楊曉燕，孫海雙，劉敏，代華平*，王辰,4

1.首都醫(yī)科大學中日友好醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，北京 100029；2.吉林大學第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，吉林 長春 130021；3.首都醫(yī)科大學中日友好醫(yī)院放射診斷科，北京 100029；4.中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院，北京 100730

呼吸力學是指通過測量肺部壓力及流量對肺功能進行描述，評價指標包括流量、壓力、體積、順應(yīng)性、阻力和呼吸功，這些指標直接影響肺容積、功能余氣量及氣體交換功能[1]。呼吸力學在評價患者肺部病理生理及疾病狀態(tài)等方面非常重要，目前的評價方法包括呼吸量測定法、體積描記法、超聲、磁力計和CT等，均有一定的局限性。MRI的時間和空間分辨率有所提高，并且可以非侵入性、無電離輻射地在患者呼吸運動過程中進行動態(tài)成像，可以非常直觀地觀察及測定呼吸泵的聯(lián)合作用，定量分析疾病狀態(tài)下呼吸肌及肺組織的呼吸力學特征，為研究疾病的發(fā)病機制、評估疾病狀態(tài)提供直觀的量化指標。本文對呼吸力學基礎(chǔ)及評價方法、MRI評價肺部呼吸力學的研究進展進行綜合分析。

1 呼吸力學解剖基礎(chǔ)及評價方法概況

呼吸力學的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)包括呼吸肌、肺組織、骨與關(guān)節(jié)和神經(jīng)，主要受肺和胸壁力學特性的影響。膈肌是在呼吸運動過程中改變肺容積最主要的呼吸肌。呼吸肌的收縮和舒張是呼吸運動的原動力，肺部運動受其影響，并進一步依賴肺部組織的彈性和阻力特性。疾病可以影響其中的任何一部分，如脊柱側(cè)彎的患者會伴有胸腔畸形進而影響肌肉收縮，骨骼肌代謝相關(guān)疾病會影響呼吸肌的功能，膈神經(jīng)麻痹會使受影響的半側(cè)膈肌不能運動，此外還有各種呼吸系統(tǒng)疾病如間質(zhì)性肺疾病、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive lung disease，COPD）等可通過改變組織彈性或增加氣道氣流阻力影響肺的硬度及順應(yīng)性，從而改變呼吸力學特征。

目前，呼吸力學的評價方法主要依賴間接的肺功能檢查，如呼吸量測定法、體積描記法，還包括超聲、磁力計和CT。其中呼吸量測定法僅反映口腔氣流，而體積描記法反映的是整個胸腔和腹部容積的改變，所以不能提供局部的肺功能參數(shù)；超聲僅能評價局部的膈肌運動，不能同時相地整體評價膈肌運動；CT主要用于評價胸壁和膈肌的完整度和厚度，病灶及其范圍，盡管也可評價運動狀態(tài)時呼吸力學參數(shù)的變化，但其輻射劑量一直是備受關(guān)注的問題。而MRI多序列多相位的成像方式，尤其是動態(tài)成像可以描述呼吸肌的運動功能和肺組織的彈性，使呼吸力學的定量及可視化評價成為可能。

2 MRI 評價呼吸力學的成像序列及分析指標

2.1 呼吸力學MRI序列 二維動態(tài)MRI主要采用快速二維梯度回波（fast two-dimensional gradient-echo，2D-GRE）及穩(wěn)態(tài)自由進動序列（steady-state free precession，SSFP）結(jié)合并行采集技術(shù)，空間分辨率大約為3～10幀/s，推薦的動態(tài)2D-GRE序列參數(shù)包括[2]：TR 2.34 ms，TE 0.96 ms，帶寬980 Hz/pixel，翻轉(zhuǎn)角5°，矩陣128×96，層厚12 mm，時間分辨率8/s，加速因子2～3。而動態(tài)SSFP（TrueFISP）結(jié)合并行采集掃描序列的參數(shù)包括：TR 2.4 ms，TE 1.04 ms，帶寬1 240 Hz/pixel，矩陣192×144，層厚10 mm。時間分辨率9/s，加速因子2。在1.5T MRI上，改進后的SSFP序列結(jié)合并行采集技術(shù)可以實現(xiàn)較高的空間分辨率，而3T MRI上SSFP序列由于增加的血流偽影和磁場的不均勻性可能嚴重影響成像質(zhì)量，因此建議在1.5T MRI上使用SSFP序列，3T MRI系統(tǒng)上使用GRE序列。

