磁共振同时多层成像技术的临床研究进展

李雪，严福华

作者单位：上海交通大学医学院附属瑞金医院放射科，上海200025

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)具有良好的软组织分辨率，其多序列、多参数、多方位的成像特点也可以为临床诊断提供丰富的信息，然而，相较于CT 及超声检查，MRI 扫描最大的缺点是扫描时间过长。因此，更快的扫描速度和更高的图像质量一直是磁共振发展的两个重要方向。随着新的MRI快速成像技术的出现，其中最重要的一项技术就是并行采集技术，并行采集技术通过K空间欠采样的方法在扫描层面内进行加速，从而减少扫描时间。然而目前多数MRI 图像仍然采用的是2D 扫描模式，因而并采技术对于MRI扫描的加速仍具有一定限度。近几年新推出的同时多层成像技术(simultaneous multi-slice，SMS)，又称多带技术(multi-band，MB)，能够利用复合射频脉冲实现了多个扫描层面的同时激发［1］，有效降低了重复时间(time of repeatation，TR)，实现了层面间的加速。虽然目前最新的压缩感知技术(compressive sensing，CS)在MRI 加速方面具有较大优越性，但相较于在3D 及动态增强图像中的应用，CS 技术在2D 图像中的稀疏性不足，其在DWI技术中的应用具有一定限制［2］。因此SMS 技术在其临床应用特别是在扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)序列的应用中仍具有一定优势。

1 同时多层成像技术概述

1.1 SMS技术的发展历程(图1)

SMS 技术最早是由Larkman 等［3］在2001 年提出的，其利用复合射频脉冲同时激发4 个层面，再通过层选方向的多通道线圈所接收到的信号强度差异来对同时采集的混叠图像进行分离，实现了对志愿者的膝关节多个层面的同时采集。但其采集的相邻层面的图像混叠伪影较重，图像变形严重，限制了其在临床中的应用。直到2009 年，由于美国国立卫生研究院资助的人脑连接组项目(human connectome project，HCP)［4］需要大量的高图像质量的脑样本数据，美国明尼苏达大学、麻省总医院等开始共同研发SMS 技术［5］。2010 年，明尼苏达大学的学者［6］将SMS技术与并行采集技术结合，在相位编码方向减少K空间采样，通过层选方向及相位编码方向的同时加速实现了功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的全脑高时间、高空间分辨率成像。同年，该学者又将SMS技术与其他多项成像技术相结合，快速得到了扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)和血氧水平依赖成像(blood oxygen level dependent，BOLD)图像［7］。然而，即便如此，在使用更高空间分辨率时，这些图像仍会产生明显的伪影和变形。

为进一步提高图像质量，2012年，来自麻省总医院的一项研究［8］引入了鸡尾酒并行采集技术(controlled aliasing in parallel imaging results in higher acceleration，blipped-CAIPIRINHA)，将其与SMS 技术结合得到了具有更高空间分辨率的DWI 和fMRI 图像，并且图像伪影及变形明显减轻。因此，回顾SMS技术的发展历程，blipped-CAIPIRINHA 鸡尾酒并行采集技术的引入是其发展的关键。

1.2 SMS的成像原理

SMS 技术主要是将多个射频脉冲混合成单个复合射频脉冲，一次激发便可以实现数个层面的同时激励和同时采集，通过对采集到的多个层面的混叠图像信号进行提取、分离和编码重建，最终以二维的方式输出图像。该技术能够显著缩短图像扫描的TR，进而缩短图像的扫描时间［8-9］。其中，SMS 技术一次激发的层数与人为设定的层加速因子相同。

在SMS成像中，同时采集的多个层面图像很容易产生混叠，而在全新的SMS技术中分离混叠图像的核心技术为blipped-CAIPIRINHA 和GRAPPA (gene relized autocalibrating patially parallel acquisitions)并行采集技术。以往的SMS 技术依靠层面编码方向相控阵线圈空间敏感度的不同来分离混叠层面信号，但当层选方向线圈的编码能力较弱或者当同时采集的相邻层面距离较近时，混叠图像分离的效果较差，图像信噪比也会降低。为解决这一问题，有研究便引入了blipped-CAIPIRNHA并采技术，它将单个组成脉冲进行相位调制后再复合成宽带脉冲，调制后的宽带脉冲使同时激发的每一层面有不同的线性相位，通过每一层面独有的相位循环使同时激发的相邻层面在相位编码方向上产生一定位移。随后，采用基于K 空间域重建的并采技术GRAPPA 可将同时激发的多个层面的图像从混叠图像中较好地分离开来。

图1 SMS技术的发展历程Fig.1 The history of SMS technology development.

