定量磁共振成像技术原理及研究进展

罗明芳，孙振博，荣 康，李祥林

滨州医学院医学影像学院，山东 烟台 264003

定量分析体内特定物质的变化往往能够表征人体病变发生与发展程度，为疾病早期诊断和治疗提供有价值的信息。相比传统定量的金标准“组织活检”，定量磁共振成像技术具有无创、可重复性好、不存在采样误差等诸多优点[1]。在疾病相关物质的检测和定量分析中，具有十分广阔的应用前景。随着磁共振成像技术不断发展，磁共振可定量的物质更广泛，定量精度逐步提高。应用特定的定量磁共振技术能够对多种疾病相关物质定量分析，针对某种特定物质，也同时具有多种定量分析方法。本文对常见定量磁共振技术及临床应用研究进展分析汇总，根据成像原理来认识多种定量磁共振技术及其优势和不足，便于在疾病诊断时有针对性的选取精准、高效的定量分析技术。

1 基于磁化传递的定量成像技术

化学交换饱和转移技术（CEST）是在磁化传递技术基础上，依靠自由水与溶质中可交换氢质子的共振频率不同来进行成像的物质定量技术。CEST技术能对包括人体内大分子物质（如蛋白质、氨基酸、糖胺聚糖等），以及外源性物质在内的多种物质进行定量。其中利用蛋白质或多肽上的酰胺基与水的化学交换频繁这一特点来进行成像的技术称为酰胺质子转移（APT）成像[2]。近年来CEST技术被广泛应用于脑部相关疾病的研究之中，也有研究将其应用于胸部、前列腺等相关疾病[3-5]。传统的CEST成像技术不能消除直接水饱和效应、磁化转移效应和不对称效应，且不对称磁化传递转移率的量化精度有限，因此在成像技术以及量化方式上不断改进优化，可提高CEST技术量化精度。随着新的量化方式不断被提出，Heo等[6]针对多种成像指标进行了验证，并认为不同的参考指标需要与实际试验相结合来选取。而Wang等[7]利用频率交替射频辐射饱和法，消除直接水饱和效应、磁化转移效应和不对称效应，从而提高APT信号的精度，其研究表明，利用频率交替射频辐射饱和法的APT成像比传统的APT成像，更能提高阿尔兹海默症诊断的准确性。在pH定量的一项研究中则发现洛伦兹分析法比不对称磁化转移分析和31P-MRS分析更具有实用性[8]。

CEST成像技术可定量的物质种类繁多，临床应用价值广泛，在获取数据时常由于技术困难使得准确性受限，并存在量化方式不统一，对磁场要求高等缺点[9]。随着量化指标的不断更新，CEST技术将会更好地服务于临床。

2 基于化学位移的定量成像技术

在均匀稳定的磁场环境下，处于不同化学环境的同种原子核所受磁屏蔽作用的程度不同，因此共振频率也有所差别，这种现象称为化学位移。利用两种质子之间存在的进动频率差异，或化学位移导致的相位差效应[10]，可以进行多种磁共振成像，其中包括化学位移同反相位成像技术、磁共振波谱成像技术。

2.1 化学位移同反相位成像技术

化学位移同反相位成像技术最早由Dixon提出及应用，故也称Dixon技术。早期三点Dixon采用对称回波成像，而后来发展起来的IDEAL技术则采用三点不对称回波成像迭代最小二乘估计算法并与多种序列相结合，从而使得成像速度得到提升[11]。在腹部成像时，通常仅需1次屏气扫描，就能同时得到水像、脂像、同相位和反相位4幅图像。通过在IDEAL基础上进行技术改进，最新技术如飞利浦公司的mDixon XD系列中的mDixon quant、GE公司的IDEAL-IQ、西门子公司的Liver Lab技术则克服了其不能完全纠正T2*效应的缺点。三者均可通过一次扫描就在原基础上增加脂肪分数图以及R2*mapping图[12]。

