集成磁共振成像快速扫描参数对脑组织T1、T2及质子密度测量值的影响

郑作锋，王振常，杨家斐，张东坡，马隽

作者单位：1.首都医科大学附属北京友谊医院放射科，北京100050；2.北京市垂杨柳医院放射科，北京100022

集成磁共振成像(synthetic magnetic resonance imaging，SyMRI)采用多动态多回波序列(multi-dynamic multi-echo，MDME)，一次扫描可获得T1、T2 及质子密度(proton density，PD)定量图谱，合成不同加权的图像[1]。目前研究表明SyMRI在多发性硬化、脑肿瘤、Sturge-Weber综合征、细菌性脑膜炎、脑卒中及新生儿脑病[2-9]方面均有应用价值，并尝试作为常规颅脑扫描应用于临床[10]。另外还可以行脑组织分割及灰、白质体积测量[11-12]，并且在病灶显示方面与常规MRI 扫描相仿[13]。T1、T2及PD是组织的物理特性，也是SyMRI定量分析的基础，其测量值的准确性尤为重要。既往研究表明采用不同颅脑线圈[14]或采用不同厂家设备测量T1、T2及PD值具有很好的一致性[15]。但在临床工作中，可能会修改扫描参数，加快扫描速度，以应对难以配合的患者。本研究将探讨MDME 序列快速扫描参数对正常颅脑组织T1、T2、PD 测量值的影响，实现快速扫描参数的优化。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本研究为前瞻性研究。入组标准为：(1)无明显基础疾病，无神经及精神异常；(2)年龄小于50 岁；(3)能够适应颅脑MRI 检查。排除标准为：(1)颅脑MRI 检查脑内有异常表现；(2)图像存在明显伪影。共有30 名志愿者于北京市垂杨柳医院放射科完成颅脑MRI扫描，其中有5名排除在外(4名表现为脑白质T2 FLAIR高信号，1例存在运动伪影)，最终入组25例，其中男8例，女17例，年龄22～46岁，平均24.1岁。本研究经过北京市垂杨柳医院医学伦理委员会批准，批准文号：垂杨柳伦申[2021-002KY]号，受试者均已签署知情同意书。

1.2 MRI扫描

扫描设备为3.0 T 磁共振扫描仪(SIGNA Pioneer;GE Healthcare，Milwaukee，USA)，采用32 通道头线圈。SyMRI 扫描采用MDME 序列，该序列为多层面激发、多饱和延迟、多回波的快速自旋回波序列。扫描过程中使用2 个回波时间来推算T2值，4个延迟时间来推算T1值，每层产生8幅图像。

通过以上公式计算单位体素内T1、T2、PD值，同时对B1场进行校准。公式中α 为90o激励脉冲，θ 为120o饱和脉冲，A 为总体信号强度比例因子，与诸多因素有关，包括线圈敏感性、射频链放大倍数以及体素体积[16]。

将MDME 序列设定三组不同扫描参数，分别记录为EME(Emergency，急诊组)，NOR (Normal，常规组)，RES (Research，科研组)，其中RES 组为标准扫描参数。扫描层厚4 mm，层间距1 mm，饱和脉冲翻转角为120o，激励脉冲为90o，重聚脉冲为180o，其余扫描参数见表1。入组25例受试者均各自完成三组不同扫描参数的SyMRI 扫描，扫描结束后将所得图像传送至工作站进行后处理。图像处理采用MAGiC (magnetic resonance imaging compilation)软件(Software version 100.1.1，GE Healthcare，USA)，获得T1 map、T2 map、PD map 以及不同加权的图像。

