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超短回波时间磁共振成像应用进展

作者:陈宁,袁慧书,北京大学第三医院放射科

 

近年来,MRI作为一种无创、无辐射、相对安全的影像学检查手段,在临床及科研中得到了广泛的应用。人体中组织多种多样,有部分组织的横向弛豫时间(T2非常短,激发后MR信号衰减迅速,如骨皮质、肌腱、半月板等结构,其T2值从几十微秒至几毫秒不等。一般认为,T2<10ms的成分为短T2成分。如果应用常规MR序列对相应短T2成分进行扫描,在系统还未开始采集信号之前其T2信号已经衰减至0或接近0,图像上表现为低或无信号,因此对短T2成分的研究存在一定程度的困难。

 

超短回波时间(ultra short echo time,UTE)MRI技术是近年来采用的_种可以显示短T2成分的新序列,又被称为二维UTE(two-dimensional UTE,2DUTE)序列,其原理是由两个带有相反层面选择梯度的半snc函数型射频脉冲进行激发,激发后立刻采集自由衰减信号,两个半脉冲的回波信号叠加在一起填充1条K空间线;为避免在信号衰减至0之前未填充至K空间中心,数据直接由K空间中心开始采集,并呈放射状填充K空间。在上述2DUTE序列设计的基础上,又开发出三维UTE(Three-dimensional radial ultra short echo time,3DUTE)序列,该序列应用短矩形硬脉冲进行激发,数据进行三维放射状采集,即由K空间中心向外、呈圆锥形填充。因此,UTE序列并不属于经典的自旋回波序列或梯度回波序列,而是采用硬脉冲激发后直接检测自由感应衰减,但其图像具有梯度回波序列的特征,其TE受到射频线圈发射与接收开关时间(0~70μs)的限制,如果配合专用硬件设备更可以降至8μs,因此可以使短T2成分成像。在常规UTE(conventional UTE,cUTE)技术的基础上,人们又针对不同成像目标,逐渐调整参数,出现了更多UTE序列的衍生序列,如脂肪抑制UTE(fat suppressed UTE,fUTE)、短反转时间UTE(short inversion time UTE,stUTE)、双通道UTE(dual-echo UTE,dUTE)、长T2饱和UTE(long-T2 saturation UTE,sUTE)、单绝热反转恢复UTE(single adiabatic inversion recovery UTE,SIR-UTE)、双绝热反转恢复UTE(dual adiabatic inversion recovery UTE,DIR-UTE)、UTE光谱成像(UTE spectroscopic imaging,UTESI)等序列,大大拓宽了UTE技术的应用范围。本文对近年来应用于不同系统或器官研究的UTE技术进行综述。

 

1.骨肌系统

 

骨肌系统中,有相当_部分结构的主要成分为短T2成分,如韧带平均T2值为4~10ms、跟腱为4~7ms、膝半月板为5~8ms、骨膜为5~11ms,骨皮质为0.4~0.5ms,牙本质为0.15ms等。常规MR序列并不能直接显示短T2成分,对UTE技术在骨肌系统领域的应用提供了广阔的前景。

 

1.1骨皮质

 

骨皮质中所包含的骨基质、矿物质及少量水均为短T2成分,常规MR序列对骨皮质无论定性还是定量评价的应用价值均非常有限。有学者对UTE序列是否能够用于骨皮质成像及采集到的信号特点进行研究,主要应用cUTE、stUTE序列对数位健康志愿者及患有先天性肌营养不良的儿童或有骨相关疾病病史的成年人进行扫描,并测定相同部位的骨皮质T1值及T2*值,发现T1值及T2*值随着年龄增高而上升,且观察到UTE序列采集的图像上健康志愿者与骨疾病患者的影像学表现存在差异,提示UTE序列可用于骨皮质成像。在cUTE的基础上,出现了应用衍生UTE序列对胫骨骨皮质定量成像的研究,指出UTE序列在骨皮质T1值、T2*值、总水量、结合水、自由水、磷含量、钠含量及骨灌注参数的定量评价方面均有重要价值。而通过应用IR-UTE技术,重点针对骨皮质中结合水及孔隙水成像进行的研究,表明通过测得骨皮质中结合水与孔隙水的含量,可以进而得到骨皮质的孔隙度与骨有机基质的密度,反应出骨灌注参数等指标。

