肺功能成像：猪肺的傅里叶分解磁共振成像和SPECT/CT成像的定性比较

郭悦，武汉大学人民医院，湖北武汉 430060

审校：许峰，北京大学第三医院 医学工程处，北京 100191

0 前言

肺通过交替的通气和灌注进行气体交换。许多疾病，如肺功能受损，以及对治疗反应的监测都采用专门的成像技术。因为肺活量的测定方法可能无法单方面地描绘出功能上的变化[1]。平面显像和单光子发射式计算机断层仪（SPECT）以放射性标记的示踪剂为基础进行三维成像，是一个广泛被接受的肺灌注和通气的临床测量标准[2-3]。核成像方式的主要缺点是空间和时间分辨率比较差。通气评估是吸入氙气[4-5]后，通过计算机断层扫描（CT）灌注成像，并使用双能碘增强CT[6]提供高的空间分辨率。但这项检查是在电离辐射下进行的，所以限制了儿童和青少年的后续检查次数。

尽管磁共振（MR）成像是一项众所周知的物理技术，低质子密度组织的可视化存在困难，但它为专门评价肺生理学相对或绝对的状况提供了广阔的频谱相对法。基于非质子的肺癌磁共振成像，通过患者吸入作为示踪剂的极化气体（氦-3，氙-129），得到高质量的通气的图像[7-8]。然而，临床上常规应用的磁共振成像气体和硬件的成本高，人员需要经过训练，使其可用性很有限。基于其他方法还有通过的质子磁共振成像使用缩短示踪时间的顺磁性T1造影剂来增强肺部的MR信号：增氧磁共振成像和雾化钆螯合物磁共振成像[9-10]。

使用动态对比示踪材料或顺磁性对比剂可增强磁共振成像，灌注测量可以运用这项技术完成。这种方法提供了高空间和时间分辨率，并能估计各种血流动力学参数[11]。然而，注射钆的造影剂会引起某些相关的罕见病症，如严重的过敏反应或存在潜在的肾系统纤维化的风险。作为灌注测量的替代技术，动脉自旋可在血液中使用水的质子作为一种内源性的造影剂。但结果会导致信噪比低，时间分辨率不高以及信号的快速衰变[12-13]。

近日，平扫傅立叶分解（FD）技术的磁共振成像技术正在研究中。有学者提议，通过1个单一的非门MR图像系列[14-16]获得区域肺灌注和通气的相关信息。该技术是利用肺部组织生理过程中某些区域MR信号强度的变化来成像的。在吸气时，肺容积增大，而实质组织密度和信号强度降低；在呼气相时则会相反。肺组织MR信号强度也受到心脏循环的调制。在收缩期中获得的图像的信号强度较低于在舒张期，因为收缩期时血流速度快，会导致MR信号[17]相移。呼吸的2个生理流程分别对应不同的频率，并与光谱时间分辨率相关。通过相关的数据可生成通气加权（VW）和灌注加权（QW）图像[16]。 FD磁共振通过使用1个平衡的稳态获得无差脉冲序列，从而获得来自快速自由呼吸的图像，会有非刚性图像配准用于呼吸补偿。MR谱只受到单独的呼吸和心脏信号的调制。因此,1次检测就可以得到VW和QW的数据。

这项研究的目的是，在动物实验中，比较基于FD磁共振成像技术的平扫肺VW和QW图像与作为临床参考标准的SPECT /CT图像。

知识进展

肺通气加权和灌注加权傅里叶分解磁共振结果与SPECT/CT的结果显示一致。

斯皮尔曼秩相关系数（ρ）在左右肺的平均信号强度之间，分别为0.79的VW和0.86的QW图像；肺通气和肺灌注图像的值分别为0.91和0.92。

所有动物的万有引力分布的信号强度在2种设备中都得到了证实。

肺功能组织异常FD的磁共振成像结果和SPECT/CT的结果在区域上和质量上都相似，并且同CT形态学上结果也一致。

对患者护理的影响

对大型动物的研究表明，FD磁共振成像是一种非侵入性的替代方法，可以替代SPECT/CT进行局部肺的通气和灌注，而不使用造影剂和电离辐射。

FD磁共振成像设备是常规的临床设备。

FD磁共振成像检测除一般禁忌症外，不再需要患者遵循过多的指令，如延长呼吸或反复呼吸。

1 材料和方法

1.1 动物准备

这些实验的协议由教育部研究，得到了农业、环境和农业地区（德国基尔）的批准，均符合动物保护法。实验中，共选用了7只成熟健康的母猪，平均体重43kg（最小40kg，最大45kg），用磁共振成像和SPECT / CT评估区域肺灌注和通气。动物在整个实验过程中保持全身麻醉的状态，并被固定为仰卧位然后进行气管插管。呼吸完全依靠呼吸机完成。所有功能成像是在持续的、可控的通气机器中进行并连续监测血压和心率。实验完成后，对动物处以安乐死。

