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儿科磁共振成像机遇和挑战——中国十年来发展成果及展望
李欣 邵剑波 宁刚 彭雪华 郭豫

Cite this article as: Li X, Shao JB, Ning G, et al. Opportunities and challenges of pediatric magnetic resonance imaging: Achievements and prospects over the past decade in China[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(10): 5-17.本文引用格式:李欣, 邵剑波, 宁刚, 等. 儿科磁共振成像机遇和挑战——中国十年来发展成果及展望[J]. 磁共振成像, 2022, 13(10): 5-17. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.10.002.


[摘要] 《“健康中国2030”规划纲要》提到建设健康中国要立足全人群和全生命周期两个着力点,加强重点人群健康服务,提高妇幼健康水平。MRI作为一种无创、无电离辐射、软组织对比度好的影像学检查方法,在儿科疾病诊断中发挥着不可替代的作用,在产前辅助诊断中的优势也逐渐明显。随着设备的完善、技术的发展和影像工作者的创新研究,近十年来,中国儿科MRI进入高速发展阶段。MRI在胎儿、儿童中枢神经系统、儿童胸部、儿童腹部、儿童骨肌系统和人工智能(artificial intelligence, AI)等方面都取得了优异的成绩,为产前诊断及儿科疾病的诊治和预后评估提供参考信息,发挥着重要价值。未来儿童MRI的发展方向:(1)进一步优化儿童MRI检查序列,减少扫描时间,提升儿童MRI检查的依从性;研发儿科专用磁共振仪、儿科专用接收线圈以及静音设计,实现婴幼儿安全、高对比的静音扫描。(2)尽快建立中国正常儿童MRI数据库和相关标准值或区间;(3)积极开展多中心合作研究,共同编制《中国儿童疾病谱MRI专家共识系列》;(4)针对出生缺陷、胎儿及胎盘、儿童脑科学、儿童肿瘤、遗传代谢等重点领域开展MRI研究工作;(5)积极开展儿科MRI AI的研究和临床推广应用工作。本述评旨在通过总结中国儿科MRI近十年的成就,分析现状,找出差距,提出未来发展方向,以促进中国儿科影像医学高质量发展。
[Abstract] The "Health China 2030" outlines is focusing on the whole population and the whole life cycle for building a healthy China, strengthening health services for key populations and improving maternal and child health. MRI is a non-invasive, non-ionizing radiation imaging method with good soft tissue contrast, is playing an irreplaceable role in the diagnosis of pediatric diseases. With the improvement of equipment, technological development and innovative research of radiologists, pediatric MRI in China has entered a high-speed development stage in the past ten years. MRI has achieved excellent results in fetal MRI, pediatric central nervous system MRI, pediatric chest MRI, pediatric abdominal MRI, pediatric musculoskeletal MRI and artificial intelligence (AI), providing reference information and playing an important value for the diagnosis and treatment of pediatric diseases and prognosis assessment. The future of pediatric MRI: (1) To further optimize the sequence of pediatric MRI examination, reduce the scanning time and improve the compliance of pediatric MRI examination, and develop pediatric-specific MRI, pediatric-specific receiving coilto achieve safe and high-contrast silent scanning for infants and children; (2) To establish the MRI database and related standard values or intervals for normal children in China as soon as possible; (3) To carry out multi-center collaborative research and jointly compile the Expert Consensus Series on MRI for Pediatric Disease Spectrum in China actively; (4) To conduct MRI research in key areas such as birth defects, fetus and placenta, pediatric brain science, pediatric tumor, and genetic metabolism; (5) To actively engaged in research and clinical promotion of pediatric MRI AI. The purpose of this review is to summarize the achievements of pediatric MRI in China in the past ten years, analyze the current situation, identify gaps, and propose future directions to promote high-quality development of pediatric imageology in China.
[关键词] 儿科;胎儿;中枢神经系统;腹部肿瘤;急性肾损伤;肾功能;脂肪肝病;股骨头缺血性坏死;发育性髋关节发育不良;幼年特发性关节炎;臂丛神经;心血管磁共振;磁共振小肠造影;人工智能;磁共振成像
[Keywords] pediatrics;fetal;central nervous system;abdominal tumors;acute kidney injury;renal function;fatty liver disease;avascular necrosis of the femoral head;developmental dysplasia of the hip;juvenile idiopathic arthritis;brachial plexus nerve;cardiovascular magnetic resonance;magnetic resonance enterography;artificial intelligence;magnetic resonance imaging

李欣 1   邵剑波 2*   宁刚 3*   彭雪华 2   郭豫 2  

1 天津市第二人民医院放射科,天津 300192

2 华中科技大学同济医学院附属武汉儿童医院影像中心,武汉 430014

3 四川大学华西第二医院放射科,出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室,成都 610041

邵剑波,E-mail:shaojb2002@sina.com 宁刚,E-mail:ng6611@163.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


        
        李欣,主任医师,中共党员,曾任天津市儿童医院影像科主任、天津市儿童医院副院长,现任天津市第二人民医院院长。从事儿科影像诊断工作36年。任第十四届、十五届中华医学会放射学分会委员,中华医学会放射学分会儿科学组组长。第四届、第五届中国医师协会放射医师分会常委。第七届天津市医学会放射学分会主任委员。任《中华放射学杂志》《磁共振成像》《临床放射学杂志》《放射学实践》《国际医学放射学杂志》《中国医学影像技术》等专业学术期刊常务编委、编委。以第一作者发表专业学术论文40余篇。主编《中华影像医学:儿科影像卷》第一版、第二版,十三五国家卫健委研究生规划教材《儿科放射诊断学》《儿科影像诊断必读》第一版、第二版,《实用小儿磁共振诊断图谱》《影像专家鉴别诊断:儿科分册》《中华医学影像案例解析宝典:儿科卷》等专业学术著作12部。参编《内分泌影像学》《儿科影像诊断》,全国高等医药院校卫生部(卫健委)规划教材临床医学专业《医学影像学》第六版至第八版等专业学术著作17部。

