ZTE成像技術對肺實質結構的顯示價值

陳俊汝，凌冰冰，孫學進，魯毅，莫茵

肺組織由肺實質和肺間質組成，肺實質是指支氣管在肺內的各級分支及其終末端的肺泡，肺間質是指填充于實質之間的結締組織，血管、神經和淋巴管等[1]。肺實質是肺內具有氣體交換功能的含氣腔隙及結構，其內含有大量的氣體，氫質子含量低，而磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)主要依賴于氫質子[2]，因此，在常規的脈沖序列中，肺實質表現為極低的信號。此外，由于肺實質中氣體與軟組織界面存在很大的磁敏感差異，造成局部微觀磁場不均勻，以及心跳和呼吸運動產生的偽影等，使肺部的圖像質量很差[3]。目前，單次激發快速自旋回波(single shot fast spin echo，SS-FSE)序列是臨床常用的胸部MRI序列，其在顯示胸壁肌肉等軟組織方面具有較高的臨床應用價值，但是在肺實質的顯示方面卻受到了限制[4]。隨著磁共振新技術的發展，已經逐漸打破了肺部MRI的局限性。零回波時間(zero echo time，ZTE)成像技術是一種顯示短T2組織的成像技術[5-6]，它基于三維放射狀K空間填充方式，結合微動梯度編碼和超快速瞬切射頻技術，實現了零回波時間信號采集[7]，能夠快速獲取迅速衰減的肺組織信號，在肺部成像中具有較大的潛力。本研究通過比較臨床常用的SS-FSE序列和磁共振新技術ZTE序列在肺成像中的圖像質量，旨在探討ZTE技術顯示肺實質的價值，為MRI在肺部的應用推廣打下基礎。

材料與方法

1.一般資料

搜集健康志愿者20例，男、女各10例，年齡20～36歲，平均年齡29歲，2019年5-7月在昆明醫科大學第一附屬醫院進行MRI檢查。納入標準：①無咳嗽、咳痰等呼吸系統癥狀；②沒有經常暴露于粉塵環境中；③受試者自愿參與研究并能遵守實驗要求。排除標準：①MRI檢查發現肺部具有明顯病變者；②肥胖及胸腔較小者；③MRI檢查禁忌癥者。本研究得到了醫院倫理委員會的批準，檢查前所有志愿者均簽署知情同意書。

2.檢查設備與方法

采用GE 750W 3.0T超導型MRI掃描儀，16通道腹部接收陣列線圈，利用彈性呼吸帶獲取呼吸信息。受檢者仰臥位，腳先進，雙手上舉置于頭頸部兩側，線圈中心置于肺野中心，采用呼吸觸發技術在自由呼吸狀態下采集圖像。掃描序列包括常規SS-FSE序列和ZTE序列，掃描參數：SS-FSE序列：FOV 36 cm×36 cm，TR 2100 ms，TE 62.4 ms，層厚6 mm，層間距1 mm，層數24層，矩陣288×224，BW 41.67 kHz，FA 180°，NEX 0.54次，掃描時間66 s。ZTE序列：FOV 36 cm×36 cm，TR 466 ms，TE 0 ms，層厚1.2 mm，層間距0 mm，層數120層，矩陣300×300，BW 62.5 kHz，FA 2°，NEX 1.0次，掃描時間249 s。

SS-FSE序列和ZTE序列均采集冠狀面圖像，ZTE序列采用各項同性掃描，掃描結束后利用冠狀面重建橫軸面和矢狀面圖像。為減少采集時間以及增加左右方向的空間分辨率，相位編碼方向設為左右方向(R/L)；為獲得理想的肺部MRI圖像，檢查前訓練志愿者平靜規律的呼吸，以保證采集層面的一致性；為減少噪音對志愿者聽力的影響，檢查中給志愿者佩戴耳機。掃描完成后將肺部圖像傳至MRI ADW 4.6工作站，進行圖像處理和分析。

3.圖像質量評價

主觀評價：由2名經驗豐富的影像診斷醫師，采用雙盲法閱片評估，根據偽影程度，肺實質結構清晰度，以及總體滿意度對兩組圖像進行評分，具體評分標準見表1。3分以上為滿足診斷要求，當個別圖像評分不一致時通過討論后達成一致。將評分結果進行統計學分析，以比較兩組不同序列獲取的圖像質量差異。