1.2 成像过程

实验的第1部分使用1.5T全身MR成像仪（Magnetom Avanto，西门子，Healthcare Sector, Erlangen, 德国），峰值梯度幅值45mT/m，最大的回转速率200T/m/s。把全身12通道和24通道脊柱阵列线圈组合使用。这些方式用于评估FD MR灌注和通气系统的成像，对胸腔进行一系列冠状图像的采集与二维横截面时间分辨的无差脉冲稳态序列分析。序列参数见表1。进一步的技术详情见鲍曼等人[16]的研究，载于附录E1（在线）。

表1 Parameters for FD MR Imaging

这些动物在完成MR检查之后,被移动到SPECT /CT系统（Symbia T，西门子，医疗保健部）。实验之间的时间间隔大约是1h。 SPECT / CT系统包括双头可变角摄像头和1个单螺旋CT。成像中将99mTc标记的碳（Technegas，Cyclomedica，萨尔茨吉特，德国）在蒸发器中进行蒸发，并且让动物在5次呼吸中吸入蒸发器中的标记物，这些均在通气机器中完成。大部分应用是活性物质，未吸附在肺中的锝的生物半衰期为135h[17-18]，完全能满足灌注显像的要求。然而，只有一小部分（约12.5%）的活新物质被肺部吸附。因此，活动静脉注射示踪比1~2个程度的吸入示踪[19]更容易实现。灌注显像中，静脉注射99mTc来标记大颗粒聚合人血白蛋白。在自由呼吸时的衰减校正中，用CT进行检查。在吸气和呼气时须屏气来进行形态学的CT成像。SPECT / CT成像参数见表2。

表2 Parameters for SPECT/CT Acquisitions

1.3 图像的后期处理与FD

所有时间分辨的平衡稳定状态自由差数据均通过非刚性图像配准算法来对呼吸运动进行校正，该算法采用独立的软件 （fMRLung3.0西门子公司研究，普林斯顿，新泽西州）。呼吸和心脏周期造成傅立叶分析的MR数据信号变化。功率谱的生成包含了（图1）每个切片的各个像素。用呼吸峰下的区域和心脏频率计算生成VW和QW图像。光谱图像分析使用软件MATLAB2009b；数学工程，内蒂克，马萨诸塞。图像后期处理可在附录E1（在线）中找到，进一步的细节，见鲍曼等人的发现[16]。

图1 机械通气后的5号猪的肺部组织的信号强度变化幅度的短时傅里叶变换曲线。

由通气和血流引起的最大信号强度变化分别在大约0.35Hz和1.3Hz处。

1.4 图像评估

MR图像，以及SPECT/ CT的数据，被导入到内部开发多模软件（DIROlab； 德国海德堡癌症研究中心，Frauenhofer MEVIS，不来梅，德国）中。通过互信息的算法完成刚性图像配准形态的MR和CT数据处理。生成的配准矩阵应用于转化VW和量子阱MR图像并对应相应的通气和灌注SPECT的数据。数据可视化分析和明显的形态学病理检查由2位达成共识的医师（J.D.and C.H.）共同完成。在多层面的格式化模式中分析VW和QW FD图像，通气和灌注SPECT图像分析采用的是 （MATLAB2009b；MathWorks公司）MATlAB软件。对每一个采集的FD磁共振成像和所有相应的格式得到的SPECT数据进行分析，划定右肺和左肺，包括整个肺组织，不包括血管的ROI区域。 配准数据考虑了ROE区域并保证了评估的一致性。

2 统计学分析

通过双肺ROI区域的分析可以对个体平均信号强度及其变化进行评估。通过检查每个ROI区域的同质信号分布可以估计变化系数。用检测Wilcoxon符号秩的方法来比较左右肺的变化系数分布。被计算出的左右肺之间信号强度的斯皮尔曼等级相关系数用于所有动物每个部位的MR图像和SPECT图像，为了证明FD MR图像的个体鲁棒性。

