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【放射微課堂】動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像掃描方法

 pppsss 2021-08-11

動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)(dynamic contrast enhanced, DCE)MRI是一種獨(dú)特的定量MRI檢查技術(shù),可獲得多種組織灌注的相關(guān)信息,從而發(fā)現(xiàn)疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中細(xì)微的病理生理學(xué)改變。目前,DCE-MRI技術(shù)發(fā)展迅速,具有重要的臨床價(jià)值和廣闊的前景,但同時(shí)它在成像和分析技術(shù)方面也存在許多難點(diǎn)和挑戰(zhàn),包括應(yīng)用的規(guī)范化方面都處于初期階段。

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一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像的掃描,主要有兩部分組成:T1 mapping序列和動(dòng)態(tài)T1加權(quán)序列

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定量動(dòng)態(tài)對(duì)此增強(qiáng)磁共振成像掃描方案示意圖

01

T1 mapping序列

定量DCE-MRI通過(guò)釓對(duì)比劑在組織內(nèi)的強(qiáng)化和分布過(guò)程,來(lái)反映組織灌注與滲透性的血流動(dòng)力學(xué)特性。準(zhǔn)確的對(duì)比劑濃度信息是計(jì)算血流動(dòng)力學(xué)特征的基礎(chǔ),如何把動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)圖像中的信號(hào)強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為濃度信息是定量DCE-MRI的關(guān)鍵。這就需要在未注射對(duì)比劑時(shí)獲得圖像中每個(gè)像素的T1值,然后根據(jù)對(duì)比劑進(jìn)入后弛豫率的改變,將信號(hào)強(qiáng)化的變化信息和對(duì)比劑濃度聯(lián)系起來(lái)。

獲取T1 mapping的方法有多種,例如多重復(fù)反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間成像技術(shù)(look locker)、多回波時(shí)間成像技術(shù)(multi-time of echo)和多翻轉(zhuǎn)角(multi-flip angle)T1加權(quán)成像技術(shù)。前兩者需要重復(fù)進(jìn)行多次不同的TR,掃描時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng);而多翻轉(zhuǎn)角技術(shù)僅需多次進(jìn)行不同的反轉(zhuǎn)角,耗時(shí)較短,目前大多數(shù)的DCE文獻(xiàn)都采用這種方法來(lái)進(jìn)行T1 mapping的計(jì)算。

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通過(guò)五個(gè)不同的翻轉(zhuǎn)角(通過(guò)五個(gè)不同的翻轉(zhuǎn)角(3o, 6o, 9o, 12o, 15o)且其他參數(shù)相同的圖像信息,獲得T1 mapping圖像

02

動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)序列

DCE-MRI對(duì)時(shí)間分辨力要求較高,相對(duì)于自旋回波(SE)序列,梯度回波序列(GRE)掃描速度快,更適合進(jìn)行DCE-MRI。目前,廣泛應(yīng)用的是擾相快速梯度回波序列,它對(duì)T1弛豫的改變更敏感,有利于顯示對(duì)比劑所致的弛豫時(shí)間變化。

早期,各磁共振設(shè)備提供商都發(fā)布了基于2D方式的擾相快速梯度回波序列,如GE公司快速擾相梯度回波(fast spoiled gradient recalled echo,F(xiàn)SPGR)序列,西門子公司的快速小角度激發(fā)(fast low angle shot,FLASH)序列和飛利浦公司的T1快速場(chǎng)回波(T1 fast field Echo,T1 FFE)序列。隨著磁共振成像技術(shù)的發(fā)展,3D成像方式的時(shí)間因素得到解決,為獲得高質(zhì)量的薄層圖像,它們又分別推出了基于三維技術(shù)的擾相快速梯度回波序列:如GE公司的Fast acquisition with multiphase enhanced GRE(FAME)和用于肝增強(qiáng)掃描的Liver acquisition with volume acceleration(LAVA)序列,西門子公司的Volume interpolated body examination(VIBE)序列和飛利浦公司的T1 high resolution isotropic volume excitation(THRIVE)序列。2D序列由于容易受血流的流入效應(yīng)、層間的翻轉(zhuǎn)角漂移以及B1場(chǎng)的不均勻性等影響,已經(jīng)較少用于DCE-MRI掃描。而快速3D序列可以實(shí)現(xiàn)大范圍的薄層掃描,對(duì)血液流入效應(yīng)不敏感,較少發(fā)生層間編碼錯(cuò)誤,目前被廣泛用于DCE-MRI掃描。