表1 圖像質量主觀評分表

客觀評價：同一受檢者，在SS-FSE序列和ZTE序列中的相同層面和相同位置，繪制大小相同(35 mm2)的圓形興趣區(region of interest，ROI)，每個序列均選擇在氣管分叉層面繪制ROI，ROI分別放置在左、右側肺野，左、右側主支氣管腔內，左、右側相位編碼方向上視野內組織外的背景區域。將肺野中每個ROI內的信號強度(signal intensity，SI)均值作為該ROI內的肺組織信號強度，計算該層面肺野中2個ROI內肺組織信號強度的均值作為該序列的肺組織信號強度(SI肺)；每個序列主支氣管腔內信號強度和背景區域信號強度(SI背景)的計算方法同肺，背景噪聲的計算是將背景中ROI內信號強度的標準差作為該ROI內的噪聲，計算該層面背景區域2個ROI內的噪聲均值作為該序列的噪聲(SD背景)。每個數值均測量兩次取平均值，最后根據以下公式計算信噪比(signal to noise ratio，SNR)和信號強度比(signal intensity ratio，SIR)：

4.統計學分析

采用SPSS 20.0軟件包進行統計學分析。服從正態分布的計量資料以均數±標準差表示，偏態分布以中位數±四分位數間距表示。兩組間評分結果比較采用配對符號秩和檢驗，SNR和SIR比較采用配對t檢驗；兩組內肺實質SI和主支氣管腔內SI比較采用配對符號秩和檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

1.兩組評分結果比較

在20例健康志愿者中，SS-FSE序列的評分為2.00±0.75，ZTE序列的評分為3.50±1.00，ZTE序列顯示肺實質的評分優于SS-FSE序列，差異有統計學意義(Z=-3.681，P<0.001)。SS-FSE序列和ZTE序列對肺實質的顯示見圖1，在SS-FSE序列中，肺實質的信號強度較弱，肺門區出現條帶狀偽影疊加在肺實質內，導致肺實質圖像質量較差，解剖結構顯示不清，不能進行正常診斷。在ZTE序列中，雙側肺野內可見散在點狀或條狀肺紋理，以肺門區和雙肺下野較明顯。肺實質內偽影得到了有效抑制，圖像SNR較好，解剖結構顯示良好，達到診斷要求。并且，在ZTE序列中，應用冠狀面圖像重建出來的橫軸面和矢狀面圖像，其質量也較好，能夠多方位地顯示肺實質結構(圖2)。

圖1 a～c)SS-FSE序列中不同層面的肺部圖像；d～f)與SS-FSE序列相對應層面的ZTE序列肺部圖像。a、d)肺動脈分叉層面；b、e)氣管分叉層面；c、f)降主動脈層面。 圖2 ZTE序列的冠狀面圖像及重建圖像。a)ZTE序列采集的原始冠狀面圖像；b)通過冠狀面圖像重建出來的橫軸面圖像；c)通過冠狀面圖像重建出來的矢狀面圖像。

2.兩組SNR和SIR比較

SS-FSE序列中肺實質的SNR為5.81±1.96，ZTE序列中肺實質的SNR為8.84±1.36，兩者差異有統計學意義(t=7.804，P<0.001)。SS-FSE序列和ZTE序列的SIR分別為0.78±0.22和0.97±0.11，兩者差異有統計學意義(t=4.056，P=0.001)。ZTE序列的SNR和SIR均高于SS-FSE序列(圖3)。

圖3 SS-FSE和ZTE序列圖像的SNR和SIR比較。

3.兩組肺實質SI和主支氣管腔內SI比較

在ZTE序列中，肺實質SI與主支氣管腔內SI差異有統計學意義(Z=-2.837，P=0.005)，見表2。肺實質的信號強度強于主支氣管腔內空氣。在SS-FSE序列中，肺實質SI與主支氣管腔內SI差異也有統計學意義(Z=-3.920，P<0.001)，但表現為主支氣管腔內空氣的信號強度明顯強于肺實質。

表2 兩組內肺實質SI和主支氣管腔內SI比較

討 論

肺組織是具有生理運動的器官，它會隨呼吸運動和心臟搏動而自由運動，并且因其內含有大量的氣體，氫質子含量低，橫向弛豫時間短，以及空氣-組織界面的磁敏感差異造成的微觀磁場不均勻性[3]，所以要利用MRI檢查獲得較好的肺部圖像具有很大的挑戰性。SS-FSE序列作為臨床常用的脈沖序列，在顯示胸壁肌肉等軟組織方面具有較高的臨床應用價值，但是在肺實質的顯示方面卻受到了限制[4]，因此，有必要不斷探索新的磁共振技術應用于對肺實質的顯示。ZTE序列是一種快速、穩定、噪聲小的三維成像方式。它采用硬脈沖激勵，結合較大的采樣帶寬，能夠快速獲取迅速衰減的肺組織信號[8]。采用放射狀K空間填充方式和K空間周邊數據的過采樣技術，能有效克服運動偽影[7,9]。在梯度場打開的情況下進行脈沖激勵，并且在脈沖重復之間不進行梯度開關，只進行小的梯度爬升，大大減少了噪音[10]。由于ZTE技術具有以上優點，因此，它在肺部成像中具有很大的潛力。

