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综述
磁共振零回波成像应用进展
窦晗 王晓明

Cite this article as: Dou H, Wang XM. Current state-of-the-art of MRI zero echo time technique[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 167-170.本文引用格式:窦晗, 王晓明. 磁共振零回波成像应用进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 167-170. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.042.


[摘要] 零回波时间(zero echo time,ZTE)成像技术是一种3D容积成像技术,其独特的梯度开启顺序以及K空间径向填充方式,使得射频激励后即可进行梯度编码,从而实现较高的信号采集效率,临床相关研究主要集中在脑血管成像、肺实质结构的显示以及病变的检测、骨关节等结构的测量评估。本文重点针对ZTE在以上各方面的主要临床应用进展进行了系统的分析综述。
[Abstract] Zero echo time (ZTE) technology is a 3D volumetric imaging sequence, with unique gradient system switching sequence and radial K-space sampling, spatial encoding can be carried out immediately after radiofrequency excitation, which achieves higher data acquisition efficiency. Clinical studies mainly focus on cerebrovascular imaging, depiction of pulmonary parenchymal structure and lesion details, measurement and evaluation of bone and joint structures. In this paper, the main clinical application progress of ZTE in the above aspects was systematically analyzed and reviewed.
[关键词] 零回波时间;磁共振成像;三维成像;中枢神经系统;胸部成像;临床应用
[Keywords] zero echo time;magnetic resonance imaging;three-dimensional imaging;central nervous system;thoracic imaging;clinical applications

窦晗    王晓明 *  

中国医科大学附属盛京医院放射科,沈阳 110000

王晓明,E-mail:wangxm024@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: 国家自然科学基金 81871408,81271631 国家自然科学基金青年基金 81801658 盛京医院自由研究者基金 201402
收稿日期:2021-09-15
接受日期:2022-01-30
中图分类号:R445.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.042
本文引用格式:窦晗, 王晓明. 磁共振零回波成像应用进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 167-170. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.042

       零回波时间(zero echo time,ZTE)成像是超短回波(ultra-short echo time,UTE)技术的扩展,是一种三维径向K空间填充、各向同性采集技术,用梯度的缓慢攀升来代替其两极切换,结合径向K空间填充,能有效提高组织信号的采集效率,也可对具有超短横向弛豫时间的组织进行成像。ZTE技术先于射频激励前将投影梯度打开,考虑到射频脉冲、硬件收发切换以及数字滤波等有一定的持续时间,在射频脉冲结束后经历一段几微秒的死区时间后可进行自由感应衰减信号的采集[1](图1),因此实际回波时间(echo time,TE)不会完全为零,但也远小于常规成像序列,TE值近似为零。从磁共振图像对比度产生原理可知,TE和图像的T2权重息息相关,当其接近零时,各组织的T2值之间没有明显差异,也就消除了T2权重,因此ZTE获取的图像初始对比度以T1加权和质子密度加权为主[2]。根据这一特点,结合抑制长T2组织的序列模块[3],可以实现对超短T2组织诸如韧带、软骨、皮质骨、肺部等的可视化,随着硬件系统和成像算法的提升,ZTE技术将会在临床上产生更大的应用价值。笔者查阅了近十年的相关文献资料,针对该技术在各系统的主要临床应用作以下综述。

图1  ZTE成像时序图。采用硬脉冲进行射频激励(RF),然后直接进行信号采集(AQ),不同周期之间的梯度场(G)并不关闭,而是稍微改变其幅度。TR:重复时间,TE:回波时间,Δ:死区时间,即系统从发射到接收之间的硬件延迟时间。
Fig. 1  Diagram of ZTE imaging. Radiofrequency (RF) excitation is performed with a short hard pulse, directly followed by data acquisition (AQ). By not switching off the gradients (G) between successive TR intervals but only slightly adjusting the amplitude for the next. TR: repeat time, TE: echo time, Δ: dead time, the duration of transmit-receive switching.

