PaperWeekly-022: 一个让一切皆有可能的技术- 磁共振指纹成像

期刊影响力：

Journal Name: European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging

Journal Impact: 中科院1区，7.081分

1、背景：

目前最先进的磁共振成像（MRI）主要是一种定性的技术。放射科医生审查多个加权图像，如T1、T2和FLAIR（流体衰减反转恢复），以确定信号强度的异常空间变化，从而得出诊断。即使是定量技术，如扩散或灌注，在日常工作中也是以定性或半定量的方式进行解释。磁共振指纹（MRF）是一种定量的MRI技术，为数据采集、处理、可视化和解释提供了一个新的框架。MRF序列提供了一种独特的能力，可以快速和同时测量多种组织属性，如T1、T2、M0、ADC和T2*。以前的弛豫测量方法受限于长扫描时间，缺乏多参数测量能力，分辨率有限，并且没有找到重要的临床应用[1-8]。MRF通过其独特的采集模式规避了这一障碍，它允许在完美的共轭定量组织图中同时测量多种组织特性。本文将详细概述转化/临床应用，然后是MRF的关键技术方面，包括最近的进展。最后，我们将简要讨论未来的方向，包括新兴的研究领域和需要克服的挑战，以便成功地将MRF转化为临床实践。

2、工作原理：

MRF框架包括一个序列设计，允许采集参数的伪随机变化，以便在一次采集中测量多种组织特性。MRF依靠的原则是，每个组织类型对给定的输入序列都有独特的信号反应，这取决于其物理、化学和生物特性。如图1所示，MRF采集的整个过程可分为信号采集、字典生成和模式匹配等步骤。

图1: MRF框架的概述。(a)显示了一个高度欠采样的脉冲序列，其中包括TR、FA、切片选择梯度和K空间轨迹等参数在每个重复中都会变化。(b) 从所有感兴趣的属性的每个组合中模拟出一个信号字典。(C) 在(A)中获得的脉冲序列信号与(B)中的字典相匹配。进行模式匹配，将每个体素分配到最接近其相应属性值的字典条目中。对每个体素重复这一过程以产生参数图。

• 信号采集:

与传统的MRI不同，在MRF中，采集参数在整个扫描过程中被视为常量，而在MRF中，扫描参数如射频翻转角（FA）、重复时间（TR）和K空间采样轨迹随着时间不断变化。这种设计提供了一个机会，只要产生足够的信噪比，就可以产生无限多的序列设计，以供进一步分析。MRF采集利用K空间采样轨迹，在给定的时间点对图像进行明显的低采样，从而减少整体采集时间。常用的轨迹模式包括螺旋、笛卡尔、回波平面成像（EPI）和径向轨迹。在匹配过程中，欠采样伪影最终被丢弃，以生成无伪影的参数图。最初的MRF序列采用反转恢复平衡稳态自由步进（IR-SSFP）设计，测量组织T1、T2和静场（B0）不均匀性。随后提出了一些序列设计，以减少伪影或测量其他组织属性，如T1、T2、T2*或组织灌注。MRF也被用于测量其他组织特性，如脂肪水分离、动脉自旋标记、血流、磁化转移、化学交换饱和转移（CEST），以及用基于MRF的光谱测量组织代谢物。MRF采集可以以二维（单片）、同步多片（SMS）或三维容积采集的方式进行。各种加速技术已被用于减少二维和三维序列的扫描时间，最近的方法是使用平行成像和机器学习技术的组合，在7分钟内获得1mm3各向同性分辨率的全脑MRF扫描。MRF采集也被重新设计，以模仿旋律的频率产生声音，而不是梯度切换时产生的典型声音。

• 字典生成和模式匹配:

MRF字典是一个信号演化的集合，使用Bloch方程生成，以模拟在生理范围内可以测量的所有可能的组织属性。字典对每个MRF序列设计都是唯一的，可以对多个受试者一次性生成，或者当受试者特定参数（如心脏成像中的心率）用于生成字典时，对每个扫描的受试者都是唯一的。当字典包括多个参数并具有更广泛的测量范围和/或更小的步长时，字典的总体大小会更大。在模式匹配中，在MRF采集过程中产生的每个基于体素的信号演变与已知信号反应的字典进行比较，以找到最接近的匹配。用于生成该字典条目的T1和T2值被分配给该体素。对每个体素重复这一过程，以生成每个切片的完全核心配对的定量图。使用非均匀快速傅里叶变换等技术重建未采样的MRF原始数据，以生成准确的组织属性图。

