核磁共振超短回波時間序列技術(shù)研究進展

李莎，張藝寶 ，吳昊，高嵩

1.北京大學(xué)醫(yī)學(xué)人文學(xué)院醫(yī)學(xué)物理系，北京100191；2.北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所放療科/惡性腫瘤發(fā)病機制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點實驗室，北京100142

前言

核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是利用射頻電磁波對置于磁場中的含有自旋不為零的原子核物質(zhì)進行激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振，用感應(yīng)線圈采集磁共振信號，按一定數(shù)學(xué)方法進行處理而建立的成像方法。作為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的一種診斷技術(shù)，MRI擁有良好的軟組織分辨率，無骨性偽影，無電離輻射，能敏感地檢查出組織中水含量的變化，顯示功能和新陳代謝過程等生理變化，它使機體組織從單純的解剖顯像發(fā)展為解剖學(xué)與組織學(xué)特性變化相結(jié)合的圖像，為一些早期病變提供了診斷依據(jù)，這使核磁共振技術(shù)在臨床和科研工作方面均得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在早期臨床使用MRI過程中發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)存在骨皮質(zhì)等部分短T2組織［1］。如果應(yīng)用常規(guī)MR序列對相應(yīng)短T2組織進行掃描，未開始采集信號其T2信號已經(jīng)接近零或衰減為零，圖像上表現(xiàn)為低或無信號，因此短T2組織的結(jié)構(gòu)和生理信息丟失［2-3］。因此傳統(tǒng)MRI不能檢測到部分短T2組織信號，如皮質(zhì)骨、鈣化軟骨、半月板等。為區(qū)分人體內(nèi)長T2和短T2組織成分，開發(fā)了超短回波時間序列（Ultrashort Echo Time,UTE），即二維UTE（2D UTE）序列。隨即開發(fā)出三維UTE（3D UTE）序列。在常規(guī)UTE技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們根據(jù)臨床需求，開發(fā)了更多UTE序列，如反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE（Inversion Recovery UTE,IR-UTE）、脂肪抑制UTE（fat-suppressed UTE,f-UTE）、雙回波UTE（dual-echo UTE,d-UTE）、長T2飽和UTE（long-T2 saturation UTE,s-UTE）、絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE（adiabatic inversion recovery UTE）和UTE光譜成像（UTE Spectroscopic Imaging,UTE-SI）等序列，并證明了這些方法的可行性，在一定程度上拓寬了UTE技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1 UTE序列原理

UTE序列并不屬于經(jīng)典的自旋回波序列或梯度回波序列，而是采用硬脈沖激發(fā)后直接檢測自由感應(yīng)衰減，但其圖像具有梯度回波序列的特征，其回波時間受到射頻線圈發(fā)射與接收開關(guān)時間（0～70 μs）的限制，如果配合專用硬件設(shè)備更可以降至8 μs，因此可以使短T2成分成像［4］。

1.1 常規(guī)UTE序列

2D UTE和3D UTE原理見圖1［5］。如圖1a所示，由兩個帶有相反層面選擇梯度的半sinc函數(shù)射頻脈沖激發(fā)后，立刻采集自由衰減信號，兩個半脈沖的回波信號疊加在一起填充成一條K空間線；為避免在信號衰減至0之前未填充至K空間中心，數(shù)據(jù)直接由K空間中心開始采集，并呈放射狀填充K空間。同理使用短硬脈沖激發(fā)及三維放射狀采集可實現(xiàn)3D UTE成像（圖1b）。

