磁共振零回波成像應用進展

竇晗，王曉明

作者單位：中國醫科大學附屬盛京醫院放射科，沈陽 110000

零回波時間(zero echo time，ZTE)成像是超短回波(ultra-short echo time，UTE)技術的擴展，是一種三維徑向K 空間填充、各向同性采集技術，用梯度的緩慢攀升來代替其兩極切換，結合徑向K 空間填充，能有效提高組織信號的采集效率，也可對具有超短橫向弛豫時間的組織進行成像。ZTE技術先于射頻激勵前將投影梯度打開，考慮到射頻脈沖、硬件收發切換以及數字濾波等有一定的持續時間，在射頻脈沖結束后經歷一段幾微秒的死區時間后可進行自由感應衰減信號的采集[1](圖1)，因此實際回波時間(echo time，TE)不會完全為零，但也遠小于常規成像序列，TE值近似為零。從磁共振圖像對比度產生原理可知，TE 和圖像的T2 權重息息相關，當其接近零時，各組織的T2 值之間沒有明顯差異，也就消除了T2 權重，因此ZTE 獲取的圖像初始對比度以T1 加權和質子密度加權為主[2]。根據這一特點，結合抑制長T2 組織的序列模塊[3]，可以實現對超短T2 組織諸如韌帶、軟骨、皮質骨、肺部等的可視化，隨著硬件系統和成像算法的提升，ZTE 技術將會在臨床上產生更大的應用價值。筆者查閱了近十年的相關文獻資料，針對該技術在各系統的主要臨床應用作以下綜述。

圖1 ZTE成像時序圖。采用硬脈沖進行射頻激勵(RF)，然后直接進行信號采集(AQ)，不同周期之間的梯度場(G)并不關閉，而是稍微改變其幅度。TR：重復時間，TE：回波時間，Δ：死區時間，即系統從發射到接收之間的硬件延遲時間。Fig. 1 Diagram of ZTE imaging. Radiofrequency (RF) excitation is performed with a short hard pulse, directly followed by data acquisition(AQ). By not switching off the gradients (G) between successive TR intervals but only slightly adjusting the amplitude for the next. TR: repeat time,TE:echo time,Δ:dead time,the duration of transmit-receive switching.

1 在中樞神經系統中的應用

ZTE 技術獨特的成像原理及各向同性采集的信號特性使其在中樞神經系統的應用主要集中在腦血管三維成像。齊欣等[4]對擬診斷為腦動脈狹窄的患者分別進行了零回波時間血管成像(zero echo time MRA，ZTE-MRA)和時間飛躍法血管成像(time of flight MRA，TOF-MRA)成像，經過主觀評分和信噪比、狹窄程度的定量評價，兩種方法獲得的圖像質量相當，但前者敏感性更高，尤其是對3～4 級狹窄的血管診斷準確度更高，與Zhang 等[5]的研究結論一致。因ZTE 技術中信號采集緊跟射頻激勵之后，采集效率提高，成像容積內的血流方向和速度對其信號的影響程度小于常規TOF-MRA 成像，結合ZTE 技術的血管成像可以取得更好的圖像質量，尤其是在血管迂曲處[6]。最新MRA成像技術是將ZTE與動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)技術相結合[7]，驗證了HASL(Hybrid-ASL)-ZTE-MRA 在顱內動脈疾病檢測中的可行性，與CASL(Continuous-ASL)-ZTE-MRA 進行對比研究。結果顯示，HASL-ZTE-MRA 的圖像質量評分具有更高的診斷價值、血流信號均勻性更高、偽影更少，在腦血管支架植入術后隨訪中[8]也發現ZTE 對支架植入段的血流顯示效果較好、偽影相對時間飛躍法小。

尚松安等[9]對比研究了ZTE-MRA、TOF-MRA 和計算機斷層掃描血管成像(computed tomography angiography，CTA)對顱內動脈瘤的診斷效價，ZTE-MRA 可以提供與CTA 相媲美的圖像質量和準確度，ZTE 或可減少患者在臨床檢查、療效評估[10]或隨訪觀察[11]時接受來自CTA 或數字減影血管造影(digital substraction angiography，DSA)帶來的輻射損傷。

血管分叉或者走行曲折的地方質子失相位程度較大，但ZTE具有小到幾乎為零的回波時間，可以在激發之后直接采集信號，對磁場的不均勻性不敏感，更易于獲得高質量的MRA 圖像，且ZTE以徑向方式填充K空間，對運動偽影不敏感，對于臨床上意識不清或不自主抖動的患者的腦血管成像有一定的優勢，有望成為改善顱內動脈疾病診斷和隨訪評估的無創成像技術。

