SyMRI技術在顱腦疾病診斷中的應用進展

劉一帆，鄧愛林，薛瑩，李曼竹，廖承德

云南省腫瘤醫院（昆明醫科大學第三附屬醫院）放射科，云南 昆明 650118

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）具備多參數成像、多模態成像的優勢，是臨床診斷顱腦疾病及評價治療后反應的主要手段之一。傳統顱腦MRI為了獲得不同對比加權的圖像及組織弛豫定量數據，通常需要依次掃描多個成像序列，總檢查時間較長（普遍超過10 min），且不同醫療機構的序列組合及參數設置均有一定差異，無法進行比較和統一評價。集成磁共振成像技術（Synthetic Magnetic Resonance Imaging，SyMRI）通過一個掃描時長約5～6 min的成像序列及相應后處理軟件，可以在短時間內生成10種對比加權圖像，定量分析組織弛豫時間及質子密度（Proton Density，PD）值，實現腦組織的分割和容積測量[1-3]，顯著提高成像效率并豐富診斷信息。

1 SyMRI的基本原理及功能

SyMRI技術通過由飽和脈沖進行激發、快速自旋回波讀出的2D多期動態多回波（Multi-Dynamic Multi-Echo，MDME）序列進行信號采集。借助選層技術，MDME序列在兩個不同成像層面分別進行120°飽和脈沖激發、多回波采集，并根據脈沖激發層和回波采集層的選擇組合來控制飽和延遲時間[1]。通過2個回波時間4個飽和延遲時間的組合可在每個成像層面獲取8幅原始圖像[2-3]，借助特殊算法對這些圖像中每個像素的信號強度進行最小二乘擬合，能計算得到縱向弛豫時間（Longitudinal Relaxation Time，T1）、橫向弛豫時間（Transverse Relaxation Time，T2）、縱向弛豫率（R1）、橫向弛豫率（R2）、PD值和射頻（B1）場的振幅，最終獲得相應組織參數的定量分布圖，從而實現以像素為單位對腦組織的弛豫時間及PD進行定量分析。相較于傳統弛豫定量序列，SyMRI的成像時間較短，一次掃描就能對多種組織參數進行定量分析[4]，且穩定性較好[5]。

根據獲得的R1、R2、PD量化參數模型，SyMRI還可以通過虛擬設置TE、TR、TI間的任意組合來計算每一個體素的信號強度[2,6]、優化組織間對比，在一次掃描后重建10種不同對比的MR圖像，包括：T1加權像、T2加權像、PD加權像、快速反轉恢復T1加權像（T1 Fluid Attenuated Inversion Recovery，T1 FLAIR）、液體抑制反轉恢復像（Fluid Attenuated Inversion Recovery，FLAIR）、短反轉時間反轉恢復像（Short TI Inversion Recovery，STIR）、相位敏感反轉恢復像（Phase-Sensitive Inversion Recovery，PSIR）、相位敏感反轉恢復血管像（Phase-Sensitive Inversion Recovery Vessel，PSIR Vessel）、雙反轉恢復灰質像（Double Inversion Recovery Gray Matter，DIR GM）及雙反轉恢復白質像（Double Inversion Recovery White Matter，DIR WM）。同時，基于不同腦組織所具有的R1-R2-PD特征，SyMRI還可以識別體素內的腦組織構成，實現對大腦灰質、白質、腦脊液和髓磷脂（Myelin，MYE）的自動組織分割；繼而提供完整的腦實質體積（Brain Parenchymal Volume，BPV）、顱內體積（Intracranial Volume，ICV）及任一腦組織的體積信息、組織分數信息[2,7]。