3、MRF技术验证:

在MRF用于临床之前，它需要通过使用模型和体内研究对已知的测量进行验证。标准化的模型是广泛可用的，尽管它们并不密切模拟在体内发现的T1/T2比率。除了验证，MRF的结果需要证明在多个机构研究中的可重复性和再现性。一些初步研究已经在一定程度上证明了这一点，在水膜和体内。Ma等人使用ISMRM/NIST MRI模型和志愿者连续五天重复测量，证明了与参考测量相比，R2>0.99的高度准确性和平均年龄CV为4.3%的重复性。Panda等人对18名参与者进行了一项乳房MRF研究，他们测量了不同时间和不同扫描仪的MRF测量的重复性。T1和T2的测量结果与之前文献中报道的相似。该研究还表明，与ADC相比，MRF测量可能对检测月经周期中组织特性的生理变化更加敏感。Körzdörfer等人进行了一项广泛的研究，使用了10名健康志愿者，他们在4个不同的地点用10台不同的扫描仪进行了为期1年的扫描。不同脑区的T1和T2值显示总体差异在1.8和20.9%之间，与脑脊液相比，固体组织的差异较小。10台扫描仪的相对偏差的置信区间半宽为：平均T1为3.4%，平均T2为8.0%，而扫描仪内的数值为：T1为2.0-3.1%，T2为3.1-7.9%。Buonincontri等人的类似研究在两个不同的医院中心用两台3.0T和三台1.5T MRI系统扫描了九个健康志愿者的大脑。他们证明了重复性，T1的变异系数为2-3%，T2为5-8%，归一化M0为3%。还证明了公平的可重复性，T1的变异系数为3-8%，T2为8-14%，归一化M0为5%。许多研究表明，与T1相比，T2测量的变异较大，特别是在体内实验中，有几个原因可能导致这些结果。由于体内T2的动态范围相对较小，MRF序列对T2的稳定性可能较差。T2对混杂因素（如B0、B1和扩散）也更敏感。这些影响可以通过各种步骤来缓解，如序列优化、B1校正和开发精细的信号模型，需要进一步研究。

4、临床/转化应用：

• 神经系统:

MRI是评估中枢神经系统肿瘤的首选成像技术，用于诊断和治疗监测。先进的成像技术，如灌注、渗透、扩散、扩散张量成像和波谱学，可作为解决挑战性问题的工具。传统MR图像的放射组学/纹理分析在肿瘤定性、生存预测和放射基因组学相关方面表现出巨大的前景；然而，该技术存在一些限制，包括缺乏标准化和可重复性差。现在需要一种快速、强大的定量成像标记，可用于脑瘤的评估。在一项初步研究中，Badve等人通过SSFP-MRF技术为新诊断的轴内脑瘤患者获得了T1和T2图。利用T1和T2图，从实体瘤和周围白质成分的一阶统计中，利用这些图来区分低级别胶质瘤、高级别胶质瘤和转移瘤。这项研究表明MRF在肿瘤分化方面的能力不大。然而，在随后基于相同数据的研究中，作者发现，当使用放射组学分析时，各种肿瘤类型的分化明显改善。这项研究还证明了基于MRF的纹理特征在预测胶质母细胞瘤队列中患者生存率方面的效用。虽然这些最初的研究利用了单层MRF数据进行分析，但使用3D MRF采集和放射学分析的初步数据支持了最初的发现。Haubold等人利用18F-FET PET-MRI和MRF的组合，除了评估30名患者的突变状态外，还评估了高等级和低等级胶质瘤的区分。虽然低级和高级胶质瘤的分化AUC在0.57和0.726之间，但对突变状态的评估显示出特别重要的结果。MRF图谱对1p19q（AUC为0.978）、IDH1（AUC为0.786）和ATRX突变（AUC为0.83）的分类有帮助。在儿科人群中的初步应用也证明了MRF区分肿瘤等级和组织类型的能力。