基金项目: 国家重点研发计划数字诊疗装备研发重点专项 2017YFC09000
收稿日期:2022-09-15
接受日期:2022-10-14
中图分类号:R445.2  R72 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.10.002
本文引用格式:李欣, 邵剑波, 宁刚, 等. 儿科磁共振成像机遇和挑战——中国十年来发展成果及展望[J]. 磁共振成像, 2022, 13(10): 5-17. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.10.002

       2016年10月,中共中央、国务院印发了《“健康中国2030”规划纲要》,提出加强重点人群健康服务,提高妇幼健康水平,包括加强出生缺陷综合防治、实施健康儿童计划、加强儿童早期发展、加强儿科建设、加大儿童重点疾病防治力度、扩大新生儿疾病筛查。实施妇幼健康促进行动,是保护妇女儿童健康权益、促进妇女儿童全面发展、维护生殖健康的重要举措,有助于从源头和基础上提高国民健康水平。因此,早期精准诊断和预防尤为重要。

       医学影像学在儿科疾病诊断中具有重要意义,是临床获取信息、诊断疾病、制订治疗策略的重要手段。由于儿童依从性差、检查难度高以及辐射安全等自身特点,精准诊断一直是儿科影像学的难题。

       儿科影像学作为医学影像学的重要分支,包含了常规X线、CT、MRI、超声等所有成像领域,被广泛用于小儿先天性疾病、感染性疾病以及肿瘤的诊断过程。近年来,随着CT和MRI技术的飞速发展,儿科影像诊断技术水平也在快速提高,我国大陆学者近十年来在国内外期刊发表了大量论文(图1)。在设备方面,国内的儿童医院影像检查设备数量和质量均明显改善,高端设备不断增多。由于MRI无电离辐射的优势,国内儿童医院MRI检查的比重也在逐步扩大,越来越多的儿科疾病检查手段被MRI检查替代[1]。本文从胎儿MRI、儿童中枢神经系统、儿童胸部、儿童腹部、儿童骨肌系统以及人工智能(artificial intelligence, AI)在儿科MRI中的应用几个方面对中国大陆十年来儿科MRI的发展进行阐述,旨在通过总结中国大陆儿科MRI十年发展取得的成果及发展的现状,找出差距,提出未来发展的方向以供同行共建、共享、共赢,为健康中国的发展尽一份绵薄之力。

图1  近十年中国大陆儿科磁共振学者发表文章数量。英文为pubmed检索数据,中文为万方医学检索数据。

1 胎儿MRI

       出生缺陷是导致新生儿及5岁以下儿童残疾和死亡的重要原因。因此,产前诊断对出生缺陷的防控至关重要。MRI作为一项无辐射、非侵入性的检查,具有大范围成像、软组织分辨率高等优势,为产前诊断提供更多的影像学信息。近十年来,我国的胎儿MRI的研究共获得17项基金的支持,其中国家级项目7项,省级项目10项。我国胎儿MRI的研究方向涵盖了检查技术的改进以及颅脑发育、肺部疾病、先心病、骨肌系统等各个方面。胎儿常用的两个序列是GE公司单次激发快速自旋回波(single-shot fast spin-echo, SSFSE)序列和稳态采集快速成像(fast imaging employing steady state acquisition, FIESTA)序列[2, 3, 4]。SSFSE序列飞利浦公司称单次激发快速回波(turbo spin echo single shot, TSE-SSH)序列,西门子公司称半傅立叶采集单次激发快速自旋回波(half-fourier acquisition single-shot turbo spin-echo, HASTE),是临床应用最多的序列,适用于胎儿全身各系统,但对骨骼系统显示较差。FIESTA序列飞利浦公司称平衡式快速梯度回波(balance-fast field echo, B-FFE)或(balance-turbo field echo, B-TFE)序列,西门子公司称真稳态进动快速成像(true fast imaging with steady state precession, TrueFISP)。根据胎儿各系统不同病变可选择的序列包括:T1加权成像(T1-weighted imaging, T1WI)、扩散加权成像(diffusion-weighted imaging, DWI)、平面回波成像(echo planar imaging, EPI)、电影序列、水成像、磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging, SWI)及磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy, MRS)等序列。

       临床应用中,研究者不断对成像技术进行改进,以期更好、更清楚地显示感兴趣区。汪春红等[5]利用半自动阈值MRI结合仿真内窥镜重组(magnetic resonance virtual endoscopy, MRVE)技术对三维FIESTA(3D-FIESTA)进行后处理,改进后的3D-FIESTA图像上,羊水呈高信号,胎儿面部软组织、子宫壁和胎盘呈中等信号,组织对比度良好。MRVE可以从不同角度直观显示胎儿的面部结构。二维MRI、超声和MRVE诊断胎儿面部异常以MRVE的诊断效能最高。MRVE在显示胎儿面部结构和畸形方面具有较高的应用价值。胎儿MRI有助于胎儿脊柱畸形的诊断及鉴别诊断等[6, 7],SWI显示胎儿脊柱解剖及发育畸形(尤其是颈段椎体)有明显优势,3D SWI能区分椎体畸形类别,清晰显示脊柱侧弯程度,曲面重建(curved planar reconstruction, CPR)后对病变椎体定位更有优势。李鸿恩等[8]利用B-FFE、DWI、SWI序列对胎儿股骨长度测量效能进行了对比。结果显示,B-FFE、DWI、SWI序列在显示胎儿股骨解剖结构及影像表现方面各有优缺点,B-FFE序列能简单、快捷获取股骨图像,不易受呼吸运动及胎动伪影影响,容易完成检查,主观评分最高;DWI序列显示骨骺特征性高信号,方便测量股骨长度,但扫描时间长,容易受胎动伪影影响;SWI序列能清晰显示骨干影像表现,扫描时间短,需要多次屏气,容易受运动伪影影响。因此需根据胎儿胎动及孕妇和胎儿配合情况选择相应序列进行胎儿股骨扫描。马得廷等[9]利用TrueFISP序列的负间隔扫描结合多平面重建(multiplanar reconstruction, MPR)技术可以弥补直接扫描不能获得胎儿股骨标准长轴图像的不足,其测量结果与超声结果无差异。

