磁共振成像在腦部疾病診斷中的研究進(jìn)展

唐少平，陶薔

磁共振成像在腦部疾病診斷中的研究進(jìn)展

唐少平1，陶薔2

1.首都醫(yī)科大學(xué)第五臨床醫(yī)學(xué)院，北京 100069；2.首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

磁共振成像技術(shù)是腦部疾病診斷的重要方法之一。隨著臨床診斷技術(shù)的不斷革新，越來越多的腦部疾病可被發(fā)現(xiàn)。磁共振成像技術(shù)自問世以來在腦成像中起關(guān)鍵作用，且隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷完善。本文對磁共振成像技術(shù)在多種腦部疾病輔助診斷中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

磁共振成像；腦部疾病；腦成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是20世紀(jì)80年代初正式投入臨床應(yīng)用的一種成像技術(shù)[1]。近年來，MRI技術(shù)發(fā)展迅速，其在腦成像領(lǐng)域中的應(yīng)用亦越來越多，受到學(xué)者廣泛關(guān)注。本文就MRI技術(shù)在腦成像應(yīng)用中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 MRI概述

1.1 原理

將人體置于特殊磁場中，激發(fā)人體內(nèi)的氫原子核，氫原子核會(huì)發(fā)生共振吸收外界能量，其將吸收的能量以電磁波的形式釋放出來（即磁共振信號），磁共振信號被體外MRI設(shè)備中的吸收器吸收后獲得縱向弛豫時(shí)間T1及橫向弛豫時(shí)間T2，轉(zhuǎn)換器可將T值轉(zhuǎn)換為虛擬灰度，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理后獲得的圖像稱作MRI[1]。由于患者的T值與正常人群不同，組織間的T值亦不同，形成影像的灰度也存在差異，這成為MRI診斷疾病的基礎(chǔ)。

1.2 設(shè)備

MRI設(shè)備由磁體系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)等組成。全球第1臺MRI設(shè)備由Fonar公司于1984年研發(fā)成功；MRI設(shè)備的最初磁場強(qiáng)度多為0.15T，之后其磁場強(qiáng)度提高至3.0T，2018年7.0T的MRI設(shè)備被允許應(yīng)用于臨床[2]。MRI設(shè)備磁場強(qiáng)度的提高可提高其靈敏度、對比度及信噪比。

1.3 檢查方法

MRI包括MRI普通掃描和MRI對比顯像兩種檢查方法。MRI普通掃描是不注射對比劑的MRI掃描，是最常用的MRI檢查方法，其可發(fā)現(xiàn)大部分腦腫瘤、血管畸形、腦損傷等顱腦病變。MRI對比顯像是將對比劑注射到患者體內(nèi)后進(jìn)行的MRI檢查方法，目前最常用的對比劑是釓噴酸葡胺，其經(jīng)血液循環(huán)到達(dá)機(jī)體各組織處，改變局部磁場環(huán)境，并在成像上形成差異[3]。

2 MRI在腦醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

MRI技術(shù)是臨床診斷各類疾病常用的檢查手段之一，其在腦部疾病診斷中的應(yīng)用也較為廣泛，診斷準(zhǔn)確性較高。

2.1 腦腫瘤

腦腫瘤是發(fā)生于腦部的異常新生物，既可原發(fā)于顱腦內(nèi)，又可由其他部位轉(zhuǎn)移而來，即原位癌和轉(zhuǎn)移癌。患者一般會(huì)出現(xiàn)頭痛等癥狀，臨床表現(xiàn)為顱內(nèi)高壓等。國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，腦腫瘤患者的病灶均位于白質(zhì)區(qū)域，T1信號相對較低，邊緣部位模糊不清；T2信號相對較高且均勻，邊緣清晰可見。臨床上，可通過MRI對早期顱腦腫瘤進(jìn)行初步診斷。Koch等[4]應(yīng)用MRI技術(shù)測定麻黃堿和苯腎上腺素對腦腫瘤患者腦部循環(huán)的影響，通過MRI可比較兩種藥物對腦部毛細(xì)血管傳輸時(shí)間的異質(zhì)性，分析藥物對腦部氧張力的影響，從而助力腦腫瘤的臨床治療。

