磁共振超短回波時間序列的應用研究進展

張旭陽，于楠，，張喜榮，，賈永軍，任革，任占麗，賀太平*

作者單位：1.陜西中醫藥大學，咸陽 712046；2.陜西中醫藥大學附屬醫院，咸陽 712021

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是利用射頻脈沖對處于磁場中的含有自旋不為零的原子核的物質進行激發，引起氫原子核共振，在射頻脈沖停止后，氫原子核釋放能量，發生弛豫，最終被感應線圈采集，經電子計算機處理而成像[1]。MRI 檢查具有優越的軟組織對比、不存在電離輻射損傷、可任意體層成像、不僅可以反映被檢體解剖信息，而且能對組織生理、生化特征進行檢測[2]。目前，這種檢查方法被廣泛應用于人體各個系統中。但在人體中存在著一些T2 值非常短的組織，它們的T2 值一般小于10 ms，有的甚至小于1 ms。在用常規MRI 序列掃描時，還未等填充到K 空間中心，組織的T2 信號已經衰減至零，無法對其進行編碼，導致圖像對比差，組織解剖結構和生理信息丟失，給疾病的診斷造成一定困難[3]。近年來，磁共振超短回波時間(ultrashort echo time，UTE)序列的應用使超短T2值的組織得以很好地顯示，現將近年來UTE序列的應用進展進行綜述。

1 骨肌系統

隨著社會的發展，人口老齡化現象愈發嚴重，骨的發病率也逐年增高。據統計，在美國，骨質疏松癥引發的骨折數每年超過150 萬個，費用約為150 億美元[4]。骨的T2 值極短，導致其信號衰減極快，臨床上使用的常規MRI 序列不能捕捉到骨的磁共振信號[5]。

1.1 骨皮質

骨皮質約占骨骼重量的80%，骨皮質由大約40%的礦物質、35%的膠原蛋白和25%的水組成，這些成分的結合使骨皮質具有獨特的生物力學特性，包括抗壓縮力、抗拉強度和粘彈性,骨皮質微觀結構在確定骨折風險方面起著關鍵作用，并受多種因素影響，如骨質疏松、甲狀旁腺功能亢進、腎臟疾病和糖尿病等，這些疾病通常會對骨骼代謝和重建產生彌漫性影響[6]。磁共振波譜成像表明，骨皮質MR 信號有多種不同的T2 值[7],UTE 脈沖序列能夠以與常規脈沖序列相當的空間分辨率、信噪比和對比噪聲比直接對骨皮質進行成像，還可對骨皮質的組成成分進行測量、評估[8]。Lu 等[9]學者在3 T 磁共振掃描儀上利用三維UTE 序列建立的多峰脂肪信號模型，對人體骨皮質進行分析，包括結合水T2*及其組分、自由水T2*及其組分、脂肪T2*及其組分，對9 例人骨皮質標本進行了可行性研究，在4個圓周區域內從骨內膜到骨膜進行感興趣區選擇,采用微型計算機掃描來測量骨孔隙度和骨礦物質密度，以比較和驗證結合水和自由水分析,研究結果發現，三組分分析顯著提高了人骨皮質結合水和自由水含量的估算準確性。Wan等[10]采用拉伸采樣窗口對3 T磁共振UTE序列骨皮質定量的影響，通過3 T MRI 對10 例牛骨皮質和17 例人脛骨中段標本進行成像，對生物標志物進行定量，發現在992～1600 μs的螺旋采樣窗和668 μs的徑向采樣窗下，牛和人皮質骨的所有生物標志物(單組T2、雙組分T2 及其相對組分、T1、磁化傳遞比和高分子組分的磁化傳遞模型)均無顯著性差異，證明在低空間頻率對象(如脛骨中段)中，使用較長的采樣窗口可以大大加快定量UTE-MRI技術的速度，而不會產生明顯的量化誤差。Jerban 等[11]使用3D-UTE-Cones 序列掃描8 個脛骨骨皮質標本，用IR-UTE 技術測量總水量、結合水和孔隙水質子密度，提出了3D-UTE 序列可對體內、外骨皮質進行質子定量，發現PWPD 和MMPD 可以作為潛在的新型生物標志物來評估骨基質和微觀結構，以及骨齡或相關變化。綜上所述，UTE 序列不僅可以清楚顯示骨皮質的形態結構，而且可以較好地對其組成成分進行定量分析。

