MRI 检查方法

一、MRI 检查方法

MRI 技术有别于CT,它不仅可行横断面成像,还可行多方位成像,同时还可获得多种参数的图像,如T1 加权像、T2 加权像等。若要获取这些图像必须选择适当的脉冲序列和成像参数。

1.脉冲序列技术

MRI 的高敏感性基于正常组织与病理组织弛豫时间的不同,并受质子密度、脉冲序列的影响。常用的脉冲序列有:

(1)自旋回波(spin echo,SE)序列 常规SE 序列是临床上最常用的成像序列,采用“90°-180°”脉冲组合形式构成。其特点为可消除由于磁场不均匀性所致的去相位效应,磁敏感伪影小。但其采集时间较长,尤其是T2 加权成像,重T2 加权时信噪比较低。该序列为MRI 的基础序列。

(2)反转恢复(格式调整)(inversion recovery, IR)序列 IR 序列由“180°-90°-180°脉冲组合形式构成。其特点为具有较强的对比,以显示解剖,通过选择适当的反转时间(time of inversion, TI)可得到不同质子纵向磁化的显著差异。还可根据需要设定TI,饱和特定组织产生具有特征性对比的图像,如短反转恢复(short TI inversion recovery,STIR)、液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery,FLAIR)等序列。

(3)快速自旋回波(turbo SE,TSE; fast SE,FSE)序列 采用“90°-180°-180°”脉冲组合形式构成。其图像对比性特征与SE 相似,磁敏感性更低,成像速度加快,使用大量180°射频脉冲,使扫描时间显著缩短。

(4)梯度回波(gradient echo, GRE)序列 梯度回波技术是常用的快速成像脉冲序列,且有多种类型,其中常规GRE 序列最为成熟。该序列激励脉冲小于90°,翻转脉冲不使用180°,取而代之的是一对极性相反的去相位梯度磁场及相位重聚梯度磁场,其方法与SE 中频率编码方向的去相位梯度及读出梯度的相位重聚方法相同。由于小翻转角使纵向磁化快速恢复,缩短了重复时间TR,也不会产生饱和效应,故使数据采集周期变短,提高了成像速度。其最常用的2 个序列是快速小角度激发(fast low angle shot, FLASH)序列和稳态进动快速成像(fast imaging with steady state precession,FISP)序列。

(5)平面回波成像(echo planar imaging,EPI) EPI 技术是迄今最快的MRI 技术,它是在一次射频脉冲激励后在极短的时间内(30~100 ms)连续采集一系列梯度回波,用于重建一个平面的MRI 图像。EPI 技术已在临床广泛应用,单次激发EPI,以扩散成像、灌注成像、脑运动皮质功能成像为目前主要的应用领域,多次激发EPI 则在心肌灌注加权成像、腹部快速成像及腹部脏器的灌注加权成像等领域取得进展。

2.MR 对比增强检查

MRI 影像具有良好的组织对比,但正常与异常组织的弛豫时间有较大的重叠,其特异性仍较差。为提高MRI 影像对比度,一方面着眼于选择适当的脉冲序列和成像参数,以更好地反映病变组织的实际大小、程度及病变特征;另一方面则致力于人为地改变组织的MRI 特征性参数,即缩短质子弛豫时间。

MRI 对比剂可克服普通成像序列的限制,能改变组织和病变的弛豫时间,从而提高组织与病变的对比。MRI 对比剂按增强类型可分为阳性对比剂和阴性对比剂;按对比剂在体内分布分为细胞外间隙对比剂、细胞内分布或与细胞结合对比剂、网状内皮细胞向性对比剂和胃肠道磁共振对比剂。

3.血管成像技术

磁共振血管成像(magnetic resonance angiography,MRA)是对血管和血流信号特征显示的一种技术。MRA 作为一种无创伤性的检查,与CT 及常规放射学相比具有特殊的优势:它一般不需使用对比剂,流体的流动即是MRI 成像固有的生理对比剂。流体在MRI 影像上的表现取决于其组织特征、流动速度、流动方向、流动方式及所使用的序列参数。近年来,为提高MRA 的准确性,又推出了对比剂增强的MRA。

4.磁共振电影成像技术

磁共振电影成像(magnetic resonance cine, MRC)技术是利用MRI 快速成像序列对运动脏器实施快速成像,产生一系列运动过程的不同时段(时相)的“静态”图像。将这些“静态”图像对应于脏器的运动过程依次连续显示,即产生了运动脏器的电影图像。MRC 成像不仅具有很好的空间分辨率,更重要的是它具有优良的时间分辨率,对运动脏器的运动功能评价有重要价值。

对于无固定周期运动的脏器,如膝关节、颞颌关节等,其MRC 的方法是将其运动的范围分成若干相等的空间等分,在每一个等分点采集一幅图像,然后将每个空间位置的图像放在一个序列内连续显示即成为关节运动功能的电影图像。

