ZTE技术原理及其在肺成像中研究

陈俊汝 综述 孙学进， 鲁毅， 王聪 审校

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是一种多方位、多参数影像学检查方式，因其无辐射、软组织分辨率高而极具优势，近年来在临床及科研中应用范围不断扩大。但是MRI尚未广泛用于肺部成像，因为肺组织特殊性质[1]：肺部含气量大，氢质子含量低，横向弛豫时间短；空气-组织界面磁敏感性差异造成微观磁场不均匀；心跳和呼吸运动产生伪影等原因。因此，在TE较长常规脉冲序列中[2]射频脉冲激发后还来不及采集信号，肺组织信号就已经衰减至零，表现为极低信号。为采集到肺组织信号且实现较高空间分辨率和信噪比就必须选择TE值比肺组织T2值短序列进行成像。ZTE成像技术基于三维放射状K空间填充方式，结合微动梯度编码和超快速瞬切射频技术实现了零回波时间信号采集[3,4]，它在肺部成像中具有极大潜力。本文综述ZTE技术基本原理及其在肺部成像中应用以期将ZTE新技术应用于临床肺部疾病诊断。

ZTE技术

1.ZTE技术原理

ZTE技术是近年来开发一种可显示短T2组织磁共振新技术，其原理是在成像过程中先行梯度场爬升，而后施加射频脉冲，射频脉冲结束后立即对信号进行采集去除了常规脉冲序列中梯度场切换，因此实现了TE为零的信号采集[3,4]。首先，将读出梯度场设置为所需要的方向和幅度并保持不变直到下一次重复周期再进行调整，然后采用短的硬脉冲进行激发[3]，迅速以高带宽覆盖梯度场作用的所有频率范围，紧接着利用接收线圈进行三维径向采样，以实现各向同性扫描，数据采集结束后通过代数重建和标准网格化法进行数据处理，最终经傅里叶变换获得ZTE三维影像[5]。

2.ZTE技术特点

ZTE是一种快速、稳定、噪音小的三维成像方式[3,4,6]。(1)ZTE成像速度较快。ZTE在梯度场打开情况下行脉冲激励去除脉冲之后梯度场切换，可在脉冲结束后立即采集信号，能够快速获取迅速衰减肺组织信号。(2)ZTE抗运动稳定性较强。ZTE采用三维径向采样和K空间周边数据过采样技术能有效克服运动伪影。并且，ZTE序列大部分时间仅用于数据采集和梯度逐级爬升，所需要重复时间(repetition time,TR)较短，因此，快速扫描可明显冻结运动伪影。(3)ZTE噪音很小。磁共振成像中噪音主要来源于梯度场切换，而ZTE技术梯度场一直保持开启状态，在脉冲重复之间不进行梯度切换，只进行很小梯度爬升，因此，大大减小了噪音。(4)ZTE是一种三维成像方式。由于在射频脉冲激发前读出梯度就处于开启状态，无法再施加选层梯度，所以ZTE不能进行2D扫描，但可在3D各向同性采集后进行2D重建。

3.ZTE技术需要解决问题

实现ZTE成像需要解决以下技术问题：第一，射频脉冲带宽必须覆盖由梯度场产生所有频率范围以保证信号采集均匀性和采集层面一致性。这可通过短硬脉冲激发，也可通过具有频率扫描脉冲来实现[3]。第二，ZTE序列由于读出梯度场持续存在，空间编码从射频脉冲激发时就已经开始，而数据采集在脉冲激发后有一定响应时间，所以导致填充于K空间中心数据部分丢失[4]。采用快速系统切换能力[7]尤其是高性能线圈以保证脉冲激发到数据采集之间响应时间非常短是至关重要的，随着硬件设备提高，高速切换信号接收线圈已逐渐减少了ZTE成像局限性。另外，也可以通过周边数据过采样以及线性代数重建来解决K空间中心数据丢失[5,8]。第三，由于ZTE技术回波时间为零，因此，所采集图像缺乏组织对比度，主要表现为质子密度对比，并且，ZTE增加了其他短T2成分敏感性，例如硬件设备中线圈以及检查床均可在ZTE序列中显像[4]。近年来，ZTE可实现压脂扫描以及长T2组织信号抑制[9]，进一步提高了图像对比度，此外，ZTE在背景信号抑制上改进以及无氢质子线圈出现都极大改善了ZTE图像质量。