在國外研究中，ZTE技術在肺實質成像中已經得到應用并取得了初步成效。以往有研究報道，ZTE技術在小動物實驗中已成功應用于各向同性高空間分辨率形態學肺成像，2014年，Weiger等[11]首次提出了ZTE技術在健康小鼠肺成像中的應用，利用ZTE技術可以獲得包括氣道在內的全肺覆蓋的各向同性高空間分辨率圖像，并且由于K空間中心的重復采樣降低了對運動的敏感性。有研究表明，ZTE技術在小鼠肺部疾病中可用于檢測肺氣腫的病理形態學改變，Bianchi等[12]利用ZTE對健康小鼠和肺氣腫小鼠進行成像，研究發現，在肺氣腫小鼠中ZTE圖像的SNR明顯降低，結果提示，ZTE可作為一種預測肺氣腫的影像學標志物。ZTE技術在健康人體肺成像中的應用是由Gibiino等[13]首次提出的，他們將ZTE技術應用于顯示健康人體肺結構，結果表明，自由呼吸ZTE脈沖序列在健康人群氣道可視化、高SNR和各向同性高空間分辨率方面顯示了巨大的前景。最近，Bae等[14]已將ZTE技術應用于肺結節的診斷，并與超短回波時間(ultrashort echo time，UTE)序列進行了比較，發現ZTE序列對肺結節的檢出率以及在顯示肺結節的SNR方面均優于UTE。

在本研究中，筆者將ZTE序列和SS-FSE序列進行了比較，因為SS-FSE序列是臨床常用的脈沖序列，與UTE相比[15-18]，SS-FSE序列的成像速度較快，臨床實踐性較強，并且，這是在國內研究中首次使用ZTE序列對健康人體肺進行成像。本研究結果發現，SS-FSE序列顯示肺實質的信號強度很弱，圖像偽影較重，達不到臨床診斷要求，而ZTE序列顯示肺實質的圖像質量較好，平均評分在3分以上，能夠滿足診斷要求。同時，就兩個序列的SNR和SIR而言，ZTE序列也明顯優于SS-FSE序列。因為SNR是圖像質量最重要的評價指標，而SIR是各自序列中肺實質與背景區域信號強度的比值，它去除了不同序列的本底噪聲，相當于把兩個序列的噪聲歸一化，在此基礎上僅僅比較肺實質的信號強度。因此，應用SNR與SIR進行圖像質量評價，使實驗結果更可靠。此外，筆者還比較了兩個序列內部的肺實質SI和主支氣管腔內SI，結果發現，在ZTE序列中，肺實質的SI明顯強于主支氣管腔內的SI，由于主支氣管腔內僅含有氣體，而肺實質內含有支氣管的各級分支和肺泡組織，肺實質的信號強度強于主支氣管腔內空氣，說明ZTE序列檢測到了肺實質里面的細微結構，進一步驗證了ZTE序列對肺實質結構的顯示價值，這與Bae等[14]的研究結果一致。而在SS-FSE序列中，結果正好相反，筆者推測，可能是因為SS-FSE序列對不規律運動的敏感性較強，由于心臟、大血管的搏動，導致肺門區出現較重的偽影，疊加在主支氣管腔內，因此導致主支氣管內的信號強度強于肺實質。

本研究還存在一定的局限性。首先，由于受到硬件設備的限制，本研究中ZTE序列的掃描時間較長，在未來可通過硬件設備的提高以及進一步優化參數，來縮短ZTE序列的掃描時間。其次，本研究采用的樣本量較少，并且主要是青壯年，缺乏兒童及老年人，有待進一步擴大樣本含量，增加研究對象的年齡范圍。最后，本研究僅對正常肺結構進行了顯示，在以后的研究中應針對不同的肺部疾病進行探討。

綜上所述，常規SS-FSE序列雖然成像速度快，但其顯示肺實質信號強度弱，且偽影嚴重，圖像質量差。而ZTE序列能夠清晰顯示肺紋理，且有效抑制了呼吸運動和心臟、大血管的搏動偽影，圖像信噪比較高。本研究通過比較SS-FSE序列與ZTE序列對正常肺結構的顯示，結果發現ZTE序列顯示正常肺實質結構是可行的，使MRI在肺部中的應用為臨床研究開辟了新的方向。