超高场磁共振成像技术与临床应用全文.docx

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超高场磁共振成像技术与临床应用全文

超高场磁共振成像技术与临床应用

在大部分人体成像情况下，测量噪声由样品而非测量硬件控制。

因此，克服信噪比（signal-to-noiseratio，SNR）基本极限的最有前途的方法是增加样品的自旋极化，这可以通过注入多种超极化技术制备的外源性物质来实现。

但是，人们对利用更高的静磁场来提高体内整个样品的热平衡自旋极化非常感兴趣，自1990年代后期以来，在适当的伦理许可下，人们一直在探索高达9.4T的更高磁场，用于神经科学和临床研究。

本综述定义≥7T的磁场强度为“超高场”或UHF，本综述的目的是介绍这种高磁场人体磁共振成像可能带来的临床应用。

1.平行传输（ParallelTransmission）

1.1技术方面

通往临床超高场磁共振成像的主要挑战是应对射频场发射的磁场和电场分量的空间幅度大小和相位变化。

这些变化是由于射频波长较低而导致的，其与超高场时人体头部和身体的空间尺寸相似。

射频场的空间变化会影响信号和MR图像的对比度，电场的变化会导致比吸收率（specificabsorptionrate，SAR）出现局部峰值，导致组织的局部加热，许多技术试图减少这种变化，其他技术则旨在MRI采集过程中控制这一变化。

用于体部成像以及进一步提高头部图像质量的一种有前途的办法是使用通常具有8个、16个或更多传输通道的多Tx发射通道线圈。

这种线圈允许在N个Tx通道上传输N个独立的射频脉冲，这种方法称为并行传输（pTx）。

1.2应用领域

现在，通常用于人体应用的一些最先进的3T系统具有2个发射通道的pTx系统，这促进了pTx在高磁场下的应用。

二维或三维空间选择性pTx射频脉冲对于超高场应用非常重要，因为它们可以在获得高空间分辨率的同时减少采样时间，并通过超高场抵消SNR（signal-to-noiseratio，信噪比）的降低，这样的射频脉冲是当前成像和光谱学研究的主题。

2.高分辨率成像和运动校正

在临床MRI中，已经提出了许多方法来探测和校正患者运动和相关的成像伪影，它们可以分类为运动探测方式和校正方法。

可以使用基于MR本身进行检测，可以使用采用其他硬件的外部运动跟踪系统来检测运动，而与MRI采样无关，例如通过光学方法或通过将小型射频线圈连接到成像物体上。

Stucht等已经使用前瞻性光学运动校正技术提供了非常高分辨率的人脑数据。

在比较440μm分辨率的三维MPRAGE（magnetizationpreparedrapidgradientecho磁化准备快速梯度回波）和平面内分辨率为250μm，切片厚度为2mm的二维GRE时，结果证实了Federau等人的发现，即使在高分辨率采集的高度合作受试者中，运动校正可以提高结构的清晰度和SNR。

3.磁敏感加权成像，相衬和定量磁敏感图

磁敏感加权成像（susceptibility-weightedimaging，SWI）和定量磁敏感图（quantitativesusceptibilitymapping，QSM）均使用相位信息，超高场强对MR信号相位进行成像的好处和挑战至关重要。

3.1脑部解剖

3.1.1正常的大脑：

超高场MRI提供的SWI，MR相和QSM的高空间分辨率和高对比度使以前难以使用常规MRI定义的各种大脑结构成为可能。

在7T时，在SWI和QSM中可以明显地区分丘脑下核与黑质，可见红色核的子结构。

可以使用SWI明确定义苍白球内侧和苍白球外部，以及小脑核及其子结构。

QSM还为基底神经节及其子结构以及脑干提供了出色的，与组织学染色相当的可视化效果。

3.1.2神经退行性疾病：

借由QSM显示帕金森病程黑质脑解剖结构的变化已有报道，超高场的SWI和QSM可以提供MRI指导的治疗策略（如深部脑刺激）所需的对比度和精度。

3.1.3血管成像，充氧：

由于血液氧合的变化与血液磁化率的变化直接相关，因此QSM可用于跟踪血液氧合的变化，超高场MRI具有很高的空间分辨率，可以评估血管内的磁化率。

3.1.4正常的大脑：

超高场MRI可以可看到和分割更精细的血管。

3.1.5功能性MRI：

与在幅度成像上观察到的BOLD（bloodoxygen-level-dependent，血氧水平依赖）效应相比，使用QSM可以更直接地绘制与磁敏感相关的血液氧合变化的效应图像，超高场由于其相位图像中的高CNR而特别有用。