表1 三组SyMRⅠ序列扫描参数

1.3 定量值测量

T1、T2 及PD 值测量采用感兴趣区(region of interest，ROI)划分的方法。通过MAGiC 软件在Synthetic PSIR(phase-sensitive inversion recovery，相位敏感反转恢复)图像上手工勾画矩形ROI (PSIR图像具有良好的灰白质对比)，可同时获得T1、T2 及PD 值。每位受试者每组序列勾画28个ROI包括：脑灰质14个(额叶、顶叶、枕叶皮层，海马，尾状核，豆状核，丘脑)，脑白质12个(额叶、顶叶、枕叶皮层下，半卵圆中心、内囊、胼胝体膝部、胼胝体压部)，脑脊液2 个(侧脑室前角)。除胼胝体外所有ROI 需同时测量左右半球。ROI 勾画由一位工作10 年的放射科医师完成，在勾画过程中要避免部分容积效应出现，ROI 大小依据测量的脑组织而定(表2)。取同一解剖结构双侧测量值的平均值作为该部位的最终值。

1.4 统计学方法

根据不同扫描参数，将T1、T2、PD 测量值分为三组：EME组，NOR组和RES组。计算每组不同部位T1、T2及PD值的均值和标准差，各组之间差异程度用组间变异系数(coefficient of variation，CV)表示。三组之间不同部位T1、T2 及PD 值的差异性比较采用单因素方差分析，P＜0.05认为差异有统计学意义。将标准扫描参数RES 组测量值作为参考值。EME 组、NOR 组测量值与参考值的相关性分析采用Pearson 相关。统计学软件采用SPSS (SPSS for Windows，23.0.0.0，IBM)。

2 结果

三组之间不同部位T1、T2 及PD 值测量结果见表2。三组之间统计学差异结果及组间CV见表3。

表2 三组扫描参数测量所得不同脑组织T1、T2及PD值(±s)

表2 三组扫描参数测量所得不同脑组织T1、T2及PD值(±s)

注：PD：质子密度；ROI：感兴趣区；EME：急诊组；NOR：常规组；RES：科研组。

脑区额叶皮层顶叶皮层枕叶皮层海马尾状核豆状核丘脑额叶白质顶叶白质枕叶白质半卵圆中心内囊胼胝体膝胼胝体压脑脊液ROI面积(mm 2)4.7±0.6 3.9±0.7 4.6±1.2 33.4±6.2 25.3±4.2 37.5±7.4 46.9±5.9 38.6±6.3 38.6±6.8 34.5±7.4 67.6±8.0 6.1±1.6 39.4±8.4 52.4±9.1 4.8±0.9 T1 (ms)EME 1219.0±49.7 1167.0±39.0 1122.0±47.9 1135.0±54.4 1017.0±35.1 939.0±39.2 915.0±44.6 661.0±30.9 664.0±25.2 663.0±28.6 685.0±28.3 627.0±45.6 600.0±35.5 657.0±37.2 4292.0±7.5 NOR 1227.0±44.6 1163.0±42.2 1118.0±50.0 1132.0±55.7 1069.0±34.2 949.0±42.3 941.0±56.8 653.0±33.8 656.0±33.4 667.0±28.5 685.0±34.2 647.0±45.4 596.0±42.3 650.0±40.2 4291.0±4.4 RES 1269.0±50.2 1206.0±39.7 1158.0±48.4 1159.0±61.1 1084.0±39.7 961.0±40.2 966.0±51.2 681.0±30.6 685.0±30.9 689.0±29.3 700.0±35.9 665.0±34.5 621.0±36.4 664.0±42.4 4290.0±4.5脑区额叶皮层顶叶皮层枕叶皮层海马尾状核豆状核丘脑额叶白质顶叶白质枕叶白质半卵圆中心内囊胼胝体膝胼胝体压脑脊液T2 (ms)PD (%)RES 84.2±1.4 83.7±1.1 85.2±2.0 83.5±3.0 81.8±1.8 78.8±2.5 79.8±2.7 62.2±1.9 62.3±1.5 62.1±1.7 63.8±1.7 58.4±1.6 58.3±2.4 59.2±2.6 105.0±2.8 EME 93.9±3.7 84.9±3.6 80.6±3.7 91.4±5.4 77.4±3.0 66.6±4.6 72.8±3.5 76.0±3.2 79.8±2.9 82.5±3.1 79.3±3.2 77.3±5.5 71.2±4.0 76.8±5.8 1261.0±237.0 NOR 86.0±3.5 78.2±3.2 75.0±3.5 85.4±9.2 71.2±3.9 60.8±4.8 65.8±3.8 69.2±3.2 72.3±3.6 74.7±3.2 74.0±2.9 73.5±5.2 64.2±3.5 71.8±4.7 1406.0±203.0 RES 86.6±3.8 79.5±2.6 75.0±3.5 86.5±4.7 71.1±3.3 61.7±4.4 66.7±3.6 70.5±3.0 73.1±3.6 75.7±3.6 74.8±3.4 72.9±5.6 63.4±3.6 72.4±4.8 1305.0±177.0 EME 83.0±2.3 82.8±1.6 82.9±3.2 81.8±2.8 79.2±1.6 77.8±1.9 74.6±2.5 61.7±1.9 61.1±1.8 59.9±1.8 63.1±1.6 58.6±2.4 52.5±4.0 58.1±3.0 108.0±0.8 NOR 82.9±1.8 82.6±1.7 82.9±2.5 82.9±3.4 80.5±2.1 78.2±2.9 79.2±3.4 61.0±2.1 61.2±1.6 60.7±1.6 62.6±1.6 57.6±2.8 58.0±2.9 58.2±3.2 104.0±2.6

