李方正，李芹，鄭召龍，孫勝君，陳永升，牛慶亮

傳統(tǒng)MRI檢查方案由連續(xù)采集的各種序列組成。每個(gè)序列通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)，使不同組織之間產(chǎn)生各種對(duì)比，即每個(gè)序列產(chǎn)生MR圖像的對(duì)比度取決于質(zhì)子分子的弛豫特性[1]。傳統(tǒng)MRI能為臨床疾病的診斷和鑒別診斷提供可靠的幫助，并為該病的進(jìn)一步發(fā)展和治療效果提供重要信息。然而，傳統(tǒng)的MRI序列反映的是不同組織在不同權(quán)重序列下的灰度圖，其評(píng)估主要是與同一層面中周圍組織的比較，判讀以信號(hào)的高低為主，不適于交叉研究及多中心研究[2]。其次，傳統(tǒng)MRI檢查時(shí)常需要多種序列多次掃描，非常耗時(shí)，如果患者不能很好的配合，不僅會(huì)增加額外的掃描時(shí)間，而且運(yùn)動(dòng)偽影會(huì)影響圖像質(zhì)量。另外，傳統(tǒng)MR圖像上的信號(hào)強(qiáng)度受掃描儀、序列類型、線圈敏感度以及B1場(chǎng)不均勻性的影響，圖像質(zhì)量會(huì)有所差距[3]。

近年來(lái)隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，各種定量成像方法成為磁共振科研的熱點(diǎn)。目前使用的絕對(duì)測(cè)量R1和R2弛豫率的基本原理是在20世紀(jì)中期描述的。之后建立了快速測(cè)量R1[4-6]、R2或R2*[5-7]弛豫率和質(zhì)子密度(proton density,PD)[6,8]的方法，還提出了同時(shí)測(cè)量R1、R2和PD的方法[9-10]。但是多數(shù)情況下，定量MRI序列掃描時(shí)間較長(zhǎng)并且多種定量圖譜合并使用時(shí)需要額外的空間配準(zhǔn)，這阻礙了其臨床應(yīng)用[6]。一種名為QRAPMASTER (quantification of relaxation times and proton density by multi echo acquisition of a saturation-recovery using turbo spin-echo readout)，利用快速自旋回波讀出飽和恢復(fù)的多回波采集定量弛豫時(shí)間和質(zhì)子密度的新脈沖序列[11]應(yīng)運(yùn)而生。

合成MRI基本原理、優(yōu)勢(shì)與不足

QRAPMASTER序列包括兩個(gè)階段。在第一階段中，翻轉(zhuǎn)角為θ的層面選擇性飽和脈沖作用于層面m(飽和作用)。在第二階段，在另一個(gè)層面n執(zhí)行多回波層面選擇性快速自旋回波(信號(hào)采集)。通過(guò)在層面m和n之間引入移位，在每個(gè)層面的飽和和采集之間引入延遲。以此方式，獲得具有R1和R2弛豫不同效果的圖像矩陣。

由于此方法施加的是飽和脈沖而不是翻轉(zhuǎn)脈沖，R1弛豫曲線的起始位置將成為B1場(chǎng)的函數(shù)，因此可以同時(shí)測(cè)量局部B1場(chǎng)。預(yù)估的B1場(chǎng)可用于校正翻轉(zhuǎn)角的局部偏差的影響?；赗1、R2和B1可以提取與PD成正比的不飽和磁化強(qiáng)度(M0)。需要指出的是，QRAPMASTER獨(dú)立測(cè)量R1和R2弛豫率，從而避免了這兩個(gè)參數(shù)之間的誤差影響。另外，因?yàn)槭褂眠@種方法時(shí)同時(shí)進(jìn)行R1和R2弛豫率和PD的量化并將所得映射配準(zhǔn)，相對(duì)于以往需要將這些定量進(jìn)行數(shù)次掃描的定量方法，該方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。

