集成磁共振成像快速掃描參數對腦組織T1、T2及質子密度測量值的影響

鄭作鋒，王振常，楊家斐，張東坡，馬雋

作者單位：1.首都醫科大學附屬北京友誼醫院放射科，北京100050；2.北京市垂楊柳醫院放射科，北京100022

集成磁共振成像(synthetic magnetic resonance imaging，SyMRI)采用多動態多回波序列(multi-dynamic multi-echo，MDME)，一次掃描可獲得T1、T2 及質子密度(proton density，PD)定量圖譜，合成不同加權的圖像[1]。目前研究表明SyMRI在多發性硬化、腦腫瘤、Sturge-Weber綜合征、細菌性腦膜炎、腦卒中及新生兒腦病[2-9]方面均有應用價值，并嘗試作為常規顱腦掃描應用于臨床[10]。另外還可以行腦組織分割及灰、白質體積測量[11-12]，并且在病灶顯示方面與常規MRI 掃描相仿[13]。T1、T2及PD是組織的物理特性，也是SyMRI定量分析的基礎，其測量值的準確性尤為重要。既往研究表明采用不同顱腦線圈[14]或采用不同廠家設備測量T1、T2及PD值具有很好的一致性[15]。但在臨床工作中，可能會修改掃描參數，加快掃描速度，以應對難以配合的患者。本研究將探討MDME 序列快速掃描參數對正常顱腦組織T1、T2、PD 測量值的影響，實現快速掃描參數的優化。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究為前瞻性研究。入組標準為：(1)無明顯基礎疾病，無神經及精神異常；(2)年齡小于50 歲；(3)能夠適應顱腦MRI 檢查。排除標準為：(1)顱腦MRI 檢查腦內有異常表現；(2)圖像存在明顯偽影。共有30 名志愿者于北京市垂楊柳醫院放射科完成顱腦MRI掃描，其中有5名排除在外(4名表現為腦白質T2 FLAIR高信號，1例存在運動偽影)，最終入組25例，其中男8例，女17例，年齡22～46歲，平均24.1歲。本研究經過北京市垂楊柳醫院醫學倫理委員會批準，批準文號：垂楊柳倫申[2021-002KY]號，受試者均已簽署知情同意書。

1.2 MRI掃描

掃描設備為3.0 T 磁共振掃描儀(SIGNA Pioneer;GE Healthcare，Milwaukee，USA)，采用32 通道頭線圈。SyMRI 掃描采用MDME 序列，該序列為多層面激發、多飽和延遲、多回波的快速自旋回波序列。掃描過程中使用2 個回波時間來推算T2值，4個延遲時間來推算T1值，每層產生8幅圖像。

通過以上公式計算單位體素內T1、T2、PD值，同時對B1場進行校準。公式中α 為90o激勵脈沖，θ 為120o飽和脈沖，A 為總體信號強度比例因子，與諸多因素有關，包括線圈敏感性、射頻鏈放大倍數以及體素體積[16]。

將MDME 序列設定三組不同掃描參數，分別記錄為EME(Emergency，急診組)，NOR (Normal，常規組)，RES (Research，科研組)，其中RES 組為標準掃描參數。掃描層厚4 mm，層間距1 mm，飽和脈沖翻轉角為120o，激勵脈沖為90o，重聚脈沖為180o，其余掃描參數見表1。入組25例受試者均各自完成三組不同掃描參數的SyMRI 掃描，掃描結束后將所得圖像傳送至工作站進行后處理。圖像處理采用MAGiC (magnetic resonance imaging compilation)軟件(Software version 100.1.1，GE Healthcare，USA)，獲得T1 map、T2 map、PD map 以及不同加權的圖像。

