MR-T1rho成像原理及在肝纤维化中的研究进展

李清， 谢双双， 程悦， 沈文

MR-T1rho成像原理及在肝纤维化中的研究进展

李清， 谢双双， 程悦， 沈文

T1rho弛豫时间是旋转坐标中的自旋-晶格弛豫时间，决定了自旋锁定脉冲场中横向磁化的衰减，对低频运动敏感，可以探查软组织中蛋白质等大分子的含量。肝纤维化是各种病因持续刺激导致胶原、蛋白聚糖等在细胞外基质中过量沉积的过程，早期阶段可以逆转，如不能给予有效的药物干预，最终将发展为肝硬化甚至肝癌。因此肝纤维化的早期诊断及准确分级具有重要意义。本文就MR-T1rho的基本原理及其在肝纤维化中的研究进展予以综述。

磁共振成像； 肝纤维化； 肝硬化； 诊断

肝纤维化是各种病因持续刺激下肝脏损伤修复的结果，是各种慢性肝脏疾病的共同病理改变过程[1]。进展期肝纤维化可发展为肝硬化甚至肝癌，因而肝纤维化早期诊断及准确分期具有重要意义。目前肝穿刺活检仍被认为是诊断肝纤维化的“金标准”[2]，但肝穿为有创性操作，样本采集误差大[3-4]、可重复性差、病理评估存在主观性[5-6]，而且可能发生并发症[7]，不利于动态观察病情变化。目前研究报道中可用于无创评估肝纤维化的方法包括超声弹性成像、CT灌注成像、MR弹性成像、扩散加权成像(DWI)、磁共振波谱成像、双对比MR动态增强成像和核医学检查等，但上述方法均存在一定的局限性和不足，准确性及特异性有待进一步提高[8-13]。

肝纤维化的病理基础是胶原、蛋白聚糖等大分子物质在细胞外基质中过量沉积[1]。考虑到T1rho是旋转坐标中的自旋-晶格弛豫时间，对低频运动敏感，可以直接探查缓慢运动过程中大分子物质与水分子之间相互作用，从而间接探查软组织中蛋白聚糖、蛋白质等大分子的含量[14]，因此其有望在病理水平对肝纤维化进行评估。随着MRI技术的发展，MR-T1rho已广泛应用于神经系统、骨关节系统等领域，近年来在肝纤维化研究中的应用也逐渐增多，本文就其成像原理及在肝纤维化中的研究进展予以综述。

T1rho的基本原理及成像过程

1.T1rho的基本原理

在旋转坐标系中，向横向平面施加自旋锁定脉冲后得到的自旋-晶格弛豫称为T1rho弛豫。在形成T1rho弛豫过程中，首先同经典T1弛豫或者T2弛豫一样施加B1将纵向磁化矢量翻转至横向平面，紧接着施加自旋锁定脉冲与该横向磁化矢量方向保持一致，在自旋锁定持续时间(time of spin lock length,TSL)内，横向磁化矢量不能再以指数形式自由衰减，而是被强制保持在该方向上弛豫，此时横向磁化矢量不再依赖T2弛豫而是依赖T1rho弛豫[15]。实现这种现象的自旋锁定脉冲是一种谐振而且连续的射频脉冲，具有较长持续时间和较低能量。自旋锁定脉冲停止后再施加一个90°脉冲，将横向磁化矢量翻转回纵向平面。然后施加一个梯度场毁坏残存的横向磁化矢量。最后利用2D/3D FSE[16]、2D/3D GRE[17]、平衡稳态自由进动[18]、及超短TE(UTE)[19]等序列读取所积累的纵向矢量。

传统T1弛豫中，纵向磁化矢量通过与周围晶格中达到或者接近拉莫尔频率的进动进行能量交换，在自旋锁定脉冲条件下，横向磁化矢量能够与周围晶格中达到或者接近自旋锁定脉冲频率(spin lock frequency，FSL)的进动进行能量交换[15]。T1rho对自旋锁定脉冲频率的依赖与T1对拉莫尔频率的依赖是一致的，由于FSL=γ·BSL(其中γ为氢质子的旋磁比(42.58 MHz/T)，BSL为自旋锁定脉冲的幅度)，与BSL呈正比，通常为几百赫兹至几千赫兹的低频，因此T1rho对低频运动敏感，而晶格中的低频运动与大分子的存在有关，从而T1rho可以提供缓慢运动过程中大分子相互作用的信息，用于探查细胞外基质中大分子的组成及组织中的质子交换。简言之，自旋锁定技术能提供极低磁场强度，增加水与大分子间相互作用的弛豫效能，从而T1rho加权像具有良好的软组织对比度，可以应用于临床间接探查软组织中蛋白聚糖、蛋白质等大分子的含量。

