磁共振零回波时间(ZTE)序列技术研究

王聪，王娅，鲁毅，孙学进

零回波时间(zero echo time,ZTE)MR技术作为一种三维短T2成像技术具有稳定、快速、低噪声等特点，由Weiger等[1]提出。人体短T2成分主要有骨皮质、肌腱、韧带、肺、牙齿等，其信号衰减较快，常规序列受空间编码和信号采集时间限制难以有效采集短T2信号，常造成该部分组织信号的丢失，图像表现为无或低信号区[2]。因此，目前临床应用中以中、长T2信号为主，短T2信号应用较为少见。ZTE等短T2成像技术的出现弥补了传统MRI技术的不足，经过近些年的飞速发展，ZTE序列已逐渐成熟并应用于临床。本文在简要介绍ZTE技术基本原理基础上综述ZTE相关技术及应用的新进展并对ZTE技术发展进行展望。

ZTE序列原理

不同于经典自旋回波序列和梯度回波序列，ZTE序列是基于投影重建(projection reconstruction,PR)法[3]，通过在预先开启的梯度场中激励自旋质子并直接检测自由感应衰减(free induction decay,FID)信号的短T2成像技术。虽然其数据采集受接收延迟时间的限制，但是通过缩短线圈发射/接收模式切换时间及滤波时间的方式，可缩短接收延迟时间，一定意义上实现了回波时间为零的突破，因此可有效采集短T2信号[4,5]。

1.常规ZTE序列

ZTE序列原理可大致分为数据采集和图像重建两部分。①数据采集：目前，常规磁共振序列主要采用傅立叶变换(fourier transform,FT)法，沿直角笛卡尔轨迹填充K空间，受相位编码时间限制，回波时间往往大于短T2信号的衰减时间，所以难以采集短T2信号。此外，常规序列在实施过程中首先施加射频脉冲，然后通过射频脉冲或梯度场的切换产生信号，而后对产生的信号进行编码和采集，这种先激发后编码的信号采集模式同样造成短T2信号的提前衰减。ZTE序列采用投影重建法，在极坐标模型下，利用纯频率空间编码的方式，由中心向外周呈放射状填充K空间即径向填充，去除了常规序列中相位编码的延时，能以最快速度完成对信号空间编码和数据采集[1]。ZTE序列的一维K空间数据采集原理(图1)[1]是在一个重复时间(repetition time，TR)周期开始前首先进行梯度场的爬升，在梯度场开启的情况下施加射频脉冲，脉冲后预先开启的梯度场立即对信号进行编码和采集，最后调整梯度场，为下一个TR周期做准备。ZTE所采用的这种先编码后激发的信号采集模式，去除了常规序列中射频脉冲后的梯度切换，确保了信号产生与采集之间没有任何延迟。②图像重建：由于接收延迟时间的存在，导致K空间中心部分数据缺失，直接进行图像重建会产生伪影，因此，ZTE序列的图像重建可分为数据填补和图像重建两个过程。①数据填补：常规ZTE序列在数据采集过程中对数据进行过采样，然后通过代数重建(algebraic reconstruction,AR)将一维数据中梯度方向相同、极性相反的两组数据组合，而后利用插值的方法填补两者之间的数据空白即K空间中心部分的数据，再经过反傅立叶变换获取完整的一维K空间数据。②图像重建:在数据填补的基础上将不同方向的一维K空间数据组合，对组合后完整的K空间数据进行标准网格化处理，形成类似笛卡尔采样数据即常规序列的K空间数据形式，最后通过三维傅立叶变换重建出图像[1]。

图1 ZTE序列一维K空间数据采集示意图。首先，射频脉冲RF发出前投影梯度场G爬升至特定强度和方向并在一个重复时间TR内保持不变；而后，对自旋施加射频脉冲RF；经过接收延迟时间△后，投影梯度场立即对产生的FID信号进行空间编码并完成数据采集AQ。序列的重复时间TR=编码时间(Tenc)+梯度准备时间(TG)。

