肺功能成像：豬肺的傅里葉分解磁共振成像和SPECT/CT成像的定性比較

郭悅，武漢大學人民醫院，湖北武漢 430060

審校：許峰，北京大學第三醫院 醫學工程處，北京 100191

0 前言

肺通過交替的通氣和灌注進行氣體交換。許多疾病，如肺功能受損，以及對治療反應的監測都采用專門的成像技術。因為肺活量的測定方法可能無法單方面地描繪出功能上的變化[1]。平面顯像和單光子發射式計算機斷層儀（SPECT）以放射性標記的示蹤劑為基礎進行三維成像，是一個廣泛被接受的肺灌注和通氣的臨床測量標準[2-3]。核成像方式的主要缺點是空間和時間分辨率比較差。通氣評估是吸入氙氣[4-5]后，通過計算機斷層掃描（CT）灌注成像，并使用雙能碘增強CT[6]提供高的空間分辨率。但這項檢查是在電離輻射下進行的，所以限制了兒童和青少年的后續檢查次數。

盡管磁共振（MR）成像是一項眾所周知的物理技術，低質子密度組織的可視化存在困難，但它為專門評價肺生理學相對或絕對的狀況提供了廣闊的頻譜相對法。基于非質子的肺癌磁共振成像，通過患者吸入作為示蹤劑的極化氣體（氦-3，氙-129），得到高質量的通氣的圖像[7-8]。然而，臨床上常規應用的磁共振成像氣體和硬件的成本高，人員需要經過訓練，使其可用性很有限。基于其他方法還有通過的質子磁共振成像使用縮短示蹤時間的順磁性T1造影劑來增強肺部的MR信號：增氧磁共振成像和霧化釓螯合物磁共振成像[9-10]。

使用動態對比示蹤材料或順磁性對比劑可增強磁共振成像，灌注測量可以運用這項技術完成。這種方法提供了高空間和時間分辨率，并能估計各種血流動力學參數[11]。然而，注射釓的造影劑會引起某些相關的罕見病癥，如嚴重的過敏反應或存在潛在的腎系統纖維化的風險。作為灌注測量的替代技術，動脈自旋可在血液中使用水的質子作為一種內源性的造影劑。但結果會導致信噪比低，時間分辨率不高以及信號的快速衰變[12-13]。

近日，平掃傅立葉分解（FD）技術的磁共振成像技術正在研究中。有學者提議，通過1個單一的非門MR圖像系列[14-16]獲得區域肺灌注和通氣的相關信息。該技術是利用肺部組織生理過程中某些區域MR信號強度的變化來成像的。在吸氣時，肺容積增大，而實質組織密度和信號強度降低；在呼氣相時則會相反。肺組織MR信號強度也受到心臟循環的調制。在收縮期中獲得的圖像的信號強度較低于在舒張期，因為收縮期時血流速度快，會導致MR信號[17]相移。呼吸的2個生理流程分別對應不同的頻率，并與光譜時間分辨率相關。通過相關的數據可生成通氣加權（VW）和灌注加權（QW）圖像[16]。 FD磁共振通過使用1個平衡的穩態獲得無差脈沖序列，從而獲得來自快速自由呼吸的圖像，會有非剛性圖像配準用于呼吸補償。MR譜只受到單獨的呼吸和心臟信號的調制。因此,1次檢測就可以得到VW和QW的數據。

這項研究的目的是，在動物實驗中，比較基于FD磁共振成像技術的平掃肺VW和QW圖像與作為臨床參考標準的SPECT /CT圖像。

知識進展

肺通氣加權和灌注加權傅里葉分解磁共振結果與SPECT/CT的結果顯示一致。

斯皮爾曼秩相關系數（ρ）在左右肺的平均信號強度之間，分別為0.79的VW和0.86的QW圖像；肺通氣和肺灌注圖像的值分別為0.91和0.92。

所有動物的萬有引力分布的信號強度在2種設備中都得到了證實。

肺功能組織異常FD的磁共振成像結果和SPECT/CT的結果在區域上和質量上都相似，并且同CT形態學上結果也一致。

對患者護理的影響

對大型動物的研究表明，FD磁共振成像是一種非侵入性的替代方法，可以替代SPECT/CT進行局部肺的通氣和灌注，而不使用造影劑和電離輻射。

FD磁共振成像設備是常規的臨床設備。

FD磁共振成像檢測除一般禁忌癥外，不再需要患者遵循過多的指令，如延長呼吸或反復呼吸。

1 材料和方法

1.1 動物準備

這些實驗的協議由教育部研究，得到了農業、環境和農業地區（德國基爾）的批準，均符合動物保護法。實驗中，共選用了7只成熟健康的母豬，平均體重43kg（最小40kg，最大45kg），用磁共振成像和SPECT / CT評估區域肺灌注和通氣。動物在整個實驗過程中保持全身麻醉的狀態，并被固定為仰臥位然后進行氣管插管。呼吸完全依靠呼吸機完成。所有功能成像是在持續的、可控的通氣機器中進行并連續監測血壓和心率。實驗完成后，對動物處以安樂死。