二維動態(tài)MRI的最大優(yōu)勢是觀察肺和胸壁在一個以上呼吸周期內(nèi)的運動變化，即在自由呼吸或呼吸指令的狀態(tài)下對不同平面（軸位、矢狀位、冠狀位等）進行動態(tài)成像，以評估呼吸動力。而3D-MRI的顯著優(yōu)勢是可以觀察多個呼吸周期內(nèi)的肺和胸壁的運動，并且可以通過自由選擇成像平面，實時記錄主動和被動的呼吸運動[3]。4D-MRI使用極快速3D-GRE/SSFP序列及回波共享（TREAT/TWIST/TRICKS）序列結(jié)合并行采集。推薦的掃描參數(shù)：TR 2.1 ms，TE 0.8 ms，帶寬1 500 Hz/pixel，矩陣128×96，時間分辨率為每個體積0.7 s，體素3.1 mm×3.1 mm×4 mm。對正常呼吸頻率的肺部運動進行成像時，采集時間要少于每個體積1 s。成像速度和空間分辨率之間的相互關(guān)系會減低4D-MRI序列的圖像質(zhì)量和細節(jié)分辨率。雖然組織結(jié)構(gòu)輪廓在呼吸周期的快速移動階段會模糊，但4DMRI可以記錄較長一段時間內(nèi)的呼吸運動，以補償因咳嗽等因素導致的呼吸深度和頻率的個體變化。

自導航MRI技術(shù)基于3D-GRE序列，縱向K空間以及高冗余數(shù)據(jù)集的采集，在K空間中心獲得整個呼吸周期中變化的信號，同時也可以對呼吸相的數(shù)據(jù)進行分組和統(tǒng)計；由于圖像質(zhì)量的改進，還可以進行自動對焦、3D圖像關(guān)聯(lián)、K空間權(quán)重圖像對比、主成分分析等[4-5]。在無病理學表現(xiàn)的情況下，傳統(tǒng)基于質(zhì)子（1H）的MRI技術(shù)肺實質(zhì)信號低，對肺組織局部力學分析非常困難，而超極化氣體（如3He、129Xe）可作為陽性對比劑提高肺組織的信號，對肺部高信號進行網(wǎng)格標記，能夠追蹤局部呼吸力學，從而研究正常及疾病狀態(tài)時肺組織的力學特征[6]。

磁共振彈性成像是一種相位對比磁共振成像技術(shù)，可無創(chuàng)測量肝臟、胰腺等許多器官的硬度。在磁共振彈性成像中，外部運動與運動編碼梯度同步，以編碼位移場（波圖像）在磁共振成像的相位，然后對這些波圖像進行處理，得到剛度圖。有研究證實磁共振彈性成像可以無創(chuàng)地進行動物模型和人體組織中的肺力學評價[7-8]。部分對肺纖維化患者的肺力學磁共振彈性成像研究顯示，肺纖維化患者在總肺容量（最大吸氣末期）和殘余肺容量（最大呼氣末期）時，肺組織硬度顯著增加，提示在疾病引起的呼吸力學特征改變在研究中具有潛在價值[9-10]。

