半劑量對比劑增強雙反轉恢復序列臂叢成像研究

李友，張樹桐，王艷芳，蔣嚴，黃增發，馬鋒

因具有較高的軟組織對比度,磁共振成為診斷臂叢病變的首選方法。為了提高臂叢的對比度和分辨率,多采用三維單反轉恢復可變翻轉角快速自旋回波序列(three-dimensional short inversion time inversion recovery sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolution,3D-STIR-SPACE)增強掃描進行臂叢磁共振成像[1]。

3D-STIR-SPACE目前在增強作用下所用對比劑劑量多以說明書推薦的單倍劑量為方案,利用順磁性對比劑縮短橫向馳豫(T2)和縱向馳豫(T1)對臂叢周圍的淋巴、血管高信號進行抑制,因血管—神經屏障的存在使臂叢神經不吸收對比劑從而得到很好的對比顯示[2]。對比劑對組織弛豫的改變依托于對比劑的濃度,低濃度下以縮短縱向弛豫時間(T1)為主,提高對比劑濃度將縮短橫向弛豫(T2)。釓對比劑經腎臟排泄,可能會增加發生腎源性系統纖維化(nephrogenic systemic fibrosis,NSF)的風險[3]。研究表明線性和大環類含釓對比劑均會在大腦及其他組織中發生痕量釓沉積[4]。使得對比劑的安全用量成為現在日益關注的話題,滿足圖像診斷需求的同時降低對比劑用量已達成共識。

滿足基于對比劑的特性和組織間弛豫的差別,本研究擬采用低劑量對比劑增強三維雙反轉恢復可變翻轉角快速自旋回波序列(three-dimensional double inversion time inversion recovery sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolution,3D-DIR-SPACE)進行臂叢神經成像,獲得了較好的圖像質量,特報告如下。

材料與方法

1.資料

搜集2019年1-11月在西門子Skyra3.0T磁共振上因臨床疑有神經功能障礙行磁共振臂叢掃描的患者,分兩組。對照組:男女各20例,年齡32～76歲(平均53.3±14.09歲),體重40～98kg(平均63.5±14.39kg)。研究組:男21例,女19例,年齡33～85歲(平均55.95±13.47歲),體重46～90 kg(平均64.25±11.02kg)。

2.檢查方法

兩組在增強前均掃描實圖重建反轉恢復序列(two-dimensional short inversion time inversion recovery，2D-STIR)、3D-DIR-SPACE、3D-STIR-SPACE,在推藥3分鐘后對照組行3D-STIR-SPACE掃描、研究組行3D-DIR-SPACE掃描。增強采用Medtron廠家雙流高壓注射器,A管為對比劑,B管為生理鹽水,對比劑為釓貝葡胺注射液(Gd-BOPTA),濃度0.5mol/L。對照組程序1 Concentration設置100%,程序2 Concentration設置0%,劑量為建議劑量0.2mL/kg,流率2.5mL/s,跟15mL生理鹽水沖管；研究組程序1 Concentration設置50%,程序2 Concentration設置0%,劑量為低劑量0.1mL/kg,跟15mL生理鹽水沖管。掃描序列參數見表1。

表1 序列參數表

3.圖像處理與分析

搜集兩組平掃數據：將2D-STIR上傳工作站行最小MIP重建,重建厚度25 mm,層間距3 mm。利用圓形ROI(面積:0.01 cm2、像素:5)在神經顯示完整的層面,測量神經近端、中端、遠端信號各1次,取平均值。測量神經周圍的淋巴、血管信號各3次,取平均值(將信號相近的淋巴與血管定義為組織1,將信號低于淋巴的血管定義為組織2),測量背景信號3次。取標準差平均值,作圖像背景噪聲,利用公式SNR=SI/SD計算信噪比，此次測量數字和計算結果皆取絕對值。將3D-STIR-SPACE、3D-DIR-SPACE上傳工作站建最大MIP像,建厚度25 mm,層間距3 mm,利用ROI(面積:0.01 cm2、像素:5)在神經顯示較好的層面測量神經近端、中端、遠端信號各3次,取平均值。測量同層面肌肉信號3次,取平均值,測量同層面背景信號3次,取標準差的平均值作為圖像噪聲。利用公式CNR=(SI神經-SI肌肉)/SD背景計算神經對比度噪聲比。

圖1 2D-STIR序列,組織1信號強-797.2(3)與神經信號-355.4(1)相差較大,組織2信號-353.4(4)與神經信號-355.4(1)相差不大。 圖2 a)3D-STIR-SPACE掃描MIP像；b)3D-DIR-SPACE掃描MIP像；兩種掃描序列臂叢呈高信號,顯示良好,走行完整,神經周圍血管、淋巴高信號影響神經對比度。 圖3 a)單倍劑量3D-STIR-SPACE MIP像；b)低劑量3D-DIR-SPACE MIP像；兩種掃描方法血管和淋巴信號有所減低,臂叢神經顯示良好,走行完整,對比度增高。

搜集兩組增強數據并上傳工作站行最大MIP處理,層厚25 mm,層間距3 mm,由具有5年以上診斷經驗的醫師通過主觀觀察進行評分。觀察對象為組織1/2的信號改變及神經顯示情況,評分標準如下：1分，組織1/2高信號、神經走行顯示不佳；2分，組織1/2高信號、神經走行顯示較清晰；3分，組織1/2稍低信號、神經走行顯示不清；4分，組織1/2稍低信號、神經走行顯示較為清晰；5分，組織1/2低信號、神經走行顯示清晰。