2.2 腦梗死

腦梗死患者顱內(nèi)血管發(fā)生病變，相關(guān)血管所支配區(qū)域內(nèi)的組織無法獲得足夠的氧及營養(yǎng)物質(zhì)而易發(fā)生壞死，神經(jīng)細(xì)胞也在一定程度上受到損傷，從而表現(xiàn)出神經(jīng)功能障礙。動(dòng)脈硬化和心源性栓塞是導(dǎo)致腦梗死的主要原因。黃世林[5]研究發(fā)現(xiàn)，MRI增強(qiáng)掃描患者腦部出血區(qū)域，影像呈地圖樣強(qiáng)化。南細(xì)柳[6]對50例老年出血性腦梗死患者進(jìn)行MRI檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者病灶區(qū)域呈現(xiàn)出斑塊狀混雜信號，檢出率為96%。Lan等[7]提出改進(jìn)方案，將多尺度U-Net[MS（U-Net）]模型應(yīng)用于腦部MRI分割，分割結(jié)果更加接近真實(shí)結(jié)果，從而對腦梗死進(jìn)行更加準(zhǔn)確的分型。在此基礎(chǔ)上測定三酰甘油水平、低密度脂蛋白/高密度脂蛋白比值、中性粒細(xì)胞/淋巴細(xì)胞比值等生化指標(biāo)可用于眩暈性腦梗死的診斷。

2.3 腦血管瘤

腦血管瘤一般指腦動(dòng)脈發(fā)生的病變。多種因素?fù)p傷顱腦動(dòng)脈血管壁后，損傷部位在動(dòng)脈壓力下逐漸擴(kuò)大，形成突起，形狀似腫瘤。其根據(jù)動(dòng)脈破裂與否可分為破裂動(dòng)脈瘤和未破裂動(dòng)脈瘤，患病率為2%～5%。動(dòng)脈瘤未破裂時(shí)，患者無明顯臨床癥狀；動(dòng)脈瘤發(fā)生破裂后，患者會(huì)突發(fā)劇烈頭痛。陳世林等[8]在腦腫瘤患者和海綿狀腦血管瘤患者中開展三維動(dòng)脈自旋標(biāo)記腦血流技術(shù)與磁共振灌注加權(quán)成像技術(shù)的對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者均能較好地評價(jià)患者腦部血流灌注情況，對疾病的輔助診斷、治療方案的選擇及疾病的預(yù)后發(fā)揮作用。

2.4 腦出血

腦出血是除外傷之外的其他因素導(dǎo)致的腦部血管破裂出血。高脂血癥、高血壓等易損傷腦部血管，從而引發(fā)腦出血。張琢[9]通過MRI將腦出血分為5個(gè)時(shí)期，提示MRI可用于腦出血分期、分型的確認(rèn)，輔助疾病診斷。Li等[10]利用多模態(tài)神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)研究部分缺血性腦卒中患者慢性腦出血的患病率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)常規(guī)頭顱MRI掃描和磁敏感加權(quán)成像均可對有癥狀慢性腦出血和無癥狀慢性腦出血進(jìn)行判斷，二者的影像學(xué)表現(xiàn)類似，提示二者均可用于既往缺血性腦卒中患者慢性腦出血的輔助診斷。

2.5 腦震蕩

腦震蕩是指患者頭部受外力擊打后而發(fā)生的輕度腦損傷，一般情況下患者的腦實(shí)質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)較大的病理改變。患者常出現(xiàn)短暫性昏迷、遺忘等癥狀，被認(rèn)為是最輕的一種腦損傷，易治愈。Virani等[11]應(yīng)用磁敏感加權(quán)成像技術(shù)檢測腦震蕩患者的腦微出血情況，發(fā)現(xiàn)腦震蕩造成的腦微出血量與骨科損傷基本相同。提示MRI可用于腦震蕩造成的腦部微出血檢測，其對腦震蕩的預(yù)后具有一定的監(jiān)測功能。Wu等[12]對運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦震蕩患者進(jìn)行磁共振彌散加權(quán)成像檢查，研究患者患病后白質(zhì)的縱向恢復(fù)軌跡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者受傷24～48h后的磁共振彌散加權(quán)成像衍生平均擴(kuò)散率顯著高于對照組，且持續(xù)性白質(zhì)異常與臨床結(jié)局和恢復(fù)時(shí)間延遲有關(guān)。

2.6 腦積水

腦積水是指原存在于腦部的正常腦脊液循環(huán)被破壞，過量腦脊液聚集在腦內(nèi)而引起的疾病。外傷、腦腫瘤等常導(dǎo)致腦脊液循環(huán)出現(xiàn)障礙，引起腦積水。其典型癥狀為頭痛、尿失禁、視力模糊等，如不及時(shí)治療可能導(dǎo)致腦萎縮。不同MRI序列組合能夠提供高分辨率解剖信息和腦脊液血流信息，在大多數(shù)情況下可對腦積水類型及其致病機(jī)制進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，這是確定合適治療方案的基本信息。Hodler等[13]對不同年齡段、不同類型的腦積水和其他腦脊液疾病所需的放射學(xué)檢查和成像特征進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為若常規(guī)MRI序列無法發(fā)現(xiàn)梗阻病灶時(shí)，PC-MRI和3D重T2加權(quán)穩(wěn)態(tài)序列（3D heavily T2-weighted steady-state sequences，3DT2WSS）分別能夠評估腦脊液循環(huán)和具體解剖結(jié)構(gòu)，從而幫助臨床診斷并改善臨床實(shí)踐。