       除了成像技术对比研究及应用改进。MRI还可对胎儿器官发育及疾病的诊断进行定性及定量研究,研究几乎涵盖胎儿的各个系统。胎儿MRI在胸部应用主要集中在肺部和心脏的发育及先天性疾病。MRI在胎儿先天性囊性腺瘤样畸形(congenital cystic adenomatoid malformation, CCAM)诊断与鉴别诊断方面具有较高的应用价值,可诊断病变具体所在肺叶、病变类型、心脏移位及对侧肺受压程度预测胎儿预后[10]。MRI对胎儿先天性心脏病(congenital heart disease, CHD)有一定诊断价值[11, 12],当超声心动图的技术限制使其不足以进行诊断时,胎儿心脏MRI检查可以成为胎儿超声心动图的有用辅助手段[13],并且可以进行量化研究。刘可等[14]用MRI发现主动脉弓峡部直径和动脉导管直径与孕周呈一定的线性相关。产前MRI能够量化评价法洛四联症(tetralogy of Fallot, TOF)胎儿心血管结构和脑发育,中孕期TOF胎儿大脑发育已经开始出现一定程度异常改变[15]。胎儿MRI在腹部的应用主要在占位病变及对肾脏发育的评估[16]。陆媛媛等[16]利用3D-FIESTA和DWI对胎儿肾脏发育状况进行评估。正常胎儿双肾肾脏的长度及厚度各测量值无差异,且与孕周呈线性负相关。肾积水胎儿肾脏增大,实质变薄,表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)值高于相同孕周的正常胎儿肾脏。两种成像技术联合应用能帮助产前胎儿肾脏异常的诊断。胎儿MRI也用于脑部发育与孕周关系的研究。彭晞等[17]用MRI定量分析孕中晚期脑室与后颅窝池生长发育随孕周的变化规律,共纳入675例孕妇的胎儿MRI图像,分析左侧脑室三角区宽度(left lateral ventricle trigonometric width, LLVTW)、右侧脑室三角区宽度(right lateral ventricle trigonometric width, RLVTW)、第三脑室宽度(third ventricle width, TVW)、第四脑室宽度(fourth ventricle width, FVW)、第四脑室前后径(anterior posterior diameter of the fourth ventricle, APDFV)、透明隔间腔宽度(cavum septum pellucidum width, CSPW)和小脑延髓池宽度(cisterna magna width, CMW)等数据,总体上,孕中晚期胎儿脑室及后颅窝脑池生长发育随着胎龄的增加呈现不同程度的增长趋势,其中TVW、CMW与胎儿性别呈明显负相关。Xia等[18]在18到37孕周胎儿MRI图像上测量额枕径(fronto-occipital diameter, FOD)、双顶径(biparietal diameter, BPD)和小脑横径(transverse cerebellar diamete, TCD),为正常胎儿大脑发育评估提供可参考的生物特征测量值,并评价室间隔缺损(ventricular septal defect, VSD)胎儿的大脑发育,可以帮助解释和监测患有VSD和其他先天性心脏病的胎儿的大脑发育。

       胎儿MRI的研究也获得了业界一致的认可,华中科技大学同济医学院附属武汉儿童医院邵剑波教授团队作为较早开展胎儿MRI研究的研究团队之一,在胎儿MRI诊断方面取得了斐然的成绩,“胎儿腹部MRI的临床应用”和“合理选择多种影像技术评价胎儿结构异常的研究”均获得湖北省科技进步奖二等奖,参与的“胎儿超声筛查规范、多种影像学、病理标本库及基因大数据库的建立及推广”获得全国妇幼健康科学技术奖三等奖。四川大学华西第二医院宁刚教授团队在胎儿的神经发育与发育畸形方面也取得优异的成绩,牵头首次制订了《胎儿MRI中国专家共识》,为指导胎儿MRI研究的开展提供帮助。上海交通大学附属上海儿童医学中心董素贞教授团队的“围生期先天性心脏病的磁共振诊断技术”获得上海医学科技奖三等奖。广州市妇女儿童医疗中心刘鸿圣教授团队主编的《胎儿磁共振影像诊断学》详细介绍胎儿MRI的检查规范、适应证,全面、系统地讲述胎儿各系统病变的发生、病理、影像(重点介绍MRI)、诊断策略及预后,为产科医生及产前诊断医生筛查诊断,改善咨询及对疾病理解,引导宫内、分娩时及产后管理等方面提供帮助。

2 儿童中枢神经系统MRI

       MRI是中枢神经系统疾病诊断和鉴别诊断最重要的影像学检查方法。2010年以来,我国儿科中枢神经系统MRI进入迅猛发展阶段。有关儿童中枢神经系统MRI的研究项目共84项,其中国家级项目39项,省级项目45项,主要集中在儿童神经发育及相关疾病、感染性疾病、新生儿缺氧缺血性脑病以及颅内肿瘤影像等方向。功能MRI(functional MRI, fMRI)和扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)联合应用研究发现,儿童工作记忆功能区主要位于额顶叶皮层[19],并对婴幼儿及儿童神经影像和脑连接组学领域进行研究,强调了采用图论数学模型揭示婴幼儿脑网络拓扑发育机理的重要价值[20, 21, 22, 23]。多个研究团队用酰胺质子转移(amide proton transfer, APT)技术、多回波采集重度T2*WI三维梯度回波(enhanced gradient echo T2 star weighted angiography, ESWAN)序列和DTI技术对儿童大脑发育、白质成熟度及铁沉积进行了研究,研究结果显示APT成像可以为评估儿童脑髓鞘形成提供更多信息[24]。与相位值相比,R2*可能是估计婴儿大脑中铁沉积和脑白质成熟的更好方法[25]。唐世龙等[26]利用磁共振定量磁化率成像技术评估正常学龄前儿童脑区铁含量,比较各年龄组同区磁化率值差异,比较同龄组不同性别、不同侧别、不同区磁化率值差异。研究结果显示,脑部各区磁化率值随着年龄的增加而增加,脑部各区磁化率值和与儿童年龄呈正相关;相同年龄段脑部相同区不同侧磁化率值差异有统计学意义。磁共振定量磁化率成像可评估正常学龄前儿童脑部各区铁含量,为临床疾病诊治提供帮助。李霄扬等[27]应用神经突方向分散度和密度成像(neurite orientation dispersionand density imaging, NODDI)技术,探讨多巴胺D4受体基因(DRD4)616位点(rs747302)单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)对正常青春期儿童白质微结构的影响。研究获取青春期儿童的基因型数据及磁共振NODDI扫描影像数据,经过后处理计算得到突触体积分数(neurite density index, NDI)、神经突方向分散系数(orientation dispersion index, ODI)等NODDI指标图;经过分析得出DRD4-616 SNP对于青春期正常儿童双侧丘脑前辐射(anterior thalamic radiation, ATR)白质微结构可能存在影响。