髓鞘改變與神經系統疾病密切相關如多發性硬化，臨床上多種MRI 成像方法，如水成像、T2-FLAIR、T1-MP-RAGE 等被用來間接描述髓鞘病變，而直接髓鞘成像仍然是一個挑戰，有學者初步研究了ZTE 序列在3 T 場強下直接進行髓鞘成像的可行性[12]，Jang等[13]首次將絕熱反轉恢復雙回波ZTE用于人腦髓鞘成像，證明ZTE 在髓鞘檢測中有一定的可行性，但因小翻轉角以及低帶寬，成像時間和圖像對比度不可兼得，在進入臨床之前還需要進一步優化成像參數。

ZTE技術初始對比度以質子加權為主，需要額外的準備模塊來獲取其他加權圖像。有研究以1.5 T常規T1加權圖像為參考，定量分析了7.0 T 場強下常規T1 加權序列和優化的T1-ZTE序列的圖像質量[14]，ZTE-T1圖像信噪比不如常規圖像，但提供的對比度更高、皮層灰質的自動分割更準確，有望成為高場強下獲取低噪聲T1 圖的首選序列。Solana[15]提出了T2 準備模塊結合分段3D-ZTE 技術，并與常規梯度回波-回波平面成像(gradient echo-echo planar imaging，GE-EPI)、自旋回波-回波平面成像(spin echo-echo planar imaging，SE-EPI)圖像進行腦功能圖像質量的比較、以快速反轉恢復梯度回波圖像為參考評估腦組織幾何形變，結果顯示噪聲水平接近環境噪聲、圖像形變最小，因研究在3.0 T MRI 機上進行，空間敏感性較低，更高的磁場或可以增加其敏感度。

ZTE技術可以在信號衰減較少時進行數據的采集，從而獲取相比常規序列更高的圖像信噪比，這對其他原子核MR 成像的研究有一定的推動作用。Baligand[16]在11.7 T場強下通過3D ZTE-MRI成像來測量淀粉樣變性小鼠模型中的腦耗氧代謝率，通過吸入17O 標記的氧氣、直接進行17O-MRI 成像，與標準3D 化學位移成像(chemical shift imaging，CSI)在體內的性能進行了比較。使用不同的量化模型(線性和三相模型)進行數據分析，信噪比提高了兩倍，為未來17O-MRI 在神經退行性疾病研究中的推行提供基礎。

2 在肺部成像中的應用

肺部相關疾病的診斷檢查主要以CT 為主，肺結節在臨床上日益常見并且需要定期隨訪觀察，無電離輻射的MR 成像方式受到重視。然而肺部組織T2值比較短，衰減較快，常規MRI序列難以捕獲其信號，是MRI 肺部檢查的一個短板，ZTE 可以對超短T2組織進行成像，有望彌補MRI在胸部成像中的空白。研究[17-20]證實UTE技術對肺部MRI有潛在的優勢。

Bae[21]首次比較了臨床患者肺3D-UTE 和ZTE 的圖像質量，后者在描述周圍支氣管和肺精細結構更出色，能夠敏感的檢測到肺結節，可以考慮作為CT 隨訪檢查的替代成像方式。然而，ZTE對長T2組織如縱隔、胸壁等實質病變的顯示缺乏合適的對比度，目前在臨床上只能作為補充檢查，我們需要更多的研究來提高它在臨床應用中的可靠性。之后Bae 又進一步評估了4D-ZTE 技術在肺MRI 中的可行性[22]，對21 名患者分別通過前瞻性和回顧性門控技術進行3D-ZTE、4D-ZTE 掃描。后者顯示呼氣末的圖像質量、肺實質和胸腔結構的信噪比、對比噪聲比顯著提高，生成的動態圖像可以額外提供膈肌運動情況和氣道尺寸的變化信息，掃描時間有所增加(2 min 16 s 和5 min 23 s)，但仍在臨床接受范圍內。

磁化傳遞(magnetization transfer，MT) MRI序列評估纖維化組織有優勢，因肺部質子密度低且信號衰減快，對于彌漫性肺實質病變的臨床檢查仍局限在高分辨率CT。Wurnig等[23]在高場(4.7 T)小鼠活體肺部成像中，提出了結合ZTE 和交替讀出技術的MT-MRI 序列，對獲得的T1、T2 以及MT 量化值分析得出，該技術對慢性實質性肺疾病的檢測具有一定的可行性，但因為MT脈沖對單個自旋的影響主要由其T2值決定，在本文中肺T2 值是擬合獲得的，且T1、T2 等值的獲取并不是來自同一只小鼠，最終結果對MT 效應的評估會有一定的偏差，且來自其他偏振效應(如直接飽和)在磁化傳遞比(magnetization transfer ratio，MTR)測量中的影響也不容忽略，其臨床價值仍需進一步的研究來證實。