2.7 腦挫裂傷

腦挫裂傷是指患者頭部受到強(qiáng)烈外力刺激，導(dǎo)致軟腦膜發(fā)生撕裂，腦實(shí)質(zhì)受到損傷，其典型癥狀為意識障礙、頭痛、嘔吐、癲癇等。在腦挫傷之后，可通過對神經(jīng)束行彌散造影推斷患者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損壞情況，但缺少高分辨率成像和組織病理學(xué)的驗(yàn)證。Nolan等[14]研究證實(shí)，一種新型離體MRI技術(shù)可檢測到患者神經(jīng)束的破壞，反映軸突損傷情況，病理學(xué)驗(yàn)證損傷部位存在片狀淀粉樣前體蛋白沉積、星形膠質(zhì)細(xì)胞增生等組織改變。

2.8 帕金森病

帕金森病常發(fā)生于老年群體，其主要病因是位于黑質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元變性，臨床表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性差、睡眠障礙等。于文文等[15]研究發(fā)現(xiàn)帕金森病患者腦橋十字征和裂隙征比較典型，而多系統(tǒng)萎縮患者的腦橋、中腦、小腦明顯萎縮，認(rèn)為MRI在兩種疾病的鑒別上具有較高價(jià)值。陳起強(qiáng)等[16]對帕金森綜合征和帕金森病患者進(jìn)行MRI常規(guī)掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)帕金森綜合征患者基底節(jié)和皮層下信號明顯異常，但帕金森病患者的MRI圖像無特殊變化，提示MRI可推廣用于鑒別、診斷帕金森病與其他癥狀類似的腦部疾病。

2.9 腦死亡

腦死亡是指整個(gè)大腦功能的不可逆性停止，有研究認(rèn)為其確診條件包括昏迷、無腦干反射、呼吸暫停[17]。有學(xué)者并不推薦將MRI作為其診斷方法，但腦死亡患者的MRI圖像存在部分特征性變化，包括大量腦水腫伴腦疝、灰質(zhì)或白質(zhì)分化不良、彌漫性彌散受限，可預(yù)示腦死亡的發(fā)生，具有臨床意義。

3 MRI的優(yōu)勢與不足

MRI的解剖學(xué)和功能空間分辨率較好，其軟組織對比度是目前影像學(xué)檢查中最高的，無輻射，是無法接受電離輻射患者可接受的檢查方法之一[18]。

MRI亦有不足之處，①觀察病灶不夠迅速：MRI圖像是多序列的，需逐個(gè)分析，無法直觀、迅速地觀察病變。②檢查時(shí)間相對較長：不適用于急重癥患者，患者在檢查期間難以一直保持同一姿勢。③易產(chǎn)生偽影：患者的輕微動(dòng)作及磁場穩(wěn)定性等在圖像上可產(chǎn)生偽影，影響檢查的準(zhǔn)確性。④安全性：患者無法攜帶心臟起搏器、金屬發(fā)卡、硬幣等鐵磁性物體，上述物質(zhì)不僅會(huì)影響圖像質(zhì)量，還可能對人體造成危害。⑤缺乏剛性骨組織作為參照[19]。

影像互補(bǔ)可集合多種成像方法的優(yōu)點(diǎn)，將不同影像信息按照一定算法進(jìn)行綜合處理，得到較單一數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更豐富的信息。多模態(tài)成像是影像融合方式之一。目前研究較多的是將正電子發(fā)射斷層顯像、CT、MRI相融合[18]。MRI在多模態(tài)成像中具有重要意義，可增加解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、減少輻射劑量、提高軟組織對比度。

4 MRI的發(fā)展方向

MRI在各種腦部疾病的影像學(xué)輔助診斷中起重要作用，因具有無創(chuàng)、清晰等優(yōu)點(diǎn)而受到醫(yī)生和患者的關(guān)注。除上述MRI檢查方法，目前還有很多處于研究階段的MRI方法。

