同时多层成像技术联合肝脏MR 扩散成像的应用及展望

谢双双 沈文

同时多层（simutaneous multi-slice，SMS）成像技术在扫描时可同时激发多个层面，明显缩短扫描时间[1-2]。SMS 与不同的 MR 成像序列联合，如 MR 扩散张量成像、MR 血管成像、MR 弹性成像等，可以明显提升扫描速度[3-6]。肝脏MR 扩散成像能从不同方面反映肝实质及肝内病变的微观特征，利于肝内病变的检测与定性，但由于技术因素和扫描时间的限制，仅常规扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）在临床得到广泛应用[7]。本文就SMS在肝脏扩散成像中的应用现状及进展进行综述。

1 SMS 技术简介

SMS 成像技术又称为多带宽技术，2001 年由Larkman 等[8]首先提出，可有效缩短重复时间，从而缩短影像的采集时间。该技术过程主要分为2 步：首先采用包含多个频率的射频脉冲同时激发多个层面，激发的层面数根据加速因子（acceleration factor，AF）确定；然后利用多通道线圈接收来自每层影像的信号，利用线圈单元的敏感度信息进行加权，使用矩阵求逆重建每个层面的信号，从而实现多层信号分开[9-10]。然而，由于相邻层面间重叠伪影的影响，影像失真较为严重。随后，Setsompop 等[11]研究中采用了鸡尾酒并行采集技术（controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration,CAIPIRIHA），其使用的放射状K 空间填充方式具有不受信号欠采样影响的优势，与SMS 技术结合后能有效控制影像的失真变形，提高了影像信噪比和成像质量，从而推动了SMS 技术在临床中的应用。

2 肝脏扩散成像

MR 扩散成像能够反映组织的微观特征，利于病变的检测与定性。用于肝脏的扩散成像主要包括DWI、体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）、扩散张量成像 （diffusion tensor imaging，DTI） 和扩散峰度成像 （diffusion kurtosis imaging，DKI）。DWI 能反映组织内水分子扩散受限程度，采用表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）进行定量，在临床中已常规用于肝脏病变的检测和辅助定性[12-13]。IVIM 能同时获取组织的扩散信息和灌注信息，且获取的扩散信息不受灌注的影响[14-15]。DTI 能评估组织内水分子在各个方向的扩散异质性，获取的ADC 值更加准确，且还能定量获取细胞外水分子的扩散情况[16]。DKI 能同时获取组织的扩散信息和结构复杂程度，且其基于非高斯扩散原理获取的水分子扩散信息更接近组织的真实状态[17]。IVIM、DTI 和DKI 均可辅助弥漫性及局灶性肝脏病变的定性或疗效评估，且在一定程度上会优于DWI，然而由于成像过程中IVIM 需要多个 b 值,DKI 需要高 b 值（肝脏至少为 2 000 s/mm2），DTI 需要多个编码方向，以上均使得成像时间明显延长，限制了其在临床中的推广，目前均处于研究阶段。

3 SMS 与肝脏扩散成像结合

SMS 可联合多种MR 成像序列用于肝脏扩散成像，有望缩短成像时间，从而常规应用于临床。SMS 与DWI、IVIM 技术结合用于肝脏成像，能够提升成像速度且不影响影像质量，甚至可以提升影像质量，但对定量参数会产生一定影响。

