合成MRI與傳統(tǒng)定量方法對T1、T2弛豫值測定的模體驗證對比研究

劉雅文，牛海軍，尹紅霞，鄭作鋒，任鵬玲，張婷婷，，趙鵬飛，呂晗，王振常，*

作者單位：1.北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院，北京 100191；2.北京航空航天大學生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100191；3.首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院放射科，北京 100050；4.北京市垂楊柳醫(yī)院放射科，北京 100022

定量磁共振成像(quantitative magnetic resonance imaging，qMRI)技術(shù)是隨著精準磁共振成像的發(fā)展而出現(xiàn)的一種成像技術(shù)，可以提供人體組織物理特性的定量信息，是目前國際MRI應(yīng)用研究的前沿。狹義上的qMRI 技術(shù)指對弛豫時間進行定量，主要包含對縱向弛豫時間(longitudinal relaxation time，T1)和橫向弛豫時間(transverse relaxation time，T2)的測量。通過對T1、T2 等人體組織成分固有參數(shù)值的測量，可以準確區(qū)分不同的組織類型，為臨床診斷提供重要依據(jù)[1-2]。

目前已有多種技術(shù)用于弛豫時間的定量計算，傳統(tǒng)的T1 Mapping成像技術(shù)使用基于飽和恢復法和反轉(zhuǎn)恢復法對T1 值進行定量，T2 Mapping 主要使用基于單回波的自旋回波序列或多回波的快速自旋回波序列[3-4]。各種定量技術(shù)各有優(yōu)點和局限性，通常情況下，為了獲得更準確的定量值，需要進行多次序列掃描或者在同一個序列下改變參數(shù)得到更多的信號值以便進行擬合計算，但是這樣會使單次掃描的時間大幅增加，不利于在臨床中的推廣應(yīng)用。因此，在定量原理和基礎(chǔ)序列之上衍生出多種快速定量成像技術(shù)。

目前，合成磁共振成像技術(shù)和磁共振指紋成像是兩種主要的快速同步定量成像技術(shù)[5-6]。其中，基于動態(tài)多回波(multiple-dynamic, multiple-echo，MDME)序列的合成MRI技術(shù)是一種全新的qMRI采集方式，可以通過一次采集獲得包含T1 Mapping 和T2 Mapping 在內(nèi)的多種定量和對比度圖像。MDME 序列包含兩個重復的數(shù)據(jù)采集階段，第一階段使用片選飽和脈沖進行層面選擇，第二階段通過激勵脈沖和多個重聚焦脈沖對另一個層面進行多回波自旋回波采集，最終通過多回波和不同的飽和延遲進行T1 和T2的定量估計。在生成定量圖像后，可以通過任意改變回波時間(echo time，TE)和重復時間(repetition time，TR)值以獲得不同對比度的圖像，便于臨床應(yīng)用[7-8]。針對合成MRI獲得的加權(quán)圖像，目前已有研究表明，其在不同部位和疾病的診斷中與傳統(tǒng)掃描序列圖像的診斷價值相當，具有較好的應(yīng)用前景[9-11]。除此之外，合成MRI 的掃描時間較短，使得這一技術(shù)有望在常規(guī)臨床掃描中得到應(yīng)用[12]。

但是，相較于合成MRI 的應(yīng)用研究，目前對合成MRI 的定量測定準確性評估及與傳統(tǒng)定量技術(shù)對比的驗證研究較少，而準確性又是qMRI 方法得以發(fā)展的前提和關(guān)鍵，將會影響其在定量研究中的應(yīng)用和推廣[13-15]。因此，本研究針對3.0 T MR設(shè)備，對灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液模體采用合成MRI 和傳統(tǒng)定量技術(shù)對T1 和T2 弛豫時間進行重復定量測定，對比研究合成MRI在定量研究中的準確性和可重復性。