2.2 呼吸力學的MRI評估 目前，MRI評價呼吸力學的內(nèi)容包括定量和可視化呼吸肌和肺實質(zhì)的運動功能、肺部通氣和彌散功能以及肺組織的彈性特征。針對呼吸肌的運動功能，主要采用動態(tài)MRI，通過對不同相位如冠狀位、矢狀位、軸位的多相位成像，測量吸氣末和呼氣末時徑線的長度，比較其值或吸氣相呼氣相的差（位移）、比值，探究膈肌及胸壁在生理及病理狀態(tài)下的運動功能變化。Plathow等[11]研究顯示MRI的測量值與肺功能指標第1秒用力呼氣容積（forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1）和用力肺活量（forced vital capacity，F(xiàn)VC）均有較好的相關(guān)性，說明對肺活量進行補充的膈肌、胸壁運動測量參數(shù)可以提供更全面的信息，用于診斷及評估疾病，使應(yīng)用呼吸運動過程中呼吸肌的運動參數(shù)評價肺功能并將其可視化成為可能。

肺實質(zhì)運動同樣通過動態(tài)MRI并結(jié)合圖像后處理方法（如網(wǎng)格標記法或形變配準算法）定量描述肺組織在運動過程中的形變或應(yīng)力。網(wǎng)格標記法因平掃MRI圖像的網(wǎng)格空間分辨率較低，其應(yīng)用受到限制。Cui等[12]發(fā)現(xiàn)使用超極化氣體的動態(tài)MRI可以替代依賴于肺組織的天然1H-MRI信號，超極化氣體作為陽性對比劑，可以在肺組織中快速分布，使肺實質(zhì)的網(wǎng)格化更有效。而形變配準算法通過追蹤肺部大血管的運動間接反映肺組織的運動，中央大血管處的運動檢測效果好，但因外周對比度明顯降低導致配準效果差[13]。近年來隨著自導航技術(shù)和超短回波序列的應(yīng)用，明顯提高了時間和空間分辨率，不僅可在肺的各個區(qū)域進行配準，還可以在任意給定的肺部區(qū)域內(nèi)推導出流量-容積環(huán)路和相關(guān)參數(shù)[14]。

3 MRI 在評價呼吸力學中的應(yīng)用

3.1 MRI評價非呼吸系統(tǒng)疾病 既往采用MRI評價呼吸力學的研究主要集中于先天性、代謝性疾病對呼吸肌功能的影響方面。

3.1.1 青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）應(yīng)用動態(tài)MRI可研究AIS患者肺功能受損的主要因素及術(shù)后效果。Kotani等[15]研究顯示AIS患者胸壁的前后徑運動明顯減弱，但未發(fā)現(xiàn)膈肌運動的變化；Chu等[16]發(fā)現(xiàn)AIS患者術(shù)后6個月時胸壁擴張度和膈肌運動明顯增加，雖然其肺容量未變化。通過MRI可以觀察到AIS患者肺功能的改變可能與肺容積減小、膈肌及胸壁運動受限有關(guān)，但這種功能障礙會隨著限制因素的解除而得到緩解。

3.1.2 龐貝病 龐貝病是一種進行性代謝性肌病，累及呼吸肌時會導致進行性的呼吸功能障礙，主要累及膈肌。Harlaar等[17]應(yīng)用MRI評價早期龐貝病的膈肌運動功能，發(fā)現(xiàn)即使在疾病早期肺功能檢查依然處于正常范圍內(nèi)（FVC%＞80%）時，膈肌運動功能已經(jīng)開始減弱，提示當FVC開始下降時，膈肌可能已經(jīng)發(fā)生了不可逆的功能改變，這或許能夠解釋肺功能測量結(jié)果顯示患者對藥物的治療反應(yīng)相對較差。Harlaar等[18]還通過MRI觀察到龐貝病患者的膈肌運動減弱以及曲度增加，尤其是在疾病嚴重期接受藥物治療的患者中較明顯。因此，MRI的結(jié)果有助于優(yōu)化龐貝病患者開始治療的時間，并隨著時間的推移評估膈肌功能和治療反應(yīng)。

