基于振荡梯度自旋回波的扩散磁共振成像研究进展

基于振荡梯度自旋回波的扩散磁共振成像研究进展

马训新

济南市济阳区人民医院251400

摘要：扩散磁共振成像（diffusionMRI,dMRI）是当前最有前景的生物组织微结构成像方法之一，在肿瘤、神经成像中取得了极大的进步。振荡梯度自旋回波（oscillatinggradientspinecho,OGSE）序列是一种新型dMRI技术，它通过施加振荡梯度，使可测量的水分子有效扩散时间缩短，通过建立数学模型，可以测得细胞直径（diameter,d）、细胞外水分子扩散系数、细胞内水分子体积分数、细胞密度等微结构特征。在肿瘤细胞d值测量、肿瘤异质性评估、神经轴突直径测量中展现出临床应用前景。

关键词：振荡梯度自旋回波；扩散磁共振成像；研究进展

引言

目前中枢神经系统疾病的诊断主要靠CT和MRI，CT的密度分辨率高，对颅骨骨折及急性脑出血病变的诊断具有显著优势，但对24h内发生的急性脑梗死、脑肿瘤的血供及脑白质病变等的诊断缺乏敏感度和特异性。常规MRI平扫+增强扫描长期以来一直是评估中枢神经系统肿瘤形态和侵袭性的主要手段，但是对病变的定性诊断价值有限；而磁共振波谱成像、灌注加权成像等新技术虽能对肿瘤的定性诊断提供一定帮助，但这些指标并不特异，且对于脑白质纤维受侵情况及弥漫性颅脑损伤等情况的评估价值有限。

1OGSE的出现与原理

微结构成像是在传统dMRI基础上发展来的新技术，能提供轴突直径及方向、复杂纤维结构、神经轴突特征等更具体的微结构信息。目前，微结构成像多使用PGSE进行。由于医用人体设备梯度系统的限制，PGSE可以探测的最小尺寸大于13μm，人体细胞的平均直径在5～200μm之间，多数细胞d值仅为几个微米，因此PGSE难以评估细胞d值的信息。为了克服PGSE的技术瓶颈，GROSS等[开发了OGSE成像方法。OGSE的扩散梯度由双极脉冲梯度波形改为周期为T的振荡波，例如正弦波，余弦波，梯度余弦波等，其有效扩散时间不依赖于梯度脉冲的间隔，而是依赖于振荡频率，当振荡周期极短，即具有较高的振荡频率时，水分子扩散时间缩短，因此，OGSE能突破PGSE的限制，实现更短的扩散时间，提供一种潜在可行的方法评估人体组织内更细微的结构改变。受限于图像的信噪比和回波时间，OGSE的振荡频率往往高于17Hz，难以量化20μm以上的尺寸。JIANG等研发了使用有限频谱的扩散成像微结构参数（imagingmicrostructuralparametersusinglimitedspectrallyediteddiffusion,IMPULSED）作为OGSE的后处理模型，它结合了多个低频OGSE测量和单个PGSE采集，扩大了可研究的细胞d值范围。微结构成像通过建立数学模型，将MR信号模型与多隔室模型通过优化算法拟合，反映组织的微结构信息。OGSE在拟合MR信号时采用多隔室模型，其中最常使用的是两室模型，将组织分为隔室内和隔室外，忽略隔室间水交换以及血流灌注对信号衰减的影响。以细胞d值测量为例，由于现有的梯度系统的振荡频率不足以区分细胞内各细胞器的尺寸，常常将细胞假设为空心球体，dMRI信号S来源于细胞内和细胞外的信号之和，即S=Vin×Sin（d,Din,b）+（1-Vin）×Sex，Sin、Sex分别为细胞内、外每一体素对应的信号强度，Din为细胞内水分子扩散系数，常常被认为是固定的；b为扩散加权因子，表示对扩散运动的敏感度，其大小取决于施加的扩散梯度的强度以及持续时间；其中，Sex=exp（−b×Dex）。研究表明，在低频范围内，Dex与f近似呈线性相关，斜率定义为β；即Dex=Dex0+βf，Dex0代表无振荡梯度时细胞外的平均扩散系数；因此模型的数学表达式为[9]：S=Vin×Sin（d,b）+（1-Vin）exp（−b×Dex0+βf）。除细胞的d值大小，ADC的时间依赖性改变也是微结构的重要指征，在描述测量微结构尺寸和组织异质性这两个方面具有重要价值。