       除了对儿童大脑发育的研究,研究者们还将这些技术应用到癫痫、自闭症、新生儿缺氧缺血性脑病、颅内肿瘤等儿童常见的中枢神经系统疾病中,为这些疾病的诊断、预后评估提供帮助。儿童在生长发育过程中最常见的中枢神经系统疾病包括:注意缺陷与多动障碍(attention deficit and hyperactivity disorder, ADHD)、孤独症谱系障碍(autistic spectrum disorder, ASD)、儿童抽动秽语综合征及癫痫等。研究方法最多的是功能性MRI,包括fMRI、3D-动脉自旋标记(arterial spin labeling, ASL)和MRS等,还包括结构磁共振成像(structural magnetic resonance imaging, sMRI)。静息态功能磁共振成像(resting-state magnetic resonance imaging, rs-fMRI)研究显示,ADHD儿童默认网络内部连接存在异常,默认网络与任务激活网络之间的负性连接强度降低;推测默认网络内部活动同步性降低、默认网络与前额-顶叶注意网络之间的平衡关系受损可能是ADHD的重要神经机制[28]。江凯华等[29]用fMRI度中心度(degree centrality, DC)的分析技术,从网络节点的角度对ADHD儿童与正常儿童进行比较研究发现,DC值异常区域可能与ADHD患儿在记忆认知、执行控制等方面的障碍有关。rs-fMRI DC技术为多动症儿童认知障碍的研究提供了一种新的方法。谢娜等[30]利用rs-fMRI研究ADHD儿童的大脑局域自发功能活动及功能连接,得到每个被试的低频振幅(amplitude of low-frequence fluctuation, ALFF)参数图,发现ADHD儿童局域脑区自发功能活动及其功能连接异常,提示ADHD症状与认知注意网络的发育延迟或缺损有关。王梦星等[31]利用fMRI和SPM 8软件比较注意缺陷型(ADHD-I)、混合型(ADHD-C)以及健康儿童3组在经典Go/Nogo抑制控制任务中反应抑制和错误加工激活脑区的差异。研究发现ADHD儿童在Go/Nogo任务中表现出抑制控制脑功能受损,且ADHD-I和ADHD-C的反应抑制受损程度不同。2017年李焕敬等[32]利用3D ASL研究ADHD患儿脑局部血流灌注变化发现,ADHD患者执行持续注意反应任务中,大脑前部与后部血流分配存在差异,并与行为指标相关,从而反映了其持续性注意障碍的神经机制。宁刚教授团队采用基于脑表面分析(surface based analysis, SBA)方法分析结合FreeSurfer软件分析儿童抽动秽语综合征患者脑皮层厚度改变,并与临床资料进行相关性分析,发现儿童抽动秽语综合征患者存在执行功能受损,尤其是抑制性控制受损;左侧岛叶皮层厚度与儿童抽动秽语综合征患者的症状严重程度相关[33]

       同样sMRI技术及功能成像应用于ASD患儿研究。sMRI技术分析儿童ASD大脑皮层的折叠模式及其网络属性,揭示ASD患者和正常人大脑功能结构共变网络的差异。ASD患者的大脑网络中心节点发生改变,而全脑功能综合能力及功能分离能力有所增强[34]。利用MRS定量检测ASD患儿双侧基底节区、丘脑及小脑代谢物特征[35, 36],发现ASD患儿基底节区、丘脑及小脑存在代谢异常,基底节区谷氨酸盐(Glx)、谷氨酸(Glu)和胆碱(Cho)浓度的增高以及N-乙酰天门冬氨酸(NAA)/肌酸(Cr)的降低可能与ASD的发病存在一定关系,且左侧小脑和左侧丘脑代谢物改变之间存在关联,部分指标与ASD临床症状相关。MRS可能揭示了ASD的病理基础并为其诊断、预后评估提供无创、定量检测方法。程卓等[37]利用3D-ASL对学龄前(2~5岁)ASD儿童脑部进行成像,获得脑部各区脑血流量(cerebral blood flow, CBF)灌注值,比较分析相同年龄段ASD儿童和健康儿童脑部各区血流灌注CBF值,找出各年龄段ASD儿童脑部各区脑血流灌注CBF值特点。研究结果显示各年龄组ASD儿童在颞叶、海马及壳核等脑区的CBF值均低于同年龄段健康儿童,且3岁组ASD儿童额叶、4岁组儿童额叶、丘脑和尾状核及5岁组ASD儿童丘脑、尾状核、黑质、红核等脑区CBF值低于健康儿童。3D-ASL技术可以反映脑血流灌注情况,能更加全面地反映ASD儿童病理过程。