ZTE在肺成像中技术优化

ZTE技术最初由Weiger等[4]提出，由于肺组织T2值非常短，需要在射频脉冲结束后立即进行空间编码和信号采集以实现高信噪比和高空间分辨率。在超短回波时间(ultrashort echo time,UTE)成像中[10-12]此过程通过提高梯度场爬升速度来实现。基于这一理论，Weiger等[4]进一步提出了将梯度场爬升置于射频脉冲之前，这样在射频结束后就可以立即对信号进行采集，从而实现零回波时间成像。ZTE提出后，相继有学者在物理学上对ZTE进行了内部结构优化，通过调整ZTE序列成像方式对其进行了不断变体。因为ZTE采用硬脉冲激发[3]虽硬脉冲可快速实现高带宽激励，但因为脉冲持续时间非常短，这样就会在保证脉冲振幅一定的情况下限制了翻转角[4]。并且，带宽也不可以无限大，当固定数据采集响应时间后，增加带宽会引起K空间中心数据丢失间隙尺寸变大，经代数重建后图像会出现频率失真。为解决带宽和翻转角限制，Weiger等[13]通过还原代数重建K空间中心数据丢失原理，发现带宽受限主要原因是射频系统切换能力较低，对此他们利用高性能射频切换系统，结合参数优化后的ZTE技术实现了在更高带宽下显示短T2成分。翻转角受限是通过优化激励脉冲来实现的[14]，结合振幅和频率调制脉冲被证明可提高ZTE图像均匀性，并且可以提高翻转角，翻转角提高使图像对比度得到了改善，但是，由于调制脉冲成像时间较长，以及解析短T2信号过程较复杂，因此尚未广泛应用于ZTE成像。

ZTE成像中背景信号干扰问题严重影响了ZTE图像质量。平时使用普通线圈因含有少量的氢质子在射频激励和数据采集之间响应时间非常短时，线圈信号来不及衰减至零，所以会使ZTE图像出现伪影。Dreher等[15]研究证明利用高阶匀场线圈引起空间非均匀B0场造成的信号失相位可有效地抑制来自线圈背景信号，并且，结合容积外抑制射频脉冲的使用可进一步抑制电子元件产生背景信号。在Weiger等[4]试验中他们提出了其他背景信号抑制方法可据T2差异利用预脉冲来抑制干扰信号，或者利用从肺中测量数据减去从水模中测量数据，从而进行背景信号校正[16]。虽然这些方法均能在一定程度上抑制背景信号，但是仍然存在一定的缺点，例如，高阶匀场线圈引起局部磁场不均匀性会使肺组织信号衰减更快导致图像信噪比降低；预脉冲使用会增加TR；采用减法背景校正需要很大视野。因此，背景信号抑制最好方法是开发无氢质子线圈。最近，Weiger等[17]设计了一个几乎不含氢质子线圈，使用螺纹代替胶合机械连接，开发带有玻璃电介质电缆槽并采用铁磁材料进行背景信号破坏。无氢质子线圈使用可使ZTE获得几乎没有背景信号图像，从而有助于ZTE技术进一步提高肺部图像质量。

ZTE在肺部中应用

1.ZTE在显示正常肺结构中应用

关于磁共振在肺成像中研究，最先采用的是UTE序列，UTE作为一种显示短T2成分技术，与ZTE相比具有更长发展史，目前UTE已经可以用于骨关节动态增强扫描[18]，其在肺部中研究历程更长[19,20]，但目前为止，UTE临床影响力较低，由于其成像时间较长，图像质量较差。ZTE较UTE而言，其获取短T2肺组织信号能力更强，因此，它在肺成像中具有更大潜力。然而，关于ZTE的研究以前大部分是在头颅、牙齿、关节等[21-26]没有生理运动结构中进行，而在肺成像中研究却很少。最初，ZTE在肺成像中研究主要以显示正常肺结构为主，在小动物实验中已成功应用于各向同性高空间分辨率形态学肺成像[27]。Weiger等[16]对比观察常规梯度回波序列和ZTE序列对健康小鼠肺成像图像质量，发现即使在没有使用呼吸门控状态下ZTE序列也能较好显示肺组织结构，并且没有明显运动伪影，而梯度回波序列显示肺组织信号较低，结构观察不清。在使用呼吸门控和增加信号平均次数后，ZTE序列进一步改善了肺部图像信噪比，同时增加了细节可见性。