3.1 成像速度 SMS 与DWI 联合应用能加快DWI的采集速度。Xu 等[18]将 SMS 与 DWI 联合，自由呼吸模式下采集 2 个 b 值影像（b=50、800 s/mm2），结果显示SMS-DWI 可将扫描时间缩短36%（DWI：平均3 min 12 s，SMS-DWI：平均 2 min 2 s）。Taron 等[19-20]将SMS 与DWI 联合，分别在不同呼吸模式下采集3个 b 值影像（b=50、400、800 s/mm2），结果显示 AF 采用 2 和 3 时，呼吸触发（respiratory triggering，RT）模式下扫描时间可缩短61%~69%（DWI：平均10 min 30 s，SMS-DWI：平均 3 min 29 s），自由呼吸（free breathing，FB）模式下可缩短 72%（DWI：平均 3 min 20 s，SMS-DWI：平均 56 s）。Boss 等[21]采集 4 个 b 值影像（b=0、50、400、800 s/mm2），将 DWI、SMS-DWI和SMS-IVIM 的扫描时间进行对比，结果显示SMS-DWI（约5 min 23 s）的扫描时间比DWI 短45%~59%（2 min 14 s~2 min 55 s），且 10 个 b 值的SMS-IVIM（4 min 17 s~6 min 6 s）的扫描时间与 4 个b 值的 DWI 相似。此外，Phi 等[22]研究也显示 SMS与IVIM 联合后可将扫描时间缩短50%~67%（IVIM：平均11 min 44 s，SMS-IVIM：平均 4 min 17 s~6 min 6 s）。由于SMS 可明显提升扫描速度，其与DWI 和IVIM 联合可将扫描时间缩短50%左右，从而加快临床中DWI 的检查速度，有利于IVIM 在临床中的应用。

3.2 影像质量 DWI 的影像质量会影响病变的检测能力及准确性。既往研究[22-24]将正常人及怀疑肝脏病变病人的肝脏 DWI 和 SMS-DWI、IVIM 和SMS-IVIM 的影像质量进行对比，结果显示与SMS联合应用后获取的影像质量不变或更佳，且SMSDWI 对病变的检测能力与DWI 一致（均在8 例病人中检出 25 个直径≥5 mm 的病灶）。Taron 等[25]对比了全身DWI 和SMS-DWI 影像，后者获得的胸腹部区域影像质量会有所下降，伪影增多，但两者对肝内病变的显示能力并无明显差异[肝内43 个病灶DWI 评分为（4.4±1.1）分，SMS-DWI 评分为（4.2±1.3）分，P=0.12；其中 5 分代表很好，1 分代表不可见]。Xu 等[18]将 DWI、SMS-DWI 和经过运动校正（motion corrected,Moco）后的Moco-SMS-DWI 影像进行对比，结果显示Moco-SMS-DWI 显示肝脏边缘和血管轮廓锐利度、尾状叶和肝脏整体影像质量明显优于DWI，且影像伪影也明显少于DWI，但肝右叶的影像质量与 DWI 的相似。此外，一些研究者[18，20]对比了肝脏DWI 和SMS-DWI 影像的信噪比（signal to noise ratio，SNR），结果显示SMS-DWI 获取影像的SNR（36.38±20.29）明显高于 DWI（16.34±8.46），且经过运动校正后会进一步提升（46.17±27.53）[18]。Taron等[20]研究显示FB 或RT 模式下SMS-DWI 获取影像肝右叶的SNR 均与DWI 的相似，但肝左叶的SNR均明显高于 DWI。因此，SMS 联合 DWI 和IVIM 可确保影像质量，加上Moco 处理后影像会更佳，单纯用于病变检测时可常规应用。

3.3 定量参数 DWI 的影像可用于病变检测，对病变进行定量分析时需要测量ADC 值，因此需要验证SMS 联合扩散成像后所获取ADC 值的准确性。一些研究[19-20，23]均显示 SMS-DWI 获取的肝脏 ADC 值低于DWI 获取的（降低3.7%~38%）。Tavakoli 等[26]对肝实质ADC 值分布的均一性进行比较，结果显示SMS-DWI 获取的肝脏ADC 值在整个肝脏分布很均匀，而DWI 获取的肝脏ADC 值则从左到右、从上到下逐渐下降。SMS-DWI 获取的肝右叶ADC 值与 DWI 的相似（0.99×10-3mm2/s 和 0.98×10-3mm2/s），但获取的肝左叶ADC 值低于DWI 的（0.99×10-3mm2/s和 1.07×10-3mm2/s）。Phi 等[22]对健康志愿者肝脏常规IVIM 和SMS-IVIM 获取的定量参数进行对比，结果显示也存在差异，相比于常规IVIM，SMS-IVIM获取的D 值增加，D*值和f 值减低，且随着AF 的增大而明显。

