MRI 在评价呼吸力学中的研究进展

杨晓燕，孙海双，刘敏，代华平*，王辰,4

1.首都医科大学中日友好医院呼吸与危重症医学科，北京 100029；2.吉林大学第一医院呼吸与危重症医学科，吉林 长春 130021；3.首都医科大学中日友好医院放射诊断科，北京 100029；4.中国医学科学院 北京协和医学院，北京 100730

呼吸力学是指通过测量肺部压力及流量对肺功能进行描述，评价指标包括流量、压力、体积、顺应性、阻力和呼吸功，这些指标直接影响肺容积、功能余气量及气体交换功能[1]。呼吸力学在评价患者肺部病理生理及疾病状态等方面非常重要，目前的评价方法包括呼吸量测定法、体积描记法、超声、磁力计和CT等，均有一定的局限性。MRI的时间和空间分辨率有所提高，并且可以非侵入性、无电离辐射地在患者呼吸运动过程中进行动态成像，可以非常直观地观察及测定呼吸泵的联合作用，定量分析疾病状态下呼吸肌及肺组织的呼吸力学特征，为研究疾病的发病机制、评估疾病状态提供直观的量化指标。本文对呼吸力学基础及评价方法、MRI评价肺部呼吸力学的研究进展进行综合分析。

1 呼吸力学解剖基础及评价方法概况

呼吸力学的结构基础包括呼吸肌、肺组织、骨与关节和神经，主要受肺和胸壁力学特性的影响。膈肌是在呼吸运动过程中改变肺容积最主要的呼吸肌。呼吸肌的收缩和舒张是呼吸运动的原动力，肺部运动受其影响，并进一步依赖肺部组织的弹性和阻力特性。疾病可以影响其中的任何一部分，如脊柱侧弯的患者会伴有胸腔畸形进而影响肌肉收缩，骨骼肌代谢相关疾病会影响呼吸肌的功能，膈神经麻痹会使受影响的半侧膈肌不能运动，此外还有各种呼吸系统疾病如间质性肺疾病、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive lung disease，COPD）等可通过改变组织弹性或增加气道气流阻力影响肺的硬度及顺应性，从而改变呼吸力学特征。

目前，呼吸力学的评价方法主要依赖间接的肺功能检查，如呼吸量测定法、体积描记法，还包括超声、磁力计和CT。其中呼吸量测定法仅反映口腔气流，而体积描记法反映的是整个胸腔和腹部容积的改变，所以不能提供局部的肺功能参数；超声仅能评价局部的膈肌运动，不能同时相地整体评价膈肌运动；CT主要用于评价胸壁和膈肌的完整度和厚度，病灶及其范围，尽管也可评价运动状态时呼吸力学参数的变化，但其辐射剂量一直是备受关注的问题。而MRI多序列多相位的成像方式，尤其是动态成像可以描述呼吸肌的运动功能和肺组织的弹性，使呼吸力学的定量及可视化评价成为可能。

2 MRI 评价呼吸力学的成像序列及分析指标

2.1 呼吸力学MRI序列 二维动态MRI主要采用快速二维梯度回波（fast two-dimensional gradient-echo，2D-GRE）及稳态自由进动序列（steady-state free precession，SSFP）结合并行采集技术，空间分辨率大约为3～10帧/s，推荐的动态2D-GRE序列参数包括[2]：TR 2.34 ms，TE 0.96 ms，带宽980 Hz/pixel，翻转角5°，矩阵128×96，层厚12 mm，时间分辨率8/s，加速因子2～3。而动态SSFP（TrueFISP）结合并行采集扫描序列的参数包括：TR 2.4 ms，TE 1.04 ms，带宽1 240 Hz/pixel，矩阵192×144，层厚10 mm。时间分辨率9/s，加速因子2。在1.5T MRI上，改进后的SSFP序列结合并行采集技术可以实现较高的空间分辨率，而3T MRI上SSFP序列由于增加的血流伪影和磁场的不均匀性可能严重影响成像质量，因此建议在1.5T MRI上使用SSFP序列，3T MRI系统上使用GRE序列。

