超极化气体肺部磁共振成像

王晶 国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心 （北京 100081）

内容提要： 肺病是全球高发疾病，早期诊断是成功治疗的关键，但目前尚缺乏有效反映肺功能的非侵入性检查方法。超极化气体MRI是一种新兴技术，满足了肺部功能成像需求。与质子MRI不同，超极化气体肺部MRI可以肺部气体空间或肺部组织内的自旋成像，为肺部MRI增加了实质性的价值和诊断潜力。文章介绍了超极化气体MRI技术的发展现状。

根据美国癌症学会发布的2018年癌症统计数据，肺癌是全球发病率（11.6%）和病死率（18.4%）排名首位的恶性肿瘤疾病[1]。由于空气污染、烟草吸食、老龄化等多种因素影响，我国人民肺部健康形势不容乐观，肺部疾病的早期诊治是当前医疗领域的重点问题。临床常用的肺部影像检查方法，例如X射线摄影（DR）、计算机体层成像（CT）和正电子发射计算机体层成像（PET-CT）等均存在放射性伤害，无法直接评价肺部器官的气-气、气-血交换功能。磁共振成像（MRI）无放射性伤害，软组织图像对比度较好，作为一种影像学研究方法适合用于器官功能评价。临床常规MRI的图像信号来源于人体内部的水质子（1H）。虽然多数实体器官中1H分布丰富，但是肺部主要由气体和空腔组织构成，导致肺部MRI图像质量较差，阻碍了MRI在肺部疾病的临床应用。基于MRI技术，科研人员尝试了注射Gd造影剂灌注成像（PWI），基于内源性示踪剂的动脉自旋标记成像（ASL），以及其他特殊造影剂（19F、17O等）增强成像等，对肺实质组织开展了多项研究，均存在不足之处。关于肺部通气功能，临床目前缺乏真正无创、无放射性的影像学评价方法。

1.超极化气体成像

惰性气体的化学性质稳定，对人体安全，经超极化处理后能够大幅度提升气体极化度，增强磁化矢量[2]。采用超极化惰性气体作为MRI造影剂，可有效改善肺部图像信噪比，供临床用于肺部通气成像。超极化气体MRI的技术原理和实现过程较为复杂，关键步骤是将吸入肺部的惰性气体进行超极化预处理，需要高效率的惰性气体极化装置。由于目标原子核的共振频率不同，通常面向1H频谱的临床常规磁共振成像设备无法直接用于惰性气体成像，需要研发专用的宽频带谱仪、射频放大器和线圈，以及特殊的肺部成像序列等[3]。

1.1 惰性气体超极化

超极化装置是惰性气体成像的核心环节，工作原理如下（见图1）：①将碱性金属（铷Rb等）在真空环境中进行加热气化；②利用自旋交换光泵（SEOP）原理，施加外部磁场，激光照射激发气态碱性金属原子跃迁至高能态；③均匀混合金属气体与惰性气体（3He，129Xe），借助气体分子碰撞进行能量交换，实现惰性气体分子的超极化处理；④将超极化后的惰性气体通入置于永磁体中的冷却收集装置（液氮冷阱），低温环境下固化和分离惰性气体。

表1.常见超极化气体的物理特性[5]

图1.典型的129Xe超极化过程示意图（注：首先向激光极化腔内注入1%极化度的129Xe、89%4He和10% N2的混合气体，完成自旋交换光泵过程（SEOP）。当混合气体流出极化腔后，由于129Xe在77K低温（液氮）环境下会快速结冰，可以利用液氮将129Xe冷却固化，与4He、N2进行分离。累积收集一定剂量的固态超极化129Xe，在成像前预置于室温下解冻，装入医用气体袋中保存，供患者吸入后进行MRI扫描。保存于气袋中的超极化气体半衰期约为1h。）

1.2 多核磁共振成像设备

3He和129Xe的旋磁比与1H（42.576 MHz/T）差异较大，需要特制的宽频带谱仪和射频线圈（图2）等硬件设备，才可能实现多原子核成像（表1）。

超极化气体吸入肺部后，在短时间内无法通过弛豫作用恢复气体极化度，所以属于不可再生的造影剂。传统MRI的扫描参数和成像序列，例如90°射频脉冲、化学位移成像等，不适合直接用于超极化气体成像。为了充分利用气体极化度，超极化气体MRI一般采用小角度激发的快速梯度回波序列，在相位编码方向逐次调整激发角度，使所有相位编码扫描均具有相似的磁化矢量。结合螺旋成像（Spiral）、平面回波成像（EPI）等快速序列，以及并行加速、压缩感知等图像采集重建技术，可以进一步提高成像速度，推动肺部动态通气成像的临床应用[6]。

图2.典型的肺部超极化气体MRI的射频接收线圈[4]（注：a.超极化3H鸟笼线圈；b.超极化3H肺部相控阵线圈；c.超极化129Xe肺部相控阵线圈。肺部线圈c专门为手臂设计了单独开口，更贴合人体胸部表面。）

图3.超极化129Xe的静态肺部实质MRI图像（注：从上至下分别是：成年健康志愿者，老年健康志愿者，吸烟者（尚无COPD)，慢性肺阻患者（COPD），哮喘患者和肺纤维化患者（IPF）。）

2.肺部临床应用

在超极化气体肺部MRI检查前，应备好医用气体收集袋，装盛一定剂量的超极化气体。扫描开始后，先进行常规1H MRI采集肺部定位像和结构像。常规MRI扫描结束后，可通过语音提示患者吸入预制的超极化气体，并立刻屏住呼吸，开始进行超极化气体成像。超极化气体吸入患者肺部后，经气管和支气管逐级深入扩散至肺泡，充盈整个肺部，在此过程中可以同时进行超极化气体成像。

超极化气体MRI的图像信号与肺脏健康程度直接相关。超极化129Xe图像可以反映不同肺部疾病状态的通气模式[3]。一般而言，健康人的气路顺畅，吸入的超极化气体在肺内分布均匀；患者肺部结构和功能产生病变，导致肺内超极化气体分布不均匀，引起图像信号产生不同程度的缺失。此外，MRI图像信号同时受到肺内氧浓度差异的影响，而氧浓度分布与肺泡气体交换功能有关。当超极化气体吸入肺部后，与肺泡内残留的顺磁性氧气逐步混合，纵向弛豫时间T1将随着氧浓度增加而减小，进而影响磁化矢量和图像信号的变化（见图3）。

3.展望

超极化惰性气体作为一种安全的MRI造影剂，为临床评价肺部形态和通气功能提供了丰富的诊断信息。中国科学院武汉物理与数学研究所是国际上较早开展超极化气体MRI研究的科研机构，自主研制了级联激光光泵129Xe气体极化装置，采集了国内首例人体超极化气体肺部MRI图像[7]。目前该所科研团队已研制出超极化气体磁共振成像设备的整套样机，在国际上处于领先地位。国内其他高校和科研机构，例如上海交通大学、中国科技大学等，也开展了类似研究。通过科研人员、监管机构和临床医学界的共同努力，有利于促进惰性气体超极化技术创新，加速超极化气体磁共振成像的临床应用进程。