4.統計分析

結 果

神經與組織1在SI、SNR上有明顯差異(P1=0.00,表2、圖1),神經與組織2在SI、SNR上無明顯差異(P2=0.77/0.93)。3D-STIR/DIR-SPACE序列在臂叢掃描中的CNR無明顯差異(P=0.06,表3、圖2)。神經在低劑量下3D-DIR-SPACE與建議劑量下3D-STIR-SPACE增強后的評分無統計學差異(P=0.10,表4、圖3)。

表2 在2D-STIR序列下神經與組織1/2 在SI、SNR間的比較

注：χ12：神經與組織1間的比較；χ22：神經與組織2間的比較

表3 神經在3D-STIR/DIR-SPACE平掃下的CNR比較

注：t=-1.84，P=0.06

表4 神經在3D-DIR/STIR-SPACE增強后的累計評分

注:U=660，P=0.10

討 論

1992年Filler等[5]報告了磁共振神經成像技術以來，根據神經組織的結構功能特性采取不同的技術進行成像已經日益完善[6]。因臂叢神經束內膜富含液體在磁共振上為長T1長T2信號,目前神經成像主要是利用液體的長T2特點[7]。3D-STIR-SPACE序列應具有很高的分辨率和采集效率而在臂叢神經掃描中被廣泛應用,對于神經走行周圍的淋巴、血管也呈高信號神經對比度差,對此多以增強進行對高信號的抑制[8]。采用短時反轉恢復技術(STIR)對脂肪進行抑制,技術原理為先施加一個180°反轉脈沖把正向磁化矢量反轉到與靜磁場相反的負方向,脈沖停止后磁化矢量向正向恢復,變化過程為磁化矢量從負向最大減小到零,再從零變到正向最大,在過零點時施加一個90°脈沖,此時過零點的組織因不具有縱向磁化矢量而不產生信號。STIR依靠組織縱向弛豫時間T1值,在增強作用下組織的縱向弛豫時間(T1)發生改變,設置合適的反轉時間TI可抑制相應的組織信號。

組織固有弛豫的倒數我們稱之為弛豫率,據順磁性對比劑增強原理機制得知,在對比劑作用下組織弛豫隨之改變且與濃度相關,在低濃度下T1縮短比T2縮短明顯,高濃度下T2縮短較為明顯[9]。因血-神經屏障,神經束不能吸收對比劑,淋巴和血管吸收對比劑后其弛豫改變。對此可有3種注射方案：一是提高劑量縮短T2弛豫進行抑制[10,11]。二是以建議劑量注射,此方案濃度以縮短T1為主，輕微改變T2值,配以單反轉技術選取合適的反轉時間TI進行抑制[12]。三是以小劑量為注射方案,以改變T1值為基礎,根據組織間的弛豫差別配合雙反轉技術進行抑制[13]。

MRI數據矩陣是由實部和虛部組成的,在傅里葉變換后也是復數矩陣,往常的磁共振成像中采集的都是磁化矢量的模圖,也就是磁化矢量的絕對值,信號強度為正,這樣的圖像背景為黑色。本研究用的是反轉恢復序列(2D STIR)實圖重建磁化矢量具有方向、大小,當組織的磁化矢量過零被抑制時,被抑制的組織和背景為灰色,信號強度為零,T1值長于被抑制的組織顯示為黑色,信號強度為負值,T1值短于被抑制的組織顯示為白色,信號強度為正值[14]。通過本次掃描可以得出脂肪的T1值短于神經與組織1/2的T1值,組織1的T1值長于組織2的T1值,此重建方式可以比較各組織在反轉脈沖下磁化矢量的恢復情況及各組織的縱向弛豫大小,借此可以設置合適的雙反轉參數對兩種組織的抑制。

本研究采用3D-DIR-SPACE序列,利用雙反轉脈沖激發,選擇合適的反轉時間可以行臂叢神經成像。利用組織間弛豫時間的差異配合低劑量增強改變組織的縱向弛豫時間來對組織進行抑制,利用低劑量對比劑將組織2的T1值縮短至脂肪T1至附近,組織1的T1值縮短至脂肪與神經之間,選取合適的雙反轉時間TI進行對組織1/2和脂肪的信號抑制從而實現低劑量對比劑在神經成像中的應用。本研究采用對比劑為釓貝葡胺注射液(Gd-BOPTA),在3.0T磁場下、37℃血漿中釓貝葡胺注射液的縱向弛豫率、橫向弛豫率分別為5.5L/mmol/s、11.0Lmmol/s,具有較高的弛豫率,為降低劑量和濃度創造了可能[15]。雙反轉時間參數的設置依靠對比劑對組織T1值的改變程度,因此值得注意的是在配置低濃度低劑量的情況下選擇不同的對比劑應設置相應的反轉參數以到達背景的抑制和神經的顯示。

本研究不足：研究采用的雙反轉恢復序列的參數設置依靠場強大小和對比劑的性質,此次只在3.0T磁場下進行的單一對比劑的研究,未來應在不同場強和不同對比劑兩個方面進行研究補充。此次研究采集數據的多為神經功能正常,缺少功能受損病例進行深入分層比較,未來應擴展病例進行補充研究。

綜上所述,與常規掃描(對照組)相比采用低劑量增強3D-DIR-SPACE在臂叢神經成像中能對神經周圍的淋巴、血管進行抑制,提高了神經對比度,獲得較好的圖像質量,達到診斷效果的同時并降低了對比劑的用量。