磁共振快速采集技术在胎儿检查中的应用

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1. 上海理工大学医疗器械与食品学院(上海，200093)2. 上海儿童医学中心(上海，200127)3. 上海医疗器械高等专科学校(上海，200093)

0 引言

磁共振胎儿成像是1983年由Smith 等第一次提出的。1985年Smith在低磁场强度(0.08-0.35)T下，使用T1加权、反转恢复序列和质子密度加权序列获得到磁共振胎儿的图像[1]。之后，有许多文献报道MRI评价前置胎盘、孕产妇和胎儿解剖学方面的文章。但由于扫描时间过长，导致需要通过镇静减少胎儿运动，限制了磁共振胎儿成像的发展。

近几年推出的新一代磁共振拥有更强的梯度,结合并行采集技术,大大加快了MRI扫描速度。其图像质量已经能够达到影像学诊断的标准。超声一直是胎儿检查的首选，但其不足之处是视野偏小，对肥胖﹑孕晚期、有子宫肌瘤﹑羊水过少﹑多胎等情况时对胎儿显示欠佳[2]。本中心一项调查表明，经过胎儿B超检查后不能确诊的再行磁共振检查的阳性率达到95%以上。可见胎儿MRI可以进一步定性，可作为B超检查的补充。MRI优势在于能提供高信噪比的图像，与CT相比没有电离辐射,允许多平面成像,越来越多的被用于胎儿检查。

1 快速信息采集技术

1.1 信噪比

信噪比是磁共振成像一个很关键的参数。过去为了得到高信噪比的图像往往使用较长的扫描时间。而在胎儿磁共振扫描中，较短的扫描时间并保证可以诊断的图像信噪比是非常重要的。所以需要了解信噪比的原理和影响信噪比的参数。图像的信噪比 SNRSE指图像的信号强度与噪声强度的比值[3]。场强并不是唯一影响信噪比的参数,还有一些其他参数。如体素,采集时间,接收带宽,和弛豫时间。自旋回波序列中信噪比与其他参数之间的相关性[4]，见(1)式所示 。

(1)

B0表示磁场强度,V是体素,Nex是采集次数,Nph是K空间中相位编码线的数量,BW是接收带宽。采集次数和Nph乘积衡量图像采集时间。TR和TE是重复时间和回波时间,T1和T2是弛豫时间。从式(1)可知,信噪比与磁场强度成正比,但高场强在胎儿的快速采集中的会产生很多影响。一是导致的一个局限信噪比优势,增加T1的弛豫时间。二是增加沉积的射频能量(SAR)。目前，98%的关于磁共振胎儿成像的文献报道是使用1.5T场强的磁共振。国外报道3.0T磁共振与1.5T相比并没有明显优势。目前胎儿磁共振绝大多数都是使用1.5T使用高场强提高信噪比的方法并不适用于磁共振胎儿检查。需要通过其他的方法来获得高信噪比的图像。

1.2 基础序列

1.2.1 快速回波序列(FSE)

快速回波序列(FSE)是一种快速成像技术, 通过减少射频激励的次数可以大大减少磁共振扫描时间。90°射频脉冲激励把质子横向磁化。之后不是使用一个180°射频脉冲来创建一个单一的回波信号(如标准SE成像),是N个180°射频脉冲应用于生成N个自旋回波，填充K空间的N条相位编码线。MRI的采集时间缩短为相应SE序列的1/N。(图1)获得多个回波链来填充K空间,缩短了扫描时间。K空间中提到,图像对比主要取决于K空间的中心。因此,T2加权或自旋密度加权可以通过晚或早填充K空间中心, 在使用FSE相比传统的SE序列分别有一些差异。此外,因为连续应用多个180°脉冲使沉积的射频能量(SAR)增加。因此, 胎儿磁共振成像使用小角度脉冲，使胎儿磁共振成像的采集时间大大缩短。如果胎儿胎动不明显可以获得满意的诊断质量的图像，但频繁的胎动会使图像质量降低。

图1 快速回波序列(FSE)N个180°脉冲在90°脉冲后, 得到较长的信号，缩短了扫描时间。Fig.1 Fast echo sequence (FSE) N 180 ° pulse in the 90 °pulse, results to longer signal, and shortens the scan time.