每個(gè)帶有QRAPMASTER脈沖的定量MRI都是通過(guò)多種回波時(shí)間和延遲時(shí)間的組合來(lái)執(zhí)行的。例如，使用2次回波時(shí)間和4次延遲時(shí)間生成8幅復(fù)數(shù)圖像。合成MRI在量化T1、T2和PD后，通過(guò)調(diào)整重復(fù)時(shí)間(TR)、回波時(shí)間(TE)和反轉(zhuǎn)時(shí)間(TI)，可以合成幾乎任何對(duì)比度圖像，包括雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)(double inversion recovery，DIR)圖像和相位敏感反轉(zhuǎn)恢復(fù)(phase sensitive inversion recovery，PSIR)圖像[12-13]。

合成MRI通過(guò)一次掃描即可得到T1、T2、PD等多種對(duì)比加權(quán)圖像并可進(jìn)行量化，較傳統(tǒng)MRI掃描時(shí)間短且具有良好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性[14]，使其臨床應(yīng)用成為可能。使用專用的SyMRI軟件，放射科醫(yī)生可以通過(guò)更改采集參數(shù)(包括TR、TE和TI)來(lái)生成任何對(duì)比度加權(quán)的圖像。在定量結(jié)果的基礎(chǔ)上，多種對(duì)比度圖更有利于判斷病灶屬性。

合成MRI和傳統(tǒng)MRI一樣也會(huì)存在偽影，但圖像質(zhì)量與傳統(tǒng)MRI相比沒(méi)有明顯減低。例如，目前部分研究[4-5,15-18]對(duì)于合成MRI的液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR)圖像質(zhì)量及應(yīng)用價(jià)值尚有爭(zhēng)議。有研究表明[19]，在合成T2FLAIR圖像上，大腦表面顯示出高信號(hào)，這種偽影可能是由腦組織的部分容積效應(yīng)引起的。此外，合成FLAIR圖像有時(shí)會(huì)受到基底動(dòng)脈和腦脊液脈動(dòng)偽影的影響[17]，其他影響合成圖像的偽影包括化學(xué)位移、沿上矢狀竇的Gibbs截?cái)鄠斡?，以及在PD加權(quán)和T2加權(quán)圖像上的腦脊液在前后方向上的正弦強(qiáng)度差異[17]。但是，如果仔細(xì)閱讀圖像可以將這種特征性的T2FLAIR偽影與病理情況區(qū)分，從而不會(huì)影響診斷結(jié)果。還有研究表明，合成MRI由于腘動(dòng)脈的流動(dòng)偽影導(dǎo)致圖像質(zhì)量減低，尤其在T1和STIR圖像上，但其整體圖像質(zhì)量與傳統(tǒng)MRI一致，是一種有潛力的評(píng)估膝關(guān)節(jié)的MRI技術(shù)。合成MRI在前列腺、乳腺及肌骨系統(tǒng)的偽影多數(shù)是運(yùn)動(dòng)偽影，均可通過(guò)患者配合而避免。

合成MRI的臨床應(yīng)用

1.在顱腦病變中的應(yīng)用

①多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病，好發(fā)于年輕人。檢出新發(fā)或活動(dòng)性的局灶性病變利于評(píng)估MS的治療效果[20]。有研究[17,19]證明在相同的掃描時(shí)間內(nèi)，合成MRI比傳統(tǒng)MRI能夠檢測(cè)更多的MS斑塊。已知雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)(double inversion recovery，DIR)和相位敏感反轉(zhuǎn)恢復(fù)(phase-sensitive inversion recovery，PSIR)圖像有利于檢測(cè)MS斑塊，特別是在皮質(zhì)或灰白質(zhì)交界區(qū)[21]。然而，由于受檢查時(shí)間所限，DIR和PSIR圖像難以作為常規(guī)采集序列。而合成MRI除了可以獲得常規(guī)對(duì)比加權(quán)圖像外，還可以獲得DIR和PSIR圖像[19]。

