磁共振同時多層成像技術的臨床研究進展

李雪，嚴福華

作者單位：上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院放射科，上海200025

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)具有良好的軟組織分辨率，其多序列、多參數、多方位的成像特點也可以為臨床診斷提供豐富的信息，然而，相較于CT 及超聲檢查，MRI 掃描最大的缺點是掃描時間過長。因此，更快的掃描速度和更高的圖像質量一直是磁共振發展的兩個重要方向。隨著新的MRI快速成像技術的出現，其中最重要的一項技術就是并行采集技術，并行采集技術通過K空間欠采樣的方法在掃描層面內進行加速，從而減少掃描時間。然而目前多數MRI 圖像仍然采用的是2D 掃描模式，因而并采技術對于MRI掃描的加速仍具有一定限度。近幾年新推出的同時多層成像技術(simultaneous multi-slice，SMS)，又稱多帶技術(multi-band，MB)，能夠利用復合射頻脈沖實現了多個掃描層面的同時激發［1］，有效降低了重復時間(time of repeatation，TR)，實現了層面間的加速。雖然目前最新的壓縮感知技術(compressive sensing，CS)在MRI 加速方面具有較大優越性，但相較于在3D 及動態增強圖像中的應用，CS 技術在2D 圖像中的稀疏性不足，其在DWI技術中的應用具有一定限制［2］。因此SMS 技術在其臨床應用特別是在擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)序列的應用中仍具有一定優勢。

1 同時多層成像技術概述

1.1 SMS技術的發展歷程(圖1)

SMS 技術最早是由Larkman 等［3］在2001 年提出的，其利用復合射頻脈沖同時激發4 個層面，再通過層選方向的多通道線圈所接收到的信號強度差異來對同時采集的混疊圖像進行分離，實現了對志愿者的膝關節多個層面的同時采集。但其采集的相鄰層面的圖像混疊偽影較重，圖像變形嚴重，限制了其在臨床中的應用。直到2009 年，由于美國國立衛生研究院資助的人腦連接組項目(human connectome project，HCP)［4］需要大量的高圖像質量的腦樣本數據，美國明尼蘇達大學、麻省總醫院等開始共同研發SMS 技術［5］。2010 年，明尼蘇達大學的學者［6］將SMS技術與并行采集技術結合，在相位編碼方向減少K空間采樣，通過層選方向及相位編碼方向的同時加速實現了功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的全腦高時間、高空間分辨率成像。同年，該學者又將SMS技術與其他多項成像技術相結合，快速得到了擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)和血氧水平依賴成像(blood oxygen level dependent，BOLD)圖像［7］。然而，即便如此，在使用更高空間分辨率時，這些圖像仍會產生明顯的偽影和變形。

為進一步提高圖像質量，2012年，來自麻省總醫院的一項研究［8］引入了雞尾酒并行采集技術(controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration，blipped-CAIPIRINHA)，將其與SMS 技術結合得到了具有更高空間分辨率的DWI 和fMRI 圖像，并且圖像偽影及變形明顯減輕。因此，回顧SMS技術的發展歷程，blipped-CAIPIRINHA 雞尾酒并行采集技術的引入是其發展的關鍵。

1.2 SMS的成像原理

SMS 技術主要是將多個射頻脈沖混合成單個復合射頻脈沖，一次激發便可以實現數個層面的同時激勵和同時采集，通過對采集到的多個層面的混疊圖像信號進行提取、分離和編碼重建，最終以二維的方式輸出圖像。該技術能夠顯著縮短圖像掃描的TR，進而縮短圖像的掃描時間［8-9］。其中，SMS 技術一次激發的層數與人為設定的層加速因子相同。

在SMS成像中，同時采集的多個層面圖像很容易產生混疊，而在全新的SMS技術中分離混疊圖像的核心技術為blipped-CAIPIRINHA 和GRAPPA (gene relized autocalibrating patially parallel acquisitions)并行采集技術。以往的SMS 技術依靠層面編碼方向相控陣線圈空間敏感度的不同來分離混疊層面信號，但當層選方向線圈的編碼能力較弱或者當同時采集的相鄰層面距離較近時，混疊圖像分離的效果較差，圖像信噪比也會降低。為解決這一問題，有研究便引入了blipped-CAIPIRNHA并采技術，它將單個組成脈沖進行相位調制后再復合成寬帶脈沖，調制后的寬帶脈沖使同時激發的每一層面有不同的線性相位，通過每一層面獨有的相位循環使同時激發的相鄰層面在相位編碼方向上產生一定位移。隨后，采用基于K 空間域重建的并采技術GRAPPA 可將同時激發的多個層面的圖像從混疊圖像中較好地分離開來。

圖1 SMS技術的發展歷程Fig.1 The history of SMS technology development.