圖1 UTE脈沖序列圖Fig.1 UTE pulse sequence diagrams

1.2 非常規(guī)UTE序列

為了更好、更直觀地觀察骨皮質(zhì)及其周圍組織，出現(xiàn)了多種UTE改進方案，主要通過抑制長T2信號，來提高短T2信號的對比度。有3種常用長T2抑制技術(shù)［6］：（1）雙回波采集和減法［7-8］，如圖2a和圖2b所示。第一個自由衰減信號中，長T2和短T2信號均較強，短T2信號衰減比長T2信號衰減快，經(jīng)過一段時間后，短T2信號較弱甚至沒有信號，在第二次采集回波信號時，長T2組織信號遠大于短T2組織信號，兩次回波信號相減可抑制長T2組織信號，從而提高短T2組織對比度。此方法受磁場均勻性影響較小。（2）采用長90°的脈沖，然后施加破壞梯度以選擇性地飽和長T2組織［9］，如圖2c和圖2d所示。這種方法對B1和B0的不均勻性很敏感。（3）絕熱反轉(zhuǎn)脈沖［6,9］，如圖2e、圖2f、圖2g和圖2h所示。絕熱即不受外界影響，順磁場方向施加射頻脈沖，使弛豫時間延長，從而絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE比常規(guī)UTE時間要長。若施加兩次反轉(zhuǎn)射頻脈沖，可實現(xiàn)脂肪抑制，稱為雙絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE。這種方法對B1不均勻性不敏感，但對多切片成像困難。

其中，最簡單有效的方法是雙回波采集和減法。如圖2b所示，采集兩次回波信號，然后相減，可以得到高對比度的短T2組織信號。為了進一步快速高效的提高短T2組織的對比度，提出了重新縮放的雙回波UTE成像（dual echo UTE imaging with Rescaled Digital Subtraction,dUTE-RS）［11-13］，即加權(quán)減法，按照一定比例系數(shù)縮放信號大小后再相減。具體做法為：不同的回波時間各采集一次回波信號，并命名為S1和S2；加權(quán)減法公式為：

式中，α為加權(quán)因子，當(dāng)α=1時即為簡單的兩回波信號相減。

2 應(yīng)用

圖像常規(guī)MR序列采集不清甚至采集不到短T2組織的圖像，如骨皮質(zhì)、肌腱、半月板等。而核磁共振超短回波時間序列（MR-UTE）可以區(qū)分長T2和短T2成分，這是醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的一個重大突破，其應(yīng)用具有深刻的臨床意義和廣闊的前景。

2.1 MR-UTE在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的應(yīng)用

2.1.1 骨皮質(zhì) 隨著社會老齡化速度加快，骨的發(fā)病率也逐年上升。在美國，骨質(zhì)疏松癥引發(fā)的骨折數(shù)每年超過150萬個，費用約為150億美元。骨的磁共振信號衰減極快，常規(guī)的MRI技術(shù)不能清楚檢測到骨信號。相對于臨床常規(guī)T1加權(quán)序列，使用UTE序列檢測骨皮質(zhì)信號，回波時間由4～10 ms減少到0.07～0.20 ms［14-17］。骨皮質(zhì)內(nèi)除了礦物質(zhì)外，還有有機基質(zhì)和水兩種主要成分，關(guān)于核磁共振骨皮質(zhì)成像技術(shù)已經(jīng)有所研究［18］，通過雙回波差UTE、絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE、偏共振飽和UTE和UTE-SI進行定性成像，UTE定量測量T1、T2*、水含量、骨皮質(zhì)孔隙度、質(zhì)子密度和自由水和束縛水含量。除此之外，不同大小場強的UTE成像對骨皮質(zhì)的影響［19］、UTE脈沖序列檢測正常和非正常的骨皮質(zhì)信號［20］、用絕熱反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE序列掃描時，反轉(zhuǎn)時間對骨皮質(zhì)成像的影響［21］等多個方面均已有所研究。

圖2 不同UTE序列及其短T2對比機制Fig.2 Different UTE and the corresponding short T2 contrast mechanisms