3.1.6微出血，出血和畸形：

当对血管性痴呆中发生的微出血进行成像时，在7T时发现的大脑微出血几乎是两倍1.5T使用相当的序列参数。

使用SWI的超高场MRI也是对脑肿瘤血管出血进行成像的绝佳方式，以及观察放射治疗长期影响所致微出血。

3.2多发性硬化症

在研究新发现的多发性硬化症（multiplesclerosis，MS）病变的病变内静脉时，使用SWI观察到静脉体积增加，有助于区分MS和视神经脊髓炎，因为在MS中通常观察到病灶内静脉，但大多数病变在视神经脊髓炎中却没有。

3.3非血红素铁和矿化的成像和定量

超高场的铁定量也得益于高CNR和更高的分辨率，因为可以从周围环境更好地描绘出铁定量的相关结构并且子结构变得可见。

3.4肿瘤

QSM能够可视化胶质瘤的钙化，并且由于其磁化性不同，能够可靠地区分钙化和出血。

在胶质母细胞瘤中检测钙化可以区分是否为含少突胶质细胞，这在为患者提供预后时可能是重要的。

3.5多发性硬化病灶

超高场具有很高的空间分辨率，可以使用相图和磁敏感图对MS病变进行详细分类，其外观与铁积累有关。

3TMRI无法像7TMRI一样可靠地检测到皮质病变。

3.6神经退行性疾病

在各种神经退行性疾病中已经报道了在不同的脑核和皮质中的铁蓄积或铁耗竭。

与健康对照组相比，已对确诊前的亨廷顿氏病患者的尾状核，壳核和苍白球的铁积累相关的磁化率变化进行了测量。

3.7体部应用

除大脑外，在超高场，通过使用专用16通道发射/接收线圈阵列的SWI和体积选择性静磁场匀场实现了对心肌微结构的评估。

7T可用于缩短QSM的采集时间或在临床可接受的扫描时间内实现更高分辨率的QSM。

4.X核成像

为表征各种细胞代谢过程，通常希望通过MRI或MRS对除1H以外的其他核进行无创测量。

这些核通常表示为X核。

只有具有奇数个质子和/或奇数个中子的原子核具有磁自旋矩，因此对于MRI/MRS可见。

X核可分为自旋-1/2核（例如13C，19F，31P）和四极核（即自旋＞1/2；例如17O，23Na，35Cl，39K）。

4.1离子成像（Na+，K+，Cl-）

正常和患病的人体大脑的23NaMRI已经在低场强（1.5T）使用了30年，最近才在7T和9.4T系统下，在体人脑和肌肉组织35Cl和39KMRI显示了其可行性。

与23NaMRI相比，35Cl和39KMRI的SNR分别低约8倍和11倍。

因此，多年来一直认为在体35Cl和39K磁共振成像不现实。

在2009年，Augath等人使用9.4T小动物MRI系统展示了大鼠大脑的第一张在体39K图像，一年后，发表了大鼠脑的第一张体内35Cl图像，这些核的成像极大受益于超高磁场强度，例如21.1T。

尽管23NaMR研究经常作为临床研究的一部分，但35ClMRI很少被研究，39KMRI仅应用于少数健康课题，非常值得对这些离子进行非侵入式定量研究，以探究体内离子的动态平衡。