       癫痫也是儿科常见并急于解决的重要疾病之一,尤其对于无形态学异常的癫痫患儿,研究方法最多的是MRS和rs-fMRI。MRS成为评估儿童颞叶癫痫重要工具[38]。郭鸿华等[39]利用rs-fMRI对儿童全身强直发作性癫痫患者颅脑进行成像,分析脑区活动,探讨其发生的病理生理机制。通过比较全脑局部一致性(regional homogeneity, ReHo)与病程的相关性,发现ReHo分析方法可以有效地反映癫痫患者异常的神经功能变化,有助于发现强直发作性癫痫发生的病理生理机制。胡湛棋等[40]采用基于fMRI的ReHo算法,分析癫痫患儿脑功能的变化,得出ReHo分析方法可以有效地反映癫痫患者异常的神经功能变化。伴中央颞区棘波的儿童良性癫痫(benign childhood epilepsy with centrotemporal spikes, BECTS)患儿默认模式网络(default mode network, DMN)区域、Wernicke区及角回脑功能出现显著受损,可能是BECTS患儿认知功能障碍的机制之一。岛盖、中央沟附近的感觉运动区和皮质脑功能增强,从而导致癫痫发作,出现典型临床症状。fMRI对评价BECTS患儿的脑功能具有较高特异性和敏感性,能早期发现该类型癫痫患儿认知功能的损害。

       fMRI序列在中枢神经系统疾病诊断和鉴别诊断发挥了重要的作用。DWI用于判断儿童颅内肿瘤的分级[41]。DTI评价儿童鞍区肿瘤对视路损伤的性质和程度[42]。SWI序列对儿童海绵状血管瘤以及伴发的发育性静脉异常具有重要的诊断价值[43],对病灶的检出率高于T1WI和T2WI序列。无需对比剂的3D ASL和灌注加权成像(perfusion-weighted imaging, PWI)可定量评估儿童烟雾病患者血流动力学状态及血管重建术后血流动力学改善情况[44, 45],且由于其无辐射与简便易行的特点,值得在临床推广。

       儿童和成人的大脑存在巨大差异,很多后处理工具不能很好地应用在儿童的图像中。因此,部分研究者们对后处理方式进行优化,为儿童中枢神经系统的研究提供更好的支持[46, 47]。MRI技术的改进使其对器官、组织及病变显示更清楚。梁国华[48]比较分析三维可变翻转角快速自旋回波(three-dimensional sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolution, 3D-SPACE)及三维稳态构成干扰成像(three-dimensional constructive interference in steady-state, 3D-CISS)两个序列在儿童梗阻性脑积水诊断中的效能,3D-CISS序列能够将脑积水患者脑室内和脑室外膜性梗阻清楚地显示出来,实现患者的精准分类,指导医生选择合适的手术方案。增强液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery, FLAIR)序列对脑膜病变的显示较敏感[49],随着设备及序列的更新,彭芸教授团队通过比较增强各向同性三维快速自旋回波脉冲(three-dimensional fast spin echo cube, 3D-FSE-Cube)序列T1WI和增强FLAIR序列T2WI对化脓性脑膜炎(purulent meningitis, PM)脑膜增厚强化的显示能力,研究结果显示,增强Cube序列T1WI对脑膜增厚强化的显示优于增强FLAIR序列T2WI,对于儿童PM的诊断有较大的临床应用价值[50]。3.0 T高场磁共振内耳成像技术可以清晰显示内听道内前庭神经及蜗神经,在儿童先天性听神经发育异常中可以提供精准影像学信息,为患儿听力的早期干预提供不可或缺的参考与指导[51]。尹世更等[52]利用单次激发EPI、读出方向分段采样平面回波(readout segmentation of long variable echo-trains, RESOLVE)成像有效降低颅脑磁敏感伪影、畸变伪影、减小T2*模糊、提高图像显示病灶的清晰度及图像整体质量。

       除了已发表的文章,很多研究成果也获得行业内的认可,其中西安交通大学第一附属医院杨健教授团队项目“新生儿局灶性白质损伤预后评估的MRI新技术集成及其临床应用”获得国家重点研发计划资助,“新生儿脑发育及白质损伤MRI新技术与临床应用”获得了第十二届宋庆龄儿科医学奖;遵义医科大学附属医院张体江教授团队的项目“儿童及青少年癫痫结构与功能MRI研究”获得贵州省科技进步奖三等奖;郑州大学第三附属医院张小安教授团队的项目“MRI功能成像在新生儿缺氧缺血性脑损伤预后评估的价值”获得河南省科学技术进步奖二等奖、河南省医学科学技术进步奖一等奖和河南省科学技术进步奖一等奖;遵义医科大学附属医院刘衡教授团队的项目“基于fMRI的儿童良性Rolandic癫痫的皮层语言网络发育的研究”获得宋庆龄儿科医学奖;哈尔滨市儿童医院张晓凡教授团队的项目“脑瘫患儿认知功能损害的多模态fMRI研究”获得黑龙江省卫健委科技进步一等奖。