已有的研究證實，SMS 可以在保證圖像質量不變的前提下大大縮短掃描時間，有利于減少運動偽影，真正提高臨床工作效率，也可以在相同TR 條件下激發更多掃描層數或進一步提高圖像分辨率。迄今為止已有多項研究嘗試將SMS 技術與其他MR 成像序列進行結合，如梯度平面回波成像、擴散張量成像、血氧飽和依賴成像等，最近的研究亦有將SMS技術與CS技術結合，并且都得到了較好的圖像效果。

2 同時多層成像技術的臨床研究進展的概述

blipped-CAIPIRNHA 雞尾酒并行采集技術的發布，使新的MR 快速采集技術(SMS 技術)進入臨床研究成為可能。近年來，將全新的SMS技術應用于臨床的研究大幅增長，其中主要集中在神經系統、心血管系統、腹盆部、骨肌系統、乳腺等領域，近年來，也有關于SMS技術在頸部［10］、眼部［11］及腮腺［12］等方面應用的報道，但研究相對較少且欠成熟。總之，關于SMS 技術的研究內容已從最初的圖像質量評估逐步深入到對其病變檢測及鑒別能力的評價，研究方向也逐漸轉向與不同序列進行結合。以下將從5 個主要研究方面進行闡述。

2.1 同時多層成像技術在神經系統方面的研究進展

自2009年人腦連接組項目啟動以來，SMS技術在神經領域的應用最為廣泛，追求高清、快速成像是SMS 技術應用于神經系統的最初目標。目前，有相當一部分學者已經嘗試將SMS 技術與其他序列進行結合，如梯度平面回波成像(echo planar imaging，EPI)、DTI［13］、BOLD 及動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)［14-15］等。這些研究發現在保持各觀測指標基本不變的情況下，采用SMS技術可以大大縮短TR，從而在極短的掃描時間內完成全腦成像，提高圖像質量。比如有學者［16］將SMS 技術與EPI 序列結合(SMS-EPI)，通過優化SMS-EPI 序列、梯度性能和接收線圈，最終得到了具有超高分辨率的人腦fMRI圖像。

除此之外，SMS 技術還可以應用于高級彌散模型。高級復雜的多參數彌散模型往往可以提供更豐富的信息，但此類模型通常需要更多的b 值、彌散梯度方向數以及較高圖像彌散分辨率，掃描時間大大延長，而利用SMS 技術則可輕松實現將高級成像技術應用于臨床常規，并且多數研究推薦2 作為SMS 技術的加速因子。有研究［13］將SMS 技術與DTI 技術結合后，SMS 序列較傳統成像序列的掃描時間明顯減少，除病灶區域的部分各向異性(fractional anisotraphy，FA)值明顯升高外，SMS 序列的信號噪聲比(signal to noise ratio，SNR)、對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)、表觀彌散系數(apparent diffusion coefficience，ADC)值及周圍正常組織的FA 值較傳統成像序列保持不變。同時，在SMS 技術加速因子的設置方面，研究還表明當SMS 加速因子為2 時，各觀測指標基本保持不變。在一項對正中神經SMS DTI 成像的研究中［17］以及另一項對下頜神經SMS EPI 序列的研究中［18］也都得到了相同的結論，即當SMS 技術加速因子為2 時，圖像質量同傳統序列大致相仿。

2.2 同時多層成像技術在心血管系統的研究進展

心臟MR成像已經成為無創評價心臟功能和結構的金標準，其對掃描時間有嚴格要求。心臟MRI成像掃描時間較長、易產生運動偽影，尤其是心臟電影成像，需反復屏氣，對時間及空間分辨率要求較高。研究表明，SMS 技術在心臟的應用除提高掃描速度外，還有在保持圖像SNR 不降低的條件下提高圖像空間分辨率或擴大掃描范圍。

平衡穩態自由進動(balanced steady-state free precession，bSSFP)序列因具有高CNR、SNR 及掃描速度快等特點而被廣泛應用于心臟的快速成像技術中。心臟電影成像一般采用bSSFP 序列采集完整心動周期的圖像。有文獻將blipped-CAIPIRINHA 雞尾酒并行采集技術(即全新的SMS 技術)與bSSFP 序列結合，證實了采用SMS技術的bSSFP 序列在心肌灌注成像、實時成像及電影SSFP 成像中不僅能增加了掃描范圍，而且SNR、圖像質量保持不變［19］。近來另有研究［20］也證實結合SMS 技術的bSSFP 序列適用于心血管成像，并且能夠實現一次屏氣覆蓋全心室。以上研究均證實了SMS 技術在bSSFP 序列中的應用價值，其能在增加心臟掃描范圍的同時保持圖像質量不變。最近，也有學者將SMS 技術與CS 技術結合［21］，通過調整bSSFP 序列的K 空間欠采樣方式最終也得到了高空間分辨率、大掃描范圍的圖像。