臨床上為了判斷MS斑塊的活動(dòng)性，通常使用釓(Gd)對(duì)比劑來(lái)顯示這些病變中血腦屏障的破壞情況。然而，Gd對(duì)比劑具有潛在的不良事件風(fēng)險(xiǎn)[22]，Gd在腦組織中的沉積也已得到證實(shí)[23]。為了評(píng)估在沒(méi)有Gd對(duì)比劑的情況下檢測(cè)活動(dòng)性病變的可能性，Blystad等[24]研究了MS斑塊在注射Gd對(duì)比劑增強(qiáng)前后的組織特性(R1、R2、PD)，結(jié)果顯示：增強(qiáng)斑塊在使用Gd對(duì)比劑之前的R1和R2顯著高于非增強(qiáng)斑塊，而PD顯著低于非增強(qiáng)斑塊。將這些量化值納入多因素分析，其預(yù)測(cè)是否為活動(dòng)性斑塊的ROC曲線下面積(area under curve，AUC)為0.832。雖然這一數(shù)值還不夠令人滿意，不足以保證將這項(xiàng)技術(shù)立即引入臨床使用，但如果患者對(duì)Gd對(duì)比劑有禁忌癥，它可以作為檢測(cè)活動(dòng)性病變的另一種選擇。

目前，腦萎縮患者腦體積的評(píng)估通常由神經(jīng)放射科醫(yī)生的視覺(jué)進(jìn)行評(píng)估。由于合成MRI序列能夠定量評(píng)估組織弛豫值[25]，還可以利用該序列進(jìn)行分割和體積測(cè)量[26-27]。因此，自動(dòng)體積測(cè)量技術(shù)也可以作為評(píng)估MS患者腦萎縮發(fā)展的客觀測(cè)量工具[28]，并可作為傳統(tǒng)磁共振成像大腦體積測(cè)量的一個(gè)補(bǔ)充。

②腦轉(zhuǎn)移瘤的檢測(cè):增強(qiáng)MRI在檢測(cè)腦轉(zhuǎn)移瘤方面的作用毋庸置疑，早期發(fā)現(xiàn)腦轉(zhuǎn)移并及時(shí)治療對(duì)提高患者的生活質(zhì)量至關(guān)重要。Hagiwara等[29]比較了合成MRI和傳統(tǒng)MRI評(píng)估腦轉(zhuǎn)移瘤的能力，該研究一共對(duì)比了三種圖像質(zhì)量，分別是：傳統(tǒng)T1IR(T1加權(quán)反轉(zhuǎn)恢復(fù))、合成T1WI 和增強(qiáng)后合成T1IR，結(jié)果合成T1IR圖像顯示病灶的灰白質(zhì)對(duì)比度和對(duì)比信噪比(contrast to noise ratio，CNR)明顯高于合成T1WI圖像或傳統(tǒng)T1IR圖像。在合成T1IR圖像上比在合成T1WI或傳統(tǒng)T1IR圖像上發(fā)現(xiàn)了更多的轉(zhuǎn)移瘤。作者分析認(rèn)為可能來(lái)自兩個(gè)方面的原因，一是合成T1IR圖像顯示與血流有關(guān)的運(yùn)動(dòng)偽影少；二是可以檢出一些常規(guī)增強(qiáng)的T1IR圖像中類似于血管的小的皮質(zhì)轉(zhuǎn)移瘤。但此研究中合成圖像并未針對(duì)每個(gè)患者進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，因此在調(diào)整每個(gè)患者的對(duì)比度后，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以評(píng)估使用合成MRI檢測(cè)腦轉(zhuǎn)移瘤的能力。

③小兒腦的發(fā)育:Lee等[30]研究了89名健康新生兒至青少年腦的合成MRI成像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除大腦皮層PD值外，其T1、T2和PD值隨著年齡增長(zhǎng)而降低。他們還提供了針對(duì)不同年齡段的參考值，作為評(píng)估正常/異常大腦發(fā)育的客觀依據(jù)[30]。

合成MRI在腦組織分割和容量測(cè)定方面的作用也很突出[31-33]。其中，最新的研究表明，合成MRI具有良好的可重復(fù)性，采集時(shí)間短，可獲得腦組織和髓鞘體積，這可能有助于后續(xù)研究[32]。與手動(dòng)分割和其他類型的基于MR的自動(dòng)腦容量自動(dòng)軟件相比，合成MRI腦組織體積自動(dòng)檢測(cè)功能強(qiáng)大且具有較短的后處理時(shí)間[1,28,31,34]。腦容量的縱向研究可以作為檢測(cè)發(fā)育障礙的良好客觀指標(biāo)。例如，與正常對(duì)照組相比，腦癱患兒的全腦和灰質(zhì)(gray matter，GM)量明顯減少[35]。同時(shí)，自閉癥譜系障礙患兒的腦容量過(guò)度生長(zhǎng)[36]。