4.2人脑的23NaMRI

大多数23NaMRI研究都集中在大脑上，23NaMRI已应用于研究脑肿瘤，缺血性中风，阿尔茨海默氏病，亨廷顿氏病，癫痫，老年病，创伤性脑损伤和多发性硬化症。

在脑肿瘤中，Na+浓度通常会增加。

钠反转恢复成像可能有助于区分这两种基本的可能性。

在缺血性中风中，23NaMRI可被用来识别离子稳态的区域。

但是，较长的采集时间和23NaMRI的实验特性（例如，要求在1H和23Na之间改变射频线圈）一直无法使23NaMRI应用在涉及卒中患者的较大型的临床研究中。

23NaMRI也可用于研究正常衰老过程中的细胞体积分数，在正常人的所有脑区域，体内组织细胞体积分数随年龄的增长而保持恒定。

随着高场磁共振扫描仪和更先进的钠磁共振采集技术的出现，使得分辨率和信噪比更高，钠磁共振成像（23NaMRI）以其非侵入性的特性提供了一个独特的机会。

4.323Na肌肉骨骼系统的NaMRI

也有一些23NaMRI研究专注于肌肉组织。

与其他器官（如脑，皮肤和软骨组织）相比，高空间分辨率对骨骼肌23NaMRI的要求不那么重要。

超高场系统似乎是建立23NaMRI作为研究软骨退变的临床工具的先决条件。

4.423NaMRI在其他身体部位

23NaMRI在人脑和肌肉骨骼系统之外应用较少，这很可能是由于缺乏可用的专用射频线圈。

但是，许多令人感兴趣的应用研究都受益于在超高场强下可获得的更高的SNR。

例如，已经在乳腺癌患者中进行了23NaMRI研究并用于乳腺癌的治疗监测，探究肺部肿瘤，研究肾功能，并分析Na+在皮肤组织中的储存，这似乎在盐敏感性高血压中起重要作用。

然而，较小的皮肤厚度对23NaMRI具有挑战性。

研究显示，超高场23NaMRI与专用射频线圈相结合可以可靠地定量皮肤Na+含量。

在超高磁场强度下，心肌钠MRI也可能发展为研究组织活力的临床研究工具。

但是，即使在7T的磁场强度下，由于呼吸和心脏运动，心肌钠MRI仍然存在挑战。

4.517O磁共振成像

17O的低自然丰度可以使MRI研究用富含17O2作为示踪剂。

17OMRI可以无创地确定脑代谢的耗氧率（cerebralmetabolicrateofoxygenconsumptionCMRO2），其可以被视为细胞活力的指标。

CMRO2耗氧率降低（Warburg效应），在癌症、帕金森氏症和阿尔茨海默氏病有报道，这可能会发展成有价值的诊断标记。

超高场MRI可以实现23NaMRI的临床研究应用，并使更低的在体敏感性的17O，35Cl和39K的核素成像成为可能，由于超高场系统的可用性不断提高，技术进步以及大量的临床研究应用，X核MRI在不久的将来有可能从临床研究工具发展成为诊断工具。

5.MR波谱和波谱成像

31P核磁共振波谱学和1H磁共振成像都是在1970年代开发的，可直接得到在体临床生化和能量代谢信息。

高磁场，特别是超高场磁共振磁体的出现为开发和优化新技术提供了动力，以实现快速，特别是人脑，肝脏和骨骼肌的局部磁共振波谱和磁共振波谱成像，下面讨论了脑中快速1H磁共振波谱成像，肝和心脏中的1H，13C或31P磁共振波谱以及骨骼肌中动态31P磁共振波谱的进展。

5.1脑代谢

借助质子具有较高的灵敏度，并且与超高场磁体和多通道相控阵线圈结合使用，给1H波谱成像灵敏度带来最新进展。

尽管仍然受到低静磁场和射频场均匀性，低分辨率，长测量时间以及SAR限制的制约，已经开发了超高分辨率磁共振波谱成像序列来克服这些限制。

5.2肝脏代谢

当应用于肝脏时，磁共振波谱可作为研究健康受试者和各种疾病患者的新陈代谢的重要工具。

即使在较低的场强下，1H磁共振波谱也可以估算健康肝脏，非酒精性脂肪肝（NAFL）和丙型肝炎中的脂质含量，肝细胞脂质浓度与肝糖原储存，内源性葡萄糖生成以及胰岛素抵抗相关等。

13C磁共振波谱可以测量葡萄糖的产生和糖原储存，可以研究肝糖原分解和糖异生，并使用标记的前体对肝线粒体通量进行量化。

使用31P磁共振波谱，发现2型糖尿病患者肝脏中的ATP和无机磷酸盐含量降低，31P饱和转移法显示磷酸化通量降低。

5.3骨骼肌新陈代谢

超高场31P磁共振波谱对于研究肌肉代谢特别有用，因为场强的增加不会像在7T质子磁共振成像对SAR或强制性脂肪/水抑制产生的典型挑战那样，产生任何明显的不良影响。

7T时的31P共振频率仅为约120MHz。

更有利的是，由于化学位移各向异性贡献的增加，在大约3T以上场强下，31PT1弛豫时间减少，可以在更短的TRs上实现更高的扫描效率。

因此，31P磁共振波谱是7T及更高场强下超高场磁共振波谱的理想选择，因为减少的弛豫时间有助于增加灵敏度，而不会产生上