1 在中枢神经系统中的应用

       ZTE技术独特的成像原理及各向同性采集的信号特性使其在中枢神经系统的应用主要集中在脑血管三维成像。齐欣等[4]对拟诊断为脑动脉狭窄的患者分别进行了零回波时间血管成像(zero echo time MRA,ZTE-MRA)和时间飞跃法血管成像(time of flight MRA,TOF-MRA)成像,经过主观评分和信噪比、狭窄程度的定量评价,两种方法获得的图像质量相当,但前者敏感性更高,尤其是对3~4级狭窄的血管诊断准确度更高,与Zhang等[5]的研究结论一致。因ZTE技术中信号采集紧跟射频激励之后,采集效率提高,成像容积内的血流方向和速度对其信号的影响程度小于常规TOF-MRA成像,结合ZTE技术的血管成像可以取得更好的图像质量,尤其是在血管迂曲处[6]。最新MRA成像技术是将ZTE与动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)技术相结合[7],验证了HASL(Hybrid-ASL)-ZTE-MRA在颅内动脉疾病检测中的可行性,与CASL(Continuous-ASL)-ZTE-MRA进行对比研究。结果显示,HASL-ZTE-MRA的图像质量评分具有更高的诊断价值、血流信号均匀性更高、伪影更少,在脑血管支架植入术后随访中[8]也发现ZTE对支架植入段的血流显示效果较好、伪影相对时间飞跃法小。

       尚松安等[9]对比研究了ZTE-MRA、TOF-MRA和计算机断层扫描血管成像(computed tomography angiography,CTA)对颅内动脉瘤的诊断效价,ZTE-MRA可以提供与CTA相媲美的图像质量和准确度,ZTE或可减少患者在临床检查、疗效评估[10]或随访观察[11]时接受来自CTA或数字减影血管造影(digital substraction angiography,DSA)带来的辐射损伤。

       血管分叉或者走行曲折的地方质子失相位程度较大,但ZTE具有小到几乎为零的回波时间,可以在激发之后直接采集信号,对磁场的不均匀性不敏感,更易于获得高质量的MRA图像,且ZTE以径向方式填充K空间,对运动伪影不敏感,对于临床上意识不清或不自主抖动的患者的脑血管成像有一定的优势,有望成为改善颅内动脉疾病诊断和随访评估的无创成像技术。

       髓鞘改变与神经系统疾病密切相关如多发性硬化,临床上多种MRI成像方法,如水成像、T2-FLAIR、T1-MP-RAGE等被用来间接描述髓鞘病变,而直接髓鞘成像仍然是一个挑战,有学者初步研究了ZTE序列在3 T场强下直接进行髓鞘成像的可行性[12],Jang等[13]首次将绝热反转恢复双回波ZTE用于人脑髓鞘成像,证明ZTE在髓鞘检测中有一定的可行性,但因小翻转角以及低带宽,成像时间和图像对比度不可兼得,在进入临床之前还需要进一步优化成像参数。

       ZTE技术初始对比度以质子加权为主,需要额外的准备模块来获取其他加权图像。有研究以1.5 T常规T1加权图像为参考,定量分析了7.0 T场强下常规T1加权序列和优化的T1-ZTE序列的图像质量[14],ZTE-T1图像信噪比不如常规图像,但提供的对比度更高、皮层灰质的自动分割更准确,有望成为高场强下获取低噪声T1图的首选序列。Solana[15]提出了T2准备模块结合分段3D-ZTE技术,并与常规梯度回波-回波平面成像(gradient echo-echo planar imaging,GE-EPI)、自旋回波-回波平面成像(spin echo-echo planar imaging,SE-EPI)图像进行脑功能图像质量的比较、以快速反转恢复梯度回波图像为参考评估脑组织几何形变,结果显示噪声水平接近环境噪声、图像形变最小,因研究在3.0 T MRI机上进行,空间敏感性较低,更高的磁场或可以增加其敏感度。