1 材料與方法

磁共振模體采用萬東公司配制的磁共振人體組織仿真模體：灰質(zhì)(gray matter，GM)模體(圓柱形，型號WD-TP001，內(nèi)部填充水1000 g，六水合氯化鎳0.25 g，瓊 脂 糖9.6 g 和 山 梨 酸 鉀0.1 g)，白 質(zhì)(white matter，WM)模體(圓柱形，型號WD-TP002，內(nèi)部填充水1000 g，六水合氯化鎳0.50 g，瓊脂糖11 g和山梨酸鉀0.1 g)，腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)模體(圓柱形，型號WD-TP003，內(nèi)部填充水1000 g，五水硫酸銅0.02 g)。三個模體內(nèi)部填充的物質(zhì)較為均勻。

1.1 MR掃描及序列參數(shù)

MRI設(shè)備采用GE 3.0 T Pioneer，配備數(shù)字環(huán)繞技術(shù)體線圈和頭頸聯(lián)合線圈，進行合成MRI和傳統(tǒng)定量成像。使用GE 設(shè)備中的動態(tài)多回波序列(magnetic resonance image compilation，MAGiC)進行合成磁共振圖像采集，具體掃描參數(shù)如下：TE1=18.3 ms，TE2=91.4 ms；TR=4000 ms；掃描野=220 mm×220 mm；矩陣=320×256；回波鏈長度=16；層厚=5 mm；層間距=1 mm；三個模體可同時掃描，從上至下掃描20層，掃描時間為4 min 30 s。T1 Mapping的掃描序列為快速自旋回波序列，反轉(zhuǎn)時間(inversion time，TI)取6 個不同的值，分別設(shè)置為50、100、200、500、1000 和2500。其他掃描參數(shù)如下：TR=4000 ms，TE=7.8 ms，層厚=5 mm，矩陣=192×160；依次掃描三個模體，每個模體掃描5層，覆蓋模體中間區(qū)域，用時共計約10 min。T2 Mapping采用基礎(chǔ)自旋回波序列，依次預掃描三個模體，設(shè)置TR=5000 ms，層厚=10 mm，層間距=2.5 mm，矩陣=128×128，回波時間分別設(shè)置為20、40、60、80、100、120、180、240、300、400、500、1000 ms，用時共計約10 min。

1.2 T1和T2的計算方法

基于MDME 序列的合成MRI 通過設(shè)置兩個回波時間和4個延遲時間來獲取原始圖像，并通過最小二乘法擬合計算出T1 和T2 定量圖，定量擬合計算公式見式(1)[16-17]：

其中，S 是信號強度，A 為常數(shù)，α 是翻轉(zhuǎn)角，θ 是飽和翻轉(zhuǎn)角。

本研究中的傳統(tǒng)T1擬合計算方法基于Barral等[18]提出的T1計算方法：

N 是采樣點的個數(shù)，TIn是不同的反轉(zhuǎn)時間，a?、b?、T?1分別是復數(shù)數(shù)據(jù)和T1的估計值。

對于傳統(tǒng)的T2 曲線擬合，通過最小化Blcoch 方程對不同回波時間的信號強度進行最小二乘擬合：

S = K·[H]·(1 -e-TR T1)·e-TE T2

其中，[H]為組織的質(zhì)子密度，K 為常數(shù)，S 為整體信號強度，當TR ＞＞T1 時，e-TR T1接近于0，即可由最小二乘法擬合計算出T2值。

1.3 模體實驗

為了驗證合成MRI 技術(shù)對T1、T2 弛豫定量測定的準確性，本研究除進行合成MRI 序列掃描外，還基于基礎(chǔ)磁共振序列和T1、T2 擬合測定方法對模體進行掃描。共掃描四次，每次至少間隔半天，每次掃描前模體處于靜置狀態(tài)，掃描中環(huán)境溫度和模體溫度基本不變。

合成MRI掃描時將模體進行組合，整體放置在頭線圈中進行，采用GE 公司提供的專用MAGiC 后處理軟件[19]進行圖像重建，在重建過程中無錯誤記錄。在重建后的第十層圖像上進行感興趣區(qū)的選取和勾畫，感興趣區(qū)形狀為方形，大小盡可能覆蓋模體的成像區(qū)域，軟件自動計算得到T1 和T2 值并記錄。每例的后處理時間約為2 min。