1.2.2 单次激发快速回波序列(Single Shot FSE)

单次激发快速回波序列不同于快速回波序列。它通过一次90°脉冲激发后利用连续的聚焦脉冲采集K空间所需要的全部回波信号。单层图像采集的时间小于1 s，整个扫描时间只需几s。由于其除了水以外，其他组织的信号几乎衰减。而胎儿生活在充满羊水的环境中，使其有一个天然的对比效果。在临床应用过程中主要用于MRCP，MRM等水成像。

1.2.3 半傅里叶采集单次激发快速自旋回波序列(Haste)

Haste只有略多于一半的总数量的相编码线是通过采集获得，其余的K空间填充使用镜面对称的K空间。一个相位编码信号能填充两根相位编码线,所以获得了较好的信噪比和分辨率。因为一个90°射频后只需要填充多于一半的相位编码线,所以扫描时间也相应减半。同时再使用单次激发技术再次缩短扫描时间,即使有胎动的情况下也能获得满意的诊断图像。Haste序列的优点是对患者运动和呼吸不敏感使它非常适合胎儿成像[5]。缺点包括由于T2在采集的N个回波链使图像模糊,较高的SAR值和较低的信噪比[6]。对于胎儿成像,我们通常使用一个翻转130°角为调整脉冲。这样可以减少能量沉积,但代价是降低信噪比。在临床的操作中，尝试过使用螺旋桨技术(Propeller)的采集方法来降低移动伪影。结果证明螺旋桨技术确实可以降低小幅度运动的伪影，但对于大幅度的胎动伪影并没有优势。

1.3 并行采集技术(Parallel Acquisition)

近年来磁共振成像最重大的进展是并行成像技术。它已经成为磁共振胎儿检查的重要手段[7]。并行采集技术的基本理论是减少K空间采集的密集度。利用相控阵线圈的优点可以采集较少的MRI信号进行K空间相位编码的低密度填充得到矩形的视野先进行傅里叶变化后再利用相控阵线圈的参考扫描的敏感度去除卷积伪影最后获得需要的磁共振图像,见图2。

图2 并行采集获得MRI图像Fig.2 Collected two phased-array coil K-space filled with low-density conducts after Fourier transform to obtain a convolution image artifacts and with reference to the scan sensitivity parallel acquisition, obtains MRI images after the above processing.

并行采集技术不但能够有效的减少扫描时间。其重大的意义在于能使用多组相控阵线圈通过减少回波链的长度降低图像的模糊效应来提高图像的信噪比[8]。快速填充K空间的方法虽然加快了采集时间和减少了胎儿的运动伪影，但这是以牺牲信噪比作为代价的。并行采集技术的应用使图像的信噪比有所提高，通过减少相位编码填充的次数，使信噪比和采集时间都有所优化。比如使用相控阵线圈2组分别采集信号相当于普通表面线圈采集2次，减少了一半的采集时间的同时，根据式(1)可的信噪比提高了1.41倍。图3A图未使用sense技术，图3B使用sense技术后的图像，显而易见B图的信噪比更好。胎儿头颅透明隔间隙存在，侧脑室后角宽。

图3 SSFSE序列横断位T2图像Fig.3 In SSFSE axial T2 image sequence,

2 胎儿磁共振的临床应用

2.1 SSFSE T2加权序列

单次激发快速回波序列(SSFSE)T2加权序列和半傅里叶采集单次激发快速自旋回波序列(Haste) 是磁共振胎儿成像的最重要的序列[9]。飞利浦的单次激发快速回波序列称SS-TSE序列，GE称为SSFSE序列，西门子称为Haste序列。SSFSE序列的特点是能够扫一层出一层图像，即便胎动频繁对图像的影响小。这些序列能够清晰的显示胎儿解剖学结构。尤其适用于胎儿大脑充满流体的腔包括(鼻腔、口腔、咽喉、气管、胃和小肠,泌尿系统,胆囊)、以及肺和胎盘，见图4。同时在大脑的解剖结构显示上有明显的优势,允许小FOV(最低为170 mm)成像和具有较高的组织对比。当需要评估胆囊病变时，将序列改成长TE(> 250 ms)能够提供更好的对比。,因为该序列能够描述组织内部结构(如先天性囊性腺瘤样畸形等)[10]。2006年Brugger报道了在常规胎儿成像序列的基础上的重T2加权单次激发序列，显示了子宫内的新的面貌[11]。重T2加权图像便于评估整个胎儿,胎儿比例、表面结构和四肢。

图4 SSFSE的横断位T2序列显示胎儿颅内的解剖结构Fig.4 SSFSE the axial T2 sequences can clearly display the fetal intracranial anatomy.

2.2 稳态自由进动序列(SSFP)

快速稳态自由进动序列(SSFP)提供的T2影像具有良好的组织对比[12]。飞利浦的快速稳态回波序列称为Balance TFE序列， GE称为2D FIESTA序列，西门子称为True FISP序列。SSFP序列的特点是无间隔,负间隔扫描,可用于回顾性重建。SSFP是磁共振胎儿成像中的白血序列即血管呈高信号。图5能清楚的显示血管结构尤其是周围有复杂血供的组织:如肝内血管,颈部和四肢血管。此外,这些是唯一能清晰的显示胎儿心脏的序列，可以完成胎儿心脏的动态成像。

图5 SSFP序列矢状位血管呈高信号Fig.5 SSFP sagittal sequence shows high signal sequences vessels, for the diagnosis of fetal congenital heart a great help.

