來源：磁共振成像傳媒
李贇鐸, 周賾辰, 李睿, 等. 磁共振血管壁成像技術現狀及進展. 磁共振成像, 2016,7(2): 142–148.
李睿，博士，清華大學醫學院生物醫學工程系副研究員，生物醫學影像研究中心副主任。
2000年和2005年分別在清華大學電子工程系獲得工學學士和博士學位。
2009年至2011年在美國西雅圖華盛頓大學血管成像實驗室做博士後研究。
主要從事心血管磁共振成像方法的開發工作，尤其對顱內外斑塊成像、血流成像有較為深入的研究。
主持和參與十三五重點專項課題1項、國家自然科學基金項目3項、北京市科技計劃項目1項、清華大學校內交叉項目1項、橫向項目2項。
近五年來發表學術論文20餘篇，其中SCI收錄13篇，專利3項，會議論文40餘篇。
在2016年國家重點研發計劃「重大慢性非傳染性疾病防控研究」重點專項中，李睿副研究員參加吉林大學牽頭負責的「數位化腦血流儲備功能診斷評估技術及其應用研究」項目，並作為課題負責人承擔其中的「基於磁共振的腦血流儲備個體化參數測量」課題。
因血管高危斑塊所引發的心腦血管疾病已經成為危害人類健康的頭號殺手。基於影像學手段的血管斑塊監測，對於心腦血管疾病的預測、分期和預後評估都有著非常重要的意義。好的影像學評估方法應能夠充分滿足臨床診治的需要，結合動脈粥樣硬化相關疾病的臨床實踐，其應儘可能滿足以下3點要求[1]：(1)具有非侵入性以保證可以進行短期和長期的研究；(2)能夠提供斑塊在不同時期的形態學、組織成分和炎症反應的定量信息；(3)能夠被病理學的金標準所驗證。磁共振成像設備是綜合了物理、電子、材料、計算機、數學、醫學等學科高新技術的現代化儀器。
磁共振成像具有高軟組織對比度、多對比度成像、任意截面成像、無電離輻射等諸多優勢，在血管壁成像方面，磁共振成像可以滿足上述3個條件，具有廣闊的發展和應用空間。磁共振血管壁成像技術是基於磁共振物理原理，通過抑制血管內流動血液的信號來獲得血管壁等靜態組織信息的一種方法，能夠對動脈粥樣硬化斑塊的形態和成分進行評估。以下將簡要綜述磁共振血管壁成像技術的發展現狀、前沿進展和臨床應用。
1 磁共振血管壁成像技術
血管壁成像技術的核心問題在於如何有效抑制流動血液的信號，從而準確識別血管腔-壁交界，評估動脈粥樣硬化斑塊的形態和成分。筆者針對磁共振血管壁成像發展歷史上的一些重要技術作簡要綜述。
1.1 傳統的二維血管壁成像技術
傳統的二維血管壁成像技術包括飽和帶技術、雙反轉恢復技術以及四反轉恢復技術。飽和帶技術[2-3]是通過在血流流入方向施加飽和帶來實現血流抑制的目的，該技術是最為「古老」的磁共振血管壁成像技術，但其血流抑制效果差容易出現血流偽影，現在已較少在臨床上應用；雙反轉恢復技術[4]通過分別施加一個非選擇性180度反轉脈衝和一個選擇性180度反轉脈衝來實現血流抑制，該方法是目前最常用的血流抑制方法，但由於恢復時間T1較長且只能單層採集，採集效率很低。為解決這一問題，SongHK等[5]提出了利用多層選擇反轉脈衝來提高採集效率，YarnykhV等[6]隨後又提出了增加反轉脈衝層厚同時覆蓋多層的技術，但其血流抑制效果會受到一定的影響；而四反轉恢復技術[7]通過施加兩組雙反轉脈衝實現血流抑制，該技術對於血液T1值的波動不敏感，可以用於對比增強磁共振血管壁成像，但其原理和雙反轉恢復技術類似，採集效率很低。由於以上技術都基於血流流動方向與成像平面大體垂直這一假設，因此它們均依賴於流入效應來達到血流抑制的效果，無法進行層面內的血流抑制，基本上都只用於二維成像。與二維成像方式相比，三維成像具有採集效率和信噪比較高，以及可以實現各向同性解析度採集等優勢，近年來，研究人員提出了若干適合三維成像的血管壁成像方法。
1.2 運動敏感驅動平衡(motion sensitizeddriven equilibrium, MSDE)技術
