劉一帆，鄧愛林，薛瑩，李曼竹，廖承德

云南省腫瘤醫(yī)院（昆明醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院）放射科，云南 昆明 650118

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）具備多參數(shù)成像、多模態(tài)成像的優(yōu)勢，是臨床診斷顱腦疾病及評價治療后反應的主要手段之一。傳統(tǒng)顱腦MRI為了獲得不同對比加權的圖像及組織弛豫定量數(shù)據(jù)，通常需要依次掃描多個成像序列，總檢查時間較長（普遍超過10 min），且不同醫(yī)療機構(gòu)的序列組合及參數(shù)設置均有一定差異，無法進行比較和統(tǒng)一評價。集成磁共振成像技術（Synthetic Magnetic Resonance Imaging，SyMRI）通過一個掃描時長約5～6 min的成像序列及相應后處理軟件，可以在短時間內(nèi)生成10種對比加權圖像，定量分析組織弛豫時間及質(zhì)子密度（Proton Density，PD）值，實現(xiàn)腦組織的分割和容積測量[1-3]，顯著提高成像效率并豐富診斷信息。

1 SyMRI的基本原理及功能

SyMRI技術通過由飽和脈沖進行激發(fā)、快速自旋回波讀出的2D多期動態(tài)多回波（Multi-Dynamic Multi-Echo，MDME）序列進行信號采集。借助選層技術，MDME序列在兩個不同成像層面分別進行120°飽和脈沖激發(fā)、多回波采集，并根據(jù)脈沖激發(fā)層和回波采集層的選擇組合來控制飽和延遲時間[1]。通過2個回波時間4個飽和延遲時間的組合可在每個成像層面獲取8幅原始圖像[2-3]，借助特殊算法對這些圖像中每個像素的信號強度進行最小二乘擬合，能計算得到縱向弛豫時間（Longitudinal Relaxation Time，T1）、橫向弛豫時間（Transverse Relaxation Time，T2）、縱向弛豫率（R1）、橫向弛豫率（R2）、PD值和射頻（B1）場的振幅，最終獲得相應組織參數(shù)的定量分布圖，從而實現(xiàn)以像素為單位對腦組織的弛豫時間及PD進行定量分析。相較于傳統(tǒng)弛豫定量序列，SyMRI的成像時間較短，一次掃描就能對多種組織參數(shù)進行定量分析[4]，且穩(wěn)定性較好[5]。

根據(jù)獲得的R1、R2、PD量化參數(shù)模型，SyMRI還可以通過虛擬設置TE、TR、TI間的任意組合來計算每一個體素的信號強度[2,6]、優(yōu)化組織間對比，在一次掃描后重建10種不同對比的MR圖像，包括：T1加權像、T2加權像、PD加權像、快速反轉(zhuǎn)恢復T1加權像（T1 Fluid Attenuated Inversion Recovery，T1 FLAIR）、液體抑制反轉(zhuǎn)恢復像（Fluid Attenuated Inversion Recovery，F(xiàn)LAIR）、短反轉(zhuǎn)時間反轉(zhuǎn)恢復像（Short TI Inversion Recovery，STIR）、相位敏感反轉(zhuǎn)恢復像（Phase-Sensitive Inversion Recovery，PSIR）、相位敏感反轉(zhuǎn)恢復血管像（Phase-Sensitive Inversion Recovery Vessel，PSIR Vessel）、雙反轉(zhuǎn)恢復灰質(zhì)像（Double Inversion Recovery Gray Matter，DIR GM）及雙反轉(zhuǎn)恢復白質(zhì)像（Double Inversion Recovery White Matter，DIR WM）。同時，基于不同腦組織所具有的R1-R2-PD特征，SyMRI還可以識別體素內(nèi)的腦組織構(gòu)成，實現(xiàn)對大腦灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液和髓磷脂（Myelin，MYE）的自動組織分割；繼而提供完整的腦實質(zhì)體積（Brain Parenchymal Volume，BPV）、顱內(nèi)體積（Intracranial Volume，ICV）及任一腦組織的體積信息、組織分數(shù)信息[2,7]。