2.3 T1加权成像

各种不压脂T1加权序列一直用于胎儿磁共振成像。飞利浦的T1加权回波序列称为TFE序列， GE称为FIRM序列，西门子称为FLASH序列。T1的扫描时间较长，空间分辨率不如T2[13]。孕产妇屏气状态下对于提高图像质量有一定的效果。从20孕周起垂体、甲状腺在T1加权序列中是高信号。检测胎儿甲状腺肿[14]和甲状位置可能提供额外的信息以防胎儿颈部疾病。在T1中肝脏也是高信号,因此T1加权序列已经被用来确定先天性膈疝的位置[15]或腹壁缺损。由于高信号的胎粪能清晰的显示肠段(大肠、小肠)，T1加权序列在胎儿腹部成像中是有重要意义的[16]。此外,T1加权序列能确定大量的脂肪组织,推算胎龄,可以界定胎儿的营养状况[17]。也可用于颅内出血和脂肪瘤的检测[18-19]。

2.4 扩散加权成像(DWI)

扩散加权成像序列可以在不到20 s的时间中获得胎儿磁共振成像。这项技术越来越多的应用在胎儿的脑部检查[20]，由于DWI检测缺血脑损伤有较高的敏感度[21]。图6变化的表观扩散系数(ADC)已被证明可以评估产前大脑的成熟度[22]。DWI也被用于研究胎儿肺成熟和胎儿肺扩散被[23]。

2.5 MRS的应用

近年来磁共振光谱学已经成功应用于磁共振胎儿成像，大脑的磁共振光谱成像显示信号为肌醇(Ino),胆碱(Cho),肌酸(Cr)和N -乙酰(NA)化合物。实验结果表明：从30到41孕周绝对组织水平的钠、NA / Cr比值和NA /Cho比值升高,而Cho/ Cr的比值降低。这些值的变化反映了大脑的成熟[24]。同时第一篇有关磁共振功能成像(fMRI)也被发表[25]。但MRS采集时间过长，只适用于孕周较长的胎儿。随着影像技术的发展，在未来的磁共振胎儿检查中会起到重要的作用。

2.6 SWI的应用

SWI是一种利用不同组织间的磁敏感性差异而成像的技术，对小静脉、微出血和铁沉积更敏感。飞利浦公司称为VenoBOLD 静脉血氧水平，GE称为SWAN是T2加权血管造影，西门子称为SWI磁敏感加权成像。SWI序列的特点是以T2*加权梯度回波序列作为基础具有三维、高分辨率、高信噪比等特点。SWI是一项全新的技术，现阶段还没有关于磁敏感加权在胎儿磁共振的应用的报道。将来可能成为检出胎儿颅内微出血的主要手段。

图6 不同b值的DWI图像对于诊断缺血型脑损伤Fig.6 Various B-value DWI images helps a lot for the diagnosis of ischemic brain injury.

3 安全性控制

3.1 场强对于胎儿的影响

过去十几年里，已经有大量的文献记载在磁场强度对于胚胎发育的影响。有证据表明,磁场能改变早期的青蛙胚胎分裂,但是这个效应不影响胚胎的发育[26]。 有研究表明,磁场可以影响小鸡胚胎发展,但这些结果对于哺乳动物的影响并不一致[27-28]。总的来说,结论证明在低于1.0T的场强影响下是无副作用。但高于1.5T场强时可能改变DNA修复机制。

3.2 梯度场噪声对于胎儿的影响

梯度场产生的MRI噪声可达120 dBA。这样的噪声水平是否会损伤胎儿耳朵是一个问题。Glover等报道胎儿的耳朵充满了羊膜流体防止能够减少外部噪声对耳朵的损伤[29]。有三个方法能降低噪声对于胎儿和产妇的影响：

1)产妇可以佩带听力保护装置的耳机来减少噪声；

2)使用海绵垫使检查部位和线圈隔离；

3)尽量选择噪声较小的脉冲序列同时缩短检查时间。

3.3 SAR值的升高对于胎儿的影响

关于磁场强度使SAR值升高对于胎猪体温变化实验表明,在MRI采集过程中测量羊水、胎脑和胎腹的温度，未发现温度变化[30]。Hand等报道胎儿在MRI检查中暴露于一个峰值约为40-60%的值在64 MHz,增加到约50-70%至127 MHz，符合美国食品和药物管理局(FDA)及国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)标准需要控制的SAR值的平均值[31]。在设置扫描参数时，所有序列都要控制SAR值在3.0以下。

4 结论

随着MRI序列和并行采集技术的发展，使磁共振胎儿检查越来越多的应用于临床。由于常规的胎儿B超检查有一定的局限性。磁共振检查能够任意位置定位，有较高的信噪比和图像对比度是B超检查很好的补充。而且实验证明，目前1.5T磁共振的磁场强度对胎儿没有影响。这些优势对于将来磁共振胎儿检查普及，提供了很有利的条件。

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