对于视觉插值，采用梯度前后插值法。合并后的最外层部分像素分布的评估采用Mann-Whitney U检验法。统计测试执行显著水平= 0.05。P值<0.05指有统计学意义。所有统计分析均使用 OriginPro8；OriginLab软件，北安普顿，马萨诸塞。

3 结果

VW和QW的FDMR成像和通气及灌注SPECT / CT图像在所有的动物中有相似的结果。因为在2种动物中，均由多层面重格式化读取的数据来证明区分通气和灌注病变。从相对应的肺换气不足和灌注不足的区域读取针对所有模型的横向和背向数据，以确保配准的数据一致性。

如在图2和图3（图所示E1的（在线））所示，在健康的肺组织中，肺血管显示QW图像的信号强度高，而在VW图像上却不可见。在所有SPECT图像中，肺气管中无核素的沉积。

MR和SPECT/ CT图像显示平均的CV在0.1345~0.1844和0.1151~0.1917。双肺部所有的FD MR影像和SPECT/ CT图像的CV估计，见表3。CV分布在双肺部在MR成像时用Wilcoxon符号秩检验，显示差异有统计学意义，见表4。在左右肺平均信号强度间的斯皮尔曼秩相关系数ρ，VW和QW图像分别为0.79和 0.86。在SPECT / CT图像中，通气和灌注图像的ρ分别为0.91和0.92。用2种设备获得的通气和灌注图像中，沿前后方向测得的重力对信号强度的影像情况如图4所示。

表3 Statistical ROI Analysis for FD MR and SPECT Images

表4 CV Intramodal of Left-to-Right Lung Comparison

所有动物最前切片和最后切片的通气和灌注的VW和QW图像中，像素分布显示相当低。（P<0.001，采用Mann Whitney曼-魏特莱U检验）。

图2显示了6号猪的VW和QW的FDMR成像和通气和灌注SPECT/ CT检查获得的数据，支气管阻塞的中下叶最可能造成突然的空气滞留，右肺的CT图像和VW图像显示信号强度相对于周围比较健康的肺组织的变化有所降低。然而，在相应的QW图像中也显示了信号强度区域的血液的流动减少。这些现象在SPECT的采集的数据中也可观测到。

图2 6号猪的VW和QW的FDMR成像和通气及灌注SPECT/CT检查数据

从3号猪获取的图片显示出肺不张，见图3。病变处位于右肺上叶的下段。从SPECT图上可以得知，受影响的区域经过通气定影和灌注定影。从FD MR图像上可以得到相同的功能信息。在VW图上可以看到肺部密度的变化，同时，QW图上显示出受损肺部区域没有血液的流动。

图3 3号猪的VW和QW的FDMR成像和通气及灌注SPECT/ CT检查数据

图4给出了双肺上5个相同区域的FD MR和SPECT/CT图的信号强度的平均标准偏差。图中也给出了从病理学上畸形区域（3号和6号猪）探测得到的FD MR和SPECT/CT图中ROI的信号强度。如图4所示，这些ROI的信号强度比正常组织要低，并在单一标准偏差的范围之外。

图4 双肺上5个相同区域的FD MR和SPECT/CT图的信号强度的平均标准偏差

4 讨论

在核医学中，使用SPECT和SPECT/CT进行通气和灌注成像是一项已被认可的技术，通过这项技术可以发现许多种肺部疾病所造成的生理改变。在这项研究中，通过与临床已建立的参考成像手段进行对比，我们对一种非增强的肺功能MR成像方法进行了评估。在大量动物身上我们做了通气和灌注的对比。

通过对双肺的测量，统计学分析表明，平均信号强度（VW和QW）与某些量（通气与灌注）之间存在很好的相关性。2种模式下的个别单侧CV表现出相同的均一性；而威尔科克森标志排列测试表明双肺部的QW成像存在很大的差异。从早先的研究中可以得知，心旁区域的搏动伪影是造成这种差异的可能原因。