       ZTE技术可以在信号衰减较少时进行数据的采集,从而获取相比常规序列更高的图像信噪比,这对其他原子核MR成像的研究有一定的推动作用。Baligand[16]在11.7 T场强下通过3D ZTE-MRI成像来测量淀粉样变性小鼠模型中的脑耗氧代谢率,通过吸入17O标记的氧气、直接进行17O-MRI成像,与标准 3D化学位移成像(chemical shift imaging,CSI)在体内的性能进行了比较。使用不同的量化模型(线性和三相模型)进行数据分析,信噪比提高了两倍,为未来17O-MRI在神经退行性疾病研究中的推行提供基础。

2 在肺部成像中的应用

       肺部相关疾病的诊断检查主要以CT为主,肺结节在临床上日益常见并且需要定期随访观察,无电离辐射的MR成像方式受到重视。然而肺部组织T2值比较短,衰减较快,常规MRI序列难以捕获其信号,是MRI肺部检查的一个短板,ZTE可以对超短T2组织进行成像,有望弥补MRI在胸部成像中的空白。研究[17, 18, 19, 20]证实UTE技术对肺部MRI有潜在的优势。

       Bae[21]首次比较了临床患者肺3D-UTE和ZTE的图像质量,后者在描述周围支气管和肺精细结构更出色,能够敏感的检测到肺结节,可以考虑作为CT随访检查的替代成像方式。然而,ZTE对长T2组织如纵隔、胸壁等实质病变的显示缺乏合适的对比度,目前在临床上只能作为补充检查,我们需要更多的研究来提高它在临床应用中的可靠性。之后Bae又进一步评估了4D-ZTE技术在肺MRI中的可行性[22],对21名患者分别通过前瞻性和回顾性门控技术进行3D-ZTE、4D-ZTE扫描。后者显示呼气末的图像质量、肺实质和胸腔结构的信噪比、对比噪声比显著提高,生成的动态图像可以额外提供膈肌运动情况和气道尺寸的变化信息,扫描时间有所增加(2 min 16 s和5 min 23 s),但仍在临床接受范围内。

       磁化传递(magnetization transfer,MT) MRI序列评估纤维化组织有优势,因肺部质子密度低且信号衰减快,对于弥漫性肺实质病变的临床检查仍局限在高分辨率CT。Wurnig等[23]在高场(4.7 T)小鼠活体肺部成像中,提出了结合ZTE和交替读出技术的MT-MRI序列,对获得的T1、T2以及MT量化值分析得出,该技术对慢性实质性肺疾病的检测具有一定的可行性,但因为MT脉冲对单个自旋的影响主要由其T2值决定,在本文中肺T2值是拟合获得的,且T1、T2等值的获取并不是来自同一只小鼠,最终结果对MT效应的评估会有一定的偏差,且来自其他偏振效应(如直接饱和)在磁化传递比(magnetization transfer ratio,MTR)测量中的影响也不容忽略,其临床价值仍需进一步的研究来证实。

3 在骨肌系统中的应用

       常规磁共振成像在骨骼肌肉系统中的应用主要以评价软组织损伤为主,对韧带软骨等细微病变显示不佳,ZTE技术使超短T2组织的显示成为可能。ZTE技术在小鼠模型中[24]能够定量纵向弛豫时间,在4.7 T场强下信号衰减双指数曲线能够分离结合水和孔隙水含量,间接用于评估骨骼强度和韧性;Breighner等[25]应用ZTE技术对肩关节病变进行形态细节的显示,收到了“类CT”的效果,为常规MRI检查序列难以辨别的外伤和细微皮质侵蚀提供了更多的诊断信息。然而和CT相比,较低的空间分辨率限制了皮质内距离、关节角度等的测量准确度。de Mello等[26]对盂肱关节进行3D-ZTE/3D-CT成像对比研究,两者在盂肱关节骨皮质的显示以及关节盂宽度的测量方面具有高度一致性(ICCs>0.94),有学者对38个疑似髋臼撞击综合征以及营养不良的髋关节进行ZTE-MRI和CT成像,通过后处理算法进行图像强度不规则性的校正、对比度对数变换及反转,两种成像方式在形态学参数测量值如髋臼形态、中心角(central-edge angle,CEA)、股骨颈轴角等方面显示出中等以上的组内组间一致性[27]。综上可知ZTE技术使MRI可以用于临床上骨关节相关参数的非电离辐射性测量。