已有的研究证实，SMS 可以在保证图像质量不变的前提下大大缩短扫描时间，有利于减少运动伪影，真正提高临床工作效率，也可以在相同TR 条件下激发更多扫描层数或进一步提高图像分辨率。迄今为止已有多项研究尝试将SMS 技术与其他MR 成像序列进行结合，如梯度平面回波成像、扩散张量成像、血氧饱和依赖成像等，最近的研究亦有将SMS技术与CS技术结合，并且都得到了较好的图像效果。

2 同时多层成像技术的临床研究进展的概述

blipped-CAIPIRNHA 鸡尾酒并行采集技术的发布，使新的MR 快速采集技术(SMS 技术)进入临床研究成为可能。近年来，将全新的SMS技术应用于临床的研究大幅增长，其中主要集中在神经系统、心血管系统、腹盆部、骨肌系统、乳腺等领域，近年来，也有关于SMS技术在颈部［10］、眼部［11］及腮腺［12］等方面应用的报道，但研究相对较少且欠成熟。总之，关于SMS 技术的研究内容已从最初的图像质量评估逐步深入到对其病变检测及鉴别能力的评价，研究方向也逐渐转向与不同序列进行结合。以下将从5 个主要研究方面进行阐述。

2.1 同时多层成像技术在神经系统方面的研究进展

自2009年人脑连接组项目启动以来，SMS技术在神经领域的应用最为广泛，追求高清、快速成像是SMS 技术应用于神经系统的最初目标。目前，有相当一部分学者已经尝试将SMS 技术与其他序列进行结合，如梯度平面回波成像(echo planar imaging，EPI)、DTI［13］、BOLD 及动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)［14-15］等。这些研究发现在保持各观测指标基本不变的情况下，采用SMS技术可以大大缩短TR，从而在极短的扫描时间内完成全脑成像，提高图像质量。比如有学者［16］将SMS 技术与EPI 序列结合(SMS-EPI)，通过优化SMS-EPI 序列、梯度性能和接收线圈，最终得到了具有超高分辨率的人脑fMRI图像。

除此之外，SMS 技术还可以应用于高级弥散模型。高级复杂的多参数弥散模型往往可以提供更丰富的信息，但此类模型通常需要更多的b 值、弥散梯度方向数以及较高图像弥散分辨率，扫描时间大大延长，而利用SMS 技术则可轻松实现将高级成像技术应用于临床常规，并且多数研究推荐2 作为SMS 技术的加速因子。有研究［13］将SMS 技术与DTI 技术结合后，SMS 序列较传统成像序列的扫描时间明显减少，除病灶区域的部分各向异性(fractional anisotraphy，FA)值明显升高外，SMS 序列的信号噪声比(signal to noise ratio，SNR)、对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)、表观弥散系数(apparent diffusion coefficience，ADC)值及周围正常组织的FA 值较传统成像序列保持不变。同时，在SMS 技术加速因子的设置方面，研究还表明当SMS 加速因子为2 时，各观测指标基本保持不变。在一项对正中神经SMS DTI 成像的研究中［17］以及另一项对下颌神经SMS EPI 序列的研究中［18］也都得到了相同的结论，即当SMS 技术加速因子为2 时，图像质量同传统序列大致相仿。

2.2 同时多层成像技术在心血管系统的研究进展

心脏MR成像已经成为无创评价心脏功能和结构的金标准，其对扫描时间有严格要求。心脏MRI成像扫描时间较长、易产生运动伪影，尤其是心脏电影成像，需反复屏气，对时间及空间分辨率要求较高。研究表明，SMS 技术在心脏的应用除提高扫描速度外，还有在保持图像SNR 不降低的条件下提高图像空间分辨率或扩大扫描范围。

平衡稳态自由进动(balanced steady-state free precession，bSSFP)序列因具有高CNR、SNR 及扫描速度快等特点而被广泛应用于心脏的快速成像技术中。心脏电影成像一般采用bSSFP 序列采集完整心动周期的图像。有文献将blipped-CAIPIRINHA 鸡尾酒并行采集技术(即全新的SMS 技术)与bSSFP 序列结合，证实了采用SMS技术的bSSFP 序列在心肌灌注成像、实时成像及电影SSFP 成像中不仅能增加了扫描范围，而且SNR、图像质量保持不变［19］。近来另有研究［20］也证实结合SMS 技术的bSSFP 序列适用于心血管成像，并且能够实现一次屏气覆盖全心室。以上研究均证实了SMS 技术在bSSFP 序列中的应用价值，其能在增加心脏扫描范围的同时保持图像质量不变。最近，也有学者将SMS 技术与CS 技术结合［21］，通过调整bSSFP 序列的K 空间欠采样方式最终也得到了高空间分辨率、大扫描范围的图像。