隨著磁共振掃描序列和不同K空間填充方式的發(fā)展,新的快速序列也被應(yīng)用于動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)掃描,例如西門子的CAIPIRINHA-TWIST-Dixon技術(shù),在保證高時(shí)間分辨力的同時(shí)也獲得極高空間分辨力的圖像,能夠完成運(yùn)動(dòng)器官,如肝、肺等整個(gè)臟器的快速掃描。GE也推出了與之相似的序列DISCO,但目前還未在中國(guó)上市。

03

動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)序列的參數(shù)設(shè)置

由于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的自身特點(diǎn),在進(jìn)行DCE-MRI掃描的時(shí)候,需要考慮以下幾個(gè)方面的因素來(lái)選擇合適的參數(shù)設(shè)置:

1.時(shí)間分辨力:是指在連續(xù)采集的兩個(gè)相鄰時(shí)間點(diǎn)的間隔時(shí)間長(zhǎng)度,即每采集一幀圖像所需要的時(shí)間,目前的設(shè)備能力通常以秒為單位。時(shí)間分辨力越高,采樣的頻率就越高,所獲得的時(shí)間信號(hào)強(qiáng)度曲線就越平滑,對(duì)數(shù)據(jù)的還原也就越接近真實(shí)。

影響時(shí)間分辨力的最關(guān)鍵參數(shù)就是重復(fù)時(shí)間(TR),一般來(lái)說(shuō),在設(shè)置DCE序列時(shí),為了獲得較高的時(shí)間分辨力,TR通常選擇最小值;同時(shí),為了盡量減少T2*權(quán)重的影響,也會(huì)選擇設(shè)備上能允許的最小回波時(shí)間(TE)。對(duì)于2D方式一般需要一定的層間距(10%~20%),空間分辨力會(huì)受到限制;而3D序列則更有利于進(jìn)行薄層的無(wú)間隔掃描,但是它較2D序列的掃描時(shí)間更長(zhǎng)。

此外,激勵(lì)次數(shù)(number of excitation,NEX)或信號(hào)采集次數(shù)(number of acquistions,NA)也是影響時(shí)間分辨力的重要因素,增加采集次數(shù)雖然有利于減少偽影并提高圖像信噪比,但也會(huì)延長(zhǎng)了掃描時(shí)間,降低DCE的時(shí)間分辨力。這樣,DCE序列的NEX往往是1。

時(shí)間分辨力對(duì)于DCE來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的指標(biāo),不同的時(shí)間分辨力會(huì)影響Tofts模型定量參數(shù)結(jié)果的可靠性,如要保證定量參數(shù)的誤差控制在10%以內(nèi),需要?jiǎng)用}輸入函數(shù)(AIF)采樣時(shí)間分辨力小于1s,而對(duì)于組織的增強(qiáng)信號(hào)的采樣時(shí)間分辨力要小于4s。但是,不同的檢查部位和研究目的,時(shí)間分辨力的要求也不盡相同。例如,Othman的研究顯示僅需10s/幀的時(shí)間分辨力,DCE的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)就可以區(qū)分前列腺的良惡性病變。此外,不同模型對(duì)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨力的要求也不相同,例如,交換模型(exchange model)的時(shí)間分辨力要達(dá)到2s/幀,而參考模型(reference model)由于其不需要選擇血管作為動(dòng)脈輸入函數(shù),因此對(duì)時(shí)間分辨力的要求大大降低。

2.空間分辨力: 是指圖像對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨能力,它取決于所成像體素的大小,體素越小則空間分辨力越高。

體素的大小,其中一個(gè)影響因素是層面內(nèi)即視野除以矩陣數(shù)目的比,視野的選擇更多要考慮成像部位和病變的大小,在不產(chǎn)生卷褶偽影和完全包括病變的前提下,視野越小越有利于病變的顯示和空間分辨力的提高。而在確定視野后,矩陣越大,成像體素越小,圖像層面內(nèi)的空間分辨力越高。但是由于頻率編碼和相位編碼對(duì)于掃描時(shí)間的影響不同,相位編碼的提高也同時(shí)會(huì)降低掃描時(shí)間,因此對(duì)于矩陣大小的選擇,相位編碼數(shù)通常都小于頻率編碼數(shù)。影響體素大小的另一個(gè)因素是層厚,層厚越薄,圖像在層面方向的空間分辨力越高。層厚的選擇更多要考慮病變大小的情況,小病灶則需要更薄的層厚,而薄層無(wú)間隔掃描則是3D序列的優(yōu)勢(shì)。

和其他磁共振序列一樣,DCE序列的空間分辨力和時(shí)間分辨力在一定程度上也存在著矛盾,當(dāng)空間分辨力提高時(shí),時(shí)間分辨力必然下降。由于時(shí)間分辨力對(duì)于DCE更為重要,因此,大多數(shù)的DCE掃描會(huì)更多地考慮時(shí)間分辨力的要求,而空間分辨力只需能夠清楚顯示病變的強(qiáng)化程度即可。

