王晶波，陶曉峰，袁 瑛，吳穎為

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院放射科，上海 200011)

MR因能精細地生成組織或物質(zhì)的繁多信息而被廣泛應(yīng)用于物理、生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。開發(fā)基于影像數(shù)據(jù)的生物標(biāo)志物、定量分析MR參數(shù)、擺脫主觀評估的偏倚，對精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要[1-2]。MR指紋技術(shù)(MR fingerprinting, MRF)具有掃描時間短和可定量獲取信息等獨特優(yōu)勢，可為快速獲得高質(zhì)量MR圖像提供有力手段。本文對MRF在醫(yī)學(xué)影像診斷的應(yīng)用進行綜述。

1 MRF概述

傳統(tǒng)MRI無法提供定量指標(biāo)及明確反映異常信號的差異程度，從而影響敏感度[3]。目前MR定量序列局限于測量波譜峰值、ADC及空間體積等[4]。如何穩(wěn)定地獲取完全定量的MR圖像一直是熱點研究課題[5]。MRF有望成為解決此問題的突破口[3]。首先，在數(shù)據(jù)采集方面，與傳統(tǒng)MR采用重復(fù)多種序列掃描獲取ROI方法不同，MRF采用“偽隨機”獲取方式，不同物質(zhì)或組織產(chǎn)生獨特的信號，形成特異屬性的“指紋”；其次，在數(shù)據(jù)后處理方面，MRF采用網(wǎng)狀重建及正交匹配方式，將獲得的信號“指紋”與預(yù)先設(shè)定的“預(yù)測信號演變庫”相匹配并進行可視化，最終生成ROI所期望參數(shù)(T1、T2值等)的完全量化圖。MRF與“壓縮感知”(compressed sensing, CS)有關(guān)，具有CS的相關(guān)優(yōu)勢。研究[3]表明，在與傳統(tǒng)MR相同掃描時間內(nèi)，MRF能完整掃描全定量數(shù)據(jù)、規(guī)避常見快速掃描方法對系統(tǒng)環(huán)境敏感的問題。此外，傳統(tǒng)MR一次掃描獲得的參數(shù)信息有限，而MRF可在足夠的掃描時間下同時定量掃描多種參數(shù)[3]，與目前基因組及蛋白研究的電腦輔助分析相似。在辨認參數(shù)的算法恰當(dāng)時，MRF能抑制數(shù)據(jù)在獲取中噪聲導(dǎo)致的不良影響；且MRF可直接應(yīng)用于其他MR領(lǐng)域，如動態(tài)增強MRI(dynamic contrast enhanced MRI， DCE-MRI)及動態(tài)磁敏感對比增強MRI(dynamic susceptibility contrast, DSC-MRI)[6]。

2 MRF在臨床應(yīng)用中的優(yōu)勢

MRF在臨床應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。與傳統(tǒng)MR序列相比，MRF具有時空不連續(xù)的特點，可忽略空間樣本量過少導(dǎo)致的誤差，并通過減少讀出信號次數(shù)來縮減序列時間，在未來有望提供加速獲取圖像的新方法。在測試加速極限的試驗[7-8]中，MRF僅通過一次信號讀取，在12.3 s內(nèi)即可獲得誤差較高的原始數(shù)據(jù)，通過對比“庫”,降低誤差，進而得到高質(zhì)量圖像。MRF還具有較高的運動偽影容錯能力，有學(xué)者[3]采用MRF掃描被試者頭部15 s，并要求被試者在最后3 s晃動檢測部位(頭部)，而獲得的圖像質(zhì)量與傳統(tǒng)序列相同。定量檢查序列驅(qū)動平衡脈沖觀測弛豫時間(driven equilibrium single pulse observation of T1/2， DESPOT)技術(shù)為效率較高的弛豫時間參數(shù)檢測序列，而研究[9]表明MRF的檢測效率為DESPOT序列的1.8倍。

由于MRF是基于bSSFP序列開發(fā)而成，而bSSFP對B0及B1磁場不均勻較為敏感，故MRF對磁場不均勻同樣敏感；但MRF可通過調(diào)節(jié)“指紋庫”來適應(yīng)磁場不均勻，故在真實掃描環(huán)境中，MRF可消除諸如“空氣—組織交界”這類因磁場不均導(dǎo)致的偽影[10]。MRF能在MR硬件水平上獲得更好的圖像質(zhì)量；而硬件條件較差時，MRF也可獲得與目前MR同等質(zhì)量的圖像；提示在硬件條件較差的醫(yī)院，采用MRF也可獲得滿意的檢查效果[3]。MRF可在足夠長的時間內(nèi)獲得ROI多種數(shù)據(jù)，使MRF定性診斷組織成為可能。如果“指紋庫”中存有已知病理組織的“指紋”，理論上，MRF可能將ROI組織與“庫”對比，找出相應(yīng)的病理組織，并進行定性診斷[3]。此外，MRF與CS密切相關(guān)，使其成為計算機輔助診斷(computer aided diagnosis, CAD)分析多參數(shù)MR數(shù)據(jù)的切入點[8,11-16]。

