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零回波成像原理及研究进展

回波时间(TE)是指施加射频脉冲到产生回波信号的时间间隔。临床常用的脉冲序列的TE一般在2~200ms。在人体组织中,骨皮质、肌腱、韧带等T2*/T2的时间均比常规序列的TE短,表现为在射频激励后,其横向磁化矢量迅速衰减至零,因此常规序列在信号采集时已读取不到任何信号,在图像上表现为低信号。为了直接显示这些组织的信号,必须选择更短TE的序列进行采集。目前,TE在2ms以下的超短TE(ultra short TE,UTE)序列及零TE(zeroTE,ZTE)序列已经开始进入临床磁共振设备。这类序列的出现丰富了图像对比,拓宽了影像视野,为临床提供更多的信息。本文就ZTE成像技术及最新进展做一综述。

 

1.ZTE成像原理及图像特点

 

常规脉冲序列的实施通常先施加射频,然后通过射频或梯度场的切换产生信号,与常规序列不同,ZTE采集过程中先进行梯度场的爬升,而后才施加射频,射频结束后立刻进行信号读取,去除了射频之后的梯度切换,因此实现了TE时间为零的信号采集。实现ZTE成像需要解决2个问题:①由于梯度场持续存在,射频激励必须激发梯度场作用的所有范围,否则会引起显著的信号不均、卷绕及位移。通过使用硬脉冲配合较大的采样带宽可实现扫描范围内的准确激发;②ZTE序列采用快速的放射状K空间填充方式,但从射频发射到信号采集会占用一定的时间,从而造成填充K空间中心数据的丢失。要克服这个问题,首先要以高性能的射频尽可能地缩短激励时间。其次,快速的系统切换能力,尤其是高速切换的信号接收线圈是ZTE成像的基本要求。最后,要通过周边数据的过采样以及后续算法重建K空间中心的数据。硬件水平的不断提高以及算法的不断改进已经使ZTE成像成为现实。

 

与常规序列相比,ZTE成像有其独特之处。①ZTE是3D采集成像,这是因为读出梯度的启动先于射频激发,无法再施加选层梯度,从而不能进行2D扫描,但可在完成3D各项同性采集后进行2D重建。②在一个重复时间(TR)内信号采集结束以后,读出梯度只需轻微的调整即可以进入下一个TR的信号采集,而不需要剧烈的梯度场切换,这一变化不但实现了“静音”扫描,同时也显著减轻了涡流效应,保证了K空间填充的准确性,减轻了磁敏感伪影。③ZTE序列的TR也较短,因此与常规序列相比,能明显冻结运动相关的伪影。④由于TE短,扫描用的线圈甚至周围的衬垫可以在ZTE上显像。在图像特点方面,因TE为零,ZTE主要表现为质子密度加权对比,通过改变射频翻转角或磁化准备模块,ZTE也可以实现T1对比。此外,ZTE已可以实现压脂扫描以及长T2组织信号的抑制。

 

2.ZTE成像的应用

 

2.1 脑血管成像

 

临床最常用的脑动脉成像为时间飞跃法(time off light,TOF)序列,其成像原理是通过连续施加射频脉冲以饱和静止的背景组织,新鲜流入的血液则未受到饱和而实现亮血的效果。然而,TOF-MRA成像也存在一些不足,如流速较慢的血液也可能会被饱和而表现为低信号,此外,血管走行纡曲的部位如颈内动脉虹吸段,因血流状态由层流变为湍流等复杂形式,也会加速质子失相位而使信号衰减,造成假阳性或夸大病变程度。对于动脉瘤术后放置支架的患者,要评价术后动脉瘤是否被栓塞、病灶旁的血管是否狭窄等,TOF-MRA因受磁敏感效应的影响,常常无法显示这些结构,在术后疗效评价方面存在不足。ZTE-MRA结合ZTE和动脉自旋标记技术,标记内源性血流,不受血流状态及磁敏感效应的影响,可以更好地显示上述TOF-MRA成像效果不佳的情况。

 

Irie等对9例颅内动脉瘤术后放置钢圈的患者分别进行TOF-MRA及ZTE-MRA成像,由2名神经放射学专业医师依据血管显示的清晰程度进行图像质量评分,0分为不能显示,4分为显示最佳。结果TOF-MRA评分为1.44±0.46,而ZTE-MRA得分为3.44±0.53,两者有显著差异,表明ZTE-MRA在评价颅内动脉瘤钢圈置入后疗效方面比TOF-MRA更有优势。