此外Nazir 等［22］对SMS 技术加速因子的设置进行了探究，发现当加速因子为6时，SMS bSSFP序列的心肌灌注成像范围较加速因子为3时扩大一倍，且图像质量明显提高。

心肌具有高度各向异性，心脏DTI能提供心肌微观结构的独特信息。然而，DTI 序列在心脏的应用除了受磁敏感、呼吸运动及心跳的限制外，还受扫描时间的限制［23］。因此，有一部分研究将SMS技术应用于DTI 序列。在Angus 等［24］的研究中，他们将SMS 技术加入弥散加权激励回波序列(stimulated echo acquisition mode，STEAM)，并对10 名健康志愿者进行了未加速及3 倍加速的心脏DTI 对比扫描，发现SMS 技术可在减少屏气次数的情况下提高心脏微观结构定量测量的精确性。另外有［25］研究表明心脏疾病患者在自由呼吸条件下能够完成全心DTI 扫描。以上结果均证明了DTI技术应用于临床的潜力。

2.3 同时多层成像技术在乳腺方面的研究进展

目前SMS 技术在乳腺方面最大的应用是用于基于EPI 序列的DWI 序列。SMS 技术在乳腺DWI 序列中的研究多是集中于图像质量的评估、加速因子的设置、乳腺良恶性病变的鉴别等方面。且已有的研究大多推荐将加速因子2作为扫描参数。

临床上目前最常用的DWI技术为EPI，同时EPI也是目前最快的MR 采集技术。然而，由于其回波间隙大，所以图像常常容易出现几何变形及图像模糊，影响病灶区域ADC值的计算［26］。为了克服上述问题，分段读出平面回波序列(readout-segmented echo-planar imaging，rs-EPI)应运而生，它通过多次激发分段填充K 空间数据的方式，极大降低了回波间隙，有效克服了几何变形及磁敏感伪影，呈现更高的空间分辨率以及更精确的ADC值，但其分段读出数据的特性明显延长了成像时间［27］。为了提高rs-EPI序列的扫描效率，Filli等［28］将SMS技术首次应用于乳腺领域，通过传统的rs-EPI 序列、加速因子分别为2 和3 的SMS rs-EPI 序列三者图像质量的比较，发现当加速因子为2 时，相较于传统的rs-EPI 序列，SMS rs-EPI 序列在保持图像ADC值和信噪比不变的情况下，所需的扫描时间大大减少。然而当加速因子增至3时，图像伪影明显增多。说明加速因子为2 的SMS rs-EPI 序列对临床乳腺MRI 的扫描具有一定价值。也有文献进一步研究了SMS EPI 序列对乳腺良恶性病变的鉴别能力，发现结合SMS 技术后EPI 序列扫描时间明显缩短，图像质量、诊断能力与传统ss-EPI 序列相当［29］。最近，另有学者利用SMS 技术进一步提高层间分辨率，相较于层厚为3 mm 的传统ss-EPI 序列，结合SMS技术后将层厚设置为2 mm，不仅能缩短扫描时间，图像清晰度、对乳腺病变的诊断能力也均有所提高［30］。

SMS 技术目前在乳腺方面的应用报道不多，且研究多是集中于DWI序列，其节省的扫描时间还可进一步提高图像空间分辨率，这可作为未来乳腺领域研究的方向之一。

2.4 同时多层成像技术在腹盆部的研究进展

目前，SMS 技术在腹部的应用也多集中于弥散序列，研究范围已经逐步扩展到肝脏［31］、胰腺［32］、肾脏［33］、前列腺［34］以及直肠［35］等。虽然SMS技术可以用于薄层、高分辨率成像，但近年来在腹部的研究重点多集中在图像质量不变甚至有所提高的情况下尽力减少成像时间。此外，目前多数研究推荐将SMS技术的加速因子设置为2。如，一项关于胰腺成像的研究首先证实了利用SMS 技术可以缩短扫描时间并提高图像质量，同时也表明，当加速因子为2 时图像质量较高，但数值增至3时图像质量就可见明显下降［36］。