MSDE被廣泛應用於磁共振血管壁成像中，該技術的原理主要是依靠MSDE準備脈衝內設置的梯度場各階矩，使血流散相，從而達到血流抑制的目的，血液流動模式越複雜、流動速度越快，則越容易通過該技術達到抑制效果。該技術最早於2007年被不同的兩個研究組先後提出[8-9]，分別被用於3 T主動脈和頸動脈成像上。2010年通過引入雙聚相脈衝針對MSDE準備脈衝的渦流響應及B0和B1特性進行了優化，優化後的技術稱為iMSDE[10](improvedMSDE)，並結合散相梯度回波(spoiled gradient echo, SPGR)採集方式，得到三維各向同性解析度血管壁圖像，該技術被稱為3DMERGE技術[11]，對管壁增厚程度(斑塊尺寸)的測量更為準確。最近，ObaraM等人[12]通過在iMSDE前設置一對雙極性梯度波形，對渦流響應又進行了進一步改善，從而得到了信號強度更為均勻的腦組織圖像。目前，MSDE技術可以實現在很短的時間內(0~18ms)達到大範圍抑制血流的效果，同時對於主磁場B0和發射場B1的不均勻性也具備一定的抵抗能力。但這種方法在預脈衝當中採用了T2準備脈衝和雙極梯度，從而導致圖像信噪比下降並使圖像的對比度帶有一定的T2和擴散加權。
1.3 T2IR技術
2010年，LiuCY等[13]提出了一類只依賴於縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2的選擇性血流抑制方法(T2-preparedInversion Recovery, T2IR)，結合二維快速自旋迴波(turbo spin echo,TSE)作為數據採集模塊，在1.5 T下被用於主動脈的大範圍成像。2011年在採集方面，利用平衡穩態自由進動(balancedsteady state free precession, bSSFP)替換了TSE，序列的採集效率得以改進，被用於1.5T下肢膕動脈的成像[14]。T2IR還可以與相位敏感技術結合，以犧牲採集效率為代價進一步改善了管腔和管壁之間的對比度，被用於3 T下三維下肢動脈管壁的成像[15]。T2IR技術表面上迴避了血液流動問題，但由於特異性選擇血液信號需要較長的T2準備脈衝時間(≥40ms)，使得其無法覆蓋流速較慢或極快的血液。此外，B0和B1場在成像區域內存在不均勻性，有可能導致T2準備脈衝失效，從而對血流抑制的效果造成影響。
1.4 DANTE技術
最近有研究人員針對三維黑血預脈衝提出了變延遲進動定製激發(delays alternating withnutation fortailored excitation, DANTE)的血流抑制方法[16]，通過連續的小角度激發脈衝結合散相梯度，使得處於運動和靜止的物質產生不同的穩態信號，從而達到抑制血液信號的目的，該方法對於B0和B1的不均勻性不敏感。相對於MSDE方法，DANTE的優勢在於，其對靜態組織信號的保護比較好。但是DANTE的問題在於，如果要達到較好的血流抑制效果，需要反覆施加DANTE的血流抑制小單元，使得整個準備模塊的時間較長。同時，該方法對於梯度系統的要求也較高，需要梯度場能夠在短時間內攀升到相對比較大的梯度強度。目前基於該方法已經建立起檢測斑塊內出血(intraplaque hemorrhage, IPH)的三維快速成像序列[17]。DANTE對於流速較慢的腦脊液(cerebralspinalfluid, CSF)也能起到比較好的信號抑制作用，可以為頸部脊髓成像[18]和顱內管壁成像[19]提供更好的對比度。
1.5 SNAP技術
此外，針對斑塊特定危險成分的檢測如IPH，也引起了磁共振成像領域的廣泛關注。高鐵血紅蛋白作為一種內源性對比劑，它將導致縱向弛豫常數T1的縮短，從而在T1加權圖像上產生高信號。因此，高鐵血紅蛋白的存在促進了磁共振對IPH的識別，目前最為經典的IPH檢測序列是基於反轉準備脈衝的快速梯度回波(magnetizationpreparedrapid gradient echo, MPRAGE)序列[20]，它既可以顯示出IPH，也可以達到抑制管腔內血液信號的作用[21]。2010年，WangJ等人[22]設計出體選擇相位敏感反轉(slab-selectivephase-sensitive inversion-recovery, SPI)序列，該技術降低了對血液T1值估計和序列參數設置準確性的要求，提高了管壁管腔的對比度以及IPH和正常管壁之間的對比度。通過進一步優化採集方式和成像參數，WangJ等人[23]又於2013年提出非增強血管造影和IPH同時成像(simultaneousnoncontrast angiographyandintraPlaque hemorrhage, SNAP)序列，該技術利用一次採集，就可以同時得到磁共振血管造影的信息以及IPH的分布信息，避免了採集效率上的損失。