 

1.2半月板/关节盘结构

 

人体有数个关节包含关节盘结构,如膝关节的半月板及颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)等,均为短T2成分,其常规序列成像已较为成熟,但均是基于通过与周围高信号的组织对比显示其轮廓,从而进行观察或诊断,并不能在图像中将关节盘结构显示为高信号。Gatehouse等采用cUTE、fUTE及静脉注入钆双胺增强后的UTE序列观察膝关节短T2成分,成功观察到呈高信号的半月板及分层显示的关节软骨,同时观察到阳性组中呈低信号的半月板撕裂及关节软骨缺损表现,表明UTE技术在膝关节短T2成分显像中的优势。半月板变性疾病中常可出现钙化,在常规序列中很难从无信号的半月板中区分出钙化病变。Omoumi等研究采用2D IR-UTE及3DUTE序列诊断半月板钙化的可行性,对UTE序列扫描的半月板钙化情况进行记录,并测定低信号钙化区的T2*值与邻近正常半月板的T2*值,最终证实UTE序列对于半月板钙化的诊断优于常规序列,表明UTE技术在半月板变性疾病诊断中具有一定的应用前景。Williams等研究UTE T2*mapping在前交叉韧带撕裂造成的亚临床半月板损伤诊断中的应用,首先对16例半月板标本进行MR检查,并通过与组织学结果的比较,发现组织学检查显示撕裂或退变的半月板标本的T2*值更高;另外对25例前交叉韧带损伤、伴或不伴临床症状的患者以及由10名健康志愿者组成的对照组进行扫描,结果显示前交叉韧带损伤伴临床症状者,其半月板T2*值比对照组高87%,前交叉韧带损伤不伴症状者比对照组高33%,其研究为临床提供了诊断亚临床半月板损伤的有力工具。

 

与常规序列半月板成像类似,目前临床工作中进行的颞下颌关节成像所显示的关节盘同样呈现低或无信号,UTE序列提供了一种直接显示关节盘的新方法。Bae等对TMJ关节盘的生物力学结构进行研究,通过对4例TMJ离体标本进行扫描,发现UTET1rho序列在TMJ关节盘的生物力学结构显示中更具优势。另一方面,颞下颌关节紊乱病(temporomandibular disorders,TMD)中下颌骨髁突的改变也是病因之一,针对下颌骨髁突的改变,Geiger等采用3DUTE序列及显微CT(micro-CT,μCT)进行研究,发现3DUTE序列在观测下颌骨髁突的表面、曲度及体积方面与μCT的观测结果基本一致,并且UTE序列能够清晰显示颞下颌关节关节盘,为TMD的诊断提供了一种新的检查手段。

 

1.3椎间盘软骨终板

 

椎间盘由位于中心的髓核、环绕髓核周围的纤维环及位于椎体边缘骨质下方的透明软骨即软骨终板(cartilaginous endplate,CEP)构成,一般认为CEP作为营养物质进入椎间盘的通路,其改变对于椎间盘退行性变具有重要意义。常规序列可以较为清晰地显示髓核,但对于CEP的显示十分局限。有学者采用UTE技术对离体腰椎软骨终板的形态学改变进行研究,将部分标本分离制成椎间盘纤维环层、非钙化软骨终板层、钙化软骨终板层及软骨下骨层4种不同成分,之后分别应用PDI、T2WI及cUTE序列对预处理及非预处理的标本进行扫描,并对非预处理标本在常规序列及UTE序列上的不同表现进行观察,对制备成不同成分的标本的MRI图像及组织学图像进行对比,发现UTE序列可以显示在常规序列中无法显示的非钙化软骨终板层及钙化软骨终板层。潘希敏等采用3DUTE序列对腰椎软骨终板的T2*mapping进行定量研究,对21名健康志愿者应用3DUTE序列采集图像,并经过后处理呈现出T2*mapping的伪彩图,在各软骨终板层面选取ROI测量T2*平均值,通过此项研究定量地测定健康人腰椎软骨终板的T2*平均值,为进一步研究腰椎退变或其他腰椎疾病中软骨终板的改变提供了基础。

