肺实质

2015年09月19日

肺实质

核心提示：肺实质首过对比剂技术与ASL技术在评价肺灌注方面已经取得了很大进展。随着肺通气成像的发展，超极化的惰性气体129Xe MRI除了可以评价肺通气之外，由于129X……

首过对比剂技术与ASL技术在评价肺灌注方面已经取得了很大进展。随着肺通气成像的发展，超极化的惰性气体129Xe MRI除了可以评价肺通气之外，由于129Xe的可溶性，同时可以用来评价肺灌注。所以肺通气与肺灌注MRI成像相结合，将为肺实质多功能MRI成像开辟新的窗口，将会在评定肺功能和疾病过程（如肺气肿、哮喘、肺移植、肺栓塞）中发挥重要作用。

（三）肺灌注MRI成像展望

FAIRER技术：ＫlausＤ等（9）用此技术在一次屏气过程中对健康志愿者进行肺灌注研究。结果表明：肺血管与肺实质有不同的强化模式，与STAR技术相似。近来，ShellaＤ等（10）对五位志愿者行左、右侧的肺灌注研究。结果表明：这两种体位，都存在重力相关性的肺组织信号强度明显的增加，即在重力方向上存在着灌注梯度。这有助于我们更好的理解重力、解剖结构和血管压力的相互作用，从而对肺疾病（哮喘、肺气肿等）有更深的了解。目前，用FAIRER技术也可对肺灌注进行定量分析。此技术分辨率高、运动伪影较小，是评定肺灌注的一种非侵入性的新方法。不足之处是标记动脉血的同时也标记了静脉血。

STAR技术：Hidemasa、Uematsu等（1）在一次屏气过程中采集到两个序列图像，只对一个序列用反转恢复RF脉冲使右心室和肺动脉主干的血液预先磁化标记，经过TI后，用快速梯度回波采集图像，通过减影得到灌注图像，可看到血管强化开始后肺实质逐渐强化达峰值。由于信号强度与在延迟时间内进入组织的血流量具有线性相关性，所以所测信号强度反应了局部灌注情况。此技术应用快速成像方法克服了肺部短T2*的局限性，但分辨率和信噪比相对较低。而且磁化标记血液与未被标记血液T1弛豫的影响使定量分析相对较复杂。

稳态式技术：这一技术可用来评定健康人在自由呼吸状态下的局部肺灌注情况。利用3D呼吸激发等在肺灌注成像中已取得了成功。此技术虽然理论上信号强度变化较大，由于磁敏感转移和延迟的影响使信号明显丢失。

２。动脉自旋标记（ASL）技术：

尽管首过对比剂技术对组织灌注的特征显示很有用，但肺灌注仍然存在以下问题（1）：（1）为了利用Gd-DTPA的弛豫作用来评定组织灌注，所测得的信号变化必须与局部的Gd-DTPA浓度成线性关系。而且对比剂的剂量必须在一定范围之内，因为团注峰值时的高浓度可引起饱和作用，这种饱和作用影响每个灌注指标的定量分析，可用低剂量对比剂团注来避免。（2）中心容量原则是把感兴趣区设在肺静脉，而用动态MRI所测得的信号强度变化与对比剂在肺组织中的残留量有关，而不是与肺静脉内对比剂浓度有关，因而感兴趣区域越小，对评价肺局部灌注越好。

近来，用示踪稀释原则（indicator dilution principle）或中心容量原则（Central volume principle）可对肺灌注进行定量分析。定量化指标有：t p（对比剂浓度达到峰值的时间）；MTT（ mean transit time，平均通过时间）；相对PBF（Pulmonary blood flow，肺血流量）；相对 PBV（Pulmonary blood volume，肺血容量）。Levin等（5）研究结果表明：肺尖较肺底部的MTT减小，PBF减小，PBV减小；肺外围较肺中央MTT减小，PBF减小，PBV减小。

快速MRI技术的迅速发展，使屏气状态下短TR、短TE 3D对比增强成像成为可能；但时间和/或空间分辨率低，使其在临床常规应用受到了限制。对比增强MRI肺灌注需要高的时间和空间分辨率。目前，部分并行（partially　parallel）3DMRI采集技术的发展提高了时间和空间分辨率，可以评定局部肺灌注情况。Christian Fink等（2）用3D梯度回波序列和部分并行（partially　parallel）MRI采集技术对健康志愿者进行肺灌注成像，时间分辨率为1.5ｓ，可看到对比剂首次快速通过肺循环及肺实质逐渐强化达峰值的全过程。此方法评定肺灌注与放射性核素灌注显像有很好的相关性（kappa=0.74）（3）。