表3 不同脑组织T1、T2及PD测量值在EME、NOR、RES三组之间的差异性比较

结果显示，三组之间T1、T2及PD值差异有统计学意义，以下区域除外：海马、豆状核、半卵圆中心、胼胝体膝部、压部及脑脊液的T1 值；海马、豆状核、额叶白质、内囊及胼胝体压部的PD 值。三组之间T1 及PD 值差异较小，组间CV 除尾状核T1 值(3.33%)、丘脑和胼胝体压部PD 值(3.65%，5.80%)之外，均小于3%。三组之间T2 值差异较大，组间CV 均大于3%，最大组间CV为6.48%。

EME 组、NOR 组测量值与参考值(RES 组)之间呈线性相关，相关系数分别为EME：T1：r=0.999，T2：r=0.982，PD：r=0.978；NOR：T1：r=0.999，T2：r=0.985，PD：r=0.986 (如图1～3，脑脊液T1、T2及PD值与其他组织相差较大，未在图中显示)。

图1～3 急诊组(EME)、常规组(NOR)测量所得脑组织T1(图1)、T2(图2)及质子密度(PD)值(图3)与参考值(科研组：RES)之间线性相关分析。EME、NOR组测量值与参考值之间呈明显线性相关(因脑脊液测量值与其他脑组织测量值差别较大，未在此图显示)

3 讨论

本研究对MDME 序列设置三组不同的扫描参数分别对颅脑扫描，结果表明，MDME序列快速扫描参数对T1、T2及PD测量值有不同程度的影响，以T2 值影响最大，但三组测量值之间具有极强的线性相关性。这提示我们，使用不同参数的MDME序列可用来区分脑内不同组织，但在定量比较或动态随访过程中要注意扫描参数选择的一致性。

3.1 MDME序列的优势

既往有大量研究测量正常脑组织的T1、T2 值，测量值的范围较大(T1：600～1100 ms；T2：50～80 ms)[17-18]，主要原因可能与使用的测量方法不同有关。本研究使用MDME 序列所测量的脑组织T1、T2及PD值与既往测量值范围相仿。该序列优于其他测量方法主要表现于其扫描时间短，仅需要一次扫描，同时完成了从定量图谱向加权图像的转化，加快了其在临床中的应用。本研究使用的方法较以前有所改进[19]，首先使用更常用的自旋回波序列替代梯度回波序列，降低了磁敏感效应的影响，其次采用多层面采集方法，两次采集时间间隔较长，对翻转角度的使用不受限制[1]。