1.6 變角度多自旋迴波序列
基於自旋迴波序列的各種改進構成了血管壁成像方法的另一大類，為了提高採集效率，一般都採用帶有回波鏈的快速自旋迴波進行成像，這種序列當中存在大量的180度回聚脈衝，一方面會使採集效率變低，另一方面會產生過高的特定吸收率(specificabsorption rate, SAR)。針對這一問題，一系列基於拓展相位圖(extendedphase graph, EPG)方法設計的變角度硬脈衝方法[24-26]應運而生，可以使快速自旋迴波在高場下能夠完成三維大範圍成像採集。另一方面，變角度的回聚脈衝對於抑制血流也會產生更好的效果[27-28]，這是由於變角度回聚脈衝會產生多條回波通路，使得分布在回聚脈衝前後的散相梯度對運動變得更為敏感，這一現象也能夠通過類似DANTE的血流抑制原理來解釋。此外有研究人員還通過在第一個180度回聚脈衝前後各引入一個單極梯度，進一步改善變角度回聚TSE序列的血流抑制效果[29]。這一系列改進使得TSE序列可以應用於從顱內動脈至下肢動脈的全身各部位血管床的黑血管壁成像[29-32]。該序列雖然保證了管壁信號具有足夠高的SNR，但其採集效率相對於梯度回波序列而言較低。
伴隨著磁共振軟硬體技術的迅速發展，磁共振血管壁成像技術已日趨成熟，成像空間維度由二維發展到三維，成像範圍不斷擴大，血流抑制效果不斷優化，對於管壁斑塊成分的識別和定量分析也更加準確。血管壁成像技術的發展歷程詳見圖1。
2 臨床應用
在臨床上，磁共振血管壁成像技術被用於多個血管床成像，針對不同血管床的結構和血流，研究人員開發了不同的技術，以滿足相應的臨床應用需求。
頸動脈因其所處位置較為表淺，並且尺寸與磁共振成像的解析度較為匹配，因此針對頸動脈血管壁已建立起較為成熟的磁共振動脈粥樣硬化斑塊風險評估體系[33-35]。臨床上，研究人員通過多對比度成像的方法，可以識別血管斑塊的成分，如斑塊內出血(intra-plaque hemorrhage, IPH)、鈣化(calcification, CA)、脂質核(lipid rich necrotic core, LRNC)、纖維帽(fibrous cap, FC)等，進而達到對血管斑塊定量分析的目的。目前採用的二維成像序列包括T1和T2加權的TSE序列，以及三維飛行時間(time of flight, TOF)序列。以上3個序列與質子密度加權的基準序列配合，可以用來識別鈣化和脂質核。此外，利用釓對比劑增強T1加權圖像，可以使脂質核的評估更為準確，同時對比劑增強也有利於識別及測量纖維帽。不同斑塊成分所對應的圖像強度特性見表1。
除頸動脈以外，也有大量針對顱內血管床管壁成像的研究，通過多對比成像的方式來進行顱內斑塊成分的識別[36-37]。顱內血管床由於走形迂曲，且血管內徑較細，對磁共振血管壁成像技術提出了諸多挑戰。最近，有研究者將變角度TSE序列和DANTE配合使用，應用於大範圍顱內外血管壁成像，成像質量和血流抑制效果都顯著優於單獨使用變角度TSE序列[38]。目前顱內血管壁成像技術的解析度已經可以觀測到大腦中動脈[39-40]，文獻報導的最高的三維成像空間解析度達到0.4~0.5mm(各向同性)[31]。