2DTI技术在中枢神经系统疾病中的应用现状及进展

2.1DTI技术在颅脑创伤疾病诊治中的应用

弥漫性轴索损伤（DiffuseAxonalInjury，DAI）是一种由钝性脑损伤引起的创伤性脑损伤（TraumaticBrainInjury，TBI），根据格拉斯哥昏迷分级（GlasgowComaScale，GCS），将颅脑损伤分为轻、中和重3个程度。轻度：GCS为13~15；中度：GCS为9~12；重度：GCS≤8。在TBI后的死亡率和发病率中起重要作用，而传统的成像技术无法准确识别DAI，早在2005年Ducreux等应用DTI技术诊断了两例DAI患者，其中一例DTI直接显示了白质纤维的断裂，另一例虽未显示白质纤维断裂，但显示了外伤性细胞毒性水肿。Mao等报道了一例以语言障碍为表现的DAI患者的DTI研究，通过测量兴趣区FA值和DTI白质纤维束造影显示左侧额叶和内侧颞叶区域的白质完整性降低，并发现DTI识别的白质损伤与患者的功能磁共振成像（FunctionalMagneticResonanceImaging，fMRI）和神经心理学检查评估的语言障碍相关，这些发现证明了DTI在鉴别TBI继发的白质改变方面的作用。CastañoLeon等在重型TBI患者的亚急性早期应用DTI技术，发现胼胝体、扣带回及大脑脚的FA值均显著降低，且与TBI后6个月、12个月的测量结果高度相关，提出了在TBI后亚急性期检测FA值的减少与长期的预后不良有关。在DAI后功能恢复方面，Han等利用DTI技术研究皮质脊髓束DAI的恢复过程，发现了患者在DAI发病24个月后两侧脑干的FA值显著增加，与运动功能同时恢复，很好地说明了皮质脊髓束DAI的恢复。陈苗苗等利用DTI参数（FA、MD、AD、RD）对轻、中、重度创伤性脑损伤患者脑白质损伤进行量化分析，得出了脑白质损伤程度与患者认知障碍的关系。

2.2脑肿瘤

脑肿瘤是除脑血管病以外中枢神经系统最常见的疾病。MRI可对脑肿瘤的形态、功能及血流动力学状态进行评估。Vranic等[13]将CS技术应用于脑肿瘤患者，比较结合CS技术和常规序列的图像质量。应用联合CS的3DT1WI扰相梯度回波（spoiledgradientecho，SPGR）序列（AF为1.7）或3DT2加权成像（T2weightedimaging，T2WI）FLAIR（AF为1.3）序列扫描，结果显示其扫描时间分别缩短35%和25%，且图像质量相当。儿童脑肿瘤的病变类型、部位和分子特征与成人有较大不同[14]。MRI技术在儿童脑肿瘤的诊断中具有明显优势。因儿童的颅脑解剖结构较小，需使用高空间分辨率扫描，但儿童的耐受时间较短。因此，将CS技术用于儿童MRI检查十分必要[15]。Meister等[16]将CS技术应用于脑肿瘤患儿的MRI检查以比较常规扫描和结合CS技术扫描的图像质量、检查时间和能量沉积情况；结果显示结合CS技术的检查时间和能量沉积均显著低于常规序列，其可改善图像质量、提高图像的分辨率和清晰度。

2.3MMD

MMD的病理改变包括血管内膜增厚和烟雾状小血管形成。因TOFMRA的特异性和敏感度高，且安全、无创，常被作为代替计算机体层血管成像或数字减影血管造影的检查方案。Yamamoto等将CS应用于TOFMRA检查以评估MMD的可靠性。CSTOF的AF取3和5，根据狭窄、闭塞评分对MMD进行分级，并对烟雾血管的可见性进行评估，根据MMD分级和基底节区上烟雾血管的可见性判断CSTOF的诊断质量，结果发现CSTOF在等效扫描时间内可更好地显示烟雾血管。烟雾血管的存在和数量对MMD的评估十分重要。研究显示，CSMRA的表观信噪比较PIMRA高，加速度超过3倍，这也是应用CS技术可见更多烟雾血管的原因。

结语

总之，OGSE序列以扩散的时间依赖性为突破点，得到d、Vin、细胞密度等微结构特征。目前，该技术已经能够适应临床可用的梯度系统，扫描时间也已大大缩短，初步的临床研究已在脑肿瘤、头颈、乳腺肿瘤等肿瘤性病变、胼胝体和脊髓等轴突病变中开展探索，展现出较为肯定的应用价值。微结构成像的重要意义在于实现非侵入性的“数字化活检”，辅助疾病诊断，指导医生治疗，随访监测和预测治疗反应。随着更先进的硬件设备的研发、更加优化的序列设计以及大样本前瞻性研究的逐步开展，OGSE将不断发展成熟，在更多的病种的诊断、治疗疗效监测及预后评估中提供更多、更全面的信息。

参考文献

[1]李爽,陆敏杰,赵世华.压缩感知技术及其在心脏磁共振中的应用进展[J].磁共振成像,2018,9(4):299–302.

[2]肖国辉,李经纶,曹付强,等.DTI及DTT技术在小量高血压性基底节区出血运动功能预后评估中的应用[J].中国临床神经外科杂志,2021,26(8):593-596.