運(yùn)動(dòng)偽影是小兒腦MRI成像的主要問(wèn)題之一，傳統(tǒng)MRI采集時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)偽影難以避免，而使用鎮(zhèn)靜劑可能會(huì)增加并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)[37]。合成MRI掃描時(shí)間短，可減少運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生。有研究比較了小兒大腦合成MRI與傳統(tǒng)MRI中T1WI、T2WI和FLAIR序列包括運(yùn)動(dòng)偽影在內(nèi)的多種偽影，結(jié)果表明，合成MRI圖像中的偽影與傳統(tǒng)MRI圖像沒(méi)有顯著差異[4,38]。

④腦卒中:缺血性腦卒中具有非常高的致殘和致死率，通常腦卒中發(fā)病時(shí)間在臨床決策中起決定性作用。MRI及MRA可以顯示腦卒中的病理生理改變并且能夠檢出閉塞的大動(dòng)脈，DWI結(jié)合ADC值可以評(píng)估梗死核心區(qū)的大小，聯(lián)合灌注成像可以評(píng)估缺血半暗帶和錯(cuò)配區(qū)的大小，以指導(dǎo)臨床決策。不同的MRI序列組合(DWI、ADC和FLAIR)圖像上的信號(hào)強(qiáng)度有助于區(qū)分急性、亞急性和慢性腦缺血。在一項(xiàng)關(guān)于4.5 h時(shí)間窗內(nèi)急性腦卒中患者T2值與發(fā)病時(shí)間之間的相關(guān)性研究[39]中發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者T2的差異及其比值與發(fā)病時(shí)間相關(guān)性最強(qiáng)，因此由合成MRI生成的T2-mapping圖可能成為篩選具有輕微FLAIR高信號(hào)的醒后卒中患者的有價(jià)值的方法。

綜上所述，合成MRI提供了有關(guān)腦組織的定量信息，有助于提高患者的診斷和治療水平。盡管部分圖像質(zhì)量有所下降，但是與傳統(tǒng)磁共振比并沒(méi)有明顯的差異，所以合成MRI代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁共振具有可行性。

2.前列腺疾病良惡性病變鑒別診斷方面的應(yīng)用

前列腺癌(PCa)是男性常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，其中70%～75% 發(fā)生在外周帶(peripheral zone，PZ)區(qū)域。MRI是目前公認(rèn)的診斷前列腺癌最好的影像學(xué)檢查方法[40]。磁共振弛豫定量技術(shù)可測(cè)量組織的弛豫時(shí)間，組織的弛豫時(shí)間可間接反映組織成分及病理學(xué)信息[14]。

既往研究主要強(qiáng)調(diào)T2-mapping的快速獲取技術(shù)以及T2值在區(qū)分PCa和良性組織方面的診斷效力[41-43]。Cui等[44]對(duì)合成MRI的組織弛豫參數(shù)(T1、T2和PD)在鑒別PCa和其他良性病變(基質(zhì)增生、腺體增生和非癌性外周帶)中的作用進(jìn)行了初步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，T1和T2值是鑒別PCa與其他良性病變的有用參數(shù)，這些良性病變?cè)谂R床診斷中易與PCa混淆，但T1、T2值的總體診斷效能不如ADC值，PD值在PCa鑒別診斷中的作用有限。然而，T2和PD值在鑒別低級(jí)別(LG，Gleason評(píng)分≤6)和中/高級(jí)別(HG，Gleason評(píng)分≥7)前列腺癌病灶病變方面與ADC值的診斷性能相似[44]。

3.乳腺疾病方面的應(yīng)用

乳腺癌是女性最常見(jiàn)的惡性腫瘤，也是女性癌癥死亡的主要原因[45]。因此，乳腺癌的準(zhǔn)確診斷具有非常重要的意義。有研究表明[46]，合成MRI聯(lián)合動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI(DCE-MRI)對(duì)乳腺腫塊的診斷效能(AUC=0.83)顯著大于DCE-MRI(AUC=0.70，P<0.05)與合成MRI(AUC=0.73，P<0.05)，顯著提高了對(duì)乳腺良、惡性腫塊的鑒別能力。在此研究中，惡性乳腺腫塊的注射對(duì)比劑前的T1(Pre-T1)值明顯高于良性乳腺腫塊。