ZTE序列借助投影重建法和先编码后激发的信号采集模式，实现了回波时间为零的突破，并且能够以最大K空间速度对短T2信号进行采集。除此之外，与常规序列相比ZTE 序列的特点还包括[1]：①ZTE序列是固有的3D扫描序列。由于梯度场在射频脉冲前开启，射频脉冲激发时无法再施加层面选择梯度场，因此ZTE序列只能进行3D扫描。②静音扫描。在ZTE序列的整个信号采集过程中，梯度场始终保持开启状态，只在相临采集周期，即重复时间(repetition time,TR)之间才会进行适当调整，以改变采样方向，因此该序列中梯度场只发生轻微改变，不会造成明显噪声。③成像稳定性高。梯度场的轻微变化减少了硬件的涡流效应，确保了K空间填充的准确性，避免了相关伪影，提高了成像的稳定性。④小翻转角(flip angles,FA)和短TR。由于硬脉冲持续时间受到限制可获得的FA较小，并且该序列的设计较为简单，去除了常规序列中的梯度切换，因此TR较短。⑤对运动伪影及流动伪影不敏感。ZTE序列基于投影重建法，采用纯频率编码的方式采集信号，因此可获得最大K空间采集速度以减少运动及流动相关伪影对图像的影响。⑥ZTE序列的局限性在于受该序列自身回波时间的限制，所获得的图像对比度较单一，通常为质子密度加权或者T1加权，并且容易受到来自线圈等硬件设备的短T2信号影响。

2.非常规ZTE序列

随着ZTE技术的不断发展，人们为了增加翻转角度，减少接收延迟时间对图像质量的影响，开发出多种ZTE技术相关序列，主要通过改变射频脉冲类型，优化填补K空间中心数据的方式，有以下3种常用序列：

(1)傅立叶变换扫描成像(sweep imaging with Fourier transformation,SWIFT)序列:常规ZTE序列中由于脉冲持续时间有限可获得最大射频脉冲场B1的振幅较小，因此常规硬脉冲所产生的翻转角度受限。SWIFT序列中[6-8]提出了采用经过振幅和频率调制的射频脉冲，其属于绝热脉冲的一种，通过分时方法在激励脉冲后的几微秒对信号进行采集，依次对不同频率进行扫描并进行数据采集。数据采集完成后，经过3D反投影重建或者标准网格化的方法完成数据的处理，最终获得扫描图像[6]。

SWIFT技术有效克服了常规ZTE序列翻转角较小的问题，协调了长脉冲与短接收延迟时间的关系，通过快速切换线圈的激励与接收模式实现激发与接收的准同时进行。该序列的局限性在于高时间分辨率对线圈性能要求较高，并不适用于所有临床扫描仪；特殊吸收率(specific absorption rate ,SAR)高于常规序列[6]。

(2)逐点编码时间减少与径向采集(pointwise encoding time reduction with radial acquisition,PETRA)序列:PETRA序列类似于钥匙孔技术，采用径向采集和笛卡尔单点采集两种成像方法组合的方式，将K空间的数据采集分成中心和外周两部分。K空间的外周部由ZTE序列通过径向采集填充，K空间中心部由单点成像(single-point imaging,SPI)序列[9]通过笛卡尔轨迹逐点填充。完成数据采集后将两组数据合并，经过重建生成图像。

该方法混合了ZTE和SPI两种序列，中心信号采集时间稍长，但图像具有较好的均匀性和信噪比，在成像性能上优于常规ZTE序列且对硬件无特殊要求，可很好的应用于临床MRI扫描仪[9,10]。