2.1.2 膝蓋 膝關(guān)節(jié)是人體最大、構(gòu)造最復(fù)雜、損傷機會較大的關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)中的半月板的回波時間只有幾毫秒，常規(guī)的MR-UTE不能獲取其影像學(xué)信息。Young等［12］采用UTE加權(quán)減法的方法來觀察膝關(guān)節(jié)中短T2組織的影像信息。在加權(quán)減法中使用最佳加權(quán)因子，有效抑制長T2組織信號，提高短T2組織對比度。最佳加權(quán)因子（optimal weighting factors）通過調(diào)節(jié)雙回波差UTE圖像的信噪比（Signal to Noise Ratio,SNR）和噪聲比（Contrast to Noise Ratio,CNR）來確定。綜合SNR和CNR，建議最佳加權(quán)因子為：肌腱0.3，骨皮質(zhì)0.4，半月板1.0，表明3D UTE MRI提供了不能通過常規(guī)MRI可視化的短T2組織成像。

2.1.3 腦白質(zhì) 腦白質(zhì)主要由長T2成分組成，也含有少量的短T2成分。常規(guī)回波時間的臨床磁共振掃描序列無法檢測到回波信號。Du等［22］使用臨床3T磁共振中UTE研究腦白質(zhì)中的短T2成分，定量分析其T2*s和相對質(zhì)子密度，并證實其可行性。腦白質(zhì)中超短T2成分的高對比度形態(tài)學(xué)成像以及相對質(zhì)子密度和弛豫時間的定量測量，可顯著促進相關(guān)腦白質(zhì)疾病的研究。

人體內(nèi)不僅骨皮質(zhì)、肌腱、半月板、腦白質(zhì)等組織存在短T2組織，韌帶、關(guān)節(jié)軟骨、椎間盤等也存在大量的短T2組織，能在MR影像上觀察到其圖像信息，將極大地促進醫(yī)學(xué)影像學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷學(xué)的發(fā)展。

2.2 MR-UTE在放射治療中的應(yīng)用

MRI用于放射治療的主要限制在于：（1）MR強度與質(zhì)子密度和磁弛豫相關(guān)［23］，和電子密度之間沒有直接對應(yīng)關(guān)系；（2）傳統(tǒng)的MR序列不能很好地區(qū)分骨和空氣信號。

現(xiàn)有多種方法得到分配電子密度的MR圖像，如通過密度分配法［24-31］、基于圖集的方法［32］或者人工智能等方法［33］。UTE的開發(fā)和應(yīng)用，對于體內(nèi)具有短弛豫時間的組織，如關(guān)節(jié)軟骨、半月板、肌腱、韌帶、皮質(zhì)骨和軟組織鈣化等，常規(guī)MR序列顯示低信號甚至無信號，UTE序列可以檢測其信號［3,15,34-36］。此時的MR圖像與CT圖像相比，MR圖像不僅提供了良好的軟組織對比度，還擁有良好的勾畫和位置精度［37-42］，在放射治療過程中具有不可替代的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

UTE技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究工作已經(jīng)展開多時，人們在許多領(lǐng)域已經(jīng)取得一定的進展，例如，可以使短T2組織的對比度增強，用于鑒定健康和疾病［43］。在不影響圖像質(zhì)量的前提下，實時的MR圖像采集時間縮短到20 ms［44］。還對技術(shù)注意事項進行了研究，如基本物理知識、梯度場、RF系統(tǒng)、安全性等方面［45］。對于UTE的臨床研究，除了骨皮質(zhì)、腦白質(zhì)、膝蓋和骨骼肌肉組織外，還有顳下頜關(guān)節(jié)動態(tài)UTE和心血管等［46-47］。不僅研究了抑制長T2的方法，還比較了多種方法的性能［48］。

UTE作為一種新型的技術(shù)，可以區(qū)分長T2和短T2的組織成分，在發(fā)揚核磁共振優(yōu)點的同時，彌補了自身缺陷，不僅能夠獲得較高軟組織分辨率的圖像，還能對人體內(nèi)骨皮質(zhì)等短T2組織成像。MR-UTE技術(shù)發(fā)展迅速，且實用性強，但廣泛投入臨床使用還需要做更多的臨床測試。讓MR-UTE技術(shù)更廣泛更有效的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)物理工作者及醫(yī)學(xué)工作者共同的責(zé)任和目標。