零回波成像原理及研究进展

周立绥彭 涛牛翔科权光南

零回波成像原理及研究进展

周立绥1彭 涛1牛翔科1权光南2

磁共振成像；信号处理，计算机辅助；序列分析；综述

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2～200 ms。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2 ms以下的超短TE（ultrashort TE，UTE）序列[1-2]及零TE（zero TE，ZTE）序列[3-8]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（图1）[3-8]。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[8]。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[3-8]。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。

图1 ZTE成像序列。成像过程中先进行梯度G的爬升，紧跟着施加短促的RF射频脉冲，然后立即进行信号采集（AQ），因而实现了ZTE采集。Tenc即信号采集时间，TG为下次信号采集前梯度切换的时间，TR=Tenc＋TG。Δ是指系统从发射到接受之间的转换时间

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 of fl ight，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[9]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（图2）。

图2 颅内动脉瘤术后。DSA成像，可见术后小瘤颈残留（箭头，A）；ZTE-MRA（B）；TOF-MRA成像（C）。因术后放置钢圈引起的磁敏感效应，TOF不能很好地显示术后血管的状况，ZTE-MRA则不受磁敏感效应的影响，对术后血管的显示明显优于TOF，接近DSA结果[9]

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[10-12]。Weiger等[10]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56 μm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[13]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150 μm3。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[14]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[15]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[16-20]。Weiger等[16]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[17]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400 μm，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[21]。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。

[1] Holmes JE, Bydder GM. MR imaging with ultrashort TE (UTE) pulse sequence: basic principles. Radiography, 2005(11): 163-174.

[2] Chang EY, Du J, Chung CB. UTE imaging in the musculoskeletal system. J Magn Reson Imaging, 2015, 41(4): 870-883.

[3] Weiger M, Pruessmann KP. MRI with zero echo time. eMagRes, 2012, 1(12): 311-322.

[4] Weiger M, Brunner DO, Dietrich BE, et al. ZTE imaging in humans. Magn Reson Med, 2013, 70(2): 328-332.

[5] Weiger M, Pruessmann KP, Hennel F. MRI with zero echo time: hard versus sweep pulse excitation. Magn Reson Med, 2011, 66(2): 379-389.

[6] Weiger M, Pruessmann KP. Anomalous noise behaviour in ZTE imaging. Proceedings of the 18th Annual Meeting ISMRM, Montreal, 2011: 747.

[7] Dreher W, Bardenhagen I, Huang L, et al. On the suppression of background signals originating from NMR hardware components. Application to zero echo time imaging and relaxation time analysis. Magn Reson Imaging, 2016, 34(6): 264-270.

[8] Weiger M, Hennel F, Pruessmann KP. Sweep MRI with algebraic reconstruction. Magn Reson Med, 2010, 64(6): 1685-1695.

[9] Irie R, Suzuki M, Yamamoto M, et al. Assessing blood flow in an intracranial stent: a feasibility study of MR angiography using a silent scan after stent-assisted coil embolization for anterior circulation aneurysms. Am J Neuro Radio, 2015, 36(5): 967-970.

[10] Weiger M, Stampanoni M, Pruessmann KP. Direct depiction of bone microstructure using MRI with zero echo time. Bone, 2013, 54(1): 44-47.

[11] Du J, Bydder GM. Qualitative and quantitative ultrashort-TE MRI of cortical bone. NMR Biomed, 2013, 26(5): 489-506.

[12] Goto H, Fujii M, Iwama Y, et al. Magnetic resonance imaging (MRI) of articular cartilage of the knee using ultrashort echo time (UTE) sequences with spiral acquisition. J Med Imag Radiat Oncol, 2013, 26(5): 489-506.

[13] Hoevener JB, Zwick S, Leupold JA, et al. Dental MRI: imaging of soft and solid components without ionizing radiation. J Magn Reson Imaging, 2012, 36(4): 841-846.

[14] Weiger M, Pruessmann KP, Bracher AK, et al. High-resolution ZTE imaging of human teeth. NMR Biomed, 2012, 25(10): 1144-1151.

[15] Kang Y, Wu B, Fu SK, et al. Can Zero TE imaging be a viable alternative to micro CT in dentistry imaging? Proceedings of the 24th Annual Meeting ISMRM, Suntec City, 2016: 2683.

[16] Weiger M, Wu MM, Wurnig MC, et al. Rapid and robust pulmonary proton ZTE imaging in the mouse. NMR Biomed, 2014, 27(9): 1129-1134.

[17] Bianchi AY, Tibiletti M, Kjorstad A, et al. Three-dimensional accurate detection of lung emphysema in rats using ultra-short and zero echo time MRI. NMR Biomed, 2015, 28(11): 1471-1479.

[18] Gibiino F, Sacolick LI, Menini A, et al. High-resolution zero echo time lung imaging. Proceedings of the 22nd Annual Meeting ISMRM, Milan, 2014: 3542.

[19] Wurnig MC, Weiger M, Wu MM, et al. In vivo magnetization transfer imaging of the lung using a zero echo time sequence at 4.7 Tesla in Mice: initial experience. Magn Reson Med, 2016, 76(1): 152-162.

[20] Dournes G, Grodzki D, Macey J, et al. Quiet submillimeter MR imaging of the lung is feasible with a PETRA sequence at 1.5 T. Radiology, 2015, 276(1): 258-265.

[21] Schieban K, Weiger M, Hennel F, et al. ZTE imaging with enhanced fl ip angle using modulated excitation. Magn Reson Med, 2015, 74(3): 684-693.

2016-11-28

2017-01-25

（本文编辑 饶亚岚）

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.05.018

成都市卫生和计划生育委员会课题项目（编号：2015080）。

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