(3)水和脂肪抑制质子投影成像(water-and fat-suppressed proton projection imaging,WASPI)序列:WASPI序列具有抑制水和脂肪信号的作用，只保留短T2信号。WASPI序列中首先通过预脉冲选择性饱和水和脂肪成分，饱和脉冲之后施加扰相梯度场，使水和脂肪的信号失相位有效抑制了水和脂肪的信号[11]。WASPI技术中K空间中心数据是通过降低梯度场强度，增加额外的径向采集以实现对K空间中心数据的采样，弥补了数据缺失[12]。该方法通过调整投影的角密度，时间分辨率通常高于PETRA序列。

综上所述，常规ZTE序列由于设计简单且梯度场变化小具有很好的稳定性，在使用非氢质子材料制作的线圈及接收延迟时间较小的情况下性能较好，但其对射频系统及线圈要求较高；SWIFT序列有效克服了常规ZTE序列翻转角较小的问题；PETRA序列在接收延迟时间较长时可减少图像伪影；WASPI序列在成像组织的T2衰减时间较接收延迟时间足够长时时间分辨率更高[13]。此外，线圈等硬件产生的背景信号通常不会影响常规序列，而对ZTE序列影响较大，因此，需要通过增加预脉冲[14]或使用专用线圈[15]来抑制背景信号。

应用

1.牙齿

目前，牙科成像的金标准依然是CT，其成像速度快、成本低，但软组织对比度较差，存在电离辐射。相比之下，随着ZTE等超短回波序列的应用，MRI图像可同时提供牙髓质及牙釉质的对比度，并且无电离辐射。Ute等[16]应用一种无线、电感耦合口腔内线圈提高MRI图像中牙齿软组织分辨率。在体外、体内牙齿成像实验中证实MRI可获得与CT相似质量的图像，并且体内高分辨率扫描仅用时4 min。Djaudat等[17]对比SWIFT、梯度回波、CT对牙齿裂缝显示的敏感度分别对两颗体外牙齿进行成像，已知两颗牙齿上裂缝的部位及宽度，结果显示SWIFT序列可显示仅20 μm宽的牙齿裂缝，远小于成像体素尺寸，而梯度回波序列及CT成像却难以显示该裂缝。该研究提示SWIFT序列可以有效检测牙齿微裂纹。与此同时，小孔径专用磁体、高温超导导线等硬件的开发能降低磁共振设备的安装、运行成本，为将来牙科专用MRI设备的普及创造了可能[18]。因此，软件和硬件的发展使牙科诊断更加准确，有望改善龋齿等病变的早期诊断，避免了不必要的电离辐射，提高了被检者的舒适度。

2.血管成像

零回波时间磁共振血管造影是将ZTE与连续式动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)技术相结合的磁共振血管成像新技术[19]，无需注射对比剂，因此采集时间窗不受对比剂通过时间的限制，通过调整标记时间即可实现动态血管造影的效果。翟茂雄等[20]以CE-MRA血管成像为标准对47例患者行3D TOF-MRA与ZTE-MRA头颈部血管成像，对比分析3D TOF-MRA与ZTE-MRA图像质量及颈内动脉分支显示情况。结果显示ZTE-MRA血管成像的图像质量明显优于3D TOF-MRA，提示ZTE-MRA头颈部动脉成像可替代CE-MRA，具有较好临床应用价值。

3.骨肌系统

人体内的短T2组织大多集中在骨肌系统如骨皮质、肌腱、韧带等。由于ZTE技术可直接显示短T2成分，相对于常规序列能提供更多的骨质成分信息。其中，在对骨质疏松患者的诊断及骨折风险评估方面，ZTE技术不仅可采集骨内矿物质成分信号，同时可获取骨内水和有机质成分信号，弥补了传统骨质疏松诊断中双能X线骨密度仪无法量化骨骼内水及有机质成分的不足，提高了骨质疏松的诊断及骨折风险评估的准确性[21]。Ryan等[22,23]将ZTE序列应用于肩关节及髋关节的检查中，分别从骨对比度和关节形态等方面与CT检查比较。研究表明ZTE序列提供了与CT相一致的骨对比度，骨内病变的显示较CT更敏感，并且关节形态学上与CT存在显著的一致性。提示磁共振ZTE序列可以有效替代CT检查。Sung等[24]将PETRA序列及常规序列相结合有效提高了膝关节紊乱及半月板损伤的检出率。并且，ZTE技术还应用于肌腱、韧带等损伤研究。