Ki-67指數(shù)反映了腫瘤細(xì)胞增殖的程度，是腫瘤侵襲性的重要指標(biāo)之一[47]。因此，準(zhǔn)確評(píng)估Ki-67狀態(tài)對(duì)于乳腺癌的預(yù)后評(píng)估至關(guān)重要。Matsuda等[48]對(duì)49例乳腺癌患者的合成MRI參數(shù)進(jìn)行分析，將Ki-67低表達(dá)(<14%，n=23)和高表達(dá)(≥14%，n=27)患者的T1和T2弛豫值及其標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單因素分析結(jié)果顯示，高表達(dá)組的T1-Gd(P<0.001)和T2-Gd(P=0.042)的SD顯著高于低表達(dá)組，將有意義參數(shù)進(jìn)一步多因素分析表明，T1-Gd的SD是Ki-67表達(dá)的獨(dú)立的預(yù)測(cè)因子，其受試者操作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線的AUC為0.885。此研究結(jié)果表明合成MRI可用于預(yù)測(cè)ER陽(yáng)性乳腺癌患者的Ki-67狀態(tài)。

以往研究發(fā)現(xiàn)T2值可以預(yù)測(cè)乳腺癌對(duì)新輔助化療的反應(yīng)，對(duì)新輔助化療敏感患者其T2值明顯低于不敏感者[49-50]。

4.肌骨系統(tǒng)的應(yīng)用

MRI是檢測(cè)骨、軟骨和軟組織損傷的重要成像方法，能較好的顯示膝關(guān)節(jié)解剖細(xì)節(jié)[51-52]。初步研究[53]表明，盡管合成MRI存在某些偽影以及在顯示韌帶結(jié)構(gòu)方面有一定局限性，但合成MRI可以在更短的時(shí)間內(nèi)提供與常規(guī)序列一樣好的圖像質(zhì)量。Yi等[54]的研究也證實(shí)，合成MRI對(duì)交叉韌帶或半月板損傷和撕裂的診斷準(zhǔn)確率與傳統(tǒng)MRI相似，說(shuō)明合成MRI對(duì)膝關(guān)節(jié)內(nèi)部病變(internal derangement of knee joint，IDK)的診斷具有可行性。

椎間盤(pán)退行性變是慢性腰痛的主要原因[55]，MRI是診斷椎間盤(pán)退行性疾病的常用影像方法。傳統(tǒng)MRI提供了形態(tài)學(xué)及信號(hào)變化信息，而定量MRI可以進(jìn)一步評(píng)估椎間盤(pán)的成分變化。Jiang等[56]對(duì)于腰痛患者的研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)CPMG(CarrPurcell-Meibom-Gill)T2-mapping測(cè)得的T2值與合成MRI測(cè)得的T2值呈高度正相關(guān)(r=0.962，P<0.01)，這表明合成MRI可以作為評(píng)估腰椎間盤(pán)退變程度的可靠方法，有可能取代傳統(tǒng)MRI檢查。由此可見(jiàn)，合成MRI可以同時(shí)提供形態(tài)學(xué)信息和定量信息，其對(duì)評(píng)價(jià)椎間盤(pán)退行性變、反映疾病嚴(yán)重程度、監(jiān)測(cè)慢性下腰痛的治療效果有潛在的臨床價(jià)值。

展望

綜上所述，合成MRI具有成像時(shí)間短，一次成像可以同時(shí)提供多種對(duì)比的圖像，并且可以提供定量信息等優(yōu)勢(shì)。雖然部分圖像可能會(huì)有出現(xiàn)某些偽影，但是與傳統(tǒng)MRI序列圖像相比圖像質(zhì)量沒(méi)有明顯降低。最近在多個(gè)系統(tǒng)的研究顯示，合成MRI具有很高的臨床應(yīng)用價(jià)值，可以為臨床工作提供一種全新的成像和研究方法。隨著磁共振軟硬件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，進(jìn)行多中心前瞻性研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證不同MR掃描儀之間的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，在目前大數(shù)據(jù)與人工智能迅速發(fā)展的時(shí)代將具有極大的科研與臨床應(yīng)用潛力。