种检查方法被广泛应用于人体各个系统中。但在人体中存在着一些T2值非常短的组织,它们的T2值一般小于10 ms,有的甚至小于1 ms。在用常规MRI序列扫描时,还未等填充到K空间中心,组织的T2信号已经衰减至零,无法对其进行编码,导致图像对比差,组织解剖结构和生理信息丢失,给疾病的诊断造成一定困难[3]。近年来,磁共振超短回波时间(ultrashort echo time,UTE)序列的应用使超短T2值的组织得以很好地显示,现将近年来UTE序列的应用进展进行综述。

1 骨肌系统

       随着社会的发展,人口老龄化现象愈发严重,骨的发病率也逐年增高。据统计,在美国,骨质疏松症引发的骨折数每年超过150万个,费用约为150亿美元[4]。骨的T2值极短,导致其信号衰减极快,临床上使用的常规MRI序列不能捕捉到骨的磁共振信号[5]

1.1 骨皮质

       骨皮质约占骨骼重量的80%,骨皮质由大约40%的矿物质、35%的胶原蛋白和25%的水组成,这些成分的结合使骨皮质具有独特的生物力学特性,包括抗压缩力、抗拉强度和粘弹性,骨皮质微观结构在确定骨折风险方面起着关键作用,并受多种因素影响,如骨质疏松、甲状旁腺功能亢进、肾脏疾病和糖尿病等,这些疾病通常会对骨骼代谢和重建产生弥漫性影响[6]。磁共振波谱成像表明,骨皮质MR信号有多种不同的T2值[7],UTE脉冲序列能够以与常规脉冲序列相当的空间分辨率、信噪比和对比噪声比直接对骨皮质进行成像,还可对骨皮质的组成成分进行测量、评估[8]。Lu等[9]学者在3 T磁共振扫描仪上利用三维UTE序列建立的多峰脂肪信号模型,对人体骨皮质进行分析,包括结合水T2*及其组分、自由水T2*及其组分、脂肪T2*及其组分,对9例人骨皮质标本进行了可行性研究,在4个圆周区域内从骨内膜到骨膜进行感兴趣区选择,采用微型计算机扫描来测量骨孔隙度和骨矿物质密度,以比较和验证结合水和自由水分析,研究结果发现,三组分分析显著提高了人骨皮质结合水和自由水含量的估算准确性。Wan等[10]采用拉伸采样窗口对3 T磁共振UTE序列骨皮质定量的影响,通过3 T MRI对10例牛骨皮质和17例人胫骨中段标本进行成像,对生物标志物进行定量,发现在992~1600 μs的螺旋采样窗和668 μs的径向采样窗下,牛和人皮质骨的所有生物标志物(单组T2、双组分T2及其相对组分、T1、磁化传递比和高分子组分的磁化传递模型)均无显著性差异,证明在低空间频率对象(如胫骨中段)中,使用较长的采样窗口可以大大加快定量UTE-MRI技术的速度,而不会产生明显的量化误差。Jerban等[11]使用3D-UTE-Cones序列扫描8个胫骨骨皮质标本,用IR-UTE技术测量总水量、结合水和孔隙水质子密度,提出了3D-UTE序列可对体内、外骨皮质进行质子定量,发现PWPD和MMPD可以作为潜在的新型生物标志物来评估骨基质和微观结构,以及骨龄或相关变化。综上所述,UTE序列不仅可以清楚显示骨皮质的形态结构,而且可以较好地对其组成成分进行定量分析。

1.2 关节软骨

       关节软骨是一层薄薄的结缔组织,由软骨细胞、水、胶原蛋白和蛋白多糖组成,其厚度、细胞密集度和基质成分等在不同关节内呈现出不同的差异。正常软骨为层状结构,由内到外分别为钙化层、放射层、移行层及切线层。常规MRI主要通过与周围高信号组织形成对比来进行关节软骨的成像,仅使关节软骨的最表层显示高信号,组织对比不佳,诊断存在一定困难[12, 13]。近年来,MRI-UTE序列的出现缓解了这一局面,其对关节软骨成像可直接显示软骨深层,使关节软骨的全层均显示为较清晰的线状高信号[14]。早在2010年就有学者[15]在3 T MRI下利用UTE和常规脉冲序列对自然产生和实验制备的人软骨-骨标本的软骨-骨界面进行成像,将UTE图像与质子密度加权、脂肪抑制和T1加权图像进行比较,发现在MRI-UTE图像上,所有髌骨切片均在骨-软骨交界处附近显示高强度线性信号,而在质子密度加权、脂肪抑制或T1加权图像上看不到该信号,人体关节UTE图像的高信号来源于关节深层软骨和软骨最深处的钙化层,说明UTE序列可提供一种评估骨-软骨交界处或其附近异常的方法[16]。UTE序列不仅可以清楚显示关节软骨的高信号,而且可以对软骨的生化成分进行定量分析[17]。Pauli等[18]采用UTE序列、自旋回波序列、组织病理学分析和偏光显微镜对20例人体尸体髌骨进行评估,使用UTE信号衰减的双分量拟合,评估每个髌骨的短T2*水成分和长T2*水成分,发现短T2*成分的百分比增加越明显,即UTE T2*值降低越显著,软骨退变越严重。UTE T2*结果可以对关节软骨的化学成分进行定量分析,在骨关节炎患者骨的形态结构发生变化之前更早地发现关节软骨内的生化成分微变化,短T2*水含量可作为软骨退变的生物标志物。Yang等[19]通过收集20份接收全膝关节置换术的患者的前外侧髁标本,行3.0 T磁共振扫描,共勾画出72个感兴趣区进行UTE-MT、UTE-T2*和T2测量,并对相应骨-软骨区域进行退化等级划分,发现UTE-MT值与软骨退变的组织学分级密切相关,诊断效果优于UTE T2*和T2。UTE序列克服了常规MR扫描序列仅显示关节软骨最表层的缺点,可使关节软骨全层均显示为清晰线状高信号,不仅可以对骨-软骨交界清晰显示,而且可以对其生化成分进行定量分析,先于形态结构发生变化之前监测生化成分微变化。