SMS 技术应用于肝脏也可在不降低图像质量的同时减少扫描时间。Taron 等［31］比较了在屏气和自由呼吸两种不同状态下结合了SMS 技术的DWI 序列与传统DWI 序列的图像质量，发现SMS 扫描技术在两种不同呼吸模式下图像质量均与传统DWI 序列相当，但扫描时间可缩短约70%。此外，SMS 技术还可应用于其他一些序列。Boss 等学者［32］的研究表明通过SMS 技术，节省的扫描时间能够用于获取更多b 值数，进一步证实了SMS 技术应用于体素内不相干运动成像(intravoxel incoherent motion，IVIM)序列的可行性。最近，有学者［37］还将SMS技术应用于一种快速磁共振弹性成像序列(magnetic resonance elastography，MRE)，使得单次屏气肝脏MRE 成像成为可能。

随着多通道高密度线圈进入临床，SMS 技术已逐渐应用于腹盆部成像，并且研究范围已经从简单的图像质量评估逐步深入到其病变诊断价值的评价。比如近来有研究表明［38］，结合SMS技术，DWI图像对神经内分泌肿瘤肝转移病灶的检测能力明显高于传统DWI 图像。未来，随着磁共振设备的发展和软件进一步优化，其在腹部的应用范围有待进一步深入。

2.5 同时多层成像技术在骨肌系统的研究进展

Blipped-CAIPIRNHA 鸡尾酒并行采集技术的发布使新的SMS技术进入临床研究成为可能。目前，优化的SMS技术已经能够实现大范围、薄层及多层面扫描，其不仅可以应用于骨骼肌系统的不同组织与部位，也可以应用于不同成像序列，如DTI、快速自旋回波序列(turbo spin echo，TSE)等。

近来有研究肯定了SMS 技术在TSE 序列中的应用，表明其能够在保证图像质量的前提下大大缩短髋关节扫描时间［39］。在加速因子的选择方面，Filli等［40］将SMS技术与DTI序列结合对8名健康志愿者的小腿肌肉分别行加速因子为0、2、3 的SMS DTI 序列扫描，并对上述3 个序列的平均弥散率(mean diffusivity，MD)、FA 值，肌肉信噪比，肌纤维数、肌纤维长度及解剖细节评分进行定量比较，最后发现加速因子为2时的SMS DTI序列与传统DTI序列各弥散指标及图像评分无明显差异，但当加速因子为3时SMS DTI序列的FA值可见增高。另外，也有文献［41］对膝关节快速采集技术的加速因子进行了探究，将SMS技术与并采技术(parallel acquisition techniques，PAT)结合，根据不同的加速因子与传统TSE 序列进行不 同 组 合(PAT2-SMS1，PAT3-SMS1，PAT1-SMS2，PAT1-SMS3，PAT2-SMS2，PAT2-SMS3)，通过SNR、CNR 的定量测量，发现SMS 技术较PAT 技术保留信号能力更强，其中PAT2-SMS2 序列的SNR、CNR 与PAT2-SMS1 相近，但采集时间减少约50%。

此外，在诊断性能的评估方面，有文献报道［42］将SMS、PAT 两种技术与传统T2WI TSE 序列结合可以实现膝关节采集速度的4倍加速，然而对病变的诊断能力却保持不变。

3 现存不足与前景展望

SMS 技术于2015 年RSNA 上隆重推出，并于2016 年在市场上商业化推广，使磁共振进入了全新的多层成像时代。以往的快速采集序列都为单频率脉冲，而SMS 采用多频率复合的宽带脉冲，因此其射频能量较高，特殊吸收率(specific absorption ratio，SAR)值较临床常规序列高，人体SAR 值限制了SMS 技术加速因子的提高及在临床的广泛应用。此外，SMS 技术成像原理决定了其加速方向为选层方向，这使SMS 技术在3D 序列中的应用受限，尽管目前传统MR成像的绝大多数扫描序列都是2D扫描模式。

迄今SMS技术已投入临床使用，但仍是一项较新的快速采集技术，其不仅可以大大缩短扫描时间，还可以在相同或更短扫描时间内扩大扫描范围、采集更多层面以及提高图像空间分辨率，在提高临床磁共振扫描效率的同时，真正实现薄层、高清、大视野及大范围的扫描。综上所述，SMS 技术在缩短扫描时间的同时能够保持较好的图像质量，未来随着磁共振软硬件的不断提升、扫描序列的不断优化，相较于CS技术，其在临床特别是DWI成像方面的应用仍相对明朗。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。