化学位移同反相位成像技术常用于腹部的脂肪定量评估。以IDEAL-IQ技术为代表的同反相位技术通过将R2*图整合到算法中，能产生没有被铁超载所混淆的质子密度脂肪分数图，对脂肪定量更加精确。有研究表明IDEAL-IQ技术相比于传统同反相位技术，受到铁沉积的影响更小，对脂肪的定量更加精准[13]。在其他部位脂肪定量的应用上，最新的技术也展现出了惊人的表现，有研究应用IDEAL-IQ技术定量测量颈部锁骨上脂肪含量，表明了IDEAI-IQ在其他部位应用的可行性[14]。同时以IDEAL-IQ代表的技术还在肾上腺、骨关节病变以及骨髓脂肪含量分析中体现了适用性[15-17]。

由于R2*值与铁的含量呈正相关，理论上以IDEAL-IQ为代表的相关技术还可用于铁沉积的定量分析中，联合R2*图或定量磁化率成像可做进一步技术上的对比分析研究。

2.2 磁共振波谱成像技术

磁共振波谱（MRS）成像技术是把磁共振和化学位移自旋耦合现象相结合的一种成像技术，可用于反映活体内组织代谢和生化变化情况，其中质子磁共振波谱成像（1H-MRS）在临床上最为常用。1H-MRS主要通过对水、N-乙酰天门冬氨酸、肌酸、胆碱、脂肪等的特征峰进行评价来间接评估代谢物质的含量，现已广泛应用于各个部位的疾病诊断之中。异常代谢峰或不同代谢峰的比值变化可用于脑肿瘤和前列腺癌、中枢神经系统相关性疾病的诊断以及预后评估[18]。

虽然MRS已被广泛应用，但体内MRS代谢物测量值的验证仍是一个尚需解决的问题。过去除了使用有创的方法对组织提取物进行测量外，没有其他的测量技术同MRS测量进行比较[19]。近年来，随着新兴技术的不断研发，MRS常同其他技术联合进行对比分析研究。

3 基于磁敏感加权成像的定量技术

定量磁化率成像（QSM）是在磁敏感加权成像基础上发展而来的，经过特定后处理生成定量磁化率图，来量化组织内磁化率分布的一种技术。在生物组织中，产生相位对比的内源性物质主要包括铁、血红蛋白、钙、脂质和髓磷脂等，外源性物质主要包括以钆或超顺磁性氧化铁纳米颗粒为代表的对比剂[20]。并且脑白质结构、细胞的组成和排列都可能影响组织的磁敏感性，从而产生相位对比。因此QSM常应用于脑部相关疾病的诊断评估上，如颅脑的钙化、脑动脉畸形、多发性硬化等[21]。其中在神经退行性疾病方面，QSM逐渐被证实有望成为早期评价神经影像标志物的技术[22-23]。在其他部位应用上，Sharma等[24]证实QSM在肝铁含量的分析中具有可行性。但以往的研究中脂肪的存在所引起的误差没有被解决，因此QSM联合水-脂分离技术开始被应用。如Lin等[25]运用QSM联合水-脂分离技术在肝脏铁超载的定量中进行研究，结果表明QSM联合水-脂分离技术在肝脏铁超载的定量分级中有一定的价值，特别是在同时存在脂肪变性的情况下。Sato等[26]应用QSM联合水-脂分离技术在前列腺疾病中进行了探索。在现有研究中，QSM已显示了广泛的应用前景，且组织特性的直接定位有望为疾病的发生和发展提供新的证据。

4 基于弛豫时间的定量成像技术

弛豫时间通常由分子运动和质子-质子相互作用产生，局部组织密度、蛋白质和脂质组成、顺磁性物质的浓度改变等都会对其造成影响。因此，弛豫时间的变化可以指示与疾病、病理或其他生物学过程相关的变化。目前与弛豫时间相关的定量成像主要包括磁共振纵向弛豫率成像（T1 mapping）、横向弛豫率成像（T2 mapping、T2*mapping、R2*mapping）以及近年来新兴的 T1ρ mapping。

4.1 T1mapping

T1 mapping是一种通过获取T1值来定量评估组织特性的成像技术。目前T1 mapping是定量评价心肌疾病的主要技术，T1值与心肌组织的纤维化、脂肪、水分等性质的变化有关。增强前后的T1 mapping可用于计算细胞外体积分数，对心肌疾病进行诊断和预后评估。由于呼吸和心脏的运动会影响T1值精度，所以在心脏成像时通常需要屏气或应用呼吸门控和心电图的触发。然而实现呼吸自由和心脏运动自由触发信号采集是难点[27]。但针对自由呼吸图像信号的采集，有研究验证了从多任务框架改编的自由呼吸、非心电图、连续心肌T1值和细胞外容积体积分数检测技术的准确性和可重复性[28]。