3.1.3 進行性假肥大性肌營養(yǎng)不良（Duchenne muscular dystrophy，DMD）MRI不僅可用于鑒別DMD[19]，還可用于評價DMD患者的呼吸肌受累程度。有研究發(fā)現(xiàn)DMD患者主要表現(xiàn)為肺容積和胸壁運動減小，且明顯減小的膈肌運動位移與FEV1%（r=0.78）及FVC%（r=0.76）下降有較強的相關(guān)性[20-21]。此外，MRI還可以應(yīng)用于呼吸肌進行性功能障礙的評價，通過隨訪觀察到膈肌和肋間肌的進行性功能障礙與MRI測量值減小一致，但在此期間的肺功能檢查結(jié)果沒有變化[22]。因此，MRI的應(yīng)用為DMD患者進行性下降的呼吸肌功能的定量測量提供了一種更為敏感有效的方法。

3.2 MRI評價呼吸系統(tǒng)疾病 MRI在評價呼吸系統(tǒng)疾病呼吸力學變化中的研究數(shù)量不多，其中大部分為COPD。有研究通過動態(tài)MRI證實COPD患者的膈肌和胸壁運動減弱、無序以及存在膈肌的矛盾運動[23-24]。其他類型疾病如肺癌對呼吸力學的影響，間質(zhì)性肺疾病發(fā)生發(fā)展過程中呼吸肌運動、肺組織彈性應(yīng)變等力學特征變化規(guī)律，以及呼吸力學在COPD、間質(zhì)性肺疾病發(fā)生發(fā)展中的作用及對預后的影響尚未見報道。

最新研究較多關(guān)注應(yīng)用MRI評價COPD患者的肺功能，通過吸入氧或超極化氣體定量及可視化COPD患者的通氣及彌散功能。有關(guān)氧成像的研究中，合并肺氣腫的COPD患者MRI圖像顯示有明顯的通氣缺損，并且測量參數(shù)與肺氣腫的CT評分和肺功能檢查指標間有很好的相關(guān)性[25]。Ouriadov等[26]進一步探索應(yīng)用超極化稀有氣體（3He、129Xe）MRI評價COPD患者的肺功能，發(fā)現(xiàn)氣體的表觀擴散系數(shù)可以幫助檢測早期的肺氣腫改變，Meng等[27]驗證了表觀擴散系數(shù)與肺功能參數(shù)有很好的相關(guān)性，同時超極化氣體成像圖像顯示的氣體缺損區(qū)域與CT的影像病灶區(qū)域也有相關(guān)性。此外，由于超極化氣體129Xe通過肺泡的呼吸膜擴散進入血液的特性可定量局部氣體交換，不僅可以鑒別不同類型的肺氣腫，還可以評價其治療反應(yīng)[28-29]。不僅對于COPD患者，近年有研究提出在間質(zhì)性肺炎患者中，超極化氣體成像同樣可以檢測局部肺組織的通氣及彌散功能。有研究顯示患者有病變的肺間質(zhì)組織中的信號增加，然而毛細血管紅細胞中的信號攝取卻下降，提示局部肺組織的氣體彌散受限，并且對于疾病進展的預測比肺功能參數(shù)更敏感[30-31]。

盡管目前尚無對肺癌、系統(tǒng)性疾病肺部受累的超極化氣體MRI研究，但超極化氣體MRI有望成為未來測定肺實質(zhì)的功能和力學特征及對疾病治療反應(yīng)的一種新的功能影像學方法。

4 總結(jié)與展望

總之，MRI可以對呼吸力學的各組成部分進行定量可視化評價，并且其結(jié)果與傳統(tǒng)肺活量檢查結(jié)果有很好的相關(guān)性，在探索肺部組織生理及病理方面的結(jié)構(gòu)與功能成像中具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。盡管目前臨床應(yīng)用研究較少，但MRI或許可以成為一種新的可量化的技術(shù)研究疾病發(fā)病機制，輔助評估呼吸系統(tǒng)疾病的嚴重程度、進展及治療反應(yīng)等。