二维动态MRI的最大优势是观察肺和胸壁在一个以上呼吸周期内的运动变化，即在自由呼吸或呼吸指令的状态下对不同平面（轴位、矢状位、冠状位等）进行动态成像，以评估呼吸动力。而3D-MRI的显著优势是可以观察多个呼吸周期内的肺和胸壁的运动，并且可以通过自由选择成像平面，实时记录主动和被动的呼吸运动[3]。4D-MRI使用极快速3D-GRE/SSFP序列及回波共享（TREAT/TWIST/TRICKS）序列结合并行采集。推荐的扫描参数：TR 2.1 ms，TE 0.8 ms，带宽1 500 Hz/pixel，矩阵128×96，时间分辨率为每个体积0.7 s，体素3.1 mm×3.1 mm×4 mm。对正常呼吸频率的肺部运动进行成像时，采集时间要少于每个体积1 s。成像速度和空间分辨率之间的相互关系会减低4D-MRI序列的图像质量和细节分辨率。虽然组织结构轮廓在呼吸周期的快速移动阶段会模糊，但4DMRI可以记录较长一段时间内的呼吸运动，以补偿因咳嗽等因素导致的呼吸深度和频率的个体变化。

自导航MRI技术基于3D-GRE序列，纵向K空间以及高冗余数据集的采集，在K空间中心获得整个呼吸周期中变化的信号，同时也可以对呼吸相的数据进行分组和统计；由于图像质量的改进，还可以进行自动对焦、3D图像关联、K空间权重图像对比、主成分分析等[4-5]。在无病理学表现的情况下，传统基于质子（1H）的MRI技术肺实质信号低，对肺组织局部力学分析非常困难，而超极化气体（如3He、129Xe）可作为阳性对比剂提高肺组织的信号，对肺部高信号进行网格标记，能够追踪局部呼吸力学，从而研究正常及疾病状态时肺组织的力学特征[6]。

磁共振弹性成像是一种相位对比磁共振成像技术，可无创测量肝脏、胰腺等许多器官的硬度。在磁共振弹性成像中，外部运动与运动编码梯度同步，以编码位移场（波图像）在磁共振成像的相位，然后对这些波图像进行处理，得到刚度图。有研究证实磁共振弹性成像可以无创地进行动物模型和人体组织中的肺力学评价[7-8]。部分对肺纤维化患者的肺力学磁共振弹性成像研究显示，肺纤维化患者在总肺容量（最大吸气末期）和残余肺容量（最大呼气末期）时，肺组织硬度显著增加，提示在疾病引起的呼吸力学特征改变在研究中具有潜在价值[9-10]。

2.2 呼吸力学的MRI评估 目前，MRI评价呼吸力学的内容包括定量和可视化呼吸肌和肺实质的运动功能、肺部通气和弥散功能以及肺组织的弹性特征。针对呼吸肌的运动功能，主要采用动态MRI，通过对不同相位如冠状位、矢状位、轴位的多相位成像，测量吸气末和呼气末时径线的长度，比较其值或吸气相呼气相的差（位移）、比值，探究膈肌及胸壁在生理及病理状态下的运动功能变化。Plathow等[11]研究显示MRI的测量值与肺功能指标第1秒用力呼气容积（forced expiratory volume in one second，FEV1）和用力肺活量（forced vital capacity，FVC）均有较好的相关性，说明对肺活量进行补充的膈肌、胸壁运动测量参数可以提供更全面的信息，用于诊断及评估疾病，使应用呼吸运动过程中呼吸肌的运动参数评价肺功能并将其可视化成为可能。

肺实质运动同样通过动态MRI并结合图像后处理方法（如网格标记法或形变配准算法）定量描述肺组织在运动过程中的形变或应力。网格标记法因平扫MRI图像的网格空间分辨率较低，其应用受到限制。Cui等[12]发现使用超极化气体的动态MRI可以替代依赖于肺组织的天然1H-MRI信号，超极化气体作为阳性对比剂，可以在肺组织中快速分布，使肺实质的网格化更有效。而形变配准算法通过追踪肺部大血管的运动间接反映肺组织的运动，中央大血管处的运动检测效果好，但因外周对比度明显降低导致配准效果差[13]。近年来随着自导航技术和超短回波序列的应用，明显提高了时间和空间分辨率，不仅可在肺的各个区域进行配准，还可以在任意给定的肺部区域内推导出流量-容积环路和相关参数[14]。

3 MRI 在评价呼吸力学中的应用

3.1 MRI评价非呼吸系统疾病 既往采用MRI评价呼吸力学的研究主要集中于先天性、代谢性疾病对呼吸肌功能的影响方面。

3.1.1 青少年特发性脊柱侧弯（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）应用动态MRI可研究AIS患者肺功能受损的主要因素及术后效果。Kotani等[15]研究显示AIS患者胸壁的前后径运动明显减弱，但未发现膈肌运动的变化；Chu等[16]发现AIS患者术后6个月时胸壁扩张度和膈肌运动明显增加，虽然其肺容量未变化。通过MRI可以观察到AIS患者肺功能的改变可能与肺容积减小、膈肌及胸壁运动受限有关，但这种功能障碍会随着限制因素的解除而得到缓解。