3.2 MDME序列定量测量值差异的原因

本研究显示不同脑组织的T1、T2、PD 测量值在三组之间的差异具有统计学意义。这提示我们，在临床工作中进行测量值对比时要使用同一种扫描参数。Hagiwara等[15]对正常志愿者在同一设备行多次扫描并在不同设备之间行多测扫描，结果显示同一设备内的CV 及设备间的CV 均小于1.4%。Kang等[20]采用不同的层厚和层间距对颅脑扫描，测量所得T1、T2 值无明显差异。本研究从测量值的差异程度看，T1、PD 值差异最小，除尾状核、丘脑、胼胝体膝部之外，其组间CV 均小于3%，而T2 值差异最大，组间CV 均大于3%，最大值为6.48%。尾状核、丘脑、胼胝体膝部的组间CV 较大，其原因尚不清楚，可能与该组织结构有关，比如丘脑内不仅含有灰质核团还有白质纤维束，单个体素内物质更不均匀。West 等[11]认为当测量值差异程度小于3%时，不影响脑组织分割、体积测量以及加权图像的合成。因此，本研究中T1及PD值的差异不足以影响其临床应用。

三组测量值之间存在差异可能有以下原因：(1) MDME 序列在算法上采用单指数衰减模型来推算某体素内的定量值，但脑组织成分非常复杂，每个体素内并非单一物质，因此测量值仅反映在弛豫过程中起主要作用的组织[21]。(2) MDME 序列仅采用2 个回波点来测量组织的T2 值，较少的回波测量点在拟合横向弛豫曲线时缺乏准确性，而T1 值的测量采用4 个不同的等待时间点，因此T1 值的测量相对更加准确。这可能是引起组织T2 测量值差异较大的主要原因。如果增加采集回波数量，可获取更准确的T2 值，但会延长扫描时间。(3) MDME 序列扫描参数的差异，包括TE、TR、矩阵以及带宽等(表1)。本研究中T2 测量值差异明显，以EME组T2 值最高。Hagiwara 等[15]的研究采用厂家预设的扫描参数，并且不同扫描设备之间的扫描参数相差不大，而本研究中采用的扫描参数不同，但扫描参数的变化如何引起测量值的差异，还不甚清楚。Ryu 等[22]提出RF 脉冲的形态和B1 不均匀性都可能会导致MDME 序列读出信号幅度的变化，进而导致T1、T2 测量值可重复性的降低。本研究中扫描参数的变化可能同样会引起读出信号强度改变，进而引起测量值的差异。

本研究中，脑脊液T2 测量值具有较大的组内差异，在扫描参数一定的情况下，其标准差明显高于其他组织的T2 值(177～237 ms)。Higiwara 等[15]研究中同样显示出较大的T2 差异，这除了与回波采集点较少之外，还可能跟测量组织的弛豫时间有关，对于T2 弛豫时间特别短或特别长的组织测量值不准确，如脑脊液。Ji 等[23]认为当测量组织的T1、T2 值超过某一阈值范围时，测量所得的T1、T2 值变异增大。因此，采用MDME 序列来定量评价含有液性成分的病变时要谨慎。

3.3 动态定量观察需保持扫描参数一致

尽管不同扫描参数所得T1、T2、PD 值存在差异，但三组测量值具有明显的相关性。这提示我们对于扫描时间较短的EME 组参数，同样可作为定量评价的基线扫描或长时间随访，但随访过程中要固定参数。这对于难以配合的患者，比如老年人是有意义的。

本研究有以下不足之处：(1)在勾画ROI 过程中仅有一位医师参与，并只勾画一次，其可重复性在本研究中未证实，在以后的研究中可采用双盲法，使测量值更准确。(2)未使用模体，因此无法观察MDME 快速扫描参数对均匀物质的定量测量值是否有影响。(3)未将脑内病变纳入研究范围，在以后研究中可关注MDME 序列快速扫描参数对颅脑病变测量值是否有影响。

总之，MDME序列可在较短时间内完成全脑扫描，获得脑组织T1、T2、PD 值并生成不同加权图像。快速扫描参数对脑组织T1、PD测量值的影响较小，对T2测量值影响较大，但不同扫描参数所得定量值之间具有较高的相关性。在临床工作中进行定量比较或动态随访过程中要注意扫描参数选择的一致性。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。