肺实质MRI成像进展 .doc
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参见附件(41kb)。
肺实质MRI成像进展
上海长征医院影像科(200003) 刘士远
肺实质成像对MRI来说长期以来是个巨大的挑战，主要原因是：①肺实质内质子密度很低，缺少产生MRI信号的物质基础；②肺内气体-组织界面很大，磁敏感率不均匀，致使局部的磁场梯度增加，造成界面的自旋失相位，使T2值进一步变短；③呼吸运动及心脏搏动使磁场不均匀，造成信号丢失，并产生运动伪影；④肺内血管和血流丰富，1ml血对应的毛血管床面积为1m2，其血流量相当于心输出量(5L/min)，血流也会造成信号丢失；⑤肺内分子本身弥散系数(ADC)较大，会使信号有所降低,所有以上因素都影响着肺部MRI的成像质量。随着MRI成像技术的快速发展，MRI肺通气或灌注成像已成为可能
一.肺通气成像
(一)基本原理
1. 超极化惰性气体成像原理
某些无放射活性的惰性气体同位素含有奇数个电子，如3He和129Xe，由于MR信号是质子密度和极化率的表现，所以通过提高气体极化率就有可能弥补肺内质子密度低造成的信号丢失。由于超极化气体的关键特征是原子核极大的不平衡极化状态，超极化气体在强静磁场中的信号强度可以是处于热平衡状态水质子的105倍，所以，可以将惰性气体超极化对肺实质成像。目前，有两种方法可以产生超极化的气体(1)：自旋交换(spin exchange ,SE)与亚稳态能级交换(metastability exchange,ME)。通过自主吸入或鼻腔CPAP(呼吸道持续正压呼吸)的方式吸入后，正常人3He在肺内应是均匀分布的，得到的MR信号应是均匀的；肺疾病患者由于有形态和/或功能的改变，气体分布不均匀，得到的信号不均匀。在肺疾病中主要有两种典型的信号缺失形式(2)：圆形或卵圆形，主要与腺泡的病变有关；楔形，主要与支气管的病变有关，表现为以胸膜为基底，尖端指向肺门的无信号区。同时在图像采集过程中由于RF的再激励使超极化的3He不可逆转的去极化及3He周围顺磁性的分子氧也加快了其去极化，这两方面的因素使3He信号迅速衰减(T1=20S)。利用这一特征，3HeMRI作为一种非侵入性的方法可以测定局部氧分压。
2. 氧增强质子成像原理
O2是含偶数(两个并行)电子的弱顺磁性物质，它对信号的影响主要通过以下两条途径(3)：(1)偶极-偶极弛豫：O2中的两个并行电子与附近自旋质子直接双极耦合，能量释放加快，使T1弛豫加快。(2)局部磁敏感性效应：O2分子磁化率较低，特别是在肺内，由于气/组织界面大，分子弥散系数大，加上呼吸及心跳运动的伪影，这个决定T2弛豫增强的局部磁敏性较低，所以O2对质子T1弛豫率的影响远较T2弛豫率大。O2是作为T1加权通气的对比剂，通过吸氧前后图像的减影可获得氧对比的通气图，反映肺的局部通气功能。
3. 氟化气体成像原理
除了3He、129Xe、O2以外，氟化气体(如CF4、C2F6、SF6等)也可用于肺部MRI的成像。这是由于这些顺磁性的气体自旋弛豫非常的快(T1值在毫秒级水平)，信号强度高就可以弥补肺内质子密度低的影响。
(二)肺通气成像研究现状及优缺点
1. 超极化惰性气体成像
1994年，Albert等(4)首次报道了应用超极化的129Xe对小鼠的肺部进行成像。MacFal、Rauczor等用超极化的3He首次对人体肺部成像取得了成功。目前，超极化的气体主要应用于静态成像、动态成像、弥散成像、功能性O2-敏感性3He成像等。