然而，Taron 等[24]的大样本数据（150 例）分析显示SMS-DWI 获取的ADC 值与DWI 相似，认为可以常规临床应用。Taron 等[25]将SMS 应用于全身DWI，结果显示SMS-DWI 获取的肝实质ADC 值虽低于DWI 的，但病变的ADC 值与DWI 的相似，因此认为SMS 可用于肿瘤病人，但需要更多研究来验证该结果。此外，Jang 等[27]比较了腹部多个部位（肝左叶、肝右叶、脾、胰腺、左肾和右肾）SMS-DWI 和DWI获取ADC 值的差异，结果显示SMS-DWI 获取的ADC 值均明显高于DWI，但两者存在中到高度相关性（r=0.699 7~0.909 6）。当以脾作为参照对ADC值进行标准化后，2 种成像方法获取的相对ADC值在各部位差异均无统计学意义（如肝右叶DWI：1.32×10-3mm2/s，SMS-DWI：1.33×10-3mm2/s，P=0.73；肝左叶 DWI：1.41×10-3mm2/s，SMS-DWI：1.39 ×10-3mm2/s，P=0.50），因此建议在进行纵向随访研究时，如果同时存在这2 种成像方法获取的DWI 数据，可采用脾作为参照物对ADC 值进行标准化后再进行比较。Xu 等[18]研究也显示SMS-DWI 获取的肝脏各部位ADC 值均明显高于DWI，重复扫描后，SMS-DWI 肝脏边缘区域测量ADC 值的变异度明显小于DWI。因此，当需要重复检查时，SMS-DWI 获取的肝脏边缘区域ADC 值会更加可靠。

综上，SMS 联合DWI 进行肝脏扫描获取的ADC 值在单次检查时可能不影响ADC 值对病变辅助定性的价值，但进行多次对比时需要注意每次检查扫描方法有无差异，如有差异可以选取参照物进行校正。但是，如何避免SMS-IVIM 与常规IVIM在获取定量参数上的差异需要更多研究来进一步探索。

3.4 技术优化 SMS 联合扩散成像的影像质量受多种因素影响，其中与成像速度密切相关的为AF，与影像质量密切相关的包括扩散梯度极性和呼吸模式，且呼吸模式也会影响成像速度。上述因素的优化可以均衡成像速度和影像质量，获取最佳成像方式。

AF 与成像速度密切相关，AF 越大，SMS-DWI的扫描速度越快，但可能会导致影像质量下降。Taron 等[19,28]比较了采用不同 AF 对 SMS-DWI 成像时间和影像质量的影响，结果显示AF 采用2 时，SMS-DWI 的成像时间较DWI 明显缩短，且影像质量相似；但AF 采用3 时，SMS-DWI 的成像时间虽可进一步轻度缩短，但影像质量却明显降低。此外，Phi 等[22]比较了采用不同AF 对SMS-IVIM 成像时间和影像质量的影响，结果显示AF 采用2 时，SMS-IVIM 的成像时间较常规IVIM 缩短50%，且影像质量相似；但AF 采用3 时，SMS-IVIM 的成像时间虽可进一步缩短达67%，但影像质量却有所下降，且随着AF 的增加，获取定量参数与常规IVIM偏差越大。因此，AF 采用2 和3 的SMS-DWI 成像时间差异并不大，为了确保影像质量，减少定量参数的偏差，推荐AF 采用2。