3 儿童胸部MRI

       关于儿童胸部MRI研究主要集中在对儿童心血管疾病的方面。心血管磁共振(cardiovascular magnetic resonance, CMR)作为软组织对比度最高的心血管疾病影像学检查方法,具有多方位、多参数、可重复等优点,在心血管疾病诊疗过程中发挥着不可替代的作用。2010年以来,共获得27项基金支持,其中国家级项目13项,省级项目14项。郭应坤教授团队利用MRI评价心功能、各型心肌病、心瓣膜病、心肌炎、系统性疾病心脏损害、肿瘤心脏病及大血管异常等;并致力于心血管疾病及妇产儿童疾病的分子影像及其临床转化研究,包括分子及代谢成像新方法探索、新型纳米分子探针构建[53]及MRI新序列开发[54]等。郭应坤教授团队利用CMR组织跟踪量化川崎病(Kawasaki disease, KD)患者左心室(left ventricle, LV)参数,评估冠状动脉(coronary artery, CA)扩张与LV收缩功能障碍的关联,发现LV收缩功能障碍主要发生在以扩张的冠状动脉为主的心肌中,CA扩张是LV收缩功能障碍的独立预测因子[54]。单次压缩感知(compressive sensing, CS)电影技术可以显著减少图像采集时间,为心律失常患者自由呼吸状态下的双心室功能提供可靠的量化[55]。上海儿童医学中心朱铭教授团队在全国率先开展儿童心脏MRI研究,研究成果同样获得多个科技奖项,特别是在关于儿童TOF的CMR方面发表了非常多优质的文章,为国内儿童CMR的研究发挥了指导价值。心脏MRI是目前诊断儿童心肌炎重要的非创伤性检查方法,各扫描序列的综合评估可提高诊断的准确性[56, 57]。高时间分辨率对比增强磁共振血管成像对先天性心脏病术后血管解剖结构特征显示清晰,具有较高的空间分辨率,还能观察到术后残余肺动脉狭窄导致的两肺血流灌注不均衡的功能信息,是先天性心脏病术后心脏MRI随访中重要的扫描序列[58]。钟玉敏教授团队利用MRI对儿童TOF术后心功能进行较全面的评估。成像序列上,与2D平衡稳态自由进动(balanced steady-state free precession, b-SSFP)序列相比,3D b-SSFP序列采集时间短,图像质量可满足诊断需求,且心功能测量数据准确[59]。与左心房(left atrium, LA)扩大前的对照组相比,TOF修复患儿的LA应变和应变率降低。TOF修复患儿的LA功能障碍可能先于LV功能障碍,即使在修复后的早期阶段也是如此[60]。尽管保留右室射血分数(right ventricular rejection fraction, RVEF),但在儿科TOF修复患儿中右心室(rightv entricle, RV)收缩和舒张功能障碍的患病率很高[61]。与传统的2D序列相比,使用四维血流MRI(four dimensional flow MRI, 4D flow MRI)可以准确和可重复地测量儿科TOF修复患者的RV和LV功能和流量[62]。复旦大学附属儿科医院姚琼等[63]利用磁共振脉搏波传导速度(pulse wave velocity, PWV)评估主动脉缩窄(coarctation of aorta, CoA)术后主动脉顺应性,使用MRI相位对比序列测量并计算主动脉PWV,同时期行超声心动图测量双侧心室功能及心肌厚度,结果显示研究组平均PWV明显高于对照组。因此得出结论,CoA术后患儿PWV升高,中度吻合口狭窄患儿存在较显著主动脉重构;左侧心室舒张末期容积、收缩末期容积、射血分数及左室壁厚度与PWV无明显相关性。

       四川大学华西第二医院郭应坤教授团队的“心血管疾病影像学的分子基础及临床应用研究”获得四川省科技进步一等奖,“心血管系统疾病CT/MR关键技术创新与临床应用”获得教育部科技进步二等奖,“心血管影像学的基础探索及临床应用研究”获得中国科技产业化促进会科技创新奖二等奖,“心肌损伤精确量化评价关键技术创新及临床应用”获得华夏医学科技奖二等奖,推动国内外临床技术进步。

4 儿童腹部MRI

       儿童腹部疾病的MRI研究共获得17项基金,其中国家级项目2项,省级项目15项。儿童腹部肿瘤多见于神经母细胞瘤、肾母细胞瘤、生殖细胞肿瘤、畸胎瘤等。判断儿童腹部肿瘤的病理类型和肿瘤细胞活性,对诊断、治疗方案的制订和调整,判断肿瘤预后情况都有着极其重要的作用。不同序列在儿童腹部肿瘤MRI检查中的应用,尤其是体素内不相干运动扩散加权成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging, IVIM-DWI)和动态增强为肿瘤的诊断、分期、分型提供参考价值[64]。赖灿教授团队评估APT预测儿童腹部肿瘤风险组的潜力[65]。林飞飞等[66]对健康学龄前儿童行腹部DWI检查,研究结果显示,正常学龄前儿童腹部实质性脏器的ADC值差异有显著性,按照ADC值由大到小排序为:肾脏、胰腺、肝脏、脾脏,为今后应用DWI诊断腹部实质性脏器疾病提供一定的正常值参考数据。蔡齐芳等[67]评价DTI对急性肾损伤(acute kidney injury, AKI)的诊断效能,AKI患儿髓质各向异性分数(fractional anisotropy, FA)值、皮质FA、ADC值明显低于对照组儿童,AKI患儿髓质ADC值与对照组儿童比较无明显差异,AKI患儿髓质FA值、皮质ADC值与同期血清肌酐值呈负相关,皮质FA值、髓质ADC值与血清肌酐无相关性。因此得出结论,DTI可反映AKI早期肾功能损害,对临床诊断AKI具有潜在应用价值。在儿童尿路疾病诊断中,磁共振尿路造影(magnetic resonance urography, MRU)技术具有操作简便、诊断可的优点,有很好临床应用价值[68]。温洋等[69]利用动态对比增强磁共振尿路造影(dynamic contrast-enhanced magnetic resonance urography, DCE-MRU),即功能磁共振尿路造影(functional MRU, fMRU)评价单侧肾功能。研究结果显示,在儿童肾积水中fMRU是评估单肾功能非常有价值的检查方法,可显示积水肾脏基于体积分肾功能(volumetric differential renal function, vDRF)、Patlak数分肾功能(Patlak differential renal function, pDRF)、肾小球滤过率(index of glomerular filtration rate, GFR)指数及肾小球滤过率指数分肾功能(differential renal function based on index of GFR, gDRF)降低,以gDRF改变明显。磁共振小肠造影(magnetic resonance enterography, MRE)是安全、有效、无创、无电离辐射,且能全方位多维显示儿童小肠疾病的检查方法[70]。MRE多序列联合扫描图像信息量大、敏感性高、无电离辐射,可作为临床诊断儿童肠道疾病的重要检查手段[71]。曹卫国等[72]和王丹娣等[73]利用多回波(multi-echo, ME)Dixon技术结合MRS对儿童肝脏脂肪含量进行了定量分析,用质子密度脂肪分数(proton-density fat fraction, PDFF)对正常儿童和非酒精性脂肪肝病(nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD)患儿及肥胖儿童肝脏脂肪含量进行定量对比分析。研究结果表明,ME Dixon技术可以早期发现儿童肝脏脂肪浸润,其定量参数PDFF与肝脏脂肪浸润程度密切相关,是一个敏感、可靠的定量评估肝脏脂肪含量的影像学指标。ME Dixon技术和MRS能准确定量地测量儿童肝脏的PDFF,是早期诊断儿童NAFLD的有效方法。