静态成像：指吸入超极化3He后立即屏气进行扫描进行的肺成像，此方法可用来评价局部肺通气功能，它与肺功能检测有很高的相关性。正常人、哮喘病人、肺囊性纤维化、COPD及肺移植病人的影像学表现不同：正常人得到的MR信号是均匀的；哮喘、肺囊性纤维化、COPD和肺移植病人，得到的MR信号局部或弥漫性不均匀或有圆形、卵圆形或楔形信号缺损区。
动态成像：指利用(超)快速成像序列,自由呼吸状态下动态的观察整个呼吸循环过程(即吸气相、呼气相时3He在气道及肺实质内的分布情况)。国外学者(2)用超快速梯度脉冲序列对6位健康志愿者进行了肺部3He动态成像的时间和空间分布的分析，可看到3He依次在气管、主支气管及远端IV级支气管和肺泡中弥散成像，大约用20S的时间就可以采集到肺实质的信号。在气管和肺实质内3He 浓度达到峰值的时间分别为260ms和910ms。3He的流动速度非常快，在正常人吸入3He后，几乎同时看到肺上、中、下叶的信号一致性的增加，呼气时也是几乎同时看到信号强度的降低。而对于肺气肿患者，信号是不均匀的，并存有信号缺失区；再呼吸时信号可变为均匀，同时呼气相延长，即有空气捕捉现象。
弥散成像：任何气体分子都在做无规则的布朗运动，由于肺泡壁、细小支气管管壁的限制，使3He在横向及纵向的弥散度降低。衡量限制性弥散的一个可靠参数是ADC(Apparent Diffusion Coefficient,表面弥散系数)。ADC的大小直接反映了含气组织的容积大小，通过3He的弥散成像可得到ADC图谱。国外学者分别对健康青年人、肺气肿病人及肺纤维化病人进行了3He的弥散成像，结果表明，肺气肿病人的ADC增大，主要与肺容量的增加及肺泡壁结构的破坏有关；而肺纤维化病人则由于肺容积变小使ADC减小。
功能性O2-敏感性3He成像(2)(functional oxygen-sensitive 3He MRI )：是一种快速非侵入性的评定局部氧分压，局部肺通气/血流的匹配程度和O2吸收率的成像方法。国外学者在活体小动物实验研究中，发现肺局部氧分压与超极化3He的T1值之间存在线性关系。正常人在3HeMRI图像上肺局部氧分压是均匀的，平均值接近于平静吸气末的氧分压；对于有肺疾病的患者，由于通气/血流比例的失调而使局部氧分压不均匀。利用3HeMRI还可测得O2吸收率，这已在选择性动脉栓塞的动物实验中得到了证实。
由于129Xe在血液和含液体较丰富的组织中的溶解度很大，所以一次图像采集得到的数椐可同时分析肺通气和血流灌注情况。近来，国外学者利用超极化129Xe进行肺部MRI动态成像研究，在动物实验(狗)中已取得了一定的进展，并可以估测129Xe的吸收率。虽然129Xe是最早应用于肺成像的惰性气体，但吸入超极化129Xe之后有麻木、感觉异常或丧失等副作用而且129Xe的极化率低。相比之下，3He有极化率高、去极化速度慢、可以相对大剂量的吸入而无毒副作用、不被肺组织吸收等优点。目前，临床研究应用中主要是以3He为主，但3He是非常稀有的同位素，相对价格较昂贵。两者都必须用特殊的装置使其超极化，而且对RF线圈有特殊要求，所以其临床常规应用尚有一定的局限性。
2. 氧增强质子成像
1996年，Hatabu、Edelman等(5)首次提出用O2做为对比剂进行肺通气MRI成像研究。近来，随着成像技术的发展，O2增强肺通气MR成像是国内外研究的热点。此技术是利用快速成像技术(如单次激发超快速自旋回波序列+反转恢复序列，single-shot turbo spin echo sequence + inverse recovery sequence)扫描 ......
