短T2组织磁共振成像技术研究进展

雷格格，张光锋，贾慧惠，吴继志，常严，易佩伟，盛茂，杨晓冬

1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163；3.苏州大学附属儿童医院放射科，江苏苏州215025；4.南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515

前言

磁共振成像（MRI）具有良好的软组织对比度和空间分辨率，可弥补X线和CT成像的不足［1］。除软组织以外，还存在一类“质地较硬”的短T2组织，这类组织的T2值一般在10 ms以下，有的甚至不到1 ms。常见的短T2组织包括肌腱、韧带、半月板、骨膜、皮质骨、牙本质和牙釉质，除此之外，还有一些病变如慢性纤维化、神经胶质增生、器官硬化等也会使部分组织T2降低到短T2组织范畴。通常MRI序列的回波时间大于1 ms，因此短T2组织信号还未采集到k空间中心时就已经大幅度衰减到几乎为零［2］，造成常规MRI图像信号特征不足，无法对上述组织的病变进行有效诊断。随着MRI技术的发展，短T2组织成像已在临床获得广泛应用，此外，还可通过定量MRI技术来获取短T2组织的生化信息［3］。

从MRI基本原理上可将短T2组织成像方法分为两大方面，分别是改变组织的T2时间和缩短序列的回波时间，前者包括利用魔角效应［4］和造影剂成像［5］，后者常用的方法有可变回波时间成像（Variable Echo TimeImaging,vTE）［6］、超短回波时间成像（Ultrashort Echo Time Imaging,UTE）［7］、零回波时间成像（Zero Echo TimeImaging,ZTE）［8］等技术，使用这些技术能够实现对T2＞100 μs的短T2组织成像，并能显示大多数短T2组织的病变信息［2］。但是UTE和ZTE的图像往往存在对比度不佳的问题，通过长T2组织抑制技术可以提高图像质量，获得更丰富的形态学信息。近年来，为了实现病变的精准评估，定量MRI技术也被广泛应用于短T2组织，定量MRI技术通过特定的序列获得短T2组织的相应弛豫参数，从而反映病变发生发展过程中的生物学和病理生理学信息（如蛋白多糖、糖胺聚糖、自由水、结合水和组织胶原等含量变化），为短T2组织的精确评估提供了可能。目前应用最为广泛的定量技术包括延迟钆MRI［9］、T2mapping［10］、T1ρ mapping［11］、T2*mapping［12］等。

1 常规短T2组织成像方法

1.1 利用魔角效应成像

利用魔角效应成像主要原理是在偶极相互作用下，固态或半固态组织中水分子与胶原纤维具有较短的T2，当组织与静磁场约55°角（魔角）时，偶极作用消失，造成T2明显延长［4］。

Berensden等［13］首次观察到肌腱的T2值对磁场的方向具有高度依赖性。Wang等［14］发现人体股骨软骨T2值的角度依赖性与软骨组织细胞外基质的结构有关，这一发现对骨质疏松的诊断有重要意义。Shao等［15］研究正常和异常软骨组织不同区域T1ρ和T2的角度依赖性，结果表明较深层关节软骨对魔角效应更敏感。

利用魔角效应成像不需要改变原始序列，即可提高短T2组织在MRI图像中的对比度，但扫描时患者需长时间保持被测部位在固定角度，因而不适合全身各部位的短T2组织成像。

1.2 注射造影剂

MRI造影剂本身不产生信号，通过与氢核发生磁性的相互作用，改变水质子的弛豫效率，形成组织间的对比，从而达到造影目的［5］。

用于短T2组织的MRI造影剂通常分为顺磁性和超顺磁性。顺磁性金属离子主要包括Gd3+、Dy3+、Mn2+和Fe3+等镧系元素或第四周期过渡元素，其中，钆剂是最先被应用于临床医学的造影剂，但钆离子有毒性且易在骨中累积，不利于临床推广［16］。顺磁性造影剂Gd-DTPA采用静脉注射方式，利用骨的再吸收过程释放Gd3+到血液中，有效缓解Gd3+的毒性沉积，是目前骨组织成像最常用的MRI医学造影剂［17］。Gd-BPAMD 和Gd-DOTA均是可于骨成像的MRI顺磁性造影剂，具有很好的骨细胞靶向性［18］。超顺磁性氧化铁（SPIO）是一种静脉注射MRI造影剂，通过内吞作用与吞噬细胞结合，能很好地鉴别骨髓基质细胞的癌变，具有较好的均匀性和靶向性，但是对较短T2组织（骨关节等）显影效果不是很好［19］。