       儿童腹部MRI检查的一大难点就是患儿不能很好地配合呼吸,因此儿科专家采取了多种办法进行检查序列优化和检查方法的改进。对胆道疾病患儿进行磁共振胰胆管造影(magnetic resonance cholangiopancreatography, MRCP)检查时,2岁以下患儿的呼吸门控方式应使用膈肌导航方式,2岁以上可以采用呼吸触发方式,自由呼吸下的单激发2D Radial扫描作为补充[74]。优化参数3D-SPACE能减少扫描时间,明显减少儿童MRCP的呼吸运动伪影,改善图像质量,在儿童胆道系统疾病MRI检查中具有较高的应用价值[75]。儿童自由呼吸下腹部采用磁共振放射状K空间填充的自由呼吸容积内插序列[free-breathing radial 3D fat-suppressed T1-weighted gradient echo(radial volumetric interpolated breath-hold examination), radial VIBE]获得平扫T1加权图像,可提高MRI分辨率,有效减少呼吸运动伪影,提高图像质量[76]。在进行腹部增强MRI扫描时,3D自由呼吸Star VIBE序列可明显减少儿童腹部增强MRI运动伪影,增加信噪比(signal-noise ratio, SNR)和对比噪声比(contrast-noise ratio, CNR),对于诊断儿童腹部病变具有重要临床应用价值[77]

5 儿童骨肌系统MRI

       MRI作为一项软组织对比度好的检查方法,可以直接显示关节软骨、韧带及关节间隙等,并且对髓内病变显示敏感,因此越来越多地被应用到儿童骨肌系统疾病的诊疗中。自2010年以来,我国儿童骨肌系统的研究也逐步开展,近十年来共获得7项基金支持。对儿童骨肌系统的研究主要集中在儿童发育性髋关节发育不良(developmental dysplaisa of the hip, DDH)和幼年特发性关节炎(juvenile idiopathic arthritis, JIA)等方面。股骨头缺血性坏死(avascular necrosis of the femoral head, ANFH)是儿童发育性髋关节发育不良术后最严重的并发症之一,MRI不同序列的应用可以评估髋臼和股骨头的形态及对应关系,而且还可显示影响复位的一些因素,并能早期提示ANFH[78]。三维双回波稳态序列(three-dimensional dual-echo steady state, 3D-DESS)、3D-CISS、三维多回波合并成像序列(three-dimensional multiple echo dataimaging combination, 3D-MEDIC)及3D-TrueFISP四种序列在髋臼指数测量方面无明显差异。3D-MEDIC序列在软骨显示上更具优势[79],且CNR高,3D-DESS、3D-CISS序列在骨质结构方面显示更有优势。对于软骨也有很好的分辨能力,对髋臼软骨及盂唇行定量测量,可早期预测髋臼发育的潜力,在临床选择新术式及治疗效果的分析方面有巨大的应用前景。王立英等[80]利用三维快速扰相梯度回波(three-dimensional fast spoiled gradient-recalled, 3D-FSPGR)对正常儿童的髋关节进行研究发现,骨性髋臼指数(osseous acetabular index, OAI)和软骨性髋臼指数(cartilaginous acetabular index, CAT)的年龄变化趋势不同,OAI不能完全反映髋关节的发育过程。软骨性髋臼在2岁时形态已基本接近成人骨性髋臼的形态,可起到稳定髋关节的作用。采用3D-FSPGR序列对正常儿童髋关节进行测量,可反映髋关节软骨发育过程,为DDH的诊断和治疗提供帮助。苏州大学附属儿童医院盛茂教授团队利用MRI对受累盂唇、圆韧带增厚、髂腰肌萎缩等的敏感性和特异性来评估MRI对预防DDH髋关节复位的不可复位方面的诊断能力[81]。MRI是目前对幼年型特发性关节炎(juvenile idiopathic arthritis, JIA)诊断和治疗的最佳方法,尤其是对滑膜增生及软骨损伤具有较高的敏感度[82],并将JIA患儿的图像依据JIA MRI评分系统(JAMRIs)对各区域骨髓水肿征象进行评分并计数,探讨JIA受累膝关节的骨髓水肿发生率、分布及其转归[83]

6 其他体部MRI

       张晓凡等[84]利用全身扩散加权成像(whole body-DWI, WB-DWI)对不同年龄组健康儿童进行扫描,比较不同年龄组之间全身DWI图像上信号的差异,并进行相关性分析。认为WB-DWI技术作为一种无创性检查可在较短时间内完成儿童全身检查,图像能够满足临床诊断要求。正确认识儿童WB-DWI正常表现,为临床诊断疾病奠定基础。对新生儿臂丛神经的成像研究中,得出三维神经(3D-Nerve)序列在新生儿臂丛神经损伤中的成像效果明显优于背景抑制扩散加权成像(diffusion-weighted whole body imaging with background body signal suppression, DWIBS)及三维短恢复时间反转恢复(three-dimensional short term inversion recovery, 3D-STIR)序列[85]