肺实质MRI成像进展
上海长征医院影像科(200003) 刘士远
肺实质成像对MRI来说长期以来是个巨大的挑战，主要原因是：①肺实质内质子密度很低，缺少产生MRI信号的物质基础；②肺内气体-组织界面很大，磁敏感率不均匀，致使局部的磁场梯度增加，造成界面的自旋失相位，使T2值进一步变短；③呼吸运动及心脏搏动使磁场不均匀，造成信号丢失，并产生运动伪影；④肺内血管和血流丰富，1ml血对应的毛血管床面积为1m2，其血流量相当于心输出量(5L/min)，血流也会造成信号丢失；⑤肺内分子本身弥散系数(ADC)较大，会使信号有所降低,所有以上因素都影响着肺部MRI的成像质量。随着MRI成像技术的快速发展，MRI肺通气或灌注成像已成为可能
一.肺通气成像
(一)基本原理
1. 超极化惰性气体成像原理
某些无放射活性的惰性气体同位素含有奇数个电子，如3He和129Xe，由于MR信号是质子密度和极化率的表现，所以通过提高气体极化率就有可能弥补肺内质子密度低造成的信号丢失。由于超极化气体的关键特征是原子核极大的不平衡极化状态，超极化气体在强静磁场中的信号强度可以是处于热平衡状态水质子的105倍，所以，可以将惰性气体超极化对肺实质成像。目前，有两种方法可以产生超极化的气体(1)：自旋交换(spin exchange ,SE)与亚稳态能级交换(metastability exchange,ME)。通过自主吸入或鼻腔CPAP(呼吸道持续正压呼吸)的方式吸入后，正常人3He在肺内应是均匀分布的，得到的MR信号应是均匀的；肺疾病患者由于有形态和/或功能的改变，气体分布不均匀，得到的信号不均匀。在肺疾病中主要有两种典型的信号缺失形式(2)：圆形或卵圆形，主要与腺泡的病变有关；楔形，主要与支气管的病变有关，表现为以胸膜为基底，尖端指向肺门的无信号区。同时在图像采集过程中由于RF的再激励使超极化的3He不可逆转的去极化及3He周围顺磁性的分子氧也加快了其去极化，这两方面的因素使3He信号迅速衰减(T1=20S)。利用这一特征，3HeMRI作为一种非侵入性的方法可以测定局部氧分压。
2. 氧增强质子成像原理
O2是含偶数(两个并行)电子的弱顺磁性物质，它对信号的影响主要通过以下两条途径(3)：(1)偶极-偶极弛豫：O2中的两个并行电子与附近自旋质子直接双极耦合，能量释放加快，使T1弛豫加快。(2)局部磁敏感性效应：O2分子磁化率较低，特别是在肺内，由于气/组织界面大，分子弥散系数大，加上呼吸及心跳运动的伪影，这个决定T2弛豫增强的局部磁敏性较低，所以O2对质子T1弛豫率的影响远较T2弛豫率大。O2是作为T1加权通气的对比剂，通过吸氧前后图像的减影可获得氧对比的通气图，反映肺的局部通气功能。
3. 氟化气体成像原理
除了3He、129Xe、O2以外，氟化气体(如CF4、C2F6、SF6等)也可用于肺部MRI的成像。这是由于这些顺磁性的气体自旋弛豫非常的快(T1值在毫秒级水平)，信号强度高就可以弥补肺内质子密度低的影响。
(二)肺通气成像研究现状及优缺点
1. 超极化惰性气体成像
1994年，Albert等(4)首次报道了应用超极化的129Xe对小鼠的肺部进行成像。MacFal、Rauczor等用超极化的3He首次对人体肺部成像取得了成功。目前，超极化的气体主要应用于静态成像、动态成像、弥散成像、功能性O2-敏感性3He成像等。
静态成像：指吸入超极化3He后立即屏气进行扫描进行的肺成像，此方法可用来评价局部肺通气功能，它与肺功能检测有很高的相关性。正常人、哮喘病人、肺囊性纤维化、COPD及肺移植病人的影像学表现不同：正常人得到的MR信号是均匀的；哮喘、肺囊性纤维化、COPD和肺移植病人，得到的MR信号局部或弥漫性不均匀或有圆形、卵圆形或楔形信号缺损区。