注射造影剂可以达到良好的显影效果，但是该技术存在成像时间长、有造影剂残留、部分造影剂有毒性等不足，而且侵入式手段会给病人带来身心的痛苦。随着纳米技术的发展，应用于短T2组织成像的造影剂将趋向于微创、高效、无毒和靶向性等方向发展。

2 短T2组织成像序列技术

2.1 vTE

vTE技术充分利用梯度系统硬件的最大幅度，通过减小回波序列的相位编码时间来缩短k空间中心行的回波时间，从而可获得丰富的短T2组织结构信息［6］。

Ying等［20］首次提出vTE技术的相位编码理论，并进行了实验验证。与常规MRI相比，该方法可以显著缩短回波时间，但Constable等［21］发现使用常规的vTE技术，回波时间的急剧减少可能会造成小病灶信号的丢失。Deligianni等［22］用vTE技术结合非对称读出梯度和专门的欠采样数据重建算法将回波时间缩短到亚毫秒量级，该方法可在临床能接受扫描时间内获得高信噪比和高分比率的图像。

vTE技术虽然能有效地缩短回波时间，但可能会产生明显伪影和造成对比度下降，而且由于梯度硬件的限制，回波时间不能无限缩小，这一定程度上限制了部分短T2组织的MRI。

2.2 UTE

二维UTE技术利用半个sinc脉冲配合正反层选梯度进行激发后，立即采集信号，并将两次采集的信号从中心向外填充一条完整的k空间线［23］。目前该技术可以将回波时间缩短到8 μs，能对大多数短T2组织（如皮质骨、钙化软骨、半月板、韧带和肌腱）直接成像［24］；且结合定量技术可精确获取组织的生化信息［25］。同理，使用短时硬脉冲进行全激发和三维放射状采集可实现三维UTE。

为进一步提高UTE的成像速度，Rettenmeier等［26］提出同时多层UTE，该方法可以在3 min内获得具有短对比度的多层图像，成像速度是常规UTE的8倍。Jerban等［27］利用UTE结合定量成像技术获得了骨关节组织孔隙变化信息，表明UTE结合定量成像技术可用于骨类疾病的损伤和修复。Chen等［28］利用优化的三维UTE序列获得3T下跟腱及其附着点的清晰的形态学图像，并结合定量方法获取跟腱的生理学信息（如T2*、T1和磁化转移），该技术可为鉴别血清阴性关节炎和相关疾病提供帮助。

UTE技术是研究短T2组织常用的MRI技术，能直接显示短T2组织信号。在保证成像质量的情况下，UTE技术目前已经能将回波时间缩短到微秒量级，这是vTE无法实现的。但由于缺乏大规模的临床试验数据，UTE技术在临床尚未完全普及。

2.3 ZTE

相比于UTE技术，ZTE技术具有更高的效率，其原因在于其能在大带宽脉冲激发前施加读出梯度，在最高采集占空比的情况下立即进行空间编码，信号读出后仅需很短时间即可进行下一次射频激发，无需在重复时间（TR）之间进行梯度切换，从而可获得低噪音扫描效果［8］。ZTE序列的数据采样发生在读出梯度的平稳期，因此可避免斜坡采样相关的图像失真［29］。此外，ZTE技术在激发过程中存在空间编码梯度，使硬脉冲在空间上具有选择性，从而导致图像模糊和伪影的产生，Li等［30］提出利用二次相位调制的方法，对磁矩激发轮廓进行校正，从而消除非均匀激励引起的图像伪影。Weiger等［31］利用ZTE技术获得11.7T场强下人体牙齿的清晰MRI图像，用于早期识别龋齿病变。Delso等［32］首次利用质子密度加权ZTE技术进行颅骨鉴定，结果表明该方法可获得高分辨率骨组织图像，且具有足够的解剖精度。