这项工作的实验环境中，测量肺部严重肺功能改变的FD MR成像的临床意义能得到证实。由于测量时间的限制，FD MR成像被限制为5s，前后方向上为6cm。通气和灌注中，被广为接受的重力依赖的差异能被复制再现并通过FD MR和SPECT成像证明符合统计学规律。对FD MR成像而言，尚未发现参考信号，目前还不能计算对比VW和QW的比率。尽管如此，碰巧发现的2例通气与灌注缺陷部位的信号强度明显降低，其值已在正常组织的信号强度标准偏差之外。该结果也通过SPECT得到了类似的证实。29%的肺部患病率似乎很高，也有一些报告给出更高的发病率和患病率。此外，通常会发展为急性或慢性感染。通过与镇静、侵入式插管法与仰卧位的常规操作对比，或许可以解释我们的发现。

该项研究选用了在良好环境下生长的猪。2个偶然的病理性发现表明通气-灌注FD MR成像与标准SPECT/CT成像之间具有一致性。但是，仍需要对大量的患者进行调查，来确认这种研究方法的鲁棒性和重复性。另外，这些方面，如观测者的变化也需要考虑。

在这项动物研究中，所有检查都是在人为控制的通气环境下进行的，该技术不需要稳定受控的呼吸过程。数据采集过程中，呼吸和心率的大幅改变会影响到信噪比，但检查仍可以进行。基于MR的通气和灌注测量不产生电离辐射。实验中动物处于大剂量的核辐射中，因而需要另外的辐射保护。在接下来的肺部通气和灌注实验中，基于FD的MR成像无此限制。另外，在后面的实验中，消除造影剂可以减小其他药理学上的副作用或相互影响。这表明，FD MR成像在妊娠妇女、儿童及肾衰竭患者的检测中具有很大的吸引力。至于采集时间，VW和QW FD MR成像可以缩短成像时间，从而增加患者的舒适感。不过，这会减少测量的固定时间。当前的技术已经可以在1min之内获取1个截面厚度为12mm的二维时间分辨平面图。研究中，检测5个截面用时5min，同时获得了通气量和灌注量。检测人肺的测量时间可能会增加到大约15min,正向覆盖范围为18cm。在本文的实验中，单独获取通气和灌注的SPECT数据持续了85min，对SPECT来说是可以缩短成像时间的，但相应的计数率也会相应的下降并会限制空间分辨率。

大血管的直接可视FD灌注MR成像可能是另一个值得研究的方面。这可应用于探测急性肺栓塞患者的大血管内的血栓。在灌注SPECT研究中，核素的分布取决于毛细血管堵塞的比例。核素不会存在于大血管中，因此，这些区域中存在无效区域。MR成像的优势在于在检测中能进一步的结合形态学成像，这将使得单一的临床MR成像机和一个拥有高质量CT完整的SPECT研究一样全面。

更多的优势体现在逻辑方面。闪烁扫描术和SPECT需运用99mTc,它来自于钼99。2008年，所有的核素资源由于各种各样的原因不可用，导致了世界范围内的同位素短缺。肺部功能评估的前提条件通常是侵入式的，如肺部手术的先决条件。因此，很多过程都不得不推迟。另一方面，FD MR成像能被广泛的应用而不会遇到任何供应链的瓶颈。

通气-灌注FD MR成像的主要限制在于通气和灌注可视化的间接方法。通气成像主要是通过持续测量呼吸引起的胸壁和肺质子密度的改变。肺泡和支气管空间并不直接成像。这项研究中引用的临床参照具有类似的限制：超细分布核素标记的碳原子被肺泡和支气管表面吸收。因此，SPECT只能提供呼吸系统的静态成像。FD MR成像中，肺灌注成像是通过依赖流量的信号移相。与中心大血管对比或合并，增加肺外部的磁导率是否会影响测量方法的敏感度仍需要进一步的评估。在大颗粒白蛋白的稳态分配中，本文又一次运用临床参照模式进行了1次静态的测量。稳态SPECT成像中核素分布不受胸部或心律的影响，QW成像的信噪比会受心动周期中心律不齐的影响，如果胸部受到机械的不稳定的伤害，VW成像将是不可靠的，见图5。

图5 猪双肺ROI测量中信号强度的平均差和标准差（误差线）

总之，我们给出了一个不受电离辐射和造影剂影响的方法，它能用于肺通气和灌注的评估，即使是在呼吸困难不顺应的患者身上也同样适用。基于这些最初的结果，FD MR成像需要更进一步的实验和临床评估来证明该方法的鲁棒性，诊断的精确度以及观测者间的重复性。

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