 

2.2 骨质成像

 

在骨肌系统中,骨皮质、肌腱、韧带及软骨等均属于短T2*/T2组织,因此UTE和ZTE的应用也很广泛。Weiger等尝试采用ZTE序列观察牛骨的骨小梁结构,在7T成像系统进行空间分辨率为56μm的等体素成像,骨小梁结构显示清晰,不受小梁间空气及脂肪磁敏感效应的干扰,和μCT显示结果相当,提示骨小梁结构的显示有助于观察骨基质的信号变化,进一步认识骨质病变的生理及病理过程。和UTE类似,ZTE也可对骨质的矿化过程进行定量,但比UTE的信噪比和对比度更高。

 

2.3 牙科成像

 

临床牙齿成像方式主要是X线和CT。常规MR可以显示牙齿周围软组织,但不能显示牙齿本身及牙冠等周围结构,而ZTE对短T2*/T2组织的显示能力受到关注。Hoevener等采用快速自旋回波、UTE和ZTE分别对牙齿进行成像,结果发现快速自旋回波仅能显示软组织成像,而UTE和ZTE均可以清晰显示牙本质、牙骨质及牙髓,并且在7T和9.4T成像系统上分辨率可以达到150μm3。此外,ZTE还可以显示牙釉质结构,而UTE则显示不佳。研究得出结论,ZTE不仅能显示牙齿周围软组织,还能显示牙齿的固体成分,因此可以作为辐射检查的替代手段。

 

Weiger等对游离牙齿分别进行μCT及ZTE成像,结果表明ZTE可以清晰显示牙骨质和牙釉质的边界,成像效果可与μCT相当。另外,对于有汞剂填充的牙齿,μCT有明显的放射状伪影,而ZTE则不受干扰。ZTE在显示早期去矿化及龋齿方面更有优势。在下牙槽植牙或拔智齿时,需要确定下颌神经管的位置,以防手术过程中损伤其内的下牙槽神经。以往的辅助影像检查以CT为主,但CT对比不佳并且存在电离辐射。Kang等进行了牙槽ZTE成像,清楚地显示了下牙槽牙齿及下颌神经管的位置,并可以准确测量牙根距离神经管的位置,提示在口腔植牙或拔牙时,ZTE可作为CT的一种替代手段。

 

2.4 肺部成像

 

肺部氢质子含量低,横向弛豫时间短,常规序列均表现为极低信号。同时,肺内的空气会引起明显的磁敏感伪影,再加上呼吸运动的影响,使得磁共振肺成像的应用价值受到限制。ZTE序列的出现有望突破这一成像禁区。Weiger等采用常规梯度回波及ZTE序列进行小鼠肺部成像,结果表明,在没有呼吸控制的条件下,常规梯度回波序列成像肺部信号很低,而且有明显的运动伪影,而ZTE成像则无明显呼吸运动伪影。在添加呼吸门控的情况下,ZTE能显示更多的细节,并且成像质量稳定。Bianchi等使用UTE、ZTE序列及μCT对大鼠肺气肿模型进行成像分析,结果表明ZTE可以进行3D各向同性成像,其分辨率可达到400μm,可以获得高质量的肺部图像,并且扫描过程在自由呼吸状态下完成,无明显呼吸运动伪影。

 

另外,与正常对照相比,肺气肿模型大鼠组在ZTE序列上的图像信噪比显著下降,推测ZTE可望成为一种无创评价肺气肿形态及病理改变的检查方法。此外,ZTE序列在骨膜、脑膜的成像也有报道。既往研究显示,由于ZTE序列的高稳定性,可以代替常规扫描开始前的定位扫描,可以省去预扫描确定中心频率以及匀场的过程,提高扫描效率。当然,ZTE也存在一些固有不足,如上所述组织激发时需要很大的带宽,特殊吸收率值会显著高于普通序列。

 

综上所述,与传统的T1、T2及质子密度加权成像相比,ZTE成像是MRI领域的又一突破。目前,由于ZTE成像的硬件要求较高,其临床应用尚未完全开展,但ZTE在不断发展,其激励方式以及重建算法也在不断改进。随着技术进步及人们认识的不断深入,这一技术将在临床上发挥越来越重要的作用。

 

来源:中国医学影像学杂志2017年第25卷第5期

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