2 SyMRI在顱腦疾病診斷中的應用進展

2.1 SyMRI有利于多發性硬化的檢出及進展評價

多發性硬化（Multiple Sclerosis，MS）作為一種與大腦白質、皮質及深層灰質內多灶性脫髓鞘斑塊形成有關的中樞神經系統神經退行性、自身免疫性疾病[8]，其臨床表現具有非特異性，常規MRI檢查對其診斷有一定限度。雙反轉恢復（Double Inversion Recovery，DIR）序列和PSIR序列在檢測MS斑塊中有較大價值，特別是在皮質和灰白質混合區域[9]。SyMRI可通過一次掃描合成DIR、PSIR圖像，Hagiwara等[10]的研究發現，在相似的成像時間下，SyMRI比傳統MR能檢測到更多的MS斑塊，且合成DIR圖像中MS斑塊的對比度優于常規DIR圖像。SyMRI合成DIR、PSIR圖像，能有效避免因增加掃描序列導致的總檢查時間延長，且通過虛擬掃描參數調整，可以優化MS斑塊與正常腦組織間的對比度，進一步提高病灶的檢出率，可作為傳統MR檢查的替代方法，以用于MS病灶檢出。

MS的病理過程伴有髓鞘損傷、組織水腫、灰質受累以及腦實質萎縮。SyMRI的腦組織分割及測量功能對于無創性評估MS的病理進程有一定幫助。Saccenti等[11]發現MS組的腦白質、MYE體積和BPV與健康對照組有顯著差異。Andica等[12]在使用SyMRI識別復發-緩解型MS（Relapsing-Remitting MS，RRMS）患者灰質改變的研究中發現，RRMS患者的MYE體積分數（Myelin Volume Fraction，MVF）低于健康對照組，且RRMS組中的灰質內髓鞘體積GM-MyVol（Myelin Volumes of GM，GMMyVol）與疾病持續時間呈負相關（r=-0.43，P=0.005），晚期RRMS患者的GM-MyVol相對最小，認為通過SyMRI獲得的MVF和MyVol可用于評估RRMS患者的灰質差異。同時，SyMRI通過一個包含MYE部分體積（VMY），細胞部分體積（VCL），自由水部分體積（VFW）和結合水部分體積（VEPW）的4室模型，還可以進一步估計腦MYE含量并評估腦水腫程度[3]。Hagiwara等[13]利用SyMRI對21例MS患者的MS斑塊、斑塊周圍白質及正常白質進行R1、R2、PD、VMY、VEPW測量并進行對比研究，發現VMY、VEPW對于MS疾病進展的評估更為敏感。SyMRI能分割并定量大腦灰質、MYE、結合水，可用于無創性評估MS病理進程中灰質、MYE的體積分數變化及組織水腫程度。但目前相關研究較少，且未能囊括MS的所有亞型，還有待進一步擴大樣本量并深入研究，以證實SyMRI能有效判斷MS的病理進程。

此外，Blystad等[14]在釓對比劑注射前，利用SyMRI技術對強化MS斑塊與未強化MS斑塊進行R1、R2、PD三種定量值的比較，發現強化斑塊的R1和R2明顯高于未強化斑塊，PD明顯低于未強化斑塊。由于活動性MS斑塊伴有的急性炎癥會破壞局部的血腦屏障，傳統MRI常通過釓對比劑增強掃描來檢測活動性MS斑塊。而對于部分有釓對比劑禁忌癥的MS患者，SyMRI技術有望成為檢測活動性MS斑塊的替代方法，通過組織參數定量和組織分割測量來識別活動性MS斑塊。