1.2 關節軟骨

關節軟骨是一層薄薄的結締組織，由軟骨細胞、水、膠原蛋白和蛋白多糖組成，其厚度、細胞密集度和基質成分等在不同關節內呈現出不同的差異。正常軟骨為層狀結構，由內到外分別為鈣化層、放射層、移行層及切線層。常規MRI 主要通過與周圍高信號組織形成對比來進行關節軟骨的成像，僅使關節軟骨的最表層顯示高信號，組織對比不佳，診斷存在一定困難[12-13]。近年來，MRI-UTE 序列的出現緩解了這一局面，其對關節軟骨成像可直接顯示軟骨深層，使關節軟骨的全層均顯示為較清晰的線狀高信號[14]。早在2010 年就有學者[15]在3 T MRI 下利用UTE 和常規脈沖序列對自然產生和實驗制備的人軟骨-骨標本的軟骨-骨界面進行成像，將UTE 圖像與質子密度加權、脂肪抑制和T1加權圖像進行比較，發現在MRI-UTE圖像上，所有髕骨切片均在骨-軟骨交界處附近顯示高強度線性信號，而在質子密度加權、脂肪抑制或T1 加權圖像上看不到該信號，人體關節UTE 圖像的高信號來源于關節深層軟骨和軟骨最深處的鈣化層，說明UTE 序列可提供一種評估骨-軟骨交界處或其附近異常的方法[16]。UTE 序列不僅可以清楚顯示關節軟骨的高信號，而且可以對軟骨的生化成分進行定量分析[17]。Pauli等[18]采用UTE序列、自旋回波序列、組織病理學分析和偏光顯微鏡對20 例人體尸體髕骨進行評估,使用UTE信號衰減的雙分量擬合，評估每個髕骨的短T2*水成分和長T2*水成分，發現短T2*成分的百分比增加越明顯，即UTE T2*值降低越顯著，軟骨退變越嚴重。UTE T2*結果可以對關節軟骨的化學成分進行定量分析，在骨關節炎患者骨的形態結構發生變化之前更早地發現關節軟骨內的生化成分微變化,短T2*水含量可作為軟骨退變的生物標志物。Yang等[19]通過收集20份接收全膝關節置換術的患者的前外側髁標本，行3.0 T 磁共振掃描，共勾畫出72 個感興趣區進行UTE-MT、UTE-T2*和T2 測量，并對相應骨-軟骨區域進行退化等級劃分，發現UTE-MT 值與軟骨退變的組織學分級密切相關，診斷效果優于UTE T2*和T2。UTE序列克服了常規MR 掃描序列僅顯示關節軟骨最表層的缺點，可使關節軟骨全層均顯示為清晰線狀高信號，不僅可以對骨-軟骨交界清晰顯示，而且可以對其生化成分進行定量分析，先于形態結構發生變化之前監測生化成分微變化。

1.3 椎間盤軟骨終板

位于中央的髓核、環繞髓核周圍的纖維環和位于椎體邊緣骨質下方的透明軟骨終板(cartilaginous endplate,CEP)共同構成了椎間盤，是體內最大的無血管結構[20],CEP 是營養物質進入椎間盤的通路，其退變會導致椎間盤營養供應異常，進而發生椎體退行性改變[21]。常規MRI 序列可以清晰顯示纖維環和髓核結構，但對CEP顯示存在一定局限。隨著MRI技術的快速發展，UTE序列的出現使CEP成像成為可能，UTE可以使CEP 顯示為高信號，有利于CEP 的結構形態成像和定量分析。陳寧等[22]通過對87 例志愿者共435 個椎間盤進行UTE 序列和常規序列成像，發現常規序列圖像上終板區僅可見髓核與椎體骨質間條帶狀低信號，細微結構仍無法顯示,而在UTE 序列圖像上，低信號鈣化及高信號非鈣化兩層結構清晰可見。MRI-UTE 序列成像可顯示常規MRI 序列不能夠顯示的腰椎間盤軟骨終板及其分層，進而觀察其損傷，為臨床無創評估腰椎結構提供了一種新的方法。王嬌等[23]通過對26 例受檢者共130 個椎間盤進行3D-UTE 序列和T2*mapping 序列檢查，發現軟骨終板無缺損組、軟骨終板頭側缺損組、軟骨終板尾側缺損組、軟骨終板頭尾側缺損組的髓核區T2*值分別為(49.60±1.97)、(45.59±4.76)、(40.64±2.84)、(24.63±2.66) ms，差異具有統計學意義，說明3D-UTE 與T2*mapping 聯合可以對椎間盤退變進行定量分析。綜上，MRI-UTE 序列的出現使CEP 成像成為可能，不僅可以顯示CEP 及其分層結構，而且可以進行定量分析，為疾病診斷提供準確依據。