3 在骨肌系統中的應用

常規磁共振成像在骨骼肌肉系統中的應用主要以評價軟組織損傷為主，對韌帶軟骨等細微病變顯示不佳，ZTE 技術使超短T2 組織的顯示成為可能。ZTE 技術在小鼠模型中[24]能夠定量縱向弛豫時間，在4.7 T 場強下信號衰減雙指數曲線能夠分離結合水和孔隙水含量，間接用于評估骨骼強度和韌性；Breighner 等[25]應用ZTE 技術對肩關節病變進行形態細節的顯示，收到了“類CT”的效果，為常規MRI檢查序列難以辨別的外傷和細微皮質侵蝕提供了更多的診斷信息。然而和CT 相比，較低的空間分辨率限制了皮質內距離、關節角度等的測量準確度。de Mello 等[26]對盂肱關節進行3D-ZTE/3D-CT 成像對比研究，兩者在盂肱關節骨皮質的顯示以及關節盂寬度的測量方面具有高度一致性(ICCs＞0.94)，有學者對38 個疑似髖臼撞擊綜合征以及營養不良的髖關節進行ZTE-MRI和CT成像，通過后處理算法進行圖像強度不規則性的校正、對比度對數變換及反轉，兩種成像方式在形態學參數測量值如髖臼形態、中心角(central-edge angle，CEA)、股骨頸軸角等方面顯示出中等以上的組內組間一致性[27]。綜上可知ZTE 技術使MRI可以用于臨床上骨關節相關參數的非電離輻射性測量。

Delso 等[28]首次基于ZTE 序列進行顱骨識別的臨床評估，結果表明單回波質子加權采集適于自動骨骼分割，經過后處理配準重建后獲得的顱骨掩模可以用于正電子發射計算機斷層顯像(positron emission computed tomography，PET)/MR的衰減校正(attenuation correction，AC)，這與Wiesinger等[29]的研究結論一致。但在一些組織密度差異大的交界面存在部分容積效應，會對骨識別產生假陽性結果，在臨床解讀中需特別注意，未來研究應改進成像序列或優化成像參數來進一步提高骨骼識別分割的準確度。Sgard 等[30]CT 掃描作為參考，在認知障礙患者中獲取基于ZTE和地圖集方法的AC圖像，依次進行偏差校正、強度歸一化、閾值分割、衰減系數的分配后，對最終圖像進行定量分析，得出基于ZTE-MRI 的衰減校正方法更能客觀準確的評估整個皮層的新陳代謝。

Seifert 等[31]學者應用ZTE 及其派生序列絕熱單反轉恢復技術進行體外研究，提供了人體骨基質密度的非破壞性替代測量，有利于臨床醫生區分與年齡相關的骨質礦物質受損。可以考慮作為評估骨質質量的無創性手段，但仍需要進行相應的臨床試驗，明確定量方式，進一步探索在臨床患者中的應用價值。

4 在其他方面的應用

Weiger 等[32]學者對人類牙齒進行體外超高場強(11.7 T)的ZTE 成像，結果顯示在礦化層和齲齒病變的檢測中，ZTE 可以提供更好的層次感和分辨率，牙本質的信噪比也高于μCT，然而真正應用在臨床還需要性能更高的射頻和收發切換硬件系統。這與前者研究結論[33]一致，有進一步研究的潛在價值。

Beenakker等[34]將ZTE應用于顯示眼部腫瘤，獲得的對比度可以滿足對腫瘤的基本評估，但圖像質量不如常規笛卡爾采集模式，對于眼球不自主運動明顯或對高聲壓敏感的患者，這一掃描技術相對有優勢，因為ZTE短TR特性對運動不敏感，且編碼梯度緩慢漸變的特性產生的噪聲顯著減小。也有文獻將ZTE技術應用于人體組織的電生理特性的定量[35]；結合呼吸導航技術有效改善腹部成像質量[36]。有學者將ZTE序列用于經顱超聲消融治療中，對震顫患者的顱骨特征如厚度等進行提取分析，以此調節聚焦能量的大小、達到有效的治療熱量[37]。這項有關ZTE技術的初步研究仍需更多的臨床試驗以驗證其可行性。

近年來，越來越多學者將ZTE 技術應用于PET/MR 衰減校正[38-41]的研究。Leynes 等[42]應用深度學習模型將水脂分離技術和ZTE技術進行聯合重建，用于PET/MRI盆腔成像中的衰減校正，改善了盆腔病變的定量攝取，深度學習的介入使多種技術實現自動化、減少采集時間，有助于促進該技術面向臨床。

ZTE 技術的提出使超短T2 組織的成像成為可能，因其信號采集緊跟在射頻激發之后，對運動偽影、磁敏感偽影相對不敏感，在一些帶有植入物的成像中也能減少金屬偽影，可以獲得具有診斷價值的圖像。但ZTE 對序列時序要求較高，而且目前的研究局限于小樣本量，結論的可靠性尚不明確，目前還未真正地進入臨床常規應用，隨著各種算法、序列的優化以及大樣本的臨床研究，ZTE技術將會擴大無創性影像檢查的適用范圍。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。