前瞻性3.0 T MRI梯度多回波序列参数优化可行性研究

黄海波，周亚丽，李致忠，管俊，覃明

1.解放军第303医院医学影像科，南宁 530021

2.解放军第303医院血液科，南宁530021

3.广西卫生职业技术学院，南宁530023

肝铁定量检测对铁代谢紊乱如原发性血色素病、地中海贫血(TM)、镰状细胞病、再生障碍性贫血以及骨髓增生综合征等铁过载病人具有重要意义，过量铁主要沉积在肝脏(70%～90%)[1-2]，铁沉积导致组织器官T1、T2和T2*弛豫参数短缩的机理为MRI无创性评估或铁定量开辟了一种新技术并已经临床及动物基础研究[3-5]证实。其中T2*(1/R2*)成像是目前肝铁定量常用MRI技术之一，笔者拟通过对专用水模及志愿者肝扫描，前瞻性探讨提高梯度场强和射频功率、增加采样带宽、减少频率编码点阵、应用半回波及并行技术以缩短TEmin和ST的梯度多回波序列参数优化可行性，期望提高3.0 T MRI铁过载检测可信度、最大阈值及受检者依从性。

1 材料与方法

1.1 资料

模拟铁沉积MR专用标准水模一个(澳大利亚Ferriscan公司提供)，内含浓度(0～3.2)mM氯化锰盐酸混合液小瓶15只，因边缘两小瓶变形被剔除共13只纳入研究。

2014年7月至8月在我院影像科肝扫描志愿者45例(男29例、女16例)，平均年龄40(8～76)岁，其中正常肝脏15例，慢性肝病-肝硬化或合并肝细胞癌12例，地中海贫血肝脏18例(包括10例重度铁沉积者)，临床病例分组标准：正常肝组为AST、ALT、胆红素指标均正常，SF＜300 ug/L，无输血史；非重度铁沉积组为慢性肝病史及AST、ALT、胆红素任意一指标异常，或300 ug/L≤SF≤2500 ug/L；重度铁沉积组为AST、ALT、胆红素异常及SF＞2500 ug/L。纳入标准：无幽闭恐惧及磁共振检查禁忌、年龄大于8岁且语言沟通无障碍；研究获我院医学伦理委员会批准，志愿者均完成扫描并纳入研究，志愿者或其监护人签署知情同意书。

1.2 设备与方法

采用Philips Achieva 3.0 T扫描仪，扫描前水模静置磁体室3 h，扫描以水模等中心定位，应用SENSE HEAD 8 coils先后扫描研究与对照T2*序列，退出再次进床及次月重复水模校准扫描；志愿者肝扫描应用Sense XL Torso 16 coils配合呼吸门控，仰卧位呼气末单次屏气扫描肝门上一层面横断面，按定位像、匀场与参考扫描、常规横断面T1WI、冠状和横断面T2WI(参数略)、12-echo GRE序列执行，T2*序列参数设置如表1，TEstudy=0.6、1.3、2.0、2.6、3.3、3.9、4.6、5.3、5.9、6.6、7.3、7.9 ms，TEcontrol=1.3、2.7、4.1、5.5、6.9、8.3、9.7、11.1、12.5、13.9、15.3、16.7 ms，扫描完成后保存原始数据。

1.3 数据处理

由接受良好培训影像医师利用CMR tools或结合特殊设计Excel软件处理MRI扫描数据(DICOM)：(1)测量并记录扫描水模各小瓶、志愿者肝T2*值，避开肉眼可分辨脉管、局灶病变和伪影，水模ROI位于小瓶内，肝测量ROI约3～5 cm2，取右叶3个及左叶2个，软件自动计算水模或肝T2*值，取三次测量平均为最终结果并推算R2*(1/T2*)；(2)读取和记录研究与对照序列首回波值、扫描时间。

1.4 统计学处理

利用SPSS 16.0软件包，计量资料以±s或+范围表示。应用配对样本t检验或两相关样本秩和检验探讨研究与对照序列扫描水模间、志愿者肝之间T2*、TEmin、ST差异；使用多样本非参数检验分析水模研究序列、重复及次月扫描T2*组间差异性；采用两变量相关与回归研究水模与PhC相关性；评估序列肝铁定量价值和限度。P＜0.05表示有统计学意义。

1.5 活检病理肝铁浓度(LIC)、T2*(1.5 T)值及血清铁蛋白(SF)极重度标准[6]。

正常LIC≤2 mg/gdw、T2*≥6.3 ms；轻度铁沉积2 mg/gdw＜LIC≤5 mg/gdw、2.7 ms≤T2*＜6.3 ms；中度5 mg/gdw＜LIC≤10 mg/gdw、1.4 ms≤T2*＜2.7 ms；重度10 mg/gdw＜LIC≤15 mg/gdw、0.96 ms≤T2*＜1.4 ms，极重度LIC＞15 mg/gdw、T2*＜0.96 ms、SF＞2500 ug/L。