5.磁共振水成像技术

磁共振水成像(MR hydrography)技术主要是利用静态液体具有长T2 弛豫时间的特点。在使用重T2 加权成像技术时,稀胆汁、胰液、尿液、脑脊液、内耳淋巴液、唾液、泪水等流动缓慢或相对静止的液体均呈高信号,而T2 较短的实质器官及流动血液则表现为低信号,从而使含液体的器官显影。MR 水成像技术包括MR 胰胆管成像、MR 泌尿系统成像、MR 椎管成像、MR 内耳成像、MR 涎腺管成像、MR泪道成像及MR 脑室系统成像等。

6.磁共振功能成像

磁共振功能成像(functional MRI,fMRI)是指应用磁共振技术对人体进行的功能进行研究和检测。广义的磁共振功能成像包括扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)、 扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)、灌注加权成像(perfusion weighted imaging,PWI)、血氧合水平依赖成像(blood oxygenation level dependent, BOLD)、磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopy,MRS)等。(https://www.daowen.com)

(1)扩散加权成像 DWI 是利用水分子扩散运动的特性对其进行扩散测量和成像的方法。与以往常规的T1 加权像(T1 weighted imaging,T1WI)、T2 加权像(T2 weighted imaging,T2WI)不同,DWI 使MRI 对人体的研究深入更微观的水平,反映了人体组织的空间结构信息及病理生理状态下各组织成分间水分子交换的功能状态。

扩散是人体生理功能活动中的一种重要物理过程,也是分子的随机运动,即水分子自由扩散(布朗运动)。纯水分子的扩散运动在各个方向上都相同,即各向同性,而在生物体组织结构中,水分子的扩散过程受到多种局部因素的限制,表现为不同方向的扩散度各不相同,即各向异性。而各向异性的大小与介质的物理学特性和限制分子运动的障碍物有关。因此,获得单位体积内水分子扩散的各向异性信息,即可研究生物体的细微解剖结构及功能改变。

DWI 序列的MR 信号衰减程度取决于特定温度和压力下水的扩散能力(扩散系数D)以及扩散敏感系数b。D 值越大,扩散越快;反之,则越慢。b 值越大,扩散权重的程度越大。在DWI 上,分子扩散受许多因素影响(如血流、脑脊液流动和细胞膜等),所以通常采用综合了上述因素的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)来代替D 值。根据不同的b 值可以计算出ADC 图。ADC 图上的信号强度与分子扩散运动能力的大小呈正相关。组织扩散快,信号衰减大,ADC 值高,DWI 上呈低信号,ADC 图上呈高信号;组织扩散慢,则相反。DWI 受T2 值和扩散双重影响,ADC 图不受T2 影响,较DWI 能更真实地反映扩散变化,但受到扩散敏感梯度方向的影响。

(2)扩散张量成像 DTI 是近年来在扩散加权磁共振成像基础上迅速发展起来的磁共振。成像的最新技术是当前唯一能有效观察和追踪脑白质纤维束的非侵袭性检查方法。DTI 基本原理就是利用水分子在有髓鞘的神经纤维中沿着轴突方向的扩散速度远大于垂直方向的扩散,即扩散的各向异性而示踪神经纤维束。各向异性分数(fractional anisotropy,FA)是最常用的各向异性的量化指标,其大小与髓鞘的完整性、纤维致密性及平行性有关,其范围为0 (扩散无方向依赖性)~1 (沿单一方向扩散)。脑白质联合纤维(胼胝体)的FA 值最大,即各向异性程度最高,其次为脑白质的投射纤维(内囊),再次为联合纤维(半卵圆中心)。当各种病变累及白质纤维束的轴突和(或)髓鞘时,受累区域的FA 值会有不同程度的下降。FA 可用向量图及彩色编码的FA 图来表示,其亮度与FA 大小成正比。

扩散张量纤维束成像(diffusion tensor tractography,DTT)又称纤维示踪技术(fiber tractography),是利用扩散张量数据,在活体上三维显示脑白质纤维束的一种无创性成像方法。由于该技术具有显示经纤维和功能束的走行方向和立体形态的能力,因而有助于理解正常脑功能和多种影响脑功能疾病的病理过程。

(3)灌注加权成像 灌注(perfusion)是指血流通过毛细血管网,将携带的氧和营养物质输送给组织细胞的过程。灌注在一定程度上能反映器官和组织的血流动力学状态及其功能情况。由于组织器官的生理性和病理性改变都与其血流灌注变化密切相关,因此监测组织器官的血流灌注变化,能够揭示组织器官的病理过程,从而尽早诊断或对其功能状态进行判断。