此外Nazir 等［22］對SMS 技術加速因子的設置進行了探究，發現當加速因子為6時，SMS bSSFP序列的心肌灌注成像范圍較加速因子為3時擴大一倍，且圖像質量明顯提高。

心肌具有高度各向異性，心臟DTI能提供心肌微觀結構的獨特信息。然而，DTI 序列在心臟的應用除了受磁敏感、呼吸運動及心跳的限制外，還受掃描時間的限制［23］。因此，有一部分研究將SMS技術應用于DTI 序列。在Angus 等［24］的研究中，他們將SMS 技術加入彌散加權激勵回波序列(stimulated echo acquisition mode，STEAM)，并對10 名健康志愿者進行了未加速及3 倍加速的心臟DTI 對比掃描，發現SMS 技術可在減少屏氣次數的情況下提高心臟微觀結構定量測量的精確性。另外有［25］研究表明心臟疾病患者在自由呼吸條件下能夠完成全心DTI 掃描。以上結果均證明了DTI技術應用于臨床的潛力。

2.3 同時多層成像技術在乳腺方面的研究進展

目前SMS 技術在乳腺方面最大的應用是用于基于EPI 序列的DWI 序列。SMS 技術在乳腺DWI 序列中的研究多是集中于圖像質量的評估、加速因子的設置、乳腺良惡性病變的鑒別等方面。且已有的研究大多推薦將加速因子2作為掃描參數。

臨床上目前最常用的DWI技術為EPI，同時EPI也是目前最快的MR 采集技術。然而，由于其回波間隙大，所以圖像常常容易出現幾何變形及圖像模糊，影響病灶區域ADC值的計算［26］。為了克服上述問題，分段讀出平面回波序列(readout-segmented echo-planar imaging，rs-EPI)應運而生，它通過多次激發分段填充K 空間數據的方式，極大降低了回波間隙，有效克服了幾何變形及磁敏感偽影，呈現更高的空間分辨率以及更精確的ADC值，但其分段讀出數據的特性明顯延長了成像時間［27］。為了提高rs-EPI序列的掃描效率，Filli等［28］將SMS技術首次應用于乳腺領域，通過傳統的rs-EPI 序列、加速因子分別為2 和3 的SMS rs-EPI 序列三者圖像質量的比較，發現當加速因子為2 時，相較于傳統的rs-EPI 序列，SMS rs-EPI 序列在保持圖像ADC值和信噪比不變的情況下，所需的掃描時間大大減少。然而當加速因子增至3時，圖像偽影明顯增多。說明加速因子為2 的SMS rs-EPI 序列對臨床乳腺MRI 的掃描具有一定價值。也有文獻進一步研究了SMS EPI 序列對乳腺良惡性病變的鑒別能力，發現結合SMS 技術后EPI 序列掃描時間明顯縮短，圖像質量、診斷能力與傳統ss-EPI 序列相當［29］。最近，另有學者利用SMS 技術進一步提高層間分辨率，相較于層厚為3 mm 的傳統ss-EPI 序列，結合SMS技術后將層厚設置為2 mm，不僅能縮短掃描時間，圖像清晰度、對乳腺病變的診斷能力也均有所提高［30］。

SMS 技術目前在乳腺方面的應用報道不多，且研究多是集中于DWI序列，其節省的掃描時間還可進一步提高圖像空間分辨率，這可作為未來乳腺領域研究的方向之一。

2.4 同時多層成像技術在腹盆部的研究進展

目前，SMS 技術在腹部的應用也多集中于彌散序列，研究范圍已經逐步擴展到肝臟［31］、胰腺［32］、腎臟［33］、前列腺［34］以及直腸［35］等。雖然SMS技術可以用于薄層、高分辨率成像，但近年來在腹部的研究重點多集中在圖像質量不變甚至有所提高的情況下盡力減少成像時間。此外，目前多數研究推薦將SMS技術的加速因子設置為2。如，一項關于胰腺成像的研究首先證實了利用SMS 技術可以縮短掃描時間并提高圖像質量，同時也表明，當加速因子為2 時圖像質量較高，但數值增至3時圖像質量就可見明顯下降［36］。