扩散梯度极性会影响DWI 的影像质量，为了平衡涡流梯度脉冲快速变化而受涡流感应失真对DWI影像质量的影响，有研究者[29]提出了双极扩散梯度（bipolar diffusion gradient preparation scheme，BP）。既往大量研究[30-32]比较了单极扩散梯度（monopolar diffusion gradient preparation scheme，MP）和 BP 肝脏DWI 影像质量及两者对病变检测能力的差异，结果均显示采用MP 的DWI 影像SNR 更高，但多数研究显示采用BP 的影像质量更好，且可提高肝癌的检出率。Taron 等[19]研究比较了采用MP 和BP 的SMSDWI 对肝脏边缘显示清晰度、肝内血管可见度、层面间信号均匀度、鬼影和运动伪影的差异，结果显示采用MP 的SMS-DWI 的整体影像质量会优于采用BP 者，但差异无统计学意义，且2 种梯度场采集的DWI 影像ADC 值无差异，因此推荐SMS-DWI 采用MP。由于研究较少，需要更多研究来进一步验证。

呼吸模式会同时影响成像时间和影像质量。腹部DWI 常用的呼吸模式有FB 和RT，为了确保影像质量，临床中多采用RT 模式，但会延长扫描时间。Taron 等[20]比较了 FB 和 RT 这 2 种模式对 SMSDWI 和DWI 成像时间的影响，结果显示AF 采用2时，FB 模式下SMS-DWI 的成像速度较DWI 可缩短72%，RT 模式下可缩短67%，且RT 模式下SMSDWI 的扫描时间与FB 模式下DWI 的扫描时间相近。此外，肝实质SNR 对比显示呼吸模式不影响SNR 的大小，但FB 模式下SMS-DWI 可明显提高肝左叶的SNR，并且ADC 值在不同呼吸模式下也无差异，因此推荐SMS-DWI 采用FB 模式扫描即可；但该研究未涉及疾病诊断及其他扩散成像。Dyvorne 等[30]比较了呼吸方式对常规IVIM 定量参数的影响，并分析了其对肝纤维化的诊断能力，结果显示不同呼吸模式间IVIM 定量参数会存在差异，且FB 模式下IVIM 获取的定量参数仅D 值在正常组与肝纤维化组间有明显差异，而RT 模式下IVIM获取的定量参数中D 值和f 值均有明显差异，推荐采用RT 模式进行IVIM 原始数据采集。因此，不同呼吸模式下SMS-DWI 对疾病的诊断能力及其他扩散成像定量参数的影响需要更多研究来验证，进而确定成像的最佳呼吸模式。

3.5 局限性 SMS 由于需要同时激发多个层面，且对采集的各层数据进行独立空间编码重建，因此需要强大的硬件平台支持，以满足SMS 激发的精确度和影像重建效果，在推广应用时需考虑到具体的扫描设备。此外，由于SMS 与扩散成像联合时，回波时间、重复时间均与常规技术不一样，其获取的肝实质及病变的定量参数值与传统扫描方法存在差异，因此多次数据对比时需确保扫描方法的一致性。

4 小结

SMS-DWI 和SMS-IVIM 的扫描速度比常规扫描快50%左右，影像质量等同于甚至会优于常规扫描，且对病变的检测能力与常规扫描相似，因此用于病变检测时可临床常规使用。然而，SMS-DWI 和SMS-IVIM 获取的定量参数可能与常规扫描存在差异，使用时需要注意，尤其是多次扫描纵向对比时。SMS 联合DKI 和DTI 对扫描速度的提升效率及定量参数的影响尚无研究，需要进一步探索。SMS 与扩散成像联合时，为了兼顾扫描速度、影像质量和疾病诊断能力，推荐AF 采用2，扩散梯度极性采用MP，呼吸模式则需要进一步探索。SMS 与扩散成像联合可明显提升采集速度，且能确保影像质量和疾病检测能力，由此会对各种扩散成像的常规应用带来根本性变化。尽管获取的定量参数与常规扫描存在差异，只要寻找到合适的校正方法，在临床中会得到广泛推广。