2.2 SyMRI有利于評價兒童髓鞘發育不良

髓鞘形成是中樞神經系統發育的重要步驟，而MYE則是評估神經發育情況的關鍵因素。由于MYE的成熟會導致T1和T2弛豫時間的縮短、水分子擴散和PD減少、擴散各向異性和磁化傳遞增加，因此MRI是評估髓鞘發育的主要手段。Lee等[15]通過SyMRI測量兒童腦組織的T1值、T2值和PD，并研究它們與兒童年齡的關系，發現除皮層PD外，所有大腦區域的組織參數均隨著年齡的增長而降低，呈現穩定的負相關性，證實通過SyMRI可以評估兒童大腦發育。Warntjes等[16]發現SyMRI測量的MYE與使用盧克索固藍染色的大腦切片具有良好的相關性，證明了MYE測量模型的有效性。Hagiwara等[17]則證實了SyMRI與磁化傳遞成像的MYE測量結果在白質區域有高度相關性（r=0.72），認為SyMRI適用于測量白質中的MYE，并通過SyMRI發現MYE體積會隨年齡改變而發生變化[18]。傳統MRI中基于圖像信號強度進行的髓鞘發育視覺評價并不精確，而利用彌散張量成像、磁共振波譜等成像技術進行髓鞘發育定量評價則需要花費較長的掃描時間。SyMRI僅通過一次掃描就能實現全腦的T1、T2和PD值定量分析以及對MYE的自動分割和體積測量，成像效率較高，為發現和監測髓鞘發育異常提供了新思路。

2.3 SyMRI有利于評估腦腫瘤浸潤情況

明確腦腫瘤的浸潤范圍及浸潤程度對于確定手術切除范圍、制定放射治療計劃、避免腫瘤復發有較大意義。傳統MR灰階圖像中，腦腫瘤強化區域和瘤周水腫之間存在的腫瘤浸潤區無法得到準確界定。SyMRI能直接對瘤周水腫組織的物理特性進行參數分析，對于定量評價腫瘤浸潤情況有一定價值。Blystad等[19]使用SyMRI及動態磁敏感對比灌注成像對惡性膠質瘤患者的瘤周水腫區域進行R1值、R2值、腦血容量（Relative Cerebral Blood Volume，rCBV）值測量，研究發現隨著測量位置與腫瘤強化邊界的距離增加，R1值、R2值及rCBV值均逐漸降低，且在注射對比劑后R1梯度變化顯著增加（P<0.0001）。Blystad等[20]借助SyMRI測量并計算注射對比劑前后的R1差值則發現，瘤周水腫區域（瘤周1 cm范圍內）的R1差值明顯高于對側正常白質區域。由于彌漫性腫瘤浸潤及新生血管增加，腫瘤浸潤區域存在細微的血腦屏障滲漏，會導致該區域在增強前后的R1值有一定差異。常規增強MR圖像很難通過灰度變化發現上述差異，而SyMRI能以像素為單位對瘤周水腫組織的弛豫率進行測量和定量分析，因此有望用于區分常規MR灰度圖像中難于區分的腫瘤浸潤與瘤周水腫。

2.4 SyMRI在腦膜炎的應用

增強MRI是評估腦膜炎的首選影像學方法，其中增強FLAIR序列比增強T1WI對診斷腦膜炎更敏感[21-22]，但由于掃描時間較長，增強FLAIR序列往往未被納入常規掃描中。在可疑細菌性腦膜炎患者中，Andica等[23]通過對比常規MRI和SyMRI的圖像后發現，在虛擬調整TI以消除腦脊液、脂肪的信號干擾后，SyMRI重建的增強FLAIR圖像可以更清楚地顯示病灶，在診斷腦膜炎方面優于傳統序列，有助于提高MR對診斷腦膜炎的敏感性。SyMRI能同時獲得多種對比的增強圖像（T1WI、T1 FLAIR和T2 FLAIR），可顯著縮短掃描時間，有助于使增強FLAIR圖像成為常規診斷圖像。同時，SyMRI虛擬調整成像參數的功能還有利于優化圖像對比、避免出現傳統FLAIR成像中因成像參數設置不當而導致的腦脊液信號干擾。但目前SyMRI應用于腦膜炎的研究還較少，需要進行大規模的臨床研究，以證實其在腦膜炎診斷中的有效性。