2 呼吸系統

肺實質的成像對MRI 來說是一個巨大的挑戰，由于正常肺組織質子密度極低且存在大量的氣體-組織界面導致磁敏感率不均勻，同時又在成像過程中易受到運動偽影的干擾，導致肺部MRI 技術應用較為局限[24]。T2WI 序列常被用來顯示病變，常規SE 序列的回波時間在10 ms 左右，但肺部的T2 值極低，在常規MRI 序列上表現為低信號或無信號，不能直接對其進行成像[25]。

近年來，MRI技術的進步為肺實質疾病的檢出及診斷提供了更廣闊的前景，包括UTE 序列成像、超快速渦輪自旋回波采集、投影重建技術、屏氣成像、ECG 觸發、對比劑(灌注成像、氣霧劑)、鈉成像、超極化惰性氣體成像和氧增強技術等，有利于肺結節的檢測和良惡性鑒別、肺炎的檢測、定性和隨訪、阻塞性肺不張與非阻塞性肺不張和梗死的鑒別，以及肺含水量的測量[26]。UTE 脈沖序列采用硬脈沖激發后直接檢測自由感應衰減，其圖像具有梯度回波特征，在短T2 成分的信號衰減之前快速采集其信號，降低了肺內氣體-組織界面大引起的磁敏感率不均勻的影響。夏藝等[27]通過對16例慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)患者進行MRI-UTE 序列、CT、PET 檢查，發現MRI-UTE 的T2*值與FEV1，FEV1/FVC 具有中度正相關性，而相對于CT 容積量化參數，MRI-UTE 的T2*值與PFT 參數的相關系數絕對值更大，T2*值在一定程度上反映著肺功能的變化，且與CT 容積參數間存在明顯負相關性；T2*的測量是一種可用于COPD患者的肺功能評估的新方法，且敏感度較高。

不僅如此，UTE 序列在肺部小結節的檢出方面優勢顯著。Ohno等[28]對85 例肺實質疾病患者進行胸部低劑量CT 及MRI-UTE序列檢查，并對是否存在結節或腫塊、磨玻璃影、支氣管擴張、肺氣腫、肺大泡等影像學特征進行評估，發現肺部MRI-UTE 序列成像與標準劑量和低劑量CT 的方法間一致性顯著，對肺及縱隔病變的評估及各種肺實質病變的影像學表現評價有重要價值。另有研究發現MRI-UTE序列對直徑4～8 mm的肺結節檢出的敏感度在60%～90%之間，對直徑大于8 mm的結節敏感度達到100%[29]，與常規三維雙回波GRE 序列相比，自由呼吸UTE序列對肺小結節(4～8 mm)的檢出具有更高的敏感度，造成這種現象的根本原因是UTE序列體素大小相對于GRE序列較小，回波時間較短，空氣-軟組織界面磁化率偽影較少[30]。Zhu等[31]提出了一種新的自由呼吸高分辨率運動校正肺MRI 策略，稱為iMoCo UTE，大大提高了空間分辨率，在兒科和嬰兒肺部MRI 研究中顯示出巨大潛力。Hysinger 等[32]采用自門控UTE MRI，實現了無創評估新生兒氣管軟化，且無需鎮靜，無電離輻射損傷，克服了其他檢查方法的局限性，適用于氣管動力學的縱向研究。UTE 序列可以對含低質子密度的肺組織進行成像，彌補了既往MRI 掃描序列的不足，在良惡性結節的鑒別、小結節的檢出等方面具有廣闊的應用前景。