1.2 成像過程

實驗的第1部分使用1.5T全身MR成像儀（Magnetom Avanto，西門子，Healthcare Sector, Erlangen, 德國），峰值梯度幅值45mT/m，最大的回轉速率200T/m/s。把全身12通道和24通道脊柱陣列線圈組合使用。這些方式用于評估FD MR灌注和通氣系統的成像，對胸腔進行一系列冠狀圖像的采集與二維橫截面時間分辨的無差脈沖穩態序列分析。序列參數見表1。進一步的技術詳情見鮑曼等人[16]的研究，載于附錄E1（在線）。

表1 Parameters for FD MR Imaging

這些動物在完成MR檢查之后,被移動到SPECT /CT系統（Symbia T，西門子，醫療保健部）。實驗之間的時間間隔大約是1h。 SPECT / CT系統包括雙頭可變角攝像頭和1個單螺旋CT。成像中將99mTc標記的碳（Technegas，Cyclomedica，薩爾茨吉特，德國）在蒸發器中進行蒸發，并且讓動物在5次呼吸中吸入蒸發器中的標記物，這些均在通氣機器中完成。大部分應用是活性物質，未吸附在肺中的锝的生物半衰期為135h[17-18]，完全能滿足灌注顯像的要求。然而，只有一小部分（約12.5%）的活新物質被肺部吸附。因此，活動靜脈注射示蹤比1~2個程度的吸入示蹤[19]更容易實現。灌注顯像中，靜脈注射99mTc來標記大顆粒聚合人血白蛋白。在自由呼吸時的衰減校正中，用CT進行檢查。在吸氣和呼氣時須屏氣來進行形態學的CT成像。SPECT / CT成像參數見表2。

表2 Parameters for SPECT/CT Acquisitions

1.3 圖像的后期處理與FD

所有時間分辨的平衡穩定狀態自由差數據均通過非剛性圖像配準算法來對呼吸運動進行校正，該算法采用獨立的軟件 （fMRLung3.0西門子公司研究，普林斯頓，新澤西州）。呼吸和心臟周期造成傅立葉分析的MR數據信號變化。功率譜的生成包含了（圖1）每個切片的各個像素。用呼吸峰下的區域和心臟頻率計算生成VW和QW圖像。光譜圖像分析使用軟件MATLAB2009b；數學工程，內蒂克，馬薩諸塞。圖像后期處理可在附錄E1（在線）中找到，進一步的細節，見鮑曼等人的發現[16]。

圖1 機械通氣后的5號豬的肺部組織的信號強度變化幅度的短時傅里葉變換曲線。

由通氣和血流引起的最大信號強度變化分別在大約0.35Hz和1.3Hz處。

1.4 圖像評估

MR圖像，以及SPECT/ CT的數據，被導入到內部開發多模軟件（DIROlab； 德國海德堡癌癥研究中心，Frauenhofer MEVIS，不來梅，德國）中。通過互信息的算法完成剛性圖像配準形態的MR和CT數據處理。生成的配準矩陣應用于轉化VW和量子阱MR圖像并對應相應的通氣和灌注SPECT的數據。數據可視化分析和明顯的形態學病理檢查由2位達成共識的醫師（J.D.and C.H.）共同完成。在多層面的格式化模式中分析VW和QW FD圖像，通氣和灌注SPECT圖像分析采用的是 （MATLAB2009b；MathWorks公司）MATlAB軟件。對每一個采集的FD磁共振成像和所有相應的格式得到的SPECT數據進行分析，劃定右肺和左肺，包括整個肺組織，不包括血管的ROI區域。 配準數據考慮了ROE區域并保證了評估的一致性。

2 統計學分析

通過雙肺ROI區域的分析可以對個體平均信號強度及其變化進行評估。通過檢查每個ROI區域的同質信號分布可以估計變化系數。用檢測Wilcoxon符號秩的方法來比較左右肺的變化系數分布。被計算出的左右肺之間信號強度的斯皮爾曼等級相關系數用于所有動物每個部位的MR圖像和SPECT圖像，為了證明FD MR圖像的個體魯棒性。