2.5 SyMRI在神經退行性疾病的應用

MRI是神經退行性疾病的影像檢查方法之一。利用MRI實現的弛豫定量測量、腦組織分割和體積定量測量，可作為早期檢測和診斷神經退行性疾病的神經影像生物標記。鹿娜等[24]利用SyMRI測量帕金森病患者與正常對照者的大腦體積、腦組織體積及弛豫值，比較發現帕金森患者的白質體積、白質分數、髓鞘體積、髓鞘分數、灰質T1和灰質T2明顯高于正常對照組，而灰質分數、白質T1和腦脊液PD明顯低于正常對照組，認為SyMRI技術可以提供多種定量指標，用于區分帕金森病患者與正常人。Lou等[25]通過SyMRI測量并研究阿爾茲海默病（Alzheimer’s Disease，AD）和正常對照者的大腦體積特征及不同皮層、皮層下區域的PD值、T1值、T2值，發現AD患者右側島葉皮層的T1值、T2值及左側海馬區的T2值均顯著高于正常對照者，而左側尾狀核的T1值則低于正常對照者；且AD患者隨著簡易精神狀態評價量表（MMSE）評分的降低，其BPV與ICV的比率均降低，而腦脊液體積、雙側海馬的T1值、雙側島葉皮層的T1值和T2值均增加。認為SyMRI技術可以提供較多的定量信息，用于區分AD患者與正常人，并能反映AD患者的疾病嚴重程度。目前，有研究已經證實了SyMRI的弛豫時間測量結果具有較好的可重復性[26]。而相較于傳統的成像方法，SyMRI能通過一次掃描同時獲得解剖圖像、弛豫時間信息、組織體積測量信息，有效縮短成像時間并減輕患者的不適感，更為經濟、高效，可作為神經退行性疾病MRI檢查的一種新手段。

3 SyMRI的不足和展望

相對于傳統MR序列，SyMRI序列的單次掃描時間較長，檢查過程中更容易受到患者（自主/不自主）運動的影響而出現偽影并降低定量測量準確度，甚至會導致檢查失敗[2,6]。而SyMRI掃描過程中只能顯示原始圖像，難以發現圖像質量問題。因此，在SyMRI序列掃描過程中做好患者制動，并通過結合并行采集技術來縮短SyMRI掃描時間是非常有必要的。同時，血管、腦脊液的搏動性流動也會對SyMRI產生一定影響。其中，SyMRI合成的T2WI圖像常在相位編碼方向上出現流動偽影、搏動偽影，這些偽影無法通過患者制動進行抑制，可能會干擾（如腦干或大腦腳等位置）較低區域的顯示[27]。雖然這些偽影較易識別，但當臨床懷疑上述區域可能存在病變時，應選擇常規掃描序列進行補充。此外，還有多項研究發現，SyMR的合成FLAIR圖像與常規序列相比，圖像對比噪聲比較低[28-29]，并且部分腦實質與腦脊液交界區在合成FLAIR圖像上呈現高信號（容積效應和腦脊液流動所導致）[2,30]。這可能會被誤判為腦實質的病理性改變，需要結合常規FLAIR圖像進行診斷。而有國外學者研究合成FLAIR的圖像重建發現，基于深度學習進行合成FLAIR圖像的重建能夠減輕上述偽影[31]。

目前，很多神經影像研究中心已經開始使用3D各向同性成像技術進行顱腦MRI，而SyMRI采用的是2D多層成像技術，圖像的層間分辨率低于3D成像技術，且無法通過一次成像的數據直接進行多個方位的圖像重建。不過近年來已有少量采用3D-QALAS序列進行腦組織分割、定量及合成圖像的研究報道[32-34]，相信未來SyMRI技術有望實現3D各向同性成像，更好地應用于臨床中。

總之，SyMRI是一種全新的MRI及后處理技術，能夠通過一次掃描實現組織弛豫時間及PD的定量分析、多種不同對比權重圖像的合成、腦組織的分割及測量，相較于傳統MRI顯著提高檢查效率并豐富了診斷信息，具有非常廣闊的應用前景。目前SyMRI已應用于顱腦疾病的MRI中，對MS斑塊、腫瘤浸潤等的檢出和量化評價、評估髓鞘形成等均具有一定價值。相信隨著對SyMRI技術的繼續完善、臨床應用研究的探索和深入，SyMRI技術會為臨床顱腦疾病診療帶來更多的應用可能性。