T1rho代表了组织在自旋锁定脉冲条件下的自旋-晶格弛豫特性，其信号衰减模型如下：STSL=S0*exp(-TSL/T1rho)，其中S0为初始磁化强度，STSL为一定TSL时的磁化强度，TSL为自旋锁定脉冲持续时间。

2.T1rho成像技术的改进

由于B0、B1磁场不均匀性的存在会影响自旋锁定脉冲场的有效方向和磁场强度，最终产生条带状伪影。Sridhar等[20]为补偿B1磁场不均匀性带来的伪影，提出了旋转回波式自旋锁定脉冲，这种自旋锁定脉冲分为两个持续时间相同、相位相反的部分，可以矫正章动角度，从而减小图像伪影。此外，自旋锁定脉冲持续时间长、翻转角较大等还会导致较大的SAR值。Wheaton等[21，22]采用部分K空间采集方式降低SAR值，并采用锁眼采集方法缩短采集时间，提高时间分辨力。Mark等[23]采用平行采集技术，通过减少相位编码数，也达到了减少采集时间的目的。

T1rho在肝纤维化中的研究

1.动物实验

早期，Wang等[24]对8只胆管结扎术后小鼠肝脏的T1rho值进行观察，发现随着肝纤维化的进展，T1rho值逐渐增加，且T1rho值的增加与肝脏内胶原的沉积水平相一致，推测T1rho值的增加可能与肝纤维化过程中胶原的沉积量有关。随后Zhao等[25]对腹膜内连续注射四氯化碳制作的小鼠肝纤维化模型进行研究，发现在注射的6周内T1rho值随着四氯化碳注射次数的增加而不断升高，且在注射停止后第1周、第4周对实验鼠进行复查观察到T1rho值又有所降低，证实了T1rho在肝纤维化严重程度及逆转情况评估中的潜能。另外，该研究还发现T1rho值会受到细胞水肿及急性炎症的轻微影响。Hu等[26]同样对四氯化碳中毒肝纤维化模型小鼠进行了T1rho扫描研究，并获取肝纤维化病理分级，发现除了F1与F2，其余肝纤维化分级F0～F4两两组合间T1rho值差异均具有统计学意义，且T1rho值与肝纤维化级别呈正相关(r=0.863,P<0.001,CI:0.779～0.911)，同时发现T1rho的诊断效能较理想(AUC:F0 vs.F1～F4=0.976,F0～F1 vs F2～F4=0.920,F0～F2 vs F3～F4=0.938,F0～F3 vs F4=0.931)。因此认为T1rho成像能够用于肝纤维化的检测，并在肝纤维化的分级诊断中具有重要价值。

2.T1rho在人体肝脏的研究

Deng等[27]通过对15名正常志愿者重复扫描研究，发现两次重复扫描具有良好的相关性，组内相关系数为0.764，并且T1rho值不受空腹及餐后状态的影响。同样Singh等[28]通过5名正常志愿者T1rho重复扫描实验，发现正常志愿者同一天间隔5min重复扫描的变异系数为(0.83±0.8)%，不同天重复扫描的变异系数为(5.4±2.7)%，提示正常人肝脏T1rho成像具有很好的稳定性。以上研究表明T1rho成像技术在正常人肝脏中具有较佳的可行性及可重复性。然而，不同研究得到的正常人肝脏T1rho值存在着一定差异，Deng等[27]在3.0T MR扫描下测得正常人肝脏T1rho值为38.6～48.3ms，而Singh等[28]、Rauscher等[29]及Allkemper等[30]利用1.5T MR进行扫描得到正常人肝脏T1rho值分别为(51.04±3.06)ms、(47.8±4.2)ms及(40.9±2.9)ms，推测这些差异可能与扫描设备不同有关；并且在图像采集时Singh等[28]选取了4个TSL，分别为0、10、20及30 ms，Rauscher等[29]选取了5个TSL，分别为4、8、16、32及48 ms，Allkemper等[30]选取10、20、40及80ms 4个TSL，因此推测这些差异可能为图像采集时使用的TSL不同所致。在TSL选择上，肝脏T1rho扫描的最佳TSL组合尚未见文献探讨，因此优化T1rho扫描参数尚需进一步探索。