1.3 椎间盘软骨终板

       位于中央的髓核、环绕髓核周围的纤维环和位于椎体边缘骨质下方的透明软骨终板(cartilaginous endplate,CEP)共同构成了椎间盘,是体内最大的无血管结构[20],CEP是营养物质进入椎间盘的通路,其退变会导致椎间盘营养供应异常,进而发生椎体退行性改变[21]。常规MRI序列可以清晰显示纤维环和髓核结构,但对CEP显示存在一定局限。随着MRI技术的快速发展,UTE序列的出现使CEP成像成为可能,UTE可以使CEP显示为高信号,有利于CEP的结构形态成像和定量分析。陈宁等[22]通过对87例志愿者共435个椎间盘进行UTE序列和常规序列成像,发现常规序列图像上终板区仅可见髓核与椎体骨质间条带状低信号,细微结构仍无法显示,而在UTE序列图像上,低信号钙化及高信号非钙化两层结构清晰可见。MRI-UTE序列成像可显示常规MRI序列不能够显示的腰椎间盘软骨终板及其分层,进而观察其损伤,为临床无创评估腰椎结构提供了一种新的方法。王娇等[23]通过对26例受检者共130个椎间盘进行3D-UTE序列和T2*mapping序列检查,发现软骨终板无缺损组、软骨终板头侧缺损组、软骨终板尾侧缺损组、软骨终板头尾侧缺损组的髓核区T2*值分别为(49.60±1.97)、(45.59±4.76)、(40.64±2.84)、(24.63±2.66) ms,差异具有统计学意义,说明3D-UTE与T2*mapping联合可以对椎间盘退变进行定量分析。综上,MRI-UTE序列的出现使CEP成像成为可能,不仅可以显示CEP及其分层结构,而且可以进行定量分析,为疾病诊断提供准确依据。

2 呼吸系统

       肺实质的成像对MRI来说是一个巨大的挑战,由于正常肺组织质子密度极低且存在大量的气体-组织界面导致磁敏感率不均匀,同时又在成像过程中易受到运动伪影的干扰,导致肺部MRI技术应用较为局限[24]。T2WI序列常被用来显示病变,常规SE序列的回波时间在10 ms左右,但肺部的T2值极低,在常规MRI序列上表现为低信号或无信号,不能直接对其进行成像[25]

       近年来,MRI技术的进步为肺实质疾病的检出及诊断提供了更广阔的前景,包括UTE序列成像、超快速涡轮自旋回波采集、投影重建技术、屏气成像、ECG触发、对比剂(灌注成像、气雾剂)、钠成像、超极化惰性气体成像和氧增强技术等,有利于肺结节的检测和良恶性鉴别、肺炎的检测、定性和随访、阻塞性肺不张与非阻塞性肺不张和梗死的鉴别,以及肺含水量的测量[26]。UTE脉冲序列采用硬脉冲激发后直接检测自由感应衰减,其图像具有梯度回波特征,在短T2成分的信号衰减之前快速采集其信号,降低了肺内气体-组织界面大引起的磁敏感率不均匀的影响。夏艺等[27]通过对16例慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者进行MRI-UTE序列、CT、PET检查,发现MRI-UTE的T2*值与FEV1,FEV1/FVC具有中度正相关性,而相对于CT容积量化参数,MRI-UTE的T2*值与PFT参数的相关系数绝对值更大,T2*值在一定程度上反映着肺功能的变化,且与CT容积参数间存在明显负相关性;T2*的测量是一种可用于COPD患者的肺功能评估的新方法,且敏感度较高。