對于視覺插值，采用梯度前后插值法。合并后的最外層部分像素分布的評估采用Mann-Whitney U檢驗法。統計測試執行顯著水平= 0.05。P值<0.05指有統計學意義。所有統計分析均使用 OriginPro8；OriginLab軟件，北安普頓，馬薩諸塞。

3 結果

VW和QW的FDMR成像和通氣及灌注SPECT / CT圖像在所有的動物中有相似的結果。因為在2種動物中，均由多層面重格式化讀取的數據來證明區分通氣和灌注病變。從相對應的肺換氣不足和灌注不足的區域讀取針對所有模型的橫向和背向數據，以確保配準的數據一致性。

如在圖2和圖3（圖所示E1的（在線））所示，在健康的肺組織中，肺血管顯示QW圖像的信號強度高，而在VW圖像上卻不可見。在所有SPECT圖像中，肺氣管中無核素的沉積。

MR和SPECT/ CT圖像顯示平均的CV在0.1345~0.1844和0.1151~0.1917。雙肺部所有的FD MR影像和SPECT/ CT圖像的CV估計，見表3。CV分布在雙肺部在MR成像時用Wilcoxon符號秩檢驗，顯示差異有統計學意義，見表4。在左右肺平均信號強度間的斯皮爾曼秩相關系數ρ，VW和QW圖像分別為0.79和 0.86。在SPECT / CT圖像中，通氣和灌注圖像的ρ分別為0.91和0.92。用2種設備獲得的通氣和灌注圖像中，沿前后方向測得的重力對信號強度的影像情況如圖4所示。

表3 Statistical ROI Analysis for FD MR and SPECT Images

表4 CV Intramodal of Left-to-Right Lung Comparison

所有動物最前切片和最后切片的通氣和灌注的VW和QW圖像中，像素分布顯示相當低。（P<0.001，采用Mann Whitney曼-魏特萊U檢驗）。

圖2顯示了6號豬的VW和QW的FDMR成像和通氣和灌注SPECT/ CT檢查獲得的數據，支氣管阻塞的中下葉最可能造成突然的空氣滯留，右肺的CT圖像和VW圖像顯示信號強度相對于周圍比較健康的肺組織的變化有所降低。然而，在相應的QW圖像中也顯示了信號強度區域的血液的流動減少。這些現象在SPECT的采集的數據中也可觀測到。

圖2 6號豬的VW和QW的FDMR成像和通氣及灌注SPECT/CT檢查數據

從3號豬獲取的圖片顯示出肺不張，見圖3。病變處位于右肺上葉的下段。從SPECT圖上可以得知，受影響的區域經過通氣定影和灌注定影。從FD MR圖像上可以得到相同的功能信息。在VW圖上可以看到肺部密度的變化，同時，QW圖上顯示出受損肺部區域沒有血液的流動。

圖3 3號豬的VW和QW的FDMR成像和通氣及灌注SPECT/ CT檢查數據

圖4給出了雙肺上5個相同區域的FD MR和SPECT/CT圖的信號強度的平均標準偏差。圖中也給出了從病理學上畸形區域（3號和6號豬）探測得到的FD MR和SPECT/CT圖中ROI的信號強度。如圖4所示，這些ROI的信號強度比正常組織要低，并在單一標準偏差的范圍之外。

圖4 雙肺上5個相同區域的FD MR和SPECT/CT圖的信號強度的平均標準偏差

4 討論

在核醫學中，使用SPECT和SPECT/CT進行通氣和灌注成像是一項已被認可的技術，通過這項技術可以發現許多種肺部疾病所造成的生理改變。在這項研究中，通過與臨床已建立的參考成像手段進行對比，我們對一種非增強的肺功能MR成像方法進行了評估。在大量動物身上我們做了通氣和灌注的對比。

通過對雙肺的測量，統計學分析表明，平均信號強度（VW和QW）與某些量（通氣與灌注）之間存在很好的相關性。2種模式下的個別單側CV表現出相同的均一性；而威爾科克森標志排列測試表明雙肺部的QW成像存在很大的差異。從早先的研究中可以得知，心旁區域的搏動偽影是造成這種差異的可能原因。