动态成像：指利用(超)快速成像序列,自由呼吸状态下动态的观察整个呼吸循环过程(即吸气相、呼气相时3He在气道及肺实质内的分布情况)。国外学者(2)用超快速梯度脉冲序列对6位健康志愿者进行了肺部3He动态成像的时间和空间分布的分析，可看到3He依次在气管、主支气管及远端IV级支气管和肺泡中弥散成像，大约用20S的时间就可以采集到肺实质的信号。在气管和肺实质内3He 浓度达到峰值的时间分别为260ms和910ms。3He的流动速度非常快，在正常人吸入3He后，几乎同时看到肺上、中、下叶的信号一致性的增加，呼气时也是几乎同时看到信号强度的降低。而对于肺气肿患者，信号是不均匀的，并存有信号缺失区；再呼吸时信号可变为均匀，同时呼气相延长，即有空气捕捉现象。
弥散成像：任何气体分子都在做无规则的布朗运动，由于肺泡壁、细小支气管管壁的限制，使3He在横向及纵向的弥散度降低。衡量限制性弥散的一个可靠参数是ADC(Apparent Diffusion Coefficient,表面弥散系数)。ADC的大小直接反映了含气组织的容积大小，通过3He的弥散成像可得到ADC图谱。国外学者分别对健康青年人、肺气肿病人及肺纤维化病人进行了3He的弥散成像，结果表明，肺气肿病人的ADC增大，主要与肺容量的增加及肺泡壁结构的破坏有关；而肺纤维化病人则由于肺容积变小使ADC减小。
功能性O2-敏感性3He成像(2)(functional oxygen-sensitive 3He MRI )：是一种快速非侵入性的评定局部氧分压，局部肺通气/血流的匹配程度和O2吸收率的成像方法。国外学者在活体小动物实验研究中，发现肺局部氧分压与超极化3He的T1值之间存在线性关系。正常人在3HeMRI图像上肺局部氧分压是均匀的，平均值接近于平静吸气末的氧分压；对于有肺疾病的患者，由于通气/血流比例的失调而使局部氧分压不均匀。利用3HeMRI还可测得O2吸收率，这已在选择性动脉栓塞的动物实验中得到了证实。
由于129Xe在血液和含液体较丰富的组织中的溶解度很大，所以一次图像采集得到的数椐可同时分析肺通气和血流灌注情况。近来，国外学者利用超极化129Xe进行肺部MRI动态成像研究，在动物实验(狗)中已取得了一定的进展，并可以估测129Xe的吸收率。虽然129Xe是最早应用于肺成像的惰性气体，但吸入超极化129Xe之后有麻木、感觉异常或丧失等副作用而且129Xe的极化率低。相比之下，3He有极化率高、去极化速度慢、可以相对大剂量的吸入而无毒副作用、不被肺组织吸收等优点。目前，临床研究应用中主要是以3He为主，但3He是非常稀有的同位素，相对价格较昂贵。两者都必须用特殊的装置使其超极化，而且对RF线圈有特殊要求，所以其临床常规应用尚有一定的局限性。
2. 氧增强质子成像
1996年，Hatabu、Edelman等(5)首次提出用O2做为对比剂进行肺通气MRI成像研究。近来，随着成像技术的发展，O2增强肺通气MR成像是国内外研究的热点。此技术是利用快速成像技术(如单次激发超快速自旋回波序列+反转恢复序列，single-shot turbo spin echo sequence + inverse recovery sequence)扫描 ......
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