2 SyMRI在顱腦疾病診斷中的應用進展

2.1 SyMRI有利于多發(fā)性硬化的檢出及進展評價

多發(fā)性硬化（Multiple Sclerosis，MS）作為一種與大腦白質(zhì)、皮質(zhì)及深層灰質(zhì)內(nèi)多灶性脫髓鞘斑塊形成有關的中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)退行性、自身免疫性疾病[8]，其臨床表現(xiàn)具有非特異性，常規(guī)MRI檢查對其診斷有一定限度。雙反轉(zhuǎn)恢復（Double Inversion Recovery，DIR）序列和PSIR序列在檢測MS斑塊中有較大價值，特別是在皮質(zhì)和灰白質(zhì)混合區(qū)域[9]。SyMRI可通過一次掃描合成DIR、PSIR圖像，Hagiwara等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，在相似的成像時間下，SyMRI比傳統(tǒng)MR能檢測到更多的MS斑塊，且合成DIR圖像中MS斑塊的對比度優(yōu)于常規(guī)DIR圖像。SyMRI合成DIR、PSIR圖像，能有效避免因增加掃描序列導致的總檢查時間延長，且通過虛擬掃描參數(shù)調(diào)整，可以優(yōu)化MS斑塊與正常腦組織間的對比度，進一步提高病灶的檢出率，可作為傳統(tǒng)MR檢查的替代方法，以用于MS病灶檢出。

MS的病理過程伴有髓鞘損傷、組織水腫、灰質(zhì)受累以及腦實質(zhì)萎縮。SyMRI的腦組織分割及測量功能對于無創(chuàng)性評估MS的病理進程有一定幫助。Saccenti等[11]發(fā)現(xiàn)MS組的腦白質(zhì)、MYE體積和BPV與健康對照組有顯著差異。Andica等[12]在使用SyMRI識別復發(fā)-緩解型MS（Relapsing-Remitting MS，RRMS）患者灰質(zhì)改變的研究中發(fā)現(xiàn)，RRMS患者的MYE體積分數(shù)（Myelin Volume Fraction，MVF）低于健康對照組，且RRMS組中的灰質(zhì)內(nèi)髓鞘體積GM-MyVol（Myelin Volumes of GM，GMMyVol）與疾病持續(xù)時間呈負相關（r=-0.43，P=0.005），晚期RRMS患者的GM-MyVol相對最小，認為通過SyMRI獲得的MVF和MyVol可用于評估RRMS患者的灰質(zhì)差異。同時，SyMRI通過一個包含MYE部分體積（VMY），細胞部分體積（VCL），自由水部分體積（VFW）和結(jié)合水部分體積（VEPW）的4室模型，還可以進一步估計腦MYE含量并評估腦水腫程度[3]。Hagiwara等[13]利用SyMRI對21例MS患者的MS斑塊、斑塊周圍白質(zhì)及正常白質(zhì)進行R1、R2、PD、VMY、VEPW測量并進行對比研究，發(fā)現(xiàn)VMY、VEPW對于MS疾病進展的評估更為敏感。SyMRI能分割并定量大腦灰質(zhì)、MYE、結(jié)合水，可用于無創(chuàng)性評估MS病理進程中灰質(zhì)、MYE的體積分數(shù)變化及組織水腫程度。但目前相關研究較少，且未能囊括MS的所有亞型，還有待進一步擴大樣本量并深入研究，以證實SyMRI能有效判斷MS的病理進程。

此外，Blystad等[14]在釓對比劑注射前，利用SyMRI技術對強化MS斑塊與未強化MS斑塊進行R1、R2、PD三種定量值的比較，發(fā)現(xiàn)強化斑塊的R1和R2明顯高于未強化斑塊，PD明顯低于未強化斑塊。由于活動性MS斑塊伴有的急性炎癥會破壞局部的血腦屏障，傳統(tǒng)MRI常通過釓對比劑增強掃描來檢測活動性MS斑塊。而對于部分有釓對比劑禁忌癥的MS患者，SyMRI技術有望成為檢測活動性MS斑塊的替代方法，通過組織參數(shù)定量和組織分割測量來識別活動性MS斑塊。

2.2 SyMRI有利于評價兒童髓鞘發(fā)育不良

髓鞘形成是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的重要步驟，而MYE則是評估神經(jīng)發(fā)育情況的關鍵因素。由于MYE的成熟會導致T1和T2弛豫時間的縮短、水分子擴散和PD減少、擴散各向異性和磁化傳遞增加，因此MRI是評估髓鞘發(fā)育的主要手段。Lee等[15]通過SyMRI測量兒童腦組織的T1值、T2值和PD，并研究它們與兒童年齡的關系，發(fā)現(xiàn)除皮層PD外，所有大腦區(qū)域的組織參數(shù)均隨著年齡的增長而降低，呈現(xiàn)穩(wěn)定的負相關性，證實通過SyMRI可以評估兒童大腦發(fā)育。Warntjes等[16]發(fā)現(xiàn)SyMRI測量的MYE與使用盧克索固藍染色的大腦切片具有良好的相關性，證明了MYE測量模型的有效性。Hagiwara等[17]則證實了SyMRI與磁化傳遞成像的MYE測量結(jié)果在白質(zhì)區(qū)域有高度相關性（r=0.72），認為SyMRI適用于測量白質(zhì)中的MYE，并通過SyMRI發(fā)現(xiàn)MYE體積會隨年齡改變而發(fā)生變化[18]。傳統(tǒng)MRI中基于圖像信號強度進行的髓鞘發(fā)育視覺評價并不精確，而利用彌散張量成像、磁共振波譜等成像技術進行髓鞘發(fā)育定量評價則需要花費較長的掃描時間。SyMRI僅通過一次掃描就能實現(xiàn)全腦的T1、T2和PD值定量分析以及對MYE的自動分割和體積測量，成像效率較高，為發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測髓鞘發(fā)育異常提供了新思路。