SMS 技術應用于肝臟也可在不降低圖像質量的同時減少掃描時間。Taron 等［31］比較了在屏氣和自由呼吸兩種不同狀態下結合了SMS 技術的DWI 序列與傳統DWI 序列的圖像質量，發現SMS 掃描技術在兩種不同呼吸模式下圖像質量均與傳統DWI 序列相當，但掃描時間可縮短約70%。此外，SMS 技術還可應用于其他一些序列。Boss 等學者［32］的研究表明通過SMS 技術，節省的掃描時間能夠用于獲取更多b 值數，進一步證實了SMS 技術應用于體素內不相干運動成像(intravoxel incoherent motion，IVIM)序列的可行性。最近，有學者［37］還將SMS技術應用于一種快速磁共振彈性成像序列(magnetic resonance elastography，MRE)，使得單次屏氣肝臟MRE 成像成為可能。

隨著多通道高密度線圈進入臨床，SMS 技術已逐漸應用于腹盆部成像，并且研究范圍已經從簡單的圖像質量評估逐步深入到其病變診斷價值的評價。比如近來有研究表明［38］，結合SMS技術，DWI圖像對神經內分泌腫瘤肝轉移病灶的檢測能力明顯高于傳統DWI 圖像。未來，隨著磁共振設備的發展和軟件進一步優化，其在腹部的應用范圍有待進一步深入。

2.5 同時多層成像技術在骨肌系統的研究進展

Blipped-CAIPIRNHA 雞尾酒并行采集技術的發布使新的SMS技術進入臨床研究成為可能。目前，優化的SMS技術已經能夠實現大范圍、薄層及多層面掃描，其不僅可以應用于骨骼肌系統的不同組織與部位，也可以應用于不同成像序列，如DTI、快速自旋回波序列(turbo spin echo，TSE)等。

近來有研究肯定了SMS 技術在TSE 序列中的應用，表明其能夠在保證圖像質量的前提下大大縮短髖關節掃描時間［39］。在加速因子的選擇方面，Filli等［40］將SMS技術與DTI序列結合對8名健康志愿者的小腿肌肉分別行加速因子為0、2、3 的SMS DTI 序列掃描，并對上述3 個序列的平均彌散率(mean diffusivity，MD)、FA 值，肌肉信噪比，肌纖維數、肌纖維長度及解剖細節評分進行定量比較，最后發現加速因子為2時的SMS DTI序列與傳統DTI序列各彌散指標及圖像評分無明顯差異，但當加速因子為3時SMS DTI序列的FA值可見增高。另外，也有文獻［41］對膝關節快速采集技術的加速因子進行了探究，將SMS技術與并采技術(parallel acquisition techniques，PAT)結合，根據不同的加速因子與傳統TSE 序列進行不 同 組 合(PAT2-SMS1，PAT3-SMS1，PAT1-SMS2，PAT1-SMS3，PAT2-SMS2，PAT2-SMS3)，通過SNR、CNR 的定量測量，發現SMS 技術較PAT 技術保留信號能力更強，其中PAT2-SMS2 序列的SNR、CNR 與PAT2-SMS1 相近，但采集時間減少約50%。

此外，在診斷性能的評估方面，有文獻報道［42］將SMS、PAT 兩種技術與傳統T2WI TSE 序列結合可以實現膝關節采集速度的4倍加速，然而對病變的診斷能力卻保持不變。

3 現存不足與前景展望

SMS 技術于2015 年RSNA 上隆重推出，并于2016 年在市場上商業化推廣，使磁共振進入了全新的多層成像時代。以往的快速采集序列都為單頻率脈沖，而SMS 采用多頻率復合的寬帶脈沖，因此其射頻能量較高，特殊吸收率(specific absorption ratio，SAR)值較臨床常規序列高，人體SAR 值限制了SMS 技術加速因子的提高及在臨床的廣泛應用。此外，SMS 技術成像原理決定了其加速方向為選層方向，這使SMS 技術在3D 序列中的應用受限，盡管目前傳統MR成像的絕大多數掃描序列都是2D掃描模式。

迄今SMS技術已投入臨床使用，但仍是一項較新的快速采集技術，其不僅可以大大縮短掃描時間，還可以在相同或更短掃描時間內擴大掃描范圍、采集更多層面以及提高圖像空間分辨率，在提高臨床磁共振掃描效率的同時，真正實現薄層、高清、大視野及大范圍的掃描。綜上所述，SMS 技術在縮短掃描時間的同時能夠保持較好的圖像質量，未來隨著磁共振軟硬件的不斷提升、掃描序列的不斷優化，相較于CS技術，其在臨床特別是DWI成像方面的應用仍相對明朗。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。