3 心血管系統

心血管系統MRI 可以無創性地評估心肌形態及功能等，對心血管疾病的診斷有其獨到的優勢。Károlyi 等[33]對28 例冠狀動脈粥樣硬化性心臟病患者供體心臟的斑塊進行常規T1WI、T2WI 和UTE 序列成像，得出T1、T2 和超短回波時間磁共振心臟成像(ultrashort echo time cardiac magnetic resonance,UTE-CMR)的組合可以很好地對人類冠狀動脈粥樣硬化斑塊進行分類，包括富脂病變和鈣化病變，與先前的一些研究相比[34]，UTE-CMR在本研究中對壞死核心的檢測具有更高的特異性，為評估人類冠狀動脈粥樣硬化類型和診斷奠定了一定基礎。膠原蛋白或纖維化的增加是心臟疾病的一個重要標志，可以提高對高?；颊叩淖R別能力，纖維化顯像在指導治療和監測療效方面可能發揮越來越大的作用。MRI 是最常用的無創檢測、可視化和量化纖維化的方法。然而，用于確定心肌纖維化表型的MRI 技術，需要使用基于釓的對比劑，難以用于裝有心臟起搏器和自動除顫器的患者，心血管UTE 的出現有望在不使用對比劑的情況下對纖維化進行早期和全面的評估[35]。Hoerr 等[36]在強磁場下采用UTE 序列，通過心電和呼吸門控技術克服運動偽影，對心臟功能參數進行評價，可實現大多數心臟參數的精確測量，且具有較高的圖像質量。綜上，UTE 序列應用于心血管系統可以對心肌形態及功能進行無創評估，將來有望在不使用對比劑的情況下對心臟纖維化進行早期評估。

4 中樞系統

大腦白質含有大部分長T2成分和少數短T2成分，使用具有常規回波時間的臨床MRI 序列無法檢測到這些。Du 等[37]使用UTE 序列對9 例健康志愿者腦白質中的超短T2 成分進行成像，并對其T2*s 和相對質子密度(RPDs)進行定量分析，采用絕熱反轉恢復法雙回波UTE序列對腦白質超短T2成分進行形態學成像，健康志愿者腦白質超短T2*成分的短T2*約為(0.42±0.08) ms、RPD 為4.05%±0.88%；信號源可能來自細胞膜中的質子以及與白質中的大分子結構緊密結合的水，說明UTE 序列可以對腦白質中超短T2*成分急性高對比度形態學成像，以及定量測量其MR 弛豫時間和組織屬性，對白質疾病的研究提供影像依據。MRI對髓鞘進行成像的主要挑戰是水長T2信號的污染，Ma 等[38]通過對人體模型、離體腦標本、20 名健康志愿者和20 名多發性硬化(multiple sclerosis，MS)患者進行前瞻性研究，用方差分析法評價MS病灶與MS患者的正常腦白質之間的信號差異，提取的髓鞘囊泡高信號強度及相應的T2*和T1 序列為利用UTE 序列直接成像超短T2 髓鞘質子提供了依據，通過反轉恢復預脈沖將腦白質的長T2 信號清零，剩余來自髓鞘的超短T2 信號可以用UTE 序列檢測到，從而對全腦髓鞘進行MRI，為多發性硬化患者脫髓鞘病變診斷提供依據。UTE序列可清晰顯示腦白質及全腦脊髓，為中樞神經系統疾病診斷提供支持。

5 總結與展望

UTE 序列作為一種新型MRI 技術，不僅能夠獲得較高軟組織分辨率的圖像，且彌補了常規MRI 序列不能直接對超短T2 組織進行成像的缺陷，同時能夠獲得較高軟組織分辨率的圖像，但目前主要以定性觀察短T2組織結構或定量測定T2*值的研究為主，相信隨著研究的深入和MRI 技術的發展，在以后研究中將逐步探索UTE 序列在全身各部位的疾病發現、診斷和疾病評估，使UTE 序列越來越多地應用于全身各個系統的臨床和基礎研究中。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。