       不仅如此,UTE序列在肺部小结节的检出方面优势显著。Ohno等[28]对85例肺实质疾病患者进行胸部低剂量CT及MRI-UTE序列检查,并对是否存在结节或肿块、磨玻璃影、支气管扩张、肺气肿、肺大泡等影像学特征进行评估,发现肺部MRI-UTE序列成像与标准剂量和低剂量CT的方法间一致性显著,对肺及纵隔病变的评估及各种肺实质病变的影像学表现评价有重要价值。另有研究发现MRI-UTE序列对直径4~8 mm的肺结节检出的敏感度在60%~90%之间,对直径大于8 mm的结节敏感度达到100%[29],与常规三维双回波GRE序列相比,自由呼吸UTE序列对肺小结节(4~8 mm)的检出具有更高的敏感度,造成这种现象的根本原因是UTE序列体素大小相对于GRE序列较小,回波时间较短,空气-软组织界面磁化率伪影较少[30]。Zhu等[31]提出了一种新的自由呼吸高分辨率运动校正肺MRI策略,称为iMoCo UTE,大大提高了空间分辨率,在儿科和婴儿肺部MRI研究中显示出巨大潜力。Hysinger等[32]采用自门控UTE MRI,实现了无创评估新生儿气管软化,且无需镇静,无电离辐射损伤,克服了其他检查方法的局限性,适用于气管动力学的纵向研究。UTE序列可以对含低质子密度的肺组织进行成像,弥补了既往MRI扫描序列的不足,在良恶性结节的鉴别、小结节的检出等方面具有广阔的应用前景。

3 心血管系统

       心血管系统MRI可以无创性地评估心肌形态及功能等,对心血管疾病的诊断有其独到的优势。Károlyi等[33]对28例冠状动脉粥样硬化性心脏病患者供体心脏的斑块进行常规T1WI、T2WI和UTE序列成像,得出T1、T2和超短回波时间磁共振心脏成像(ultrashort echo time cardiac magnetic resonance,UTE-CMR)的组合可以很好地对人类冠状动脉粥样硬化斑块进行分类,包括富脂病变和钙化病变,与先前的一些研究相比[34],UTE-CMR在本研究中对坏死核心的检测具有更高的特异性,为评估人类冠状动脉粥样硬化类型和诊断奠定了一定基础。胶原蛋白或纤维化的增加是心脏疾病的一个重要标志,可以提高对高危患者的识别能力,纤维化显像在指导治疗和监测疗效方面可能发挥越来越大的作用。MRI是最常用的无创检测、可视化和量化纤维化的方法。然而,用于确定心肌纤维化表型的MRI技术,需要使用基于钆的对比剂,难以用于装有心脏起搏器和自动除颤器的患者,心血管UTE的出现有望在不使用对比剂的情况下对纤维化进行早期和全面的评估[35]。Hoerr等[36]在强磁场下采用UTE序列,通过心电和呼吸门控技术克服运动伪影,对心脏功能参数进行评价,可实现大多数心脏参数的精确测量,且具有较高的图像质量。综上,UTE序列应用于心血管系统可以对心肌形态及功能进行无创评估,将来有望在不使用对比剂的情况下对心脏纤维化进行早期评估。

4 中枢系统

       大脑白质含有大部分长T2成分和少数短T2成分,使用具有常规回波时间的临床MRI序列无法检测到这些。Du等[37]使用UTE序列对9例健康志愿者脑白质中的超短T2成分进行成像,并对其T2*s和相对质子密度(RPDs)进行定量分析,采用绝热反转恢复法双回波UTE序列对脑白质超短T2成分进行形态学成像,健康志愿者脑白质超短T2*成分的短T2*约为(0.42±0.08) ms、RPD为4.05%±0.88%;信号源可能来自细胞膜中的质子以及与白质中的大分子结构紧密结合的水,说明UTE序列可以对脑白质中超短T2*成分急性高对比度形态学成像,以及定量测量其MR弛豫时间和组织属性,对白质疾病的研究提供影像依据。MRI对髓鞘进行成像的主要挑战是水长T2信号的污染,Ma等[38]通过对人体模型、离体脑标本、20名健康志愿者和20名多发性硬化(multiple sclerosis,MS)患者进行前瞻性研究,用方差分析法评价MS病灶与MS患者的正常脑白质之间的信号差异,提取的髓鞘囊泡高信号强度及相应的T2*和T1序列为利用UTE序列直接成像超短T2髓鞘质子提供了依据,通过反转恢复预脉冲将脑白质的长T2信号清零,剩余来自髓鞘的超短T2信号可以用UTE序列检测到,从而对全脑髓鞘进行MRI,为多发性硬化患者脱髓鞘病变诊断提供依据。UTE序列可清晰显示脑白质及全脑脊髓,为中枢神经系统疾病诊断提供支持。

5 总结与展望

       UTE序列作为一种新型MRI技术,不仅能够获得较高软组织分辨率的图像,且弥补了常规MRI序列不能直接对超短T2组织进行成像的缺陷,同时能够获得较高软组织分辨率的图像,但目前主要以定性观察短T2组织结构或定量测定T2*值的研究为主,相信随着研究的深入和MRI技术的发展,在以后研究中将逐步探索UTE序列在全身各部位的疾病发现、诊断和疾病评估,使UTE序列越来越多地应用于全身各个系统的临床和基础研究中。

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