2.3 SyMRI有利于評估腦腫瘤浸潤情況

明確腦腫瘤的浸潤范圍及浸潤程度對于確定手術切除范圍、制定放射治療計劃、避免腫瘤復發(fā)有較大意義。傳統(tǒng)MR灰階圖像中，腦腫瘤強化區(qū)域和瘤周水腫之間存在的腫瘤浸潤區(qū)無法得到準確界定。SyMRI能直接對瘤周水腫組織的物理特性進行參數(shù)分析，對于定量評價腫瘤浸潤情況有一定價值。Blystad等[19]使用SyMRI及動態(tài)磁敏感對比灌注成像對惡性膠質(zhì)瘤患者的瘤周水腫區(qū)域進行R1值、R2值、腦血容量（Relative Cerebral Blood Volume，rCBV）值測量，研究發(fā)現(xiàn)隨著測量位置與腫瘤強化邊界的距離增加，R1值、R2值及rCBV值均逐漸降低，且在注射對比劑后R1梯度變化顯著增加（P<0.0001）。Blystad等[20]借助SyMRI測量并計算注射對比劑前后的R1差值則發(fā)現(xiàn)，瘤周水腫區(qū)域（瘤周1 cm范圍內(nèi)）的R1差值明顯高于對側(cè)正常白質(zhì)區(qū)域。由于彌漫性腫瘤浸潤及新生血管增加，腫瘤浸潤區(qū)域存在細微的血腦屏障滲漏，會導致該區(qū)域在增強前后的R1值有一定差異。常規(guī)增強MR圖像很難通過灰度變化發(fā)現(xiàn)上述差異，而SyMRI能以像素為單位對瘤周水腫組織的弛豫率進行測量和定量分析，因此有望用于區(qū)分常規(guī)MR灰度圖像中難于區(qū)分的腫瘤浸潤與瘤周水腫。

2.4 SyMRI在腦膜炎的應用

增強MRI是評估腦膜炎的首選影像學方法，其中增強FLAIR序列比增強T1WI對診斷腦膜炎更敏感[21-22]，但由于掃描時間較長，增強FLAIR序列往往未被納入常規(guī)掃描中。在可疑細菌性腦膜炎患者中，Andica等[23]通過對比常規(guī)MRI和SyMRI的圖像后發(fā)現(xiàn)，在虛擬調(diào)整TI以消除腦脊液、脂肪的信號干擾后，SyMRI重建的增強FLAIR圖像可以更清楚地顯示病灶，在診斷腦膜炎方面優(yōu)于傳統(tǒng)序列，有助于提高MR對診斷腦膜炎的敏感性。SyMRI能同時獲得多種對比的增強圖像（T1WI、T1 FLAIR和T2 FLAIR），可顯著縮短掃描時間，有助于使增強FLAIR圖像成為常規(guī)診斷圖像。同時，SyMRI虛擬調(diào)整成像參數(shù)的功能還有利于優(yōu)化圖像對比、避免出現(xiàn)傳統(tǒng)FLAIR成像中因成像參數(shù)設置不當而導致的腦脊液信號干擾。但目前SyMRI應用于腦膜炎的研究還較少，需要進行大規(guī)模的臨床研究，以證實其在腦膜炎診斷中的有效性。