T1 mapping还可用于肝脏组织的表征，但测量的T1值通常会受到铁、脂肪和频率偏移的干扰。有学者提出了一种新的算法，解决了脂质和非共振频率的混杂效应，以提供独立于这些因素影响的水T1值[29]。而Tirkes等对4种T1 mapping改良序列在肝脏、胰腺的精度进行了比较，结果表明4种方法都具有较好的一致性[30]。尽管T1 mapping在腹部成像上展现出了应用价值，但仍需要对脉冲序列进行优化，以便在一次呼吸中采集更大的范围，同时保持较高的成像精度。

4.2 磁共振横向弛豫率成像

横向弛豫率成像是一种通过获取T2、T2*、R2*值来定量评估组织特性的成像技术。T2值对胶原纤维和水分子敏感，因此T2 mapping常用于骨关节、软骨相关疾病的研究中[31]；而T2*值对磁场均匀性敏感，T2*mapping则多用于肝脏、心脏铁沉积的研究。除此以外，T2*mapping也被用在分子影像对比剂以及诊疗一体化纳米探针的研发中[32]。由于QSM和T2*mapping均能对铁沉积进行定量，所以针对QSM与T2*mapping敏感性和准确性，关基景等[33]进行了相关研究，发现QSM的敏感性和准确性高于T2*mapping，原因可能是磁化率差异较大的组织界面R2*受影响较大。除传统的T2*mapping序列外，化学位移同反相位相关定量成像技术（mDixon-Quant系列）因能获得R2*mapping，现也被用于脂肪肝伴肝铁沉积的相关疾病研究之中[13]。

4.3 T1ρ mapping

T1ρ mapping是通过获取T1ρ值，来反映水质子与大分子物质之间的相互作用的一种定量技术。T1ρ通常对大分子与水分子之间的低频率相互作用敏感，可用于探查组织中蛋白聚糖、蛋白质等大分子的含量，因此多用于软骨、骨关节等部位。由于T1ρ mapping和T2 mapping存在技术对比，所以相关研究常将二者联合起来对疾病进行分析。如Han等[34]研究表明T1ρ mapping和T2 mapping均能较好地诊断股骨头坏死患者的软骨变性，但T1ρ mapping比T2 mapping更具有诊断敏感性和特异性。T1ρ mapping也被应用于大脑、心脏等部位[35-36]。在肝脏相关疾病中，T1ρ可评估肝纤维化。早期对大鼠的实验研究表面，纤维化程度与T1ρ测量值相关，然而，纤维化患者的临床研究结果却不一致[37]，因此需要进一步的研究来验证T1ρ在纤维化患者中的价值。近年来，T1ρ mapping在成像序列上也存在优化，各个序列均有各自的优缺点[38]。黎继昕等[39]对3种T1ρ成像序列在肝脏中的应用进行了比较，发现三种序列均有较好的应用，但不同序列需设置不同参考值范围。T1ρ mapping提供了一种不同于传统弛豫时间的成像方式以评估大分子物质所处环境，现有的临床研究已展现出其广泛的应用价值。

5 总结与展望

综上所述，MRI定量技术种类繁多，且定量物质种类广泛。本文仅从成像原理方面对目前常见定量技术进行归纳总结（表1），发现现有技术不仅能对人体组织内的蛋白质、脂肪、铁、粘多糖等内源性物质进行定量分析，还能对外源性引入的物质进行相关的定量研究。且定量MRI技术之间也存在交叉，一种技术可定量多种物质，多种技术也可用于一种与疾病相关的物质定量研究。尽管目前有相关研究对定量同一物质的多种技术进行比较，但比较结果仍需进一步探索。此外，结合磁共振成像技术的优势，定量MRI技术在疾病早期诊断、疾病分期以及预后评估中具有重要价值。但成像技术量化精度也在不断提高，部分成像技术存在对磁场要求高、扫描时间长等不足，导致其在临床上的应用还存在受限。相信随着技术的不断改进，定量磁共振成像技术可以更好地服务于临床工作。