在肝硬化或肝纤维化患者T1rho研究中，Rauscher等[29]比较10名正常人与21名肝硬化患者在1.5T MR扫描下的肝脏T1rho值，发现肝硬化患者的平均T1rho值(57.4±7.4 ms)明显高于正常志愿者(47.8±4.2 ms，P=0.0007)。Allkemper等[30]通过25名正常志愿者及34名肝硬化患者全肝T1rho成像，同样发现肝硬化患者的平均T1rho值明显高于正常志愿者，且肝硬化Child-pugh分级越高，T1rho值越高，Child-pugh A与B(P<0.002)、B与C(P<0.009)、A与C(P<0.001)间差异均具有统计学意义。Singh等[28]通过对比健康志愿者与肝纤维化患者肝脏T1rho值，发现T1rho值与肝纤维化等级间存在相关性。以上研究表明T1rho可以用于肝硬化及肝纤维化的诊断，并且有望用于肝硬化的分级中。此外，Allkemper等[30]还发现T1rho值不受年龄因素的影响，且与组织的炎症活动、脂肪变性及铁沉积无关，这与Zhao等[25]的动物实验结果有轻度偏差，结果有待更多研究来证实。然而，Takayama等[31]通过对慢性肝病患者进行T1rho扫描研究，发现肝脏T1rho值与血清总胆红素、直接胆红素及吲哚菁绿保留率呈正相关，与血清蛋白及γ-谷氨酰转肽酶呈负相关，提示T1rho可以用来评估肝脏功能，但T1rho值与肝纤维化及肝脏炎症坏死程度并无相关性，推测其不能反映肝纤维化的严重程度。

目前研究发现T1rho成像在正常人肝脏扫描中具有较佳的稳定性，并与空腹及餐后状态无关。但扫描技术上还存在着一些不足，扫描时长和序列的稳定性需要进一步优化。基于成像原理，T1rho成像对评估肝纤维化及肝硬化存在巨大潜能，动物实验及临床研究已对此进行了证实，但仍有少数研究持相反态度。并且T1rho值是否会受到肝脏组织的炎症活动、脂肪变性及铁沉积等的影响还有待进一步探索。综上，T1rho成像在肝纤维化诊断及分级中的价值，仍需要更多的研究来进一步证实。

[1] Wallace K,Burt AD,Wright MC.Liver fibrosis[J].Biochem J,2008,411(1):1-18.

[2] Mani H,Kleiner DE.Liver biopsy findings in chronic hepatitis B[J].Hepatology,2009,49(5 Suppl):S61-S71.

[3] Poniachik J,Bernstein DE,Reddy KR,et al.The role of laparoscopy in the diagnosis of cirrhosis[J].Gastrointest Endosc,1996,43(6):568-571.

[4] Bedossa P,Dargere D,Paradis V.Sampling variability of liver fibrosis in chronic hepatitis C[J].Hepatology,2003,38(6):1449-1457.

[5] The French METAVIR Cooperative Study Group.Intraobserver and interobserver variations in liver biopsy interpretation in patients with chronic hepatitis C[J].Hepatology,1994,20(1):15-20.

[6] Bravo AA,Sheth SG,Chopra S.Liver biopsy[J].N Engl J Med,2001,344(7):495-500.

[7] Myers RP,Fong A,Shaheen AA.Utilization rates,complications and costs of percutaneous liver biopsy: a population-based study including 4275 biopsies[J].Liver Int,2008,28(5):705-712.

[8] Foucher J,Castéra L,Bernard PH,et al.Prevalence and factors associated with failure of liver stiffness measurement using FibroScan in a prospective study of 2114 examinations[J].Eur J Gastroenterol Hepatol,2006,18(4):411-412.

[9] 石喻,郭启勇,富西湖，等.3.0T MR标准化表观扩散系数值评价肝纤维化程度的研究[J].中华放射学杂志,2012,46(4):322-326.

[10] 龙莉玲,黄仲奎,丁可，等.多层螺旋CT肝脏灌注成像评价慢性肝纤维化、肝硬化的价值[J].中华放射学杂志,2012,46(4):317-321.

[11] 王可,李玮,彭泽，等.MR弹性成像对肝纤维化的初步评价:参数测量的可重复性研究[J].放射学实践,2016,31(8):752-755.