近年來，也有研究開始將血管壁成像應用於冠狀動脈的評估。與頸動脈和顱內動脈相比，冠狀動脈管壁面臨著更多的技術挑戰，包括心臟搏動、呼吸所造成的運動偽影，以及冠脈管壁較細等，都對成像的時間和空間解析度提出了一定要求。早期的研究嘗試通過二維TSE成像並要求受試者屏氣[41]或使用導航門控[42]的方式，對冠脈進行管壁成像。為了實現快速採集，三維螺旋採集[43]和放射狀採集[44]技術，也被用於三維冠脈管壁成像。以上技術也逐步開始應用於冠脈外向重構[45-50](outwardremodeling)、冠脈斑塊[51-54]和對比劑增強成像[55-58]的研究，但成像質量和穩定性都有待提高。近年來，有研究者提出多時相冠脈管壁成像[59-60](multiphaseacquisitions)的技術，與以往只採集心動周期單個特定時相的圖像不同，多時相管壁成像在一個心動周期內，選擇多個時間點進行採集，允許圖像判讀人員從多幅圖像選擇質量最優的進行分析，這樣使得總體成像的質量和穩定性得到提升。
3 問題及展望
傳統的多對比度血管壁成像技術，在技術層面還存在一些問題亟待解決和優化：(1)目前還需要通過掃描多個序列才能獲取血管壁的較為完整的信息，這就會帶來諸如掃描時間較長、因病人在序列間隙移動而導致序列之間的圖像錯配、以及臨床上圖像判讀複雜等問題；(2)受限於線圈覆蓋範圍等技術問題，傳統的血管壁成像技術的成像範圍較小，難以對諸如顱內外血管床等大範圍血管床進行全面評估；(3)目前的血管壁成像技術成像速度較慢，單次檢查至少需要15~20min，限制了其在臨床上的應用。針對這些問題，在今後的研究中，磁共振血管壁成像技術還可以進一步發展。
近年來，研究人員在已有血管壁成像技術的基礎上，又提出了一些新的成像方案。2014年，FanZ等人[61]開發了MATCH(multi-contrast atheros clerosis characterization)技術，實現了在5min之內採集多對比度的2D圖像。通過在一個重複時間(repetition time，TR)中多次採集，MATCH可以獲取到T1、T2加權，以及灰血的圖像，通過解讀這些圖像，可以在一個成像序列內分辨出斑塊內出血、鈣化和脂質核等斑塊成分信息。該技術目前只實現了2D成像，並且覆蓋範圍僅限於頸動脈。
為了對顱內外血管同時成像，在臨床上全面評估顱內外血管病變，清華大學生物醫學影像研究中心利用自主研發的36通道神經血管線圈，採用3D-MERGE、VISTA (volumetric isotropic TSEacquisition)序列和SNAP序列，實現了可覆蓋頸動脈直至顱內的大範圍多對比度3D黑血成像[62](圖2)。該方法可以在15min之內完成大範圍多對比度的三維血管壁圖像，其較長的掃描時間在一定程度上限制大範圍血管壁成像技術在臨床上的應用。
通過數據降採，在圖像重建層面實現快速成像，也是未來磁共振血管壁成像領域的一個重要發展方向。近年來，有研究嘗試將壓縮感知和3DMERGE序列結合，在不影響血流抑制效率和成像質量的情況下，提高了成像速度[63-65]。GongE等人[66]利用多對比度不同序列圖像中可共享的信息，優化了壓縮感知結合部分並行成像，提出了可應用於血管壁多對比度成像的應用可共享數據的並行成像及壓縮感知的重建方法(parallel-imaging and compressed sensing reconstruction ofmulticontrastimaging using sharablE information, PROMISE)，該方法對於序列之間病人的運動更為不敏感，提高了管壁斑塊多對比度圖像的重建質量。ZhouZ等人[67]開發了一種基於自支撐定製k空間估計的並行成像(self-supportingtailored k-spaceestimation forparallel imaging reconstruction,STEP)方法，進一步提升了重建質量。
4 總結
綜合以上討論，磁共振血管壁成像可以提供精細的空間解析度和斑塊成分的定量分析，有潛力成為臨床評估動脈粥樣硬化致病風險的重要手段。當前，磁共振黑血成像技術還面臨一些挑戰：第一，磁共振黑血成像技術雖然對於頸動脈管壁成像效果較好，但是在其他動脈血管壁成像，如冠狀動脈成像方面， 仍存在一定局限性[68]；第二，其成像速度較慢[69]，這成為該技術向臨床推廣應用的一大瓶頸。如何在短時間內獲得大範圍、高質量的、包含斑塊各成分信息的圖像，將成為磁共振血管壁成像領域未來的發展方向。
參考文獻 [References]