PWI 是一种利用磁共振快速成像序列和图像后处理技术来反映血管变化程度和血流灌注情况,提供组织器官血流动力学方面信息的功能性成像方法。目前,PWI 最常采用的方法是经静脉内注射磁共振对比剂后,行快速成像序列成像,获得对比剂首次通过感兴趣区血管床的图像。由于钆对局部组织的磁化率产生影响,增加局部磁场的不均匀,明显缩短T1 和T2 弛豫时间,其中对T2 弛豫时间的缩短影响更大,因此PWI 多采用T2 加权成像。其信号降低程度与组织局部对比剂浓度成正比,能够反映局部组织灌注的血容量情况。PWI 反映毛细血管床内血流分布特征的指标主要包括①容量指标:局部脑血容积(regional cerebral blood volume,rCBV);②速度指标:血液通过组织的平均通过时间(mean transition time, MTT)和局部灌注达峰时间(time to peak,TTP);③流量指标:局部脑血流量(regional cerebral blood flow, rCBF)。随时间变化,局部组织信号下降,得到信号强度-时间曲线,进而得到对比剂浓度-时间曲线,其曲线下的面积反映组织内的脑血容量,即rCBV,通过工作站对各区域rCBV 值进行处理,将其以相应的灰度或色彩显示出来,即所谓rCBV 图;同样还可得到对比剂的rCBF图、MTT 图及TTP 图。

(4)血氧合水平依赖成像 BOLD 成像是应用最广泛的fMRI 技术,主要是利用大脑在执行某项任务或受到某种刺激时,某些脑区神经元的活动增强,引起邻近静脉血和毛细血管床的血流量和血流容量增加,导致局部氧合血红蛋白含量增加,而耗氧量相对增加不明显,使得氧供应和氧消耗之间失衡,导致该区域脱氧血红蛋白含量降低,脱氧血红蛋白作为顺磁性物质,具有明显的T2 缩短效应。因此,在激活状态下,该脑区由于脱氧血红蛋白的减少导致T2 弛豫时间相对延长,MR 信号强度增加,在脑功能图像上表现为高信号。因此,在BOLD-fMRI 成像中,脱氧血红蛋白起到类似内源性对比剂的作用。

BOLD-fMRI 能以较高的时间和空间分辨率实时地显示出大脑特定区域的功能活动情况,使人们能够更客观、更精细、更直接地了解大脑的活动情况,因此在现代科学尤其是神经、认知和心理等科学领域得到广泛的应用,并取得了众多具有突破性的进展。

(5)磁共振波谱分析 MRS 是一种利用磁共振现象和化学位移作用,对一系列特定原子核及其化合物进行定量分析的方法,是目前唯一对人体无损伤性、用于研究活体组织器官代谢和生化变化及化合物定量分析的方法。MRS 实际上就是某种原子的化学位移分布图。其横轴表示化学位移,即频率;纵轴是化合物的信号强度,表示各种具有不同化学位移原子的相对含量。MRS 探测的不同物质的频率差别,以ppm 表示。从某种意义上讲,MRS 是真正的分子成像技术,对一些由于体内代谢物含量改变所致的疾病有一定的诊断价值。

目前,可用于医学领域波谱研究的原子核有1H、31P、13C、19F 等,其中以1H 和31P 应用最为广泛。

1H-MRS 中常用的人脑代谢物的共振峰及意义如下:

N-乙酰天门冬氨酸(NAA):主峰位于2.02 ppm,在正常MRS 中为最高峰。NAA 主要位于神经元及其轴索,被认为是神经元的内标志物。许多脑疾病(炎症、感染、肿瘤、痴呆、胶质增生等)可引起神经元的功能损害而致NAA 下降,NAA 升高少见,仅见于海绵状脑白质营养不良(Canavan)病。

胆碱(Cho):共振峰位于3.22 ppm 处。Cho 包括磷酸胆碱、磷脂酰胆碱和磷酸甘油胆碱,是细胞膜翻转的标志物,在白质中其含量高于灰质。Cho 升高代表细胞膜合成增加或细胞数量增加,见于损伤修复、肿瘤、胶质增生、脱髓鞘等病变。Cho 降低则代表细胞密度下降,见于痴呆、脑卒中、艾滋病等疾病。

肌酸/磷酸肌酸(Cr):共振峰位于3.0 ppm 和3.94 ppm,在正常脑波谱中,是第二或第三高波峰。Cr 是能量利用、储存的重要化合物,标志着细胞的能量状态。婴儿含量低,随年龄而升高;病理性升高见于创伤、高渗状态;降低见于缺氧、卒中、肿瘤等。

乳酸(Lac):共振峰位于1.33~1.35 ppm,为双峰,正常脑组织中不可见。Lac 是糖酵解的终产物。它的出现提示有氧呼吸不再有效进行,当TE 从短TE 变为长TE 时,Lac 峰会发生翻转。脑肿瘤、脓肿、囊肿及梗死时会出现乳酸峰。

肌醇(mI):共振峰位于3.56 ppm 及4.06 ppm。主要为调节渗透压、营养细胞、抗氧化作用及生成表面活性物质,是神经胶质的标志物,其升高被认为是胶质增生的标志。

谷氨酰胺及谷氨酸复合物(Glx):共振峰位于2.2~2.4 ppm(β +γ 峰)及3.6~3.8 ppm(α 峰)。Glx 具有兴奋毒性作用,在脑组织缺血缺氧状态和肝性脑病时增高。

脂质(Lip):共振峰位于0.9~1.3 ppm,正常脑组织中不可见。其升高见于高分级的肿瘤、脓肿、急性炎症、急性卒中等。