ZTE在健康人体肺成像中应用是由Gibiino等[28]首次提出的，他们采用不同呼吸运动管理方法，同时比较不同带宽采集图像质量，结果表明采用前瞻性和回顾性呼吸门控均可使ZTE序列在自由呼吸状态下获得较高质量的肺部图像。参数选择在兼顾信噪比和采集时间后62.5kHz带宽被证明是最佳的。Niwa等[29]将ZTE序列和单点回波时间成像相结合用于对肺组织进行成像，此种组合在径向模式下获取k空间的外周部分，而在笛卡尔模式下逐点获取K空间的中心部分。结果证明这种方法可进一步减少编码时间获取更多肺组织信号。Dournes等[30]研究也证明径向采集的ZTE技术可以显示支气管的4级分支和肺组织的叶间裂，与标准体积插值屏气检查(volumetric interpolated breath-hold examination，VIBE)相比，ZTE对于支气管结构可视化和肺实质信号强度检测能力均优于VIBE序列。Bae等[31]采用UTE和ZTE对正常肺结构进行定性和定量评估，结果显示ZTE比UTE更有利于成像外周支气管和肺血管，进一步验证了ZTE在显示肺内精细结构方面优势。通过对ZTE序列不断研究和改进已能在合理扫描时间内提供分辨率达1.2mm全肺覆盖影像[28]。自由呼吸ZTE脉冲序列在健康人群气道可视化实现高信噪比和各向同性高分辨率方面显示了巨大前景。

2.ZTE在诊断肺疾病中价值

ZTE技术应用对于磁共振诊断肺部疾病至关重要。由于ZTE序列高度稳定性，它能够可视化健康人群肺结构，同样也能显示肺部疾病。Bianchi等[32]通过制备大鼠肺气肿模型采用UTE、ZTE和μCT对正常组和肺气肿组进行成像，结果表明ZTE可在自由呼吸状态下提供优质肺部影像，并且由于径向采样降低了对运动敏感性。另外，通过对比正常组和肺气肿组发现在肺气肿中ZTE获得SNR显著下降，结果提示ZTE有望成为一种评估肺气肿病理形态学改变影像方式。虽动物研究表明ZTE可用于诊断肺疾病，但是在临床研究中还很少有人利用ZTE来显示肺部疾病。为了进行初步临床评估，研究者[30,33]对囊性纤维化患者行MRI成像和CT扫描，结果显示径向采集ZTE序列和CT均可显示支气管扩张和管壁的增厚等细微变化。然而，对于ZTE应用于临床的最终目的是希望能达到对较小病变也有较高的检出率，例如，亚厘米结节检出通常被认为是肺成像的重要目标。由于常规磁共振成像对肺结构显示不佳，因此，肺结节检查手段主要依靠高分辨率CT[34]。但随着磁共振成像序列的优化，国内外关于MRI对肺结节显示及检出率研究逐渐增多。研究表明[35]MRI对肺结节检测敏感度高达80.5%，并能准确地评估其直径且与CT相比具有较高的一致性。近年来，有研究者提出[36]MRI对鉴别诊断以磨玻璃结节为表现浸润性肺腺癌具有一定价值。针对ZTE对肺结节诊断性能，Bae等[31]利用ZTE和UTE同时对CT确诊具有肺结节患者进行成像，以CT为金标准，比较ZTE和UTE对肺结节诊断准确性，结果显示ZTE对亚厘米结节检出率明显高于UTE，并且，ZTE对于显示结节信噪比和对比度也更高。因此，ZTE可作为常规临床肺成像补充手段，有助于进一步推进磁共振成像在肺中的应用。

总之，ZTE技术在肺成像中应用打破了传统MRI在肺及气道成像方面局限性。ZTE技术可用于高分辨率显示正常肺结构，也可用于诊断肺部疾病。对于孕妇、小孩、老人和长期需要随访患者以及体检者，影像学检查就多了一个选择，而不仅局限于CT，因此，减少了不必要辐射损伤。虽然ZTE技术目前还不够完善但具有很大可行性和诊断价值。随着对ZTE技术不断研究改进，其在肺部疾病中应用将会越来越广泛。