1996年，Hatabu等报道了应用2D T1加权超短TE序列并使用对比剂对肺实质进行成像。静脉团注Gd-DTPA后，可以发现自体循环静脉、右心房、右心室以及肺动脉的系列强化，肺动脉可以显示段以下分支，肺实质在4－7S范围内强化幅度逐渐增大，最高信噪比（SNR）在9.6－22.0之间，肺的循环时间在3－3.4s。信号强度－时间曲线与对比剂的剂量有关：当对比剂的剂量在一定范围之内时，大剂量对比剂，肺实质强化程度高，但难以判断肺循环的再灌注效应；低剂量对比剂，肺实质强化程度低，但对肺实质的再灌注显示有优势。

1、首过（first-pass）对比剂技术：

（二）肺灌注MRI成像现状及优缺点

脉冲式技术：是一种潜在的非侵入性的评定肺灌注的方法。分为STAR（Signal Targeting Alternating Radio-frequency，信号靶向交替射频）技术与FAIRER（Flow sensitive alternating inversion recovery with an Extra Radio-frequency Pulse）技术。STAR技术：由Edelman（1）提出，原理是在一次屏气中用快速成像序列采集两个序列图像，对其中一个序列图像用反转恢复RF脉冲使动脉血液预先磁化标记作为内源性对比剂，将两个序列进行图像减影可得灌注图像。FAIRER技术：由Mai et al（1）提出，这一技术也已成功的应用于肺灌注成像

稳态式技术：由Detre（1）提出，原理是在稳态磁场中对组织的供血动脉血液进行磁化标记，来测量信号强度的变化，进而可以反映出组织的特异性灌注。

２。动脉自旋标记（ASL）技术：是指用磁化标记的血液作为内源性的对比剂，在肺灌注中用来检测信号的变化。此方法可以免去使用对比剂，而仍保持较高的对比/噪声比。ASL技术又分为稳态（steady-state）和脉冲式（pulsed）两种。

１。首过（first-pass）对比剂技术：是指用快速成像序列，在静脉团注对比剂后将组织毛细血管水平的血液灌注情况显示出来。当高浓度的对比剂首次快速通过毛细血管池时，产生强烈的磁化率异常，可进行磁敏感加权成像。

（一）肺灌注MRI成像的原理

目前，用静脉内注射99m锝（Tc）标记的大颗粒聚合人血清白蛋白微粒的放射性核素可以进行肺灌注显像，这虽是一种较为可*的方法，但因空间分辨率低，横膈、胸廓运动的伪影和胸廓结构重叠等而受限。MRI肺灌注成像由于空间分辨率高，没有辐射，所以正越来越受重视。MRI肺灌注成像的方法主要有：首过对比剂技术（first-pass contrast agent technique）；动脉自旋标记技术（arterial spin labeling （ASL）technique）等。

MRI灌注成像已成功的应用于脑、肾等组织，肺部则由于质子密度低；气体-组织界面大，磁敏感率不均匀；呼吸运动及心脏搏动伪影等因素使MRI灌注成像受到了限制。随着MRI成像速度的提高，为肺部MRI提供了一个平台，使肺实质灌注成像成为可能。国内外对肺灌注成像研究已形成新的热点。

二、肺灌注MRI成像

随着快速扫描序列的不断优化及无放射性的对比剂应用MRI成像于肺部，肺通气功能MRI已经取得了很大的进展，为肺实质多功能的MRI成像开辟了一个新窗口。不久的将来，肺通气功能MRI成像将会在评定肺功能和疾病过程（如肺气肿、哮喘、肺移植）中发挥重要作用。

由于氧增强可以同时分析通气和灌注情况，可以早期诊断肺内气道和血管异常，能提供局部的功能信息，具有潜在的临床应用价值。

依据3He的弥散特点、弥散速度可为诊断及评定肺病变的严重程度提供有用的信息，从而指导临床治疗，降低远期的发病率和死亡率。3He动态成像信息与ADC（表面弥散系数）相结合，对COPD的早期诊断及评定可能有重要的价值，随着序列的不断优化和改进，在超短时间内（120m～5.4mS）成像成为可能，可以通过单次呼吸的动态分析（1），测定局部的肺活量或其他生理指标。3He的弥散成像为诊断肺气肿或其它引起肺泡大小和/或肺泡弹性回缩力降低的疾病提供了有用的信息。可见ADC测定方法的敏感性对这些疾病早期诊断是非常重要的，但其测定方法有待于进一步提高。