表1 三組SyMRⅠ序列掃描參數

1.3 定量值測量

T1、T2 及PD 值測量采用感興趣區(region of interest，ROI)劃分的方法。通過MAGiC 軟件在Synthetic PSIR(phase-sensitive inversion recovery，相位敏感反轉恢復)圖像上手工勾畫矩形ROI (PSIR圖像具有良好的灰白質對比)，可同時獲得T1、T2 及PD 值。每位受試者每組序列勾畫28個ROI包括：腦灰質14個(額葉、頂葉、枕葉皮層，海馬，尾狀核，豆狀核，丘腦)，腦白質12個(額葉、頂葉、枕葉皮層下，半卵圓中心、內囊、胼胝體膝部、胼胝體壓部)，腦脊液2 個(側腦室前角)。除胼胝體外所有ROI 需同時測量左右半球。ROI 勾畫由一位工作10 年的放射科醫師完成，在勾畫過程中要避免部分容積效應出現，ROI 大小依據測量的腦組織而定(表2)。取同一解剖結構雙側測量值的平均值作為該部位的最終值。

1.4 統計學方法

根據不同掃描參數，將T1、T2、PD 測量值分為三組：EME組，NOR組和RES組。計算每組不同部位T1、T2及PD值的均值和標準差，各組之間差異程度用組間變異系數(coefficient of variation，CV)表示。三組之間不同部位T1、T2 及PD 值的差異性比較采用單因素方差分析，P＜0.05認為差異有統計學意義。將標準掃描參數RES 組測量值作為參考值。EME 組、NOR 組測量值與參考值的相關性分析采用Pearson 相關。統計學軟件采用SPSS (SPSS for Windows，23.0.0.0，IBM)。

2 結果

三組之間不同部位T1、T2 及PD 值測量結果見表2。三組之間統計學差異結果及組間CV見表3。

表2 三組掃描參數測量所得不同腦組織T1、T2及PD值(±s)

表2 三組掃描參數測量所得不同腦組織T1、T2及PD值(±s)

注：PD：質子密度；ROI：感興趣區；EME：急診組；NOR：常規組；RES：科研組。

腦區額葉皮層頂葉皮層枕葉皮層海馬尾狀核豆狀核丘腦額葉白質頂葉白質枕葉白質半卵圓中心內囊胼胝體膝胼胝體壓腦脊液ROI面積(mm 2)4.7±0.6 3.9±0.7 4.6±1.2 33.4±6.2 25.3±4.2 37.5±7.4 46.9±5.9 38.6±6.3 38.6±6.8 34.5±7.4 67.6±8.0 6.1±1.6 39.4±8.4 52.4±9.1 4.8±0.9 T1 (ms)EME 1219.0±49.7 1167.0±39.0 1122.0±47.9 1135.0±54.4 1017.0±35.1 939.0±39.2 915.0±44.6 661.0±30.9 664.0±25.2 663.0±28.6 685.0±28.3 627.0±45.6 600.0±35.5 657.0±37.2 4292.0±7.5 NOR 1227.0±44.6 1163.0±42.2 1118.0±50.0 1132.0±55.7 1069.0±34.2 949.0±42.3 941.0±56.8 653.0±33.8 656.0±33.4 667.0±28.5 685.0±34.2 647.0±45.4 596.0±42.3 650.0±40.2 4291.0±4.4 RES 1269.0±50.2 1206.0±39.7 1158.0±48.4 1159.0±61.1 1084.0±39.7 961.0±40.2 966.0±51.2 681.0±30.6 685.0±30.9 689.0±29.3 700.0±35.9 665.0±34.5 621.0±36.4 664.0±42.4 4290.0±4.5腦區額葉皮層頂葉皮層枕葉皮層海馬尾狀核豆狀核丘腦額葉白質頂葉白質枕葉白質半卵圓中心內囊胼胝體膝胼胝體壓腦脊液T2 (ms)PD (%)RES 84.2±1.4 83.7±1.1 85.2±2.0 83.5±3.0 81.8±1.8 78.8±2.5 79.8±2.7 62.2±1.9 62.3±1.5 62.1±1.7 63.8±1.7 58.4±1.6 58.3±2.4 59.2±2.6 105.0±2.8 EME 93.9±3.7 84.9±3.6 80.6±3.7 91.4±5.4 77.4±3.0 66.6±4.6 72.8±3.5 76.0±3.2 79.8±2.9 82.5±3.1 79.3±3.2 77.3±5.5 71.2±4.0 76.8±5.8 1261.0±237.0 NOR 86.0±3.5 78.2±3.2 75.0±3.5 85.4±9.2 71.2±3.9 60.8±4.8 65.8±3.8 69.2±3.2 72.3±3.6 74.7±3.2 74.0±2.9 73.5±5.2 64.2±3.5 71.8±4.7 1406.0±203.0 RES 86.6±3.8 79.5±2.6 75.0±3.5 86.5±4.7 71.1±3.3 61.7±4.4 66.7±3.6 70.5±3.0 73.1±3.6 75.7±3.6 74.8±3.4 72.9±5.6 63.4±3.6 72.4±4.8 1305.0±177.0 EME 83.0±2.3 82.8±1.6 82.9±3.2 81.8±2.8 79.2±1.6 77.8±1.9 74.6±2.5 61.7±1.9 61.1±1.8 59.9±1.8 63.1±1.6 58.6±2.4 52.5±4.0 58.1±3.0 108.0±0.8 NOR 82.9±1.8 82.6±1.7 82.9±2.5 82.9±3.4 80.5±2.1 78.2±2.9 79.2±3.4 61.0±2.1 61.2±1.6 60.7±1.6 62.6±1.6 57.6±2.8 58.0±2.9 58.2±3.2 104.0±2.6