除此之外，长T2抑制序列[25]及同相位零回波时间(in-phase zero echo time,ipZTE)序列[26]的开发提高了MRI骨肌系统中短T2信号的对比度，减少了伪影对图像质量的影响，为PET/MR衰减校正和MRI引导放射治疗计划制定的实现奠定基础。

4.放射治疗计划

放射治疗中为提高放射靶区勾画的准确性和放射治疗计量的精准性，治疗计划的制定依赖于MRI和CT图像。为获取患者的MRI与CT图像，需要对患者进行两次独立的图像采集，这种模式存在着固有缺陷[27]。随着CT技术[28]及ZTE等超短回波序列的开发和应用，MRI可以获取用于放射治疗计划的电子密度分布和骨质信息，Centre等[29]在使用同一种计算方法的前提下以真实CT值为标准比较常规序列T1图像与ZTE图像计算出的伪CT值。结果显示利用ZTE图像得出的伪CT值与真实CT值之间的平均绝对误差为20 HU，较常规序列T1图像准确性提高，提示ZTE序列的应用提高了伪CT图像的准确性。

因此，仅使用MRI的放射治疗计划流程是可行的，并且可充分发挥MRI高软组织对比度的优势，减少了靶区勾画的模糊性、简化工作流程、提高了患者福利。

5.肺

由于ZTE技术中信号采集时间短，有效地避免了呼吸运动对图像的影响，能在较短的时间内提供高分辨率的肺部结构信息，具有较好的信噪比和对比度[30]。与CT相比ZTE技术在肺部的应用具有很大的潜力，能够提高肺纤维化等肺部疾病早期诊断的特异性[31]。

6.静音扫描

随着磁共振设备的普及，MRI已作为常规检查手段，但其噪声对被检者的影响逐渐引起人们的重视。调查显示在MRI检查中噪声是导致患者无法忍受检查的最主要原因，尤其对于焦虑患者以及婴幼儿被检者[32]。

ZTE序列中梯度场在几乎整个TR周期内保持不变，并且在每个TR周期末仅有轻微调整，而不会关闭，梯度线圈的变形和振动可以忽略不计。因此，ZTE序列中梯度线圈不会产生明显噪声。随着ZTE序列的不断发展如ZTE-BURST[33]、looping star[34]等组合序列可在小噪声的情况下获得较高质量的颅脑T2、T2*加权图像。除此之外，ZTE技术在静音fMRI[8]、静音T1WI[35]等方面已经取得一定进展。

近年来，ZTE序列的发展迅速，具有诸多优势，在各个系统中都拥有广阔的应用前景，并在许多领域已经取得了一定的进展，如在骨和骨内矿物质量化成像中的应用，可定量测量骨质成分用于骨质疏松的诊断[36]。临床研究除了静音扫描、骨肌系统、牙齿和放射治疗外还用于脑血管、肺实质、血管斑块以及钠成像[20,37-39]。除此之外，ZTE技术还具有直接显示和量化髓鞘的潜力[40]。

总之，ZTE序列的开发与应用，不仅在成像方面弥补了传统磁共振检查的不足，实现了对骨皮质等短T2组织的成像，而且降低了磁共振扫描噪声，提高了磁共振检查的舒适度，在一定程度上拓展了磁共振成像的应用范围。虽然ZTE序列的应用受到自身回波时间及线圈等硬件性能要求的限制，但是通过配合其他成像序列以及高性能的硬件设备，可在一定程度上弥补其不足，以便更好的发挥该序列的特点。目前，ZTE技术的临床应用方兴未艾，有望在未来磁共振成像中得到广泛应用，使磁共振成像进入新时代。