4.1 加快成像速度

基于人工智能技術(shù)，加速M(fèi)RI成像速度的方法包括欠采樣圖像重建方法和超分辨率方法。欠采樣圖像重建方法可應(yīng)用于圖像空間和K空間，可顯示出較好的圖像信息。未來比較有希望的發(fā)展方向包括擴(kuò)展深度學(xué)習(xí)重建模型，使用3D重建技術(shù)和聯(lián)合多對比訓(xùn)練，全面評估人工智能加速圖像的診斷準(zhǔn)確性，以確保臨床診斷質(zhì)量不受影響[20]。

4.2 發(fā)現(xiàn)新的造影劑

楊濱羽等[21]發(fā)現(xiàn)一種新型造影劑，其成分是包裹有葡聚糖的超順磁性氧化鐵納米材料，研究顯示其在關(guān)節(jié)軟骨的MRI成像方面有較好的效果，可提高M(jìn)RI圖像質(zhì)量。Patil等[22]在釓基造影劑基礎(chǔ)上配制單臂和多臂釓MRI造影劑，并在膠質(zhì)瘤小鼠模型中研究該造影劑的腫瘤成像性能，發(fā)現(xiàn)該造影劑所產(chǎn)生的對比度更大，有望對腦腫瘤進(jìn)行鑒別診斷。

4.3 醫(yī)學(xué)圖像融合

Song等[23]提出可用圖像融合方法輔助阿爾茨海默病的診斷，通過配準(zhǔn)和掩模編碼融合腦MRI和氟脫氧葡萄糖–正電子發(fā)射斷層掃描圖像的灰質(zhì)組織，使用三維簡單卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估圖像融合方法在二元分類和多分類任務(wù)中的有效性。研究認(rèn)為所提出的圖像融合方法較單峰和特征融合方法具有更好的整體性能，優(yōu)于最先進(jìn)的阿爾茨海默病診斷方法。

4.4 提高圖像質(zhì)量

研究新型軟件，分析和改進(jìn)算法，提高M(jìn)RI腦部圖像質(zhì)量。黃敏等[24]從K空間數(shù)據(jù)快速重建高質(zhì)量圖像，認(rèn)為改進(jìn)后的模型質(zhì)量更優(yōu)，對病灶和小腦細(xì)節(jié)的恢復(fù)更好。高質(zhì)量圖像可更好地發(fā)現(xiàn)微小病灶，減少誤診、漏診的發(fā)生。

4.5 三維重建技術(shù)

劉子凡等[25]使用Arigin 3D Pro醫(yī)學(xué)三維重構(gòu)軟件對多臺CT和MRI設(shè)備掃描實(shí)體模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)重構(gòu)的三維模型與實(shí)體模型的相對誤差僅為0.09%～1.28%，且可對不同品牌的CT和MRI設(shè)備掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，因此認(rèn)為該模型的精確性與通用性均較好。三維圖像有利于腦腫瘤、腦血管瘤等腦部疾病的早期診斷和治療，但因重建時(shí)間較長，臨床應(yīng)用較困難。另外，現(xiàn)有3D重建技術(shù)具有切片曲率變化和曲面不連貫等問題，采用分割推疊重建方法，可更精確地重建腦部腫瘤。

5 總結(jié)與展望

MRI平掃通過彌散加權(quán)、敏感加權(quán)、灌注加權(quán)等延伸出多種MRI技術(shù)，每種MRI技術(shù)對不同腦部疾病的診斷都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，針對不同的病癥應(yīng)選擇合適的技術(shù)以盡早發(fā)現(xiàn)疾病，并及時(shí)進(jìn)行臨床干預(yù)。雖然MRI仍有一定的局限性，但隨著成像速度加快、新造影劑的出現(xiàn)、三維重建技術(shù)的改善、新的功能性MRI技術(shù)的誕生，MRI對疾病的檢出率會(huì)進(jìn)一步提高，在腦成像領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1] 陳武凡, 康立麗. MRI原理與技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[2] 高家紅, 雷皓, 陳群, 等. 磁共振成像發(fā)展綜述[J]. 中國科學(xué)(生命科學(xué)), 2020, 50(11): 1285–1295.

[3] LIN T, ZHAO Y, CHEN J, et al. Carboxymethyl chitosan- assisted MnOxnanoparticles: Synthesis, characterization, detection and cartilage repair in early osteoarthritis[J]. Carbohydr Polym, 2022, 294: 119821.

[4] KOCH K U, MIKKELSEN I K, ESPELUND U S, et al. Cerebral macro- and microcirculation during ephedrine versus phenylephrine treatment in anesthetized brain tumor patients: A randomized clinical trial using magnetic resonance imaging[J]. Anesthesiology, 2021, 135(5): 788–803.