目前，ZTE技术已应用于对T2约为数百微秒的样本或者动物组织进行成像，但由于射频切换速度的限制（几十微秒左右），该技术尚未广泛应用于临床［8］。未来更短的脉冲时间、更快的收发切换速度、更灵敏的数字带通滤波器等硬件支持以及径向采集过采样和代数重建算法等软件支持将有助于ZTE技术的临床推广。

3 长T2组织抑制

基于UTE或ZTE技术虽然实现了短T2组织MRI，但是短T2组织（如骨、软骨等）的信号往往会被周围长T2组织（如脂肪、肌肉等）更强烈的共振信号所掩盖，通常需要抑制长T2组织的信号来提高图像的对比度，常用的技术包括绝热反转恢复［33］、长T2饱和［34］、回波图像差分［35］等，使用长T2组织抑制技术可以显著提高UTE或者ZTE图像的组织对比度。

绝热反转恢复法是利用脂肪和水的纵向弛豫时间不同，通过选取适当的恢复时间（TI）和翻转角度（θ），可选择性地使水或者脂肪信号恢复为零，而对短T2组织的磁矩影响很小。与传统反转恢复不同，绝热反转恢复技术是用长绝热反转脉冲取代硬脉冲激发［33］，其优势在于对射频场不均匀性不敏感，可稳定地实现长T2组织磁矩的有效反转，但要求射频脉冲的幅值大于绝热极限。同时，绝热反转脉冲的设计带宽也非常重要，为避免短T2组织的信号衰减，通常需要窄带宽绝热脉冲，但由于组织抑制对共振偏移较敏感，因而应根据具体应用对带宽进行调整［36］。

长T2饱和技术的原理是首先施加具有多个频带的饱和射频脉冲激发长T2组织的核自旋，然后在水平方向采用预散相梯度使长T2组织在水平面散相，再用UTE技术激发，进而实现短T2组织成像［34］。长T2饱和技术可较好地抑制肌肉和脂肪的信号，从而增强短T2组织的对比度。该方法对主磁场均匀度比较敏感，容易产生伪影，且该方法仅适用于较小范围的脂肪抑制［37］。

回波图像差分方法是先后获得两个回波图像，前者包含长T2和短T2组织信息，后者则仅包含长T2组织信息，通过两回波图像加权相减可选择性地显示短T2组织［35］。该方法简单有效，对长T2组织的抑制效果明显，但图像相减过程中会引入噪声。

4 短T2组织的定量MRI评估

常规MRI是从形态学的角度评估短T2组织病变，而定量MRI是通过从图像中获取T2、T2*、T1、T1ρ等弛豫参数信息，反映组织中糖胺聚糖、蛋白多糖、自由水和结合水等含量变化，进而精确而全面地评估组织病变的一种技术，当前常用于短T2组织定量成像的技术有延 迟 钆MRI［9］、T2mapping［10］、T1ρ mapping［11］、T2*mapping［12］等技术。

4.1 T2 mapping

T2mapping 技术是最常用的定量MRI技术，常用序列包括自旋回波（SE）、快速自旋回波（FSE）和多回波自旋回波（MESE）序列等［10］，通过多个回波图像逐像素拟合的方法得到T2mapping，用于评估软骨含水量变化和胶原纤维方向。有研究表明T2弛豫时间的增加与胶原纤维完整性的丧失和软骨基质中含水量的增加密切相关［38］，因此，T2值的增加可被视为早期软骨损伤的生物标志物。但常规T2mapping技术存在采集时间较长等问题，Ben-Eliezer等［39］提出一种基于Bloch重建的后处理方法，可弥补常规T2mapping技术在采集时间上的缺陷。