[12] 张铁亮,李彩英.肝纤维化MRI研究新进展[J].放射学实践,2010,25(4):454-457.

[13] Faria SC,Karthik G,Irene M,et al.MR imaging of liver fibrosis: current state of the art[J].Radiographics,2009,29(6):1615-1635.

[14] Sepponen RE,Pohjonen JA,Sipponen JT,et al.A method for T1rho imaging[J].J Comput Assist Tomogr,1985,9(6):1007-1011.

[15] Wang L,Regatte RR.T1ρ MR Imaging of Human Musculoskeletal System[J].J Magn Reson Imaging,2015,41(3):586-600.

[16] Duvvuri U,Charagundla SR,Kudchodkar SB,et al.Human knee: in vivo T1(rho)-weighted MR imaging at 1.5T——preliminary experience[J].Radiology,2001,220(3):822-826.

[17] Borthakur A,Wheaton A,Charagundla SR,et al.Three-dimensional T1rho-weighted MRI at 1.5 Tesla[J].J Magn Reson Imaging,2003,17(6):730-736.

[18] WitscheyWR,Borthakur A,Elliott MA,et al.T1rho-prepared balanced gradient echo for rapid 3D T1rho MRI[J].J Magn Reson Imaging,2008,28(3):744-754.

[19] Du J,Carl M,Diaz E,et al.Ultrashort TE T1rho (UTE T1rho) imaging of the Achilles tendon and meniscus[J].Magn Reson Med,2010,64(3):834-842.

[20] Charagundla SR,Borthakur A,Leigh JS,et al.Artifacts in T1rho-weighted imaging: correction with a self-compensating spin-locking pulse[J].J Magn Reson,2003,162(1):113-121.

[21] Wheaton AJ,Borthakur A,Corbo M,et al.Method for reduced SAR T1rho-weighted MRI[J].Magn Reson Med,2004,51(6):1096-1102.

[22] Wheaton AJ,Borthakur A,Reddy R.Application of the keyhole technique to T1rho relaxation mapping[J].J Magn Reson Imaging,2003,18(6):745-749.

[23] Griswold MA,Jakob PM,Heidemann RM,et al.Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA)[J].Magn Reson Med,2002,47(6):1202-1210.

[24] Wang YX,Yuan J,Chu ES,et al.T1rho MR imaging is sensitive to evaluate liver fibrosis: an experimental study in a rat biliary duct ligation model[J].Radiology,2011,259(3):712-719.

[25] Zhao F,Wang YX,Yuan J,et al.MR T1ρ as an imaging biomarker for monitoring liver injury progression and regression: an experimental study in rats with carbon tetrachloride intoxication[J].Eur Radiol,2012,22(8):1709-1716.

[26] Hu G,Zhang X,Liang W,et al.Assessment of liver fibrosis in rats by MRI with apparent diffusion coefficient and T1relaxation time in the rotating frame[J].J Magn Reson Imaging,2016,43(5):1082-1089.

[27] Deng M,Zhao F,Yuan J,et al.Liver T1ρ MRI measurement in healthy human subjects at 3T:a preliminary study with a two-dimensional fast-field echo sequence[J].Br J Radiol,2012,85(1017):590-595.

[28] Singh A,Reddy D,Haris M,et al.T1ρ MRI of healthy and fibrotic human livers at 1.5 T[J].J Transl Med,2015,13:292.

[29] Rauscher I,Eiber M,Ganter C,et al.Evaluation of T1ρ as a potential MR biomarker for liver cirrhosis: Comparison of healthy control subjects and patients with liver cirrhosis[J].Eur J Radiol,2014,83(6):900-904.

[30] Allkemper T,Sagmeister F,Cicinnati V,et al.Evaluation of fibrotic liver disease with whole-liver T1rho MR imaging: a feasibility study at 1.5 T[J].Radiology,2013,271(2):408-415.

[31] Takaymama Y,Nishie A,Asayama Y,et al.T1rho Relaxation of the liver: A potential biomarker of liver function[J].J Magn Reson Imaging,2015,42(1):188-195.

300192 天津，天津医科大学一中心临床学院(李清)；300192 天津，天津市第一中心医院放射科(谢双双、程悦、沈文)

李清(1990-)，女，河北邢台人，硕士研究生，主要从事腹部诊断与研究工作。

沈文，E-mail：shenwen66happy@163.com

国家自然科学基金(81671657)

R445.2; R575.2

A

1000-0313(2017)07-0758-03

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.07.021

2016-07-25)