 

Law等对腰椎软骨终板与腰椎间盘退变之间的关系进行初步研究,规定UTE序列图像中超过4层(层厚1.2mm)软骨终板的高信号中断为软骨终板损伤,而椎间盘退变的分级采用Schneiderman等于1987年提出的分级:即1级为椎间盘信号不均匀,2级为间盘信号弥漫减低不伴椎间盘高度改变,3级为椎间盘信号弥漫减低伴椎间盘高度降低;经统计学分析,发现软骨终板损伤与椎间盘退变呈正相关,为临床评价腰椎退变提供了一个新的方向。

 

2.呼吸系统

 

肺被大量空气填充,而肺实质内缺乏自由氢质子,肺部MRI—直受到质子密度低、T2信号衰减迅速、心脏及大血管的搏动等因素影响,使肺部MRI应用较为局限。近年来,得益于UTE技术的发展,人们开始对于肺内短T2成分进行越来越多的研究。肺组织含气量发生改变的疾病,如肺气肿或慢性支气管炎等疾病会导致肺组织的T2*值发生改变,Yu等分别在1.5T及3.0TMR设备中,采用cUTE序列对5名健康志愿者进行扫描,分别测定其肺组织的T2*值,揭示了UTE技术对肺组织短T2成分研究的可行性。另有学者对60例伴或不伴慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)的持续吸烟者,按照COPD的诊断标准,将其分为不伴COPD、轻度COPD、中度COPD、重度COPD4组,并分别进行薄层CT、UTE-MRI及肺功能检查。最终对各组测得的CT相关功能性肺容积(functional lung volume,FLV)及肺平均T2*值进行比较,发现不伴COPD组及轻度COPD组间差异无统计学意义,这两组与中度COPD组及重度COPD组间的差异均有统计学意义。

 

氧增强MRI(oxygen-enhanced MRI,OE-MRI)技术最开始用于观察肺局部通气功能,后被逐渐应用于对肺癌、间质性肺炎、肺气肿等更多疾病的研究。Kruger等对氧增强技术结合UTE技术的应用进行了研究,对8名健康志愿者分别在平静呼吸时吸入空气(氧气含量21%)及吸入纯氧(氧气含量100%)的情况下进行扫描,应用扫描图像建立3D氧气增强百分率图,发现吸入纯氧组比吸入空气组信号增加了6.6%±1.8%的结果,与预期基本相符,为OE-MRI技术的进一步应用提供了一种新的思路。

 

3.心血管系统

 

心血管MRI可以无创、精确地评估心脏的解剖结构、功能、心肌缺血和心肌活性等指标,结合MRI电影(cine MRI)可以获得射血分数、心搏出量等功能参数,对不同类型的心脏疾病诊断有独到的优势。Kdrolyi等采用常规T1W、T2W及UTE技术对冠状动脉粥样硬化斑块影像学定性的准确性进行了研究,对28个离体心脏标本分别应用T1W三维扰相快速小角度激发序列(3-dimensional fast low-angle shot,FLASH)、T2W增强快速采集序列(rapid acquisition with refocused echoes,RARE)及UTE序列进行扫描,综合3个序列的图像将标本分为富含脂肪成分、钙化成分及出血性成分3组,并进行病理学检查验证预估结果,富含脂肪型的敏感度与特异度分别为90%、75%,预估为钙化型的敏感度及特异度分别为100%、90%,为应用心血管MRI评估冠脉粥样硬化的临床分型及患者预后提供了一定的基础。

 

4.小结

 

UTE技术作为一种可以显示短T2成分的新型序列,在各个系统中都拥有广阔的前景,但目前以观察结构或测定T2*值等相对基础的研究为主,与临床疾病相关的研究仍有待进一步开展。

 

来源:中国介入影像与治疗学2016年第13卷第6期


 

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