[5] 黃世林. 磁共振彌散張量成像在腦膠質(zhì)瘤診斷中的應(yīng)用分析[J]. 吉林醫(yī)學(xué), 2020, 41(3): 675–676.

[6] 南細(xì)柳. CT與MRI在老年出血性腦梗死患者中的診斷價(jià)值[J]. 中國繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育, 2021, 13(3): 115–117.

[7] LAN W, AI P, XU Q. Deep-learning-based MRI in the diagnosis of cerebral infarction and its correlation with the neutrophil to lymphocyte ratio[J]. Ann Palliat Med, 2021, 10(11): 11370–11381.

[8] 陳世林, 王麗英, 王莉, 等. 3D-ASL與DSC-PWI在腦腫瘤灌注成像中的一致性分析[J]. 南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 41(8): 1283–1286.

[9] 張琢. 不同期別腦出血MRI診斷及信號變化特點(diǎn)[J]. 影像研究與醫(yī)學(xué)應(yīng)用, 2019, 3(17): 28–29.

[10] LI G F, WU Y L, WANG S, et al. Previous chronic symptomatic and asymptomatic cerebral hemorrhage in patients with acute ischemic stroke[J]. Neuroradiology, 2019, 61(1): 103–107.

[11] VIRANI S, BARTON A, GOODYEAR B G, et al. Susceptibility-weighted magnetic resonance imaging (MRI) of microbleeds in pediatric concussion[J]. J Child Neurol, 2021, 36(10): 867–874.

[12] WU Y C, HAREZLAK J, ELSAID N M H, et al. Longitudinal white-matter abnormalities in sports- related concussion: A diffusion MRI study[J]. Neurology, 2020, 95(7): e781–e792.

[13] HODLER J, KUBIK-HUCH R A, VON SCHULTHESS G K, et al. Diseases of the Brain, Head and Neck, Spine 2020–2023: Diagnostic Imaging[M]. Berlin: Springer, 2020.

[14] NOLAN A L, PETERSEN C, IACONO D, et al. Tractography-pathology correlations in traumatic brain injury: A TRACK-TBI study[J]. J Neurotrauma, 2021, 38(12): 1620–1631.

[15] 于文文, 王琦, 吳曉麗. 經(jīng)顱超聲和MRI對多系統(tǒng)萎縮與帕金森病患者的鑒別診斷價(jià)值[J]. 醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志, 2021, 31(1): 119–122.

[16] 陳起強(qiáng), 林煥斌. 探討MRI檢查在帕金森病與帕金森綜合征鑒別診斷中的應(yīng)用價(jià)值[J]. 齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2020, 41(17): 2165–2167.

[17] RIZVI T, BATCHALA P, MUKHERJEE S. Brain death: Diagnosis and imaging techniques[J]. Semin Ultrasound CT MR, 2018, 39(5): 515–529.

[18] DECAZES P, HINAULT P, VERESEZAN O, et al. Trimodality PET/CT/MRI and radiotherapy: A mini- review[J]. Front Oncol, 2021, 10: 614008.

[19] 葛均波, 徐永健, 王辰. 內(nèi)科學(xué)[M]. 9版. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2018.

[20] JOHNSON P M, RECHT M P, KNOLL F. Improving the speed of MRI with artificial intelligence[J]. Semin Musculoskelet Radiol, 2020, 24(1): 12–20.

[21] 楊濱羽, 羅霞, 劉佳伶, 等. 葡聚糖包裹超順磁性氧化鐵納米材料用于關(guān)節(jié)軟骨磁共振T2-Map成像研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程研究, 2020, 39(1): 36–40.

[22] PATIL R, GALSTYAN A, GRODZINSKI Z B, et al. Single- and multi-arm gadolinium MRI contrast agents for targeted imaging of glioblastoma[J]. Int J Nanomedicine, 2020, 15: 3057–3070.

[23] SONG J, ZHENG J, LI P, et al. An effective multimodal image fusion method using MRI and pet for Alzheimer’s disease diagnosis[J]. Front Digit Health, 2021, 3: 637386.

[24] 黃敏, 管智慧, 周到, 等. 基于K空間數(shù)據(jù)的深度核磁共振圖像重建[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究, 2020, 39(2): 139–144.

[25] 劉子凡, 許苑晶, 柳毅浩, 等. 基于3D打印的醫(yī)學(xué)三維重構(gòu)軟件系統(tǒng)的精度研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程研究, 2020, 39(3): 219–225.

（2022–09–11）

（2023–07–18）

R445.2

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.25.031

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（7144189）；首都醫(yī)科大學(xué)科研基金項(xiàng)目（17ZR24）

陶薔，電子信箱：taoqiang@ccmu.edu.cn