傳統(tǒng)T1 Mapping 掃描時將模體進行組合，整體放置在頭線圈中進行，T1 定量圖的計算和生成在MATLAB 平臺下完成，每例的計算時間約為1 min，計算完成后得到T1定量圖及其閾值范圍。對計算得到的T1 定量圖，選取第三層圖像，使用ImageJ 軟件(version 2.0.0，http://imagej.net)的ROI 選取和測量功能，測得不同組織模體在相同ROI 下的T1 值并記錄。

傳統(tǒng)T2 Maping 依次掃描GM、WM、CSF 模體，使用手動預掃描模式對不同回波時間下的信號強度進行測量和記錄。根據(jù)T2 擬合公式在MATLAB 平臺下進行計算，得到T2值及指數(shù)擬合曲線圖。

1.4 統(tǒng)計學分析

采用GraphPad Prism 9.1.1 軟件進行統(tǒng)計學分析，P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計學意義。對測得的T1和T2值，以傳統(tǒng)定量計算結(jié)果為金標準，計算合成MRI與傳統(tǒng)定量計算結(jié)果的差值。使用Bland-Altman分析對傳統(tǒng)定量計算和合成MRI 定量計算的結(jié)果進行一致性評估。雙因素重復測量方差分析用于測量傳統(tǒng)定量計算和合成MRI 定量計算的結(jié)果的差異和四次重復實驗之間的可重復性。

2 結(jié)果

合成MRI 和傳統(tǒng)定量計算得到的T1，T2 及二者差值顯示除CSF 的T1 值之外，誤差基本在20%以內(nèi)(表1)。

表1 合成MRI和傳統(tǒng)定量計算的T1，T2值及誤差Tab.1 T1 and T2 value of synthetic MRI and conventional mapping methods

合成MRI 和傳統(tǒng)定量計算方法得到的定量值的Bland-Altman 圖如圖1 所示。所有的數(shù)據(jù)點均在95%的一致性范圍內(nèi)。圖2 為四次重復測量下合成MRI 和傳統(tǒng)定量計算方法的折線圖，其結(jié)果經(jīng)過Sidak 多重比較檢驗。統(tǒng)計結(jié)果表明，對于T1 值計算，兩種定量計算方法差異無統(tǒng)計學意義(F=0.113，P=0.7537)，并且四次測量之間差異也無統(tǒng)計學意義(F=0.613，P=0.4968)；同樣地，兩種方法計算的T2 值之間差異無統(tǒng)計學意義(F=0.001，P=0.9737)，四次測量之間差異無統(tǒng)計學意義(F=1.162，P=0.3498)。計算方法對T1 和T2 值的影響不會隨著時間的變化而變化，二者之間不存在交互作用(分別為F=1.187，P=0.3560；F=0.797，P=0.5190)。

圖2 合成MRI和傳統(tǒng)定量方法重復測量結(jié)果的折線圖。2A:T1值的結(jié)果；2B：T2值的結(jié)果。Fig. 2 Synthetic line charts of MRI and conventional quantitative methods for repeated measurements. 2A: result of T1 value; 2B: result of T2 value.

3 討論

本研究針對3.0 T MR 設(shè)備，采用合成MRI 序列和傳統(tǒng)定量成像技術(shù)分別對灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液三個模體進行四次重復掃描，并采用MAGiC后處理軟件和傳統(tǒng)T1、T2擬合計算方法進行定量計算，觀察傳統(tǒng)擬合方法和合成MRI定量計算的結(jié)果的差異及穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，重復測量下的合成MRI和傳統(tǒng)擬合的T1 和T2 值差異無統(tǒng)計學意義，合成MRI 下弛豫值定量計算表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和可重復性，且操作更為簡便，這為合成MRI序列及其定量計算的臨床應(yīng)用和推廣提供了初步支撐。