3 MRF在臨床研究中的應(yīng)用

有學(xué)者[17-20]采用MRF觀察腦血管的正常血容量、血管直徑及氧合圖譜，建立煙霧病、腦卒中及腦腫瘤血管模型；還采用MRF分析腹部臟器、成人腦腫瘤、心肌及前列腺癌。

3.1 中樞神經(jīng)病變 MRF首先應(yīng)用于檢測腦組織。Badve等[21]采用MRF檢測無癥狀志愿者的腦組織，發(fā)現(xiàn)腦的不同部位在不同年齡及性別的弛豫時間相異，且某些特定部位的改變與年齡密切相關(guān)；證實MRF定量檢測腦組織的有效性，且研究結(jié)果支持目前神經(jīng)生物學(xué)的理論；Badve等[21]還將檢測數(shù)據(jù)制成“指紋庫”，以供后續(xù)研究參考。同時上述研究也暴露了MRF的不足：由于當(dāng)時MRF無三維重建技術(shù)，所獲取的MR圖像均為層厚1.2 mm的二維圖像，導(dǎo)致標(biāo)注不同腦組織結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性受到影響。2017年，Badve等[22]采用MRF檢測腦內(nèi)腫瘤，發(fā)現(xiàn)不同級別膠質(zhì)瘤的T1、T2值差異有統(tǒng)計學(xué)意義，提示MRF可更加準(zhǔn)確地診斷腦腫瘤惡性程度分級；但該研究樣本數(shù)量和腫瘤類別較少，未來研究中可加大樣本量及疾病種類，并結(jié)合基因及分子標(biāo)記物進行研究。

3.2 腹盆腔臟器 MR可清晰顯示肝及前列腺等實質(zhì)臟器；而空腔臟器，如胃和腸等，由于運動及空氣與腔壁交界處磁場不均勻等原因?qū)е聜斡埃瑥亩绊懗上褓|(zhì)量。腹部MR需在一次屏氣中完成圖像獲取，故掃描時間要求盡可能短。MRF成像較快，且可采用“指紋演變庫”校對偽影，故在探查腹盆腔疾病中具有獨特優(yōu)勢。Chen等[23]采用MRF在19 s的上腹部掃描時間內(nèi)，可同時獲得腹部組織的各類參數(shù)，包括腹腔各正常組織以及轉(zhuǎn)移灶的T1、T2值，此研究結(jié)果支持轉(zhuǎn)移灶T1及T2值較高的觀點，并發(fā)現(xiàn)T1值有望成為預(yù)測疾病預(yù)后的指征。Yu等[24]采用MRF聯(lián)合彌散技術(shù)檢測前列腺癌的T1、T2和ADC值，發(fā)現(xiàn)采用上述測值可鑒別診斷前列腺周圍組織癌與前列腺增生組織及不同級別的前列腺癌；提示MRF可定量檢測病灶，但因獲取MRF及ADC數(shù)據(jù)需兩次獨立的掃描過程，故所獲取的T1、T2圖像及ADC圖像可能存在錯位的風(fēng)險。聯(lián)合獲取多種參數(shù)的高分辨率序列有待進一步開發(fā)。

3.3 心臟 Hamilton等[25]采用心電觸發(fā)MRF掃描心臟，在11名受檢者單次屏氣(分別約4～16次心跳)時間內(nèi)，便可測得心肌T1、T2及M0值；且上述測值的準(zhǔn)確性與傳統(tǒng)定量掃描技術(shù)相同。由于此項技術(shù)的“庫”與心率相關(guān)，故當(dāng)掃描數(shù)據(jù)在時空高度不連續(xù)的情況下，受檢者心律不齊不僅不會干擾圖像，反而能成為圖“庫”配套的線索；但此項技術(shù)不適合無法長時間屏氣或心率快的患者。

3.4 其他 目前，關(guān)于呼吸系統(tǒng)、骨肌系統(tǒng)的MRF研究較罕見。由于MR對于肺部檢查無明顯優(yōu)勢，故MRF是否適合檢查肺部疾病尚未明確。此外，頜面頸部因受呼吸運動影響，也需快速掃描成像，故頜面頸部疾病也應(yīng)是MRF適用范圍之一。

4 MRF的不足及改進

MRF的不足主要為檢查期間易受磁場不均影響、所得圖像三維重建困難及分辨率低。

4.1 易受磁場不均影響 可在掃描同時加用Bloch-Siegert技術(shù)，減小B1磁場不均性，從而提高圖像質(zhì)量[22]。

4.2 三維重建困難 可在掃描采集數(shù)據(jù)的過程中減少弛豫間隔，以縮短掃描時間，在單位時間內(nèi)獲取更多“指紋”信息，有利于獲取3D MRF圖像[26]；還可在與“庫”匹配進行可視化時，采用Sparse Approximation of the Hessian理論以減少計算時間[27]。

4.3 分辨率低 可在后處理時應(yīng)用Low-Rank and Subspace Modeling的重建方法，增加圖像準(zhǔn)確性，減少重建時間[28]。

另有學(xué)者[29-30]將MRF與其他成像技術(shù)結(jié)合，如與音樂結(jié)合，使掃描時機器能發(fā)出音樂聲來提高患者舒適度。

綜上所述，MRF可提高診斷疾病的準(zhǔn)確率、加快MR檢測速度、緩解影像學(xué)檢查壓力及提高患者就診效率。

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