（三）肺通气成像展望

氟化气体不溶于血液，无毒副作用，价格较便宜，在动物实验中已有应用。

2000年，有人首次在动物实验中用19F进行肺部MRI成像获得成功，实验中扫描时间为30min，可以评估通气/灌注比。通过减小矩阵和使用2D梯度回波序列的方法，可行人体肺部MRI动态成像。这一技术作为一非侵入性的方法，可以明确氟化气体吸入和呼出的动力学，从而对一些复杂的生理指标如残气量或不同时间点的肺容积等的测量带来希望。19F的T1值与周围氧分压之间存在线性依赖关系，这就意味着可以在活体中测量局部氧分压值（3）。

3. 氟化气体成像

此方法简单易行，不需要额外装置，用常规质子MRI扫描即可，而且氧较丰富，价格低廉。但要想获得高的对比/噪声比（Contrast-to-noise ratio）必须多次采集，而且易受运动伪影的影响。因此相关的后处理算法必须优化。其临床应用价值，有待进一步的探索。

1996年，Hatabu、Edelman等（5）首次提出用O2做为对比剂进行肺通气MRI成像研究。近来，随着成像技术的发展，O2增强肺通气MR成像是国内外研究的热点。此技术是利用快速成像技术（如单次激发超快速自旋回波序列+反转恢复序列，single-shot turbo spin echo sequence + inverse recovery sequence）扫描，进行MR氧对比肺通气成像。国外学者Qun Chen、Hatabu在动物实验（猪）及志愿者的研究结果表明（3）：吸氧后肺实质的T1值变短、信号强度增加，可以动态的观察吸氧后图像信号的变化过程；1/T1值与动脉血氧浓度之间存在线性相关性。杨健、郭佑民等在动物实验及临床基础研究中也取得一定成果。由于T1值与血氧浓度有关，所以可以同时分析通气与血液灌注情况。

2. 氧增强质子成像

由于129Xe在血液和含液体较丰富的组织中的溶解度很大，所以一次图像采集得到的数椐可同时分析肺通气和血流灌注情况。近来，国外学者利用超极化129Xe进行肺部MRI动态成像研究，在动物实验（狗）中已取得了一定的进展，并可以估测129Xe的吸收率。虽然129Xe是最早应用于肺成像的惰性气体，但吸入超极化129Xe之后有麻木、感觉异常或丧失等副作用而且129Xe的极化率低。相比之下，3He有极化率高、去极化速度慢、可以相对大剂量的吸入而无毒副作用、不被肺组织吸收等优点。目前，临床研究应用中主要是以3He为主，但3He是非常稀有的同位素，相对价格较昂贵。两者都必须用特殊的装置使其超极化，而且对RF线圈有特殊要求，所以其临床常规应用尚有一定的局限性。

功能性O2-敏感性3He成像（2）（functional oxygen-sensitive 3He MRI ）：是一种快速非侵入性的评定局部氧分压，局部肺通气/血流的匹配程度和O2吸收率的成像方法。国外学者在活体小动物实验研究中，发现肺局部氧分压与超极化3He的T1值之间存在线性关系。正常人在3HeMRI图像上肺局部氧分压是均匀的，平均值接近于平静吸气末的氧分压；对于有肺疾病的患者，由于通气/血流比例的失调而使局部氧分压不均匀。利用3HeMRI还可测得O2吸收率，这已在选择性动脉栓塞的动物实验中得到了证实。

弥散成像：任何气体分子都在做无规则的布朗运动，由于肺泡壁、细小支气管管壁的限制，使3He在横向及纵向的弥散度降低。衡量限制性弥散的一个可*参数是ADC（Apparent Diffusion Coefficient，表面弥散系数）。ADC的大小直接反映了含气组织的容积大小，通过3He的弥散成像可得到ADC图谱。国外学者分别对健康青年人、肺气肿病人及肺纤维化病人进行了3He的弥散成像，结果表明，肺气肿病人的ADC增大，主要与肺容量的增加及肺泡壁结构的破坏有关；而肺纤维化病人则由于肺容积变小使ADC减小。

动态成像：指利用（超）快速成像序列，自由呼吸状态下动态的观察整个呼吸循环过程（即吸气相、呼气相时3He在气道及肺实质内的分布情况）。国外学者（2）用超快速梯度脉冲序列对6位健康志愿者进行了肺部3He动态成像的时间和空间分布的分析，可看到3He依次在气管、主支气管及远端IV级支气管和肺泡中弥散成像，大约用20S的时间就可以采集到肺实质的信号。在气管和肺实质内3He 浓度达到峰值的时间分别为260ms和910ms。3He的流动速度非常快，在正常人吸入3He后，几乎同时看到肺上、中、下叶的信号一致性的增加，呼气时也是几乎同时看到信号强度的降低。而对于肺气肿患者，信号是不均匀的，并存有信号缺失区；再呼吸时信号可变为均匀，同时呼气相延长，即有空气捕捉现象。