3.1.2 庞贝病 庞贝病是一种进行性代谢性肌病，累及呼吸肌时会导致进行性的呼吸功能障碍，主要累及膈肌。Harlaar等[17]应用MRI评价早期庞贝病的膈肌运动功能，发现即使在疾病早期肺功能检查依然处于正常范围内（FVC%＞80%）时，膈肌运动功能已经开始减弱，提示当FVC开始下降时，膈肌可能已经发生了不可逆的功能改变，这或许能够解释肺功能测量结果显示患者对药物的治疗反应相对较差。Harlaar等[18]还通过MRI观察到庞贝病患者的膈肌运动减弱以及曲度增加，尤其是在疾病严重期接受药物治疗的患者中较明显。因此，MRI的结果有助于优化庞贝病患者开始治疗的时间，并随着时间的推移评估膈肌功能和治疗反应。

3.1.3 进行性假肥大性肌营养不良（Duchenne muscular dystrophy，DMD）MRI不仅可用于鉴别DMD[19]，还可用于评价DMD患者的呼吸肌受累程度。有研究发现DMD患者主要表现为肺容积和胸壁运动减小，且明显减小的膈肌运动位移与FEV1%（r=0.78）及FVC%（r=0.76）下降有较强的相关性[20-21]。此外，MRI还可以应用于呼吸肌进行性功能障碍的评价，通过随访观察到膈肌和肋间肌的进行性功能障碍与MRI测量值减小一致，但在此期间的肺功能检查结果没有变化[22]。因此，MRI的应用为DMD患者进行性下降的呼吸肌功能的定量测量提供了一种更为敏感有效的方法。

3.2 MRI评价呼吸系统疾病 MRI在评价呼吸系统疾病呼吸力学变化中的研究数量不多，其中大部分为COPD。有研究通过动态MRI证实COPD患者的膈肌和胸壁运动减弱、无序以及存在膈肌的矛盾运动[23-24]。其他类型疾病如肺癌对呼吸力学的影响，间质性肺疾病发生发展过程中呼吸肌运动、肺组织弹性应变等力学特征变化规律，以及呼吸力学在COPD、间质性肺疾病发生发展中的作用及对预后的影响尚未见报道。

最新研究较多关注应用MRI评价COPD患者的肺功能，通过吸入氧或超极化气体定量及可视化COPD患者的通气及弥散功能。有关氧成像的研究中，合并肺气肿的COPD患者MRI图像显示有明显的通气缺损，并且测量参数与肺气肿的CT评分和肺功能检查指标间有很好的相关性[25]。Ouriadov等[26]进一步探索应用超极化稀有气体（3He、129Xe）MRI评价COPD患者的肺功能，发现气体的表观扩散系数可以帮助检测早期的肺气肿改变，Meng等[27]验证了表观扩散系数与肺功能参数有很好的相关性，同时超极化气体成像图像显示的气体缺损区域与CT的影像病灶区域也有相关性。此外，由于超极化气体129Xe通过肺泡的呼吸膜扩散进入血液的特性可定量局部气体交换，不仅可以鉴别不同类型的肺气肿，还可以评价其治疗反应[28-29]。不仅对于COPD患者，近年有研究提出在间质性肺炎患者中，超极化气体成像同样可以检测局部肺组织的通气及弥散功能。有研究显示患者有病变的肺间质组织中的信号增加，然而毛细血管红细胞中的信号摄取却下降，提示局部肺组织的气体弥散受限，并且对于疾病进展的预测比肺功能参数更敏感[30-31]。

尽管目前尚无对肺癌、系统性疾病肺部受累的超极化气体MRI研究，但超极化气体MRI有望成为未来测定肺实质的功能和力学特征及对疾病治疗反应的一种新的功能影像学方法。

4 总结与展望

总之，MRI可以对呼吸力学的各组成部分进行定量可视化评价，并且其结果与传统肺活量检查结果有很好的相关性，在探索肺部组织生理及病理方面的结构与功能成像中具有广泛的临床应用前景。尽管目前临床应用研究较少，但MRI或许可以成为一种新的可量化的技术研究疾病发病机制，辅助评估呼吸系统疾病的严重程度、进展及治疗反应等。