2 结果

研究和对照序列TEmin分别为0.61～0.69(0.62±0.02)ms、1.31～1.37(1.33±0.01)ms，资料不符合正态分布，经两相关样本非参数检验，两序列间TEmin差值总体均数与0差异有统计学意义(Z=-5.843，P=0.000)，研究序列TEmin缩短约53.0%。

研究和对照序列ST分别为8.1～10.0(9.3±0.8)s、14.6～17.8(16.9±1.3)s，资料不符合正态分布，经两相关样本非参数检验，组间ST差值总体均数与0差异有统计学意义(Z=－5.906，P=0.000)，研究序列ST缩短约45.0%。

志愿者非重度铁沉积35例研究与对照序列扫描肝T2*分别为2.25～27.50(13.01±8.12)ms和2.29～29.85(12.88±7.84)ms，严重铁沉积10例研究与对照序列扫描肝T2*分别为0.29～0.84(0.54±0.17)ms和0.68～1.98(1.33±0.39)ms；资料均符合正态分布，T2*差值分别为(0.21±0.97)ms、(0.79±0.55)ms；经配对样本t检验，非重度铁沉积肝T2*差值总体均数与0的差异无统计学意义(t=1.304，P=0.201)，而严重铁沉积肝T2*差值总体均数与0的差异有显著统计学意义(t=-4.523，P=0.001)，研究序列T2*检测可信度较高，铁沉积严重病例对照序列甚至无法获得可信结果(图1，2)。

研究与对照序列水模13只小瓶T2*值分别为1.96～17.42(7.22±4.97)ms和1.95～17.77(7.23±4.94)ms，研究序列重复与次月扫描T2*值分别为1.97～16.96(7.15±4.74)ms和2.00～17.17(7.11±4.82)ms；资料符合正态分布，研究与对照序列T2*差值为(0.01±0.14)ms，总体均数与0比较无统计学差异(t=0.240，P=0.814)(图3，4)；经多样本非参数(Fridman)检验，研究序列、重复及次月扫描间T2*值差异无统计学意义(χ2=1.077，P=0.584)。水模浓度(PhC)与研究序列水模R2*值如下：0.2～3.2(1.492±0.926)mM和0.056～0.498(0.2078±0.130)ms-1，两变量相关分析与曲线拟合(图5)显示两者线性正相关(r=0.986，P=0.000)，直线方程斜率为7.008，截距为0.036，R2=0.973，经检验有统计学意义(F=392.022，P=0.000)。

3 讨论

表1 T2*序列参数设置Tab.1 Parameters in T2* protocol

梯度多回波序列是设置多回波采集的稳态自由进动(SSFP)，反映T2*而非T2弛豫信息。按目的可设计8～20个回波，组织信号随TE延长以指数形式衰减，利用适当的拟合曲线和数学算法可计算得到组织T2*(=1/T2*)。CMRtools或结合Excel是目前普遍认可的肝铁定量检测软件之一，可对动物或人体肝、心脏等组织器官弛豫参数T2*和实现快速、准确、无创和重复检测[7]。梯度场强、射频功率、采样带宽、频率编码点阵、并行技术、半回波等参数调整[8]可影响首回波值、序列采集速度、k空间填充方式、图像分辨率和噪声等，不同机型用户多可按目的完成T2*序列设计。其中选择半回波采集具有缩短TEmin、加快回波采样、增强扫描层数和保持稳态和减少磁敏感伪影优点，缺点是图像信噪比有所降低。并行技术应用可缩短采集时间、增加空间分辨率或成像范围、提高动态或灌注扫描时间分辨率、减少SSEPI伪影或SSFSE的回波链以提高图像质量等。

本实验扫描发现，研究序列TEmin、ST缩短至均值0.62 ms和9.3 s，主要为半回波应用和2倍并行因子等多参数调整的结果。志愿者肝包括不同年龄和性别组正常、慢性损害及不同程度铁沉积人群，可认为肝选择有临床代表性和科学性。与对照序列相比，水模或志愿者非重度铁沉积肝扫描组间T2*测量值均无统计学差异，而在严重铁沉积组，优化参数序列则获得了可信度明显高于对照组的检测结果(图1，2)，同时控制图像噪声、分辨率、神经刺激、射频吸收和伪影等在可接受范围内，说明研究序列应用具有可行性并可提高准确性，即便分辨率较低、出现轻微伪影对数据检测也未造成影响。但分析两序列正常肝扫描数据还发现，研究序列T2*值部分检测准确性欠佳且数值偏小，这可能与序列最后一个回波时间点较短(7.9 ms)，在组织横向弛豫未完成时回波采集已经结束有关，庆幸的是，对于正常肝，临床并不需要确切准确值，因为这些肝脏不存在去铁管理。