3.1 T1、T2值的測定方法的比較

傳統(tǒng)的弛豫定量已在全身多個部位的掃描及鑒別診斷中有了一定的應(yīng)用。T1 定量在心臟及腦部中的應(yīng)用較多，如Matthew等[20]比較了兩種常用的T1定量方法的細胞外容積測量穩(wěn)定性，Daniel 等[21]使用T1定量方法獲得了正常人從嬰兒期到成年的T1弛豫時間，但是，即使采用快速T1 定量方法，單次掃描時間也近3 min。對于T2 定量，Kim 等[22]比較了兩種T2 定量方法在膝關(guān)節(jié)軟骨中的應(yīng)用，David 等[23]將T1和T2定量用于肝臟纖維化的檢測和分期。傳統(tǒng)的T1 和T2 定量方法類型多樣，通常以延長掃描時間為代價獲得更精確的參數(shù)定量，使其無法在臨床中廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的定量成像技術(shù)相比，合成MRI序列參數(shù)設(shè)置簡單，可實現(xiàn)一次掃描多種成像，極大縮短了掃描時間，在得到定量圖之后，還可以通過任意改變TE 和TR 值，得到不同的加權(quán)圖像，為臨床提供豐富的影像信息。在本文研究中也體現(xiàn)了合成MRI 弛豫定量的高效性，傳統(tǒng)方法需對兩個弛豫值分開測定，合成MRI的掃描僅需5 min內(nèi)即可同時獲得T1和T2值。因此，采用合成MRI進行弛豫值測定更便于在臨床中應(yīng)用和推廣。

3.2 T1、T2值的測定準確性及可重復性的比較

在應(yīng)用合成MRI 技術(shù)進行定量研究方面，Hagiwara 等[24-25]的相關(guān)研究表明，從MDME 序列中得出的定量值總體上是穩(wěn)定的，且組織的弛豫值和大腦體積會隨著年齡的變化而改變，這有助于進行大腦疾病的診斷。Xu 等[1]在同一臺機器上進行了兩次掃描，初步驗證了集成MRI 定量測定的可重復性。Kang等[26]研究了不同參數(shù)設(shè)置對合成MRI弛豫測定的影響。除了2D的MDME序列，也誕生了基于3D-QALAS序列的三維定量合成磁共振序列，其被用于心臟成像中T1 和T2 的同步定量，并在心臟和具有不同組織特性的模型中顯示出高精確度和準確性[27-28]。但是，已有研究多是基于臨床驗證或單一使用合成MRI 技術(shù)的重復性驗證。本研究使用模體進行驗證，對比傳統(tǒng)定量方法和合成MRI 技術(shù)弛豫值技術(shù)的準確性和可重復性。差值計算的結(jié)果顯示，兩種方法計算得到的T2 值差值較小，CSF 的T1 值的差值較大，超過了20%，這可能是因為實驗中所用的CSF 模體基本為純水，其T1 弛豫時間絕對值非常大(2000～3000)，接近弛豫曲線的頂部，合成MRI 和傳統(tǒng)T1 掃描在這個區(qū)域取點稀疏，擬合誤差大。除此之外，實驗所用的MDME 序列是為分析真實腦組織而開發(fā)的，機器中搭載的MDME序列可能沒有針對不同弛豫特性的材料進行充分的優(yōu)化，從而對計算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[24]。但是，Bland-Altman 圖和重復測量方差分析表明兩種測量方法間差異無統(tǒng)計學意義。綜合研究結(jié)果表明，合成MRI在定量成像方面具有與傳統(tǒng)定量成像方法相當?shù)乃剑瑸橄乱徊胶铣蒑RI技術(shù)的推廣應(yīng)用和提高打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.3 局限性

本研究仍存在以下局限性：首先，研究僅使用了單中心的單一磁共振機器，因弛豫定量受環(huán)境等因素較大，不同機器在應(yīng)用時需要再單獨進行驗證。其次，本研究中僅使用了模體進行驗證，雖然排除了個體差異的影響，但同時也缺乏臨床驗證，需增加研究對象進一步進行驗證。此外，研究中的掃描參數(shù)相對固定，尚不清楚不同掃描參數(shù)對弛豫定量的計算是否有影響，需要進一步設(shè)計實驗方案，使驗證更加全面。

總之，本研究通過在模體上的對比驗證表明，在T1 及T2 弛豫值測定中，合成MRI 掃描計算方法與傳統(tǒng)定量擬合計算方法具有同等效力，且掃描參數(shù)設(shè)置簡單，有利于臨床開展相關(guān)定量研究。合成MRI應(yīng)用能極大提高qMRI的可操作性和應(yīng)用性。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。