[1]Yuan C, Kerwin WS, Yarnykh VL, et al. MRI ofatherosclerosis in clinical trials. NMR Biomed, 2006, 19(6): 636-654.
[2]Edelman RR,Atkinson DJ,Silver MS,et al.Frodo pulsesequences:a new means of eliminating motion,flow,and wraparound artifacts.Radiology,1988,166(1):231-236.
[3]Felmlee JP, Ehman RL. Spatial presaturation: a methodfor suppressing flow artifacts and improving depiction of vascular anatomy inMR imaging. Radiology, 1987, 164(2): 559-564.
[4]Edelman RR, Chien D, Kim D. Fast selective black bloodMR imaging. Radiology, 1991, 181(3): 655-660.
[5]Song HK, Wright AC, Wolf RL, et al. Multislice double inversionpulse sequence for efficient black-blood MRI. Magn Reson Med, 2002, 47(3):616-620.
[6]Yarnykh VL, Yuan C. Multislice doubleinversion-recovery black-blood imaging with simultaneous slice reinversion. J MagnReson Imaging, 2003, 17(4): 478-483.
[7]Yarnykh VL, Yuan C. T1-insensitive flow suppressionusing quadruple inversion-recovery. Magn Reson Med, 2002, 48(5):899-905.
[8]Koktzoglou I, Li D. Diffusion-prepared segmentedsteady-state free precession: application to 3D black-blood cardiovascular magneticresonance of the thoracic aorta and carotid artery walls. J Cardiovasc MagnReson, 2007, 9(1): 33-42.
[9]Wang J, Yarnykh VL, Hatsukami T, et al. Improvedsuppression of plaque-mimicking artifacts in black-blood carotid atherosclerosisimaging using a multislice motion-sensitized driven-equilibrium (MSDE) turbospin-echo (TSE) sequence.Magn Reson Med, 2007, 58(5): 973-981.
[10]Wang J, Yarnykh VL, Yuan C. Enhanced image quality inblack-blood MRI using the improved motion-sensitized drivenequilibrium (iMSDE)sequence. J Magn Reson Imaging, 2010,31(5): 1256-1263.
第11-69條參考文獻點擊 閱讀原文 查閱
▲長按本圖片，識別圖中二維碼點擊下方「閱讀原文」查看磁共振成像雜誌更多精彩內容
↓↓↓↓