3.圖像的對(duì)比噪聲比:它是指病變與背景組織信號(hào)差別和噪聲之間的比值,相對(duì)于信噪比,它是評(píng)價(jià)顯示病變能力的更直接指標(biāo)。

絕大部分DCE-MRI所采用的擾相快速梯度回波序列,具有突出顯示組織間的T1對(duì)比的優(yōu)勢(shì)。而翻轉(zhuǎn)角的選擇,不僅影響圖像的權(quán)重,也與對(duì)比劑的顯示有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),小的翻轉(zhuǎn)角(<5o)對(duì)較低濃度對(duì)比劑更敏感,但是相對(duì)信號(hào)變化的范圍有限;當(dāng)增大翻轉(zhuǎn)角度后(10o~30o),翻轉(zhuǎn)角有了更大的變化范圍,可以觀察更大范圍的對(duì)比劑濃度變化。而2D序列與3D序列的翻轉(zhuǎn)角選取策略也有所不同。對(duì)于2D序列,較大的翻轉(zhuǎn)角會(huì)增加血液的流入效應(yīng),從而影響動(dòng)脈輸入函數(shù)(AIF)的準(zhǔn)確性,因此反轉(zhuǎn)角一般選擇小于15o;而對(duì)于3D序列,較大的翻轉(zhuǎn)角可以抑制血流的流入效應(yīng),因此,3D序列一般選擇30o~60o的翻轉(zhuǎn)角。

4.總掃描時(shí)間: DCE動(dòng)態(tài)掃描總的時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)定量參數(shù)也有很大影響,不同模型對(duì)于掃描時(shí)長(zhǎng)的要求也不一樣。例如,Patlak模型的假設(shè)條件為對(duì)比劑從血管流入細(xì)胞間隙的過(guò)程,不考慮對(duì)比劑的回流。因此,它的數(shù)據(jù)只需要包含對(duì)比劑的首過(guò)過(guò)程(first pass),60~90s就已足夠。而Tofts等雙室模型,要考慮對(duì)比劑回流,此時(shí)間段的信號(hào)變化還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài),則需更長(zhǎng)的采集時(shí)間。Tofts模型要求掃描時(shí)間大于10分鐘即對(duì)比劑流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后,才能保證所獲得的ve值的準(zhǔn)確性。但是,掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)造成病人的運(yùn)動(dòng)偽影增加,實(shí)際臨床工作中也可能縮短掃描時(shí)間,少有研究會(huì)用到10分鐘的掃描時(shí)間。

04

動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)掃描中的注意事項(xiàng)

1.T1 mapping序列的矩陣大小、視野要與動(dòng)態(tài)掃描序列保持一致。如采用多翻轉(zhuǎn)角T1 mapping技術(shù)進(jìn)行,則最好使用同一序列類型。

2.體部臟器,如肝、肺等,容易受呼吸以及心臟搏動(dòng)的影響,動(dòng)態(tài)掃描可能由于運(yùn)動(dòng)偽影而無(wú)法分析或定量結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此,應(yīng)適當(dāng)控制呼吸的影響,推薦在動(dòng)脈期進(jìn)行屏氣掃描,之后采用淺呼吸進(jìn)行;或者采用屏氣-呼吸循環(huán)方式來(lái)完成整個(gè)掃描。這需要掃描前對(duì)病人進(jìn)行很好的呼吸訓(xùn)練。此外,運(yùn)動(dòng)器官的掃描數(shù)據(jù)一般應(yīng)先配準(zhǔn)再進(jìn)行計(jì)算。

3.獲得DCE數(shù)據(jù)時(shí),一般選擇在動(dòng)態(tài)掃描后的第3~5個(gè)時(shí)相再開(kāi)始進(jìn)行對(duì)比劑注射,增強(qiáng)前的掃描可作為參考基準(zhǔn)。

4.為保證時(shí)間分辨力,可以通過(guò)減少掃描層數(shù)來(lái)提高掃描速度,尤其是對(duì)于3D采集方式。

5.對(duì)于支持多通道并行采集(SENSE,SMASH等)或者新的多層面采集技術(shù)的設(shè)備,推薦采用并行采集或者多層面采集方式,但是加速因子不宜選擇太高,以免信噪比過(guò)低。

資料來(lái)源:本文內(nèi)容來(lái)自《動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)磁共振成像》,更多詳細(xì)內(nèi)容歡迎閱讀原書(shū)。

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