Kijowski等［40］发现T2mapping序列可以显著提高检测膝关节内软骨损伤的敏感性，同时能有效改善对早期软骨退化的鉴别能力。Ogon 等［41］发现MRIT2mapping技术可代替侵入性椎间盘造影，作为诊断椎间盘源性疼痛的定量方法。

T2mapping能够反映软骨中水分含量、蛋白多糖含量以及胶原纤维排布等综合信息，这有助于在软骨形态发生变化之前检测软骨组织的异常，但由于短T2组织的胶原纤维取向敏感性，T2mapping易受魔角效应的影响［42］。寻找较好的规避方案将会进一步提高T2mapping诊断的准确性。

4.2 软骨动态和延迟钆增强MRI（dGEMRIC）

dGEMRIC是检测早期软骨退化最敏感的定量MRI方法，待静脉注射带负电钆基造影剂并扩散均匀后，进行一系列T1加权扫描，计算获得T1mapping，进而评估软骨组织的病变情况。dGEMRIC可从分子水平对软骨进行生理学成像，能敏感地反映早期病变软骨基质中糖胺聚糖的变化，而X射线和传统MRI无法检测到这种软骨异常。

Crema等［43］发现软骨在退化早期，其肿胀引起的蛋白多糖浓度的降低可能与软骨厚度的增加有关，而软骨厚度的增加会引起dGEMRIC 指数的降低，该发现表明dGEMRIC 指数的变化对软骨的早期退化有较好的预测作用。Bekkers 等［44］发现dGEMRIC 技术能监测再生软骨治疗后的软骨修复情况。目前，dGEMRIC 技术不但可用于早期软骨损伤诊断，也能成为髋关节损伤评估的首选方案［45］，但该技术存在造影剂浓度调整和造影剂注射后成像延迟等问题［46］，开发高分辨率的dGEMRIC 脉冲序列是dGEMRIC技术的发展趋势［47］。

4.3 T1ρ mapping

T1ρ mapping将自旋回波、梯度回波或UTE序列与自旋锁定（Spin-Lock）调制脉冲相结合，通过设置不同自旋锁定时间获得多组回波图像，进而利用逐像素拟合的方法计算T1ρ［11］。T1ρ反映了自由水、结合水与软骨细胞外基质中大分子之间的相互作用，能及时反映软骨损伤后蛋白多糖含量以及水含量的变化，因此，与dGEMRIC技术和T2mapping 技术相比，T1ρ mapping可对早期软骨组织病变进行更好的综合评价，用于区分不同级别的骨质疏松病变［48］。

T1ρ mapping技术有利于骨关节炎的早期检测，但由于扫描时间长，临床应用有限。Pandit等［49］提出利用压缩感知和数据驱动的并行成像（笛卡尔采样的自动校准重建）相结合的数据处理方法，弥补常规T1ρ mapping成像时间过长的缺点。与T2mapping 技术相比，T1ρ序列的自旋锁定脉冲可消除胶原蛋白的残余偶极相互作用，削弱魔角效应对定量结果的影响［50］。但由于自旋锁定调制脉冲的能量较高，存在灼伤组织的风险，需要适当调整脉冲的宽度和时间。

4.4 T2*mapping

5 结语

早期利用魔角效应成像和注射造影剂等技术可以获得大多数短T2组织的形态学信息，但还存在成像时间过长以及侵入式注射等缺陷。随着短回波时间成像序列的开发，vTE、UTE和ZTE技术逐渐被应用于临床研究。这些成像技术的发展扩大了MRI在短T2组织成像上的应用范围，但它们对梯度性能和射频性能有特定的硬件要求，未来硬件的提升和新序列的开发将会促进这些技术广泛应用于临床。

近年来，定量MRI技术为临床提供了一种无创的生物学诊断工具，从而实现短T2组织的精准诊疗。常用的短T2组织的定量MRI方法包括延迟钆MRI、T2mapping、T1ρ mapping、T2*mapping等。但是，目前短T2组织的定量MRI技术缺乏统一的标准，临床研究大多只针对单一序列，这些序列的组合使用以及统一全面的评估体系的建立将会是短T2组织定量成像的发展趋势。