2.5 SyMRI在神經(jīng)退行性疾病的應用

MRI是神經(jīng)退行性疾病的影像檢查方法之一。利用MRI實現(xiàn)的弛豫定量測量、腦組織分割和體積定量測量，可作為早期檢測和診斷神經(jīng)退行性疾病的神經(jīng)影像生物標記。鹿娜等[24]利用SyMRI測量帕金森病患者與正常對照者的大腦體積、腦組織體積及弛豫值，比較發(fā)現(xiàn)帕金森患者的白質(zhì)體積、白質(zhì)分數(shù)、髓鞘體積、髓鞘分數(shù)、灰質(zhì)T1和灰質(zhì)T2明顯高于正常對照組，而灰質(zhì)分數(shù)、白質(zhì)T1和腦脊液PD明顯低于正常對照組，認為SyMRI技術可以提供多種定量指標，用于區(qū)分帕金森病患者與正常人。Lou等[25]通過SyMRI測量并研究阿爾茲海默?。ˋlzheimer’s Disease，AD）和正常對照者的大腦體積特征及不同皮層、皮層下區(qū)域的PD值、T1值、T2值，發(fā)現(xiàn)AD患者右側(cè)島葉皮層的T1值、T2值及左側(cè)海馬區(qū)的T2值均顯著高于正常對照者，而左側(cè)尾狀核的T1值則低于正常對照者；且AD患者隨著簡易精神狀態(tài)評價量表（MMSE）評分的降低，其BPV與ICV的比率均降低，而腦脊液體積、雙側(cè)海馬的T1值、雙側(cè)島葉皮層的T1值和T2值均增加。認為SyMRI技術可以提供較多的定量信息，用于區(qū)分AD患者與正常人，并能反映AD患者的疾病嚴重程度。目前，有研究已經(jīng)證實了SyMRI的弛豫時間測量結(jié)果具有較好的可重復性[26]。而相較于傳統(tǒng)的成像方法，SyMRI能通過一次掃描同時獲得解剖圖像、弛豫時間信息、組織體積測量信息，有效縮短成像時間并減輕患者的不適感，更為經(jīng)濟、高效，可作為神經(jīng)退行性疾病MRI檢查的一種新手段。

3 SyMRI的不足和展望

相對于傳統(tǒng)MR序列，SyMRI序列的單次掃描時間較長，檢查過程中更容易受到患者（自主/不自主）運動的影響而出現(xiàn)偽影并降低定量測量準確度，甚至會導致檢查失敗[2,6]。而SyMRI掃描過程中只能顯示原始圖像，難以發(fā)現(xiàn)圖像質(zhì)量問題。因此，在SyMRI序列掃描過程中做好患者制動，并通過結(jié)合并行采集技術來縮短SyMRI掃描時間是非常有必要的。同時，血管、腦脊液的搏動性流動也會對SyMRI產(chǎn)生一定影響。其中，SyMRI合成的T2WI圖像常在相位編碼方向上出現(xiàn)流動偽影、搏動偽影，這些偽影無法通過患者制動進行抑制，可能會干擾（如腦干或大腦腳等位置）較低區(qū)域的顯示[27]。雖然這些偽影較易識別，但當臨床懷疑上述區(qū)域可能存在病變時，應選擇常規(guī)掃描序列進行補充。此外，還有多項研究發(fā)現(xiàn)，SyMR的合成FLAIR圖像與常規(guī)序列相比，圖像對比噪聲比較低[28-29]，并且部分腦實質(zhì)與腦脊液交界區(qū)在合成FLAIR圖像上呈現(xiàn)高信號（容積效應和腦脊液流動所導致）[2,30]。這可能會被誤判為腦實質(zhì)的病理性改變，需要結(jié)合常規(guī)FLAIR圖像進行診斷。而有國外學者研究合成FLAIR的圖像重建發(fā)現(xiàn)，基于深度學習進行合成FLAIR圖像的重建能夠減輕上述偽影[31]。

目前，很多神經(jīng)影像研究中心已經(jīng)開始使用3D各向同性成像技術進行顱腦MRI，而SyMRI采用的是2D多層成像技術，圖像的層間分辨率低于3D成像技術，且無法通過一次成像的數(shù)據(jù)直接進行多個方位的圖像重建。不過近年來已有少量采用3D-QALAS序列進行腦組織分割、定量及合成圖像的研究報道[32-34]，相信未來SyMRI技術有望實現(xiàn)3D各向同性成像，更好地應用于臨床中。

總之，SyMRI是一種全新的MRI及后處理技術，能夠通過一次掃描實現(xiàn)組織弛豫時間及PD的定量分析、多種不同對比權重圖像的合成、腦組織的分割及測量，相較于傳統(tǒng)MRI顯著提高檢查效率并豐富了診斷信息，具有非常廣闊的應用前景。目前SyMRI已應用于顱腦疾病的MRI中，對MS斑塊、腫瘤浸潤等的檢出和量化評價、評估髓鞘形成等均具有一定價值。相信隨著對SyMRI技術的繼續(xù)完善、臨床應用研究的探索和深入，SyMRI技術會為臨床顱腦疾病診療帶來更多的應用可能性。