       Delso等[28]首次基于ZTE序列进行颅骨识别的临床评估,结果表明单回波质子加权采集适于自动骨骼分割,经过后处理配准重建后获得的颅骨掩模可以用于正电子发射计算机断层显像(positron emission computed tomography,PET)/MR的衰减校正(attenuation correction,AC),这与Wiesinger等[29]的研究结论一致。但在一些组织密度差异大的交界面存在部分容积效应,会对骨识别产生假阳性结果,在临床解读中需特别注意,未来研究应改进成像序列或优化成像参数来进一步提高骨骼识别分割的准确度。Sgard等[30]CT扫描作为参考,在认知障碍患者中获取基于ZTE和地图集方法的AC图像,依次进行偏差校正、强度归一化、阈值分割、衰减系数的分配后,对最终图像进行定量分析,得出基于ZTE-MRI的衰减校正方法更能客观准确的评估整个皮层的新陈代谢。

       Seifert等[31]学者应用ZTE及其派生序列绝热单反转恢复技术进行体外研究,提供了人体骨基质密度的非破坏性替代测量,有利于临床医生区分与年龄相关的骨质矿物质受损。可以考虑作为评估骨质质量的无创性手段,但仍需要进行相应的临床试验,明确定量方式,进一步探索在临床患者中的应用价值。

4 在其他方面的应用

       Weiger等[32]学者对人类牙齿进行体外超高场强(11.7 T)的ZTE成像,结果显示在矿化层和龋齿病变的检测中,ZTE可以提供更好的层次感和分辨率,牙本质的信噪比也高于μCT,然而真正应用在临床还需要性能更高的射频和收发切换硬件系统。这与前者研究结论[33]一致,有进一步研究的潜在价值。

       Beenakker等[34]将ZTE应用于显示眼部肿瘤,获得的对比度可以满足对肿瘤的基本评估,但图像质量不如常规笛卡尔采集模式,对于眼球不自主运动明显或对高声压敏感的患者,这一扫描技术相对有优势,因为ZTE短TR特性对运动不敏感,且编码梯度缓慢渐变的特性产生的噪声显著减小。也有文献将ZTE技术应用于人体组织的电生理特性的定量[35];结合呼吸导航技术有效改善腹部成像质量[36]。有学者将ZTE序列用于经颅超声消融治疗中,对震颤患者的颅骨特征如厚度等进行提取分析,以此调节聚焦能量的大小、达到有效的治疗热量[37]。这项有关ZTE技术的初步研究仍需更多的临床试验以验证其可行性。

       近年来,越来越多学者将ZTE技术应用于PET/MR衰减校正[38, 39, 40, 41]的研究。Leynes等[42]应用深度学习模型将水脂分离技术和ZTE技术进行联合重建,用于PET/MRI盆腔成像中的衰减校正,改善了盆腔病变的定量摄取,深度学习的介入使多种技术实现自动化、减少采集时间,有助于促进该技术面向临床。

       ZTE技术的提出使超短T2组织的成像成为可能,因其信号采集紧跟在射频激发之后,对运动伪影、磁敏感伪影相对不敏感,在一些带有植入物的成像中也能减少金属伪影,可以获得具有诊断价值的图像。但ZTE对序列时序要求较高,而且目前的研究局限于小样本量,结论的可靠性尚不明确,目前还未真正地进入临床常规应用,随着各种算法、序列的优化以及大样本的临床研究,ZTE技术将会扩大无创性影像检查的适用范围。

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