這項工作的實驗環境中，測量肺部嚴重肺功能改變的FD MR成像的臨床意義能得到證實。由于測量時間的限制，FD MR成像被限制為5s，前后方向上為6cm。通氣和灌注中，被廣為接受的重力依賴的差異能被復制再現并通過FD MR和SPECT成像證明符合統計學規律。對FD MR成像而言，尚未發現參考信號，目前還不能計算對比VW和QW的比率。盡管如此，碰巧發現的2例通氣與灌注缺陷部位的信號強度明顯降低，其值已在正常組織的信號強度標準偏差之外。該結果也通過SPECT得到了類似的證實。29%的肺部患病率似乎很高，也有一些報告給出更高的發病率和患病率。此外，通常會發展為急性或慢性感染。通過與鎮靜、侵入式插管法與仰臥位的常規操作對比，或許可以解釋我們的發現。

該項研究選用了在良好環境下生長的豬。2個偶然的病理性發現表明通氣-灌注FD MR成像與標準SPECT/CT成像之間具有一致性。但是，仍需要對大量的患者進行調查，來確認這種研究方法的魯棒性和重復性。另外，這些方面，如觀測者的變化也需要考慮。

在這項動物研究中，所有檢查都是在人為控制的通氣環境下進行的，該技術不需要穩定受控的呼吸過程。數據采集過程中，呼吸和心率的大幅改變會影響到信噪比，但檢查仍可以進行。基于MR的通氣和灌注測量不產生電離輻射。實驗中動物處于大劑量的核輻射中，因而需要另外的輻射保護。在接下來的肺部通氣和灌注實驗中，基于FD的MR成像無此限制。另外，在后面的實驗中，消除造影劑可以減小其他藥理學上的副作用或相互影響。這表明，FD MR成像在妊娠婦女、兒童及腎衰竭患者的檢測中具有很大的吸引力。至于采集時間，VW和QW FD MR成像可以縮短成像時間，從而增加患者的舒適感。不過，這會減少測量的固定時間。當前的技術已經可以在1min之內獲取1個截面厚度為12mm的二維時間分辨平面圖。研究中，檢測5個截面用時5min，同時獲得了通氣量和灌注量。檢測人肺的測量時間可能會增加到大約15min,正向覆蓋范圍為18cm。在本文的實驗中，單獨獲取通氣和灌注的SPECT數據持續了85min，對SPECT來說是可以縮短成像時間的，但相應的計數率也會相應的下降并會限制空間分辨率。

大血管的直接可視FD灌注MR成像可能是另一個值得研究的方面。這可應用于探測急性肺栓塞患者的大血管內的血栓。在灌注SPECT研究中，核素的分布取決于毛細血管堵塞的比例。核素不會存在于大血管中，因此，這些區域中存在無效區域。MR成像的優勢在于在檢測中能進一步的結合形態學成像，這將使得單一的臨床MR成像機和一個擁有高質量CT完整的SPECT研究一樣全面。

更多的優勢體現在邏輯方面。閃爍掃描術和SPECT需運用99mTc,它來自于鉬99。2008年，所有的核素資源由于各種各樣的原因不可用，導致了世界范圍內的同位素短缺。肺部功能評估的前提條件通常是侵入式的，如肺部手術的先決條件。因此，很多過程都不得不推遲。另一方面，FD MR成像能被廣泛的應用而不會遇到任何供應鏈的瓶頸。

通氣-灌注FD MR成像的主要限制在于通氣和灌注可視化的間接方法。通氣成像主要是通過持續測量呼吸引起的胸壁和肺質子密度的改變。肺泡和支氣管空間并不直接成像。這項研究中引用的臨床參照具有類似的限制：超細分布核素標記的碳原子被肺泡和支氣管表面吸收。因此，SPECT只能提供呼吸系統的靜態成像。FD MR成像中，肺灌注成像是通過依賴流量的信號移相。與中心大血管對比或合并，增加肺外部的磁導率是否會影響測量方法的敏感度仍需要進一步的評估。在大顆粒白蛋白的穩態分配中，本文又一次運用臨床參照模式進行了1次靜態的測量。穩態SPECT成像中核素分布不受胸部或心律的影響，QW成像的信噪比會受心動周期中心律不齊的影響，如果胸部受到機械的不穩定的傷害，VW成像將是不可靠的，見圖5。

圖5 豬雙肺ROI測量中信號強度的平均差和標準差（誤差線）

總之，我們給出了一個不受電離輻射和造影劑影響的方法，它能用于肺通氣和灌注的評估，即使是在呼吸困難不順應的患者身上也同樣適用。基于這些最初的結果，FD MR成像需要更進一步的實驗和臨床評估來證明該方法的魯棒性，診斷的精確度以及觀測者間的重復性。

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