7 影像组学及AI在儿科MRI中的应用

       AI是国际学术前沿热点,其技术将临床、影像等大数据信息融合,使影像组学在医学精准诊疗的研究与应用中得到了提升[86]。AI在儿科MRI中的应用也越来越广泛。深度学习在基于厚切片MRI图像的归一化空间中提供更可靠的脑容量估计[87]。Jiao等[88]提取ASD患者局部脑区的体积和皮层厚度等特征,并采用逻辑模型树作为分类器,基于厚度的诊断模型的分类准确率为87%,敏感度为95%,特异度为75%;基于体积的诊断模型的分类准确率为74%,敏感度为77%,特异度为69%。其结果显示,相对于正常组,ASD组在左侧和右侧三角部、左内侧眶额回、左侧海马旁回、左额极皮层厚度减小,在左侧前扣带回和左楔前叶皮层厚度增加。综上所述,ASD诊断模型采用的分类器主要是支持向量机(support vector machine, SVM),SVM诊断准确率的范围为82.50%~96.27%。Peng等[89]利用极限学习机(extreme learning machine, ELM)对ADHD患儿的颅脑的3D T1薄层图像特征进行分类分析。研究结果显示,ELM算法在区分ADHD患者和健康对照方面具有相当好的性能和极高的效率。与传统的ADHD诊断方法相比,ELM具有以下优点:(1)判别速度极快,分类准确率令人满意;(2)利用客观MRI数据判别ADHD;(3)出色的ADHD分类性能,训练样本量小,具有随样本量变化的鲁棒性;(4)不需要选择训练参数,因为隐藏节点是随机选择的。此外,研究还观察到,额叶、颞叶、枕叶和岛叶的结构变化可能参与了ADHD。这些发现表明,使用ELM学习算法的ADHD分类方法不仅是ADHD辅助诊断和疾病病因研究的有效方法,而且还可以识别大脑与不同的疾病有关的特征。朱莉等[90]提出一种基于卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)的ADHD客观分类算法。该研究方法分类准确率高、计算量小,能较好地提取不明显的图像特征,改善了传统MRI脑区精确分割耗时长及复杂度高的缺点,为ADHD的诊断提供了一种可参照的客观方法。张体江教授团队开发了一种基于迁移学习技术的CNN来提取癫痫患儿扩散峰度成像(diffusional kurtosis imaging, DKI)图像特征,基于CNN的特征提取非常有效,DKI图像可以作为癫痫的重要生物标志物[91]。曾洪武教授团队利用基于体素的形态计量学(voxel-based morphometry, VBM)和SVM的组合对于颞叶内侧癫痫伴海马硬化(mesial temporal lobe epilepsy-hippocampal sclero sclerosis, mTLE-HS)的分类进行评估,二者相结合的方法可应用于儿科mTLE-HS的高精度分类[92]。Chen等[93]发行现基于CNN的算法可以显著提高儿童塑料性支气管炎MRI图像的分割精度。

       AI用于儿童肿瘤研究,从影像组学研究到AI的应用能更准确地进行肿瘤诊断及鉴别诊断、分级及预测等。主要用于儿童中枢神经系统常见的三大肿瘤(室管膜瘤、髓母细胞瘤和星形细胞瘤)的研究及胶质瘤分级诊断[94, 95, 96, 97]

       Li等[98]提出了一种用于胎儿大脑提取、超分辨率重建和胎儿大脑图谱的自动化流程,以定量绘制中国人群中妊娠中期至晚期子宫内胎儿大脑发育的图谱。研究设计了一个用于自动提取胎儿大脑的U-net CNN,其平均准确率达到了97%。这个新的自动化流程对临床可用的胎儿大脑MRI数据进行全自动体积重建,并且4D胎儿大脑图谱为中国胎儿大脑发育的定量表征提供了规范模板。

8 新设备——3.0 T儿科专用MRI系统

       上海联影公司牵头科技部“十三五”数字诊疗专项,成功研发了我国首台3.0 T儿科专用MRI系统,针对0~3岁婴幼儿进行设计,采用磁体、梯度、射频的一体化设计,设计了双层隔音结构,实现硬件降噪;加之静音序列设计和扫描时的听力保护,实现了对婴幼儿安全的静音扫描。儿科专用接收线圈适用于麻醉患者,SNR优于传统成人线圈。设计了可插拔移动床,提高儿科扫描工作流程。实现了小型化、轻量型磁体设计,场地空间仅需常规3.0 T系统的一半。上海交通大学医学院附属新华医院、四川大学华西第二医院、北京大学第三医院基于联影3.0 T儿科专用MRI系统,开展小儿先天性心脏病、腹部疾病、肺部疾病以及脑发育的临床研究[99, 100, 101, 102, 103, 104, 105],相关成果发表在《European Radiology》《磁共振成像》《放射学实践》等国内外权威期刊上,获得专利12项。

9 总结与展望

       篇幅有限,尚有很多优秀的研究未能囊括在内,但是中国儿科MRI事业发展的这十年,中国学者秉承着奋勇向前、开拓创新的精神,逐渐走向世界。毋庸置疑,我国儿科MRI的研究方向越来越丰富,发表的高质量文章越来越多,在疾病的诊疗和预后评估方面都取得了丰富的研究成果。

       未来儿童MRI的发展方向:(1)进一步优化儿童MRI检查序列,减少扫描时间,提升儿童MRI检查的依从性;儿科专用磁共振、儿科专用接收线圈以及静音设计,实现婴幼儿安全、高对比的静音扫描;(2)尽快建立中国正常儿童MRI数据库和相关标准值或区间;(3)积极开展多中心合作研究,共同编制《中国儿童疾病谱MRI专家共识系列》;(4)针对出生缺陷、胎儿及胎盘、儿童脑科学、儿童肿瘤、遗传代谢等重点领域深入开展MRI研究工作;(5)积极开展儿科MRI AI的研究和临床推广应用工作。

       儿童是祖国的未来,妇幼健康是全民健康的基础。从《“健康中国2030”规划纲要》到《健康中国行动(2019—2030年)》,党的十八大以来以习近平同志为核心的党中央把维护人民健康摆在更加突出的位置,全面推进健康中国建设,大力扶持医学事业的发展。因此,虽然有些儿科MRI研究还暂未取得显著成果,但是未来中国儿科MRI的发展一定会获得更大突破,创造更多可能。

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