静态成像：指吸入超极化3He后立即屏气进行扫描进行的肺成像，此方法可用来评价局部肺通气功能，它与肺功能检测有很高的相关性。正常人、哮喘病人、肺囊性纤维化、COPD及肺移植病人的影像学表现不同：正常人得到的MR信号是均匀的；哮喘、肺囊性纤维化、COPD和肺移植病人，得到的MR信号局部或弥漫性不均匀或有圆形、卵圆形或楔形信号缺损区。

1994年，Albert等（4）首次报道了应用超极化的129Xe对小鼠的肺部进行成像。MacFal、Rauczor等用超极化的3He首次对人体肺部成像取得了成功。目前，超极化的气体主要应用于静态成像、动态成像、弥散成像、功能性O2-敏感性3He成像等。

1. 超极化惰性气体成像

（二）肺通气成像研究现状及优缺点

除了3He、129Xe、O2以外，氟化气体（如CF4、C2F6、SF6等）也可用于肺部MRI的成像。这是由于这些顺磁性的气体自旋弛豫非常的快（T1值在毫秒级水平），信号强度高就可以弥补肺内质子密度低的影响。

3. 氟化气体成像原理

O2是含偶数（两个并行）电子的弱顺磁性物质，它对信号的影响主要通过以下两条途径（3）：（1）偶极-偶极弛豫：O2中的两个并行电子与附近自旋质子直接双极耦合，能量释放加快，使T1弛豫加快。（2）局部磁敏感性效应：O2分子磁化率较低，特别是在肺内，由于气/组织界面大，分子弥散系数大，加上呼吸及心跳运动的伪影，这个决定T2弛豫增强的局部磁敏性较低，所以O2对质子T1弛豫率的影响远较T2弛豫率大。O2是作为T1加权通气的对比剂，通过吸氧前后图像的减影可获得氧对比的通气图，反映肺的局部通气功能。

2. 氧增强质子成像原理

某些无放射活性的惰性气体同位素含有奇数个电子，如3He和129Xe，由于MR信号是质子密度和极化率的表现，所以通过提高气体极化率就有可能弥补肺内质子密度低造成的信号丢失。由于超极化气体的关键特征是原子核极大的不平衡极化状态，超极化气体在强静磁场中的信号强度可以是处于热平衡状态水质子的105倍，所以，可以将惰性气体超极化对肺实质成像。目前，有两种方法可以产生超极化的气体（1）：自旋交换（spin exchange ，SE）与亚稳态能级交换（metastability exchange，ME）。通过自主吸入或鼻腔CPAP（呼吸道持续正压呼吸）的方式吸入后，正常人3He在肺内应是均匀分布的，得到的MR信号应是均匀的；肺疾病患者由于有形态和/或功能的改变，气体分布不均匀，得到的信号不均匀。在肺疾病中主要有两种典型的信号缺失形式（2）：圆形或卵圆形，主要与腺泡的病变有关；楔形，主要与支气管的病变有关，表现为以胸膜为基底，尖端指向肺门的无信号区。同时在图像采集过程中由于RF的再激励使超极化的3He不可逆转的去极化及3He周围顺磁性的分子氧也加快了其去极化，这两方面的因素使3He信号迅速衰减（T1=20S）。利用这一特征，3HeMRI作为一种非侵入性的方法可以测定局部氧分压。

1. 超极化惰性气体成像原理

（一）基本原理

一　肺通气成像

肺实质成像对MRI来说长期以来是个巨大的挑战，主要原因是：①肺实质内质子密度很低，缺少产生MRI信号的物质基础；②肺内气体-组织界面很大，磁敏感率不均匀，致使局部的磁场梯度增加，造成界面的自旋失相位，使T2值进一步变短；③呼吸运动及心脏搏动使磁场不均匀，造成信号丢失，并产生运动伪影；④肺内血管和血流丰富，1ml血对应的毛血管床面积为1m2，其血流量相当于心输出量（5L/min），血流也会造成信号丢失；⑤肺内分子本身弥散系数（ADC）较大，会使信号有所降低，所有以上因素都影响着肺部MRI的成像质量。随着MRI成像技术的快速发展，MRI肺通气或灌注成像已成为可能

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