图1 β-TM志愿者，女，13岁。血清铁蛋白8965.0 ug/L，相当极重度铁沉积。研究序列肝扫描CMRtools处理(A～C)结合Excel测算(D)显示：序列TEmin=0.61 ms，T2*=0.41 ms，拟合曲线R2=0.997。结果符合极重度铁沉积表现 图2 与图1为同一志愿者。对照序列肝扫描CMRtools处理(A～C)结合Excel测算(D)显示：序列TEmin=1.35 ms，T2*=1.60 ms，拟合曲线R2=0.968，第4回波后信号受噪声干扰严重，计算结果仅相当轻度铁沉积与病例明显不符而无法接受，由此可见研究序列结果可信度显著提高 图3 水模扫描(图A)及研究序列CMRtools处理结果(B，C)：研究序列TEmin=0.61 ms，T2*=2.58 ms，R2=0.9998 图4 同上水模扫描(A)及对照序列CMRtools处理结果(B，C)：对照序列TEmin=1.35 ms，T2*=2.63 ms，R2=0.9998；由此可见，水模扫描T2*波动小于5%，研究与对照序列扫描间T2*无统计学差异 图5 为水模与PhC之间散点图。实线为两者间拟合直线，虚线为95%CIFig.1 A 13 years old,female patient with β-TM,serum ferritin 8965.0 ug/L,equivalent to a severe iron deposit case.Images from the study sequence,CMRtools procedure(A—C)combined with Excel(D)showed:a black liver(A)with the signal almost close to the background,TEmin=0.61 ms,T2*=0.41 ms,R2=0.997.Its result was according to the patient’s clinical.Fig.2 The same case above,images from the control protocol,CMRtools procedure(A—C)combined with Excel(D)showed:TEmin=1.35ms,T2*=1.60 ms,R2=0.968,indicating a mild iron deposit,which is disagreeable obviously,thus it can be seen that it is much more reliable for the study sequence.Fig.3 MR special model(A)and CMRtools procedure(B,C)from the study sequence showed:TEmin=0.61 ms,T2*=2.58 ms,R2=0.998.Fig.4 The same model above(A)and CMRtools procedure(B,C)from the control protocol showed:TEmin=1.35 ms,T2*=2.63 ms,R2=0.9998.It follows that model T2* fl uctuation was below 5% and no statistic difference was found for T2* value between two sequences.Fig.5 Scatter plots of R2* against PhC with the linear fi t(solid line)and the 95%CI(dashed line).

国外学者研究显示组织可测量最小T2*值约为TEmin的5/7[9]，此即代表可检测最大肝铁浓度对应弛豫阈值。回顾文献资料发现，近年国内外学者[7，10-14]不同场强及型号MR扫描仪应用TEmin约0.8～6.0 ms不同序列得到肝检测最大阈值约LIC=20.0～42.7 mg/gdw，其中Storey等[12]使用1.5 T和3.0 T扫描仪设计TEmin为1.2～2.0 ms，16回波梯度序列对临床20正常和14例输血依赖病人成像对比研究，发现LIC最大检测阈值约37.0 mg/g干重。St Pierre等[10]在多中心1.5 T扫描仪应用R2法实现肝铁浓度阈值约42.7 mg/g dw检测。胡粟等[13]报道采用3.0 T磁共振仪8回波GRE序列(TEmin=1.98 ms)对32只成年铁过载兔肝模型扫描，结果只能完成肝铁浓度小于20 mg/g干重的可信定量，该作者同时认为感兴趣区设置方法影响R2*的测定[14]。Hankins等[15]建议为了获得准确度，LIC＞25 mg/gdw时需要发展更敏感的超短回波序列。说明肝铁浓度MRI定量存在饱和上限，尤其应用3.0 T设备更加明显，因为横向弛豫衰减随着磁场提高而失相加速、信号消失更快。笔者本组重度铁沉积扫描亦显示出TEmin=1.33 ms的常规参数序列甚至无法提供可信的检测结果。与常规序列、目前国内外学者[3，12-19]设置1.5 T或3.0 T同类序列上TEmin约1.2～2.5 ms和ST约15～18 s相比，研究序列取得更短TEmin值和ST，明显提高T2*检测可信度(图1，2)及受检者依从性，这有望提高肝铁沉积检测阈值。

本研究的问题与不足：(1)实验序列未能提供铁沉积定量阈值评估；(2)缺乏活体肝与活检原子分光光度计定量关系探索；(3)严重铁沉积病例数较少，可能会造成结论准确性的偏倚；(4)仅完成首回波分别为1.33 ms和0.62 ms、2倍和无并行加速的参数调整与讨论，未对最佳设置评价。这些问题的解决有待于进一步动物基础实验、增加严重铁沉积病例及更科学序列设计的研究。

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