表3 不同腦組織T1、T2及PD測量值在EME、NOR、RES三組之間的差異性比較

結果顯示，三組之間T1、T2及PD值差異有統計學意義，以下區域除外：海馬、豆狀核、半卵圓中心、胼胝體膝部、壓部及腦脊液的T1 值；海馬、豆狀核、額葉白質、內囊及胼胝體壓部的PD 值。三組之間T1 及PD 值差異較小，組間CV 除尾狀核T1 值(3.33%)、丘腦和胼胝體壓部PD 值(3.65%，5.80%)之外，均小于3%。三組之間T2 值差異較大，組間CV 均大于3%，最大組間CV為6.48%。

EME 組、NOR 組測量值與參考值(RES 組)之間呈線性相關，相關系數分別為EME：T1：r=0.999，T2：r=0.982，PD：r=0.978；NOR：T1：r=0.999，T2：r=0.985，PD：r=0.986 (如圖1～3，腦脊液T1、T2及PD值與其他組織相差較大，未在圖中顯示)。

圖1～3 急診組(EME)、常規組(NOR)測量所得腦組織T1(圖1)、T2(圖2)及質子密度(PD)值(圖3)與參考值(科研組：RES)之間線性相關分析。EME、NOR組測量值與參考值之間呈明顯線性相關(因腦脊液測量值與其他腦組織測量值差別較大，未在此圖顯示)

3 討論

本研究對MDME 序列設置三組不同的掃描參數分別對顱腦掃描，結果表明，MDME序列快速掃描參數對T1、T2及PD測量值有不同程度的影響，以T2 值影響最大，但三組測量值之間具有極強的線性相關性。這提示我們，使用不同參數的MDME序列可用來區分腦內不同組織，但在定量比較或動態隨訪過程中要注意掃描參數選擇的一致性。

3.1 MDME序列的優勢

既往有大量研究測量正常腦組織的T1、T2 值，測量值的范圍較大(T1：600～1100 ms；T2：50～80 ms)[17-18]，主要原因可能與使用的測量方法不同有關。本研究使用MDME 序列所測量的腦組織T1、T2及PD值與既往測量值范圍相仿。該序列優于其他測量方法主要表現于其掃描時間短，僅需要一次掃描，同時完成了從定量圖譜向加權圖像的轉化，加快了其在臨床中的應用。本研究使用的方法較以前有所改進[19]，首先使用更常用的自旋回波序列替代梯度回波序列，降低了磁敏感效應的影響，其次采用多層面采集方法，兩次采集時間間隔較長，對翻轉角度的使用不受限制[1]。

3.2 MDME序列定量測量值差異的原因

本研究顯示不同腦組織的T1、T2、PD 測量值在三組之間的差異具有統計學意義。這提示我們，在臨床工作中進行測量值對比時要使用同一種掃描參數。Hagiwara等[15]對正常志愿者在同一設備行多次掃描并在不同設備之間行多測掃描，結果顯示同一設備內的CV 及設備間的CV 均小于1.4%。Kang等[20]采用不同的層厚和層間距對顱腦掃描，測量所得T1、T2 值無明顯差異。本研究從測量值的差異程度看，T1、PD 值差異最小，除尾狀核、丘腦、胼胝體膝部之外，其組間CV 均小于3%，而T2 值差異最大，組間CV 均大于3%，最大值為6.48%。尾狀核、丘腦、胼胝體膝部的組間CV 較大，其原因尚不清楚，可能與該組織結構有關，比如丘腦內不僅含有灰質核團還有白質纖維束，單個體素內物質更不均勻。West 等[11]認為當測量值差異程度小于3%時，不影響腦組織分割、體積測量以及加權圖像的合成。因此，本研究中T1及PD值的差異不足以影響其臨床應用。

三組測量值之間存在差異可能有以下原因：(1) MDME 序列在算法上采用單指數衰減模型來推算某體素內的定量值，但腦組織成分非常復雜，每個體素內并非單一物質，因此測量值僅反映在弛豫過程中起主要作用的組織[21]。(2) MDME 序列僅采用2 個回波點來測量組織的T2 值，較少的回波測量點在擬合橫向弛豫曲線時缺乏準確性，而T1 值的測量采用4 個不同的等待時間點，因此T1 值的測量相對更加準確。這可能是引起組織T2 測量值差異較大的主要原因。如果增加采集回波數量，可獲取更準確的T2 值，但會延長掃描時間。(3) MDME 序列掃描參數的差異，包括TE、TR、矩陣以及帶寬等(表1)。本研究中T2 測量值差異明顯，以EME組T2 值最高。Hagiwara 等[15]的研究采用廠家預設的掃描參數，并且不同掃描設備之間的掃描參數相差不大，而本研究中采用的掃描參數不同，但掃描參數的變化如何引起測量值的差異，還不甚清楚。Ryu 等[22]提出RF 脈沖的形態和B1 不均勻性都可能會導致MDME 序列讀出信號幅度的變化，進而導致T1、T2 測量值可重復性的降低。本研究中掃描參數的變化可能同樣會引起讀出信號強度改變，進而引起測量值的差異。

本研究中，腦脊液T2 測量值具有較大的組內差異，在掃描參數一定的情況下，其標準差明顯高于其他組織的T2 值(177～237 ms)。Higiwara 等[15]研究中同樣顯示出較大的T2 差異，這除了與回波采集點較少之外，還可能跟測量組織的弛豫時間有關，對于T2 弛豫時間特別短或特別長的組織測量值不準確，如腦脊液。Ji 等[23]認為當測量組織的T1、T2 值超過某一閾值范圍時，測量所得的T1、T2 值變異增大。因此，采用MDME 序列來定量評價含有液性成分的病變時要謹慎。

3.3 動態定量觀察需保持掃描參數一致

盡管不同掃描參數所得T1、T2、PD 值存在差異，但三組測量值具有明顯的相關性。這提示我們對于掃描時間較短的EME 組參數，同樣可作為定量評價的基線掃描或長時間隨訪，但隨訪過程中要固定參數。這對于難以配合的患者，比如老年人是有意義的。

本研究有以下不足之處：(1)在勾畫ROI 過程中僅有一位醫師參與，并只勾畫一次，其可重復性在本研究中未證實，在以后的研究中可采用雙盲法，使測量值更準確。(2)未使用模體，因此無法觀察MDME 快速掃描參數對均勻物質的定量測量值是否有影響。(3)未將腦內病變納入研究范圍，在以后研究中可關注MDME 序列快速掃描參數對顱腦病變測量值是否有影響。

總之，MDME序列可在較短時間內完成全腦掃描，獲得腦組織T1、T2、PD 值并生成不同加權圖像。快速掃描參數對腦組織T1、PD測量值的影響較小，對T2測量值影響較大，但不同掃描參數所得定量值之間具有較高的相關性。在臨床工作中進行定量比較或動態隨訪過程中要注意掃描參數選擇的一致性。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。