之前的弛豫测量法研究一直表明，随着年龄的增长，大脑中的T1和T2值会发生变化。在婴儿期和儿童早期，T1和T2会下降，这主要是由髓鞘化驱动。在另一端，T1和T2值随着年龄的增长而增加，在几十年后，这主要是由于水含量的增加、脱髓鞘和胶质增生。Badve等人使用MRF测量弛豫仪观察了56名健康志愿者从11岁到71岁的MRF图谱中常见的与年龄有关的变化。在额叶白质区和深灰核中突出了一些与年龄有关的显著差异。在颞区、小脑和盆地也注意到了性别差异。观察到的弛豫趋势与神经解剖学和神经生物学的传统理解以及已发表的文献一致。Chen等人对一个较年轻的受试者群体进行了类似的分析，以评估健康受试者的大脑发育。共有28名2个月至5岁的健康儿童接受了SSFP-MRF扫描。测量了T1、T2和髓鞘含量的差异，以观察正常大脑发育的影响。随着年龄的增长，T1和T2呈对数下降，而在6个月后，髓鞘水的比例有所增加。

鉴于MRF能够产生高分辨率的成像，并能改善组织特征，MRF在癫痫成像中表现出潜在的效用。Liao等人观察到，与健康患者相比，中颞叶癫痫患者的海马硬化症的T1和T2值更高。他们进一步比较了MRF与常规MRI评估在33个内侧颞叶癫痫患者中检测海马硬化的情况。他们的结果显示，2.5分钟的MRF扫描在识别硬化方面优于常规检查。Ma等人以0.6 mm3的各向同性分辨率，13.5分钟的采集时间进行了类似的分析，表明MRF能够识别15个致痫性病变中的15个，而常规MRI识别15个病变中的11个。

• 心脏:

心血管MRI提供了心脏软组织结构和功能的高细节成像数据，能够勾勒出纤维化、水肿、炎症、损伤和先天性心脏病等病变。虽然心脏MRI很少被用作一线诊断工具，但它提供了一种无辐射的成像方法，可用于重复评估各种心脏病变。由于心脏的动态特性和与定量方法相关的较长的采集时间，典型的定量MRI技术不足以用于心脏评估。目前的定量方法如MOLLI只提取T1图，而MRF能够通过一次扫描获得T1、T2和非共振（M0）图。由于原始的MRF方法无法解释很大程度的心脏和呼吸运动，Hamilton等人提出了一个改良的MRF序列，该序列由EKG波形触发，在一次屏气中产生心肌的T1、T2和M0图。使用这种方法对健康志愿者进行的MRF扫描产生了准确的T1和T2测量值，在一定的心率范围内保持稳健。在随后的研究中，Hamilton等人通过对混杂变量的调查评估了心脏MRF的准确性和精确度。他们的结果表明，具有不同翻转角、TR和准备脉冲的脉冲序列会导致切片轮廓、反转和T2准备脉冲效率以及B1+的变化。他们的工作表明，通过减少混杂变量的影响，可以优化MRF脉冲序列以显著提高准确性和精确度，不同序列的均方根误差从4.8%到高达69.4%。Liu等人改变了原始的MRF方法，利用玫瑰花形轨迹来改善水-脂肪分离。Rosette心脏MRF图允许显著的脂肪抑制，可用于诊断与脂肪有关的心脏疾病。心脏MRF的第一个临床应用是在非缺血性心肌病患者身上。虽然研究还在进行中，但初步数据表明MRF和传统成像的图像质量和松弛度值相似，同时也减少了扫描和处理时间。Coristine等人评估了一小批心脏移植患者的心脏移植排斥反应。初步研究显示，心脏MRF能够减少扫描时间，并产生已经注册的地图，其准确性和精确度与传统方法相似。

图2: 使用前 4、8、12 和 16 次心跳的图像重建的 T1、T2 和 M0 图谱获取超过 16 次心跳的心脏 MRF 数据。

• 乳腺:

乳房成像通常是通过乳房X光检查或超声检查进行的；通过MRI可以实现对乳房病理的额外描述。Chen等人利用3D MRF评估了15名健康女性受试者和14名患有已知乳腺癌的男性受试者的乳房。他们的方法得到了验证，准确比较了来自幻影的结果，T1和T2值的平均百分比差异分别为7.8%±4.6和2.6%±1.8。这项初步研究表明，T1和T2松弛时间的潜在差异与潜在的病理学有直接关系。Panda等人的另一项研究表明，三维乳腺MRF在不同的时间点和扫描仪上具有准确的可重复性，使其在临床上具有可行性。对于测试-重复扫描，对象间变异系数为7-17%，对象内变异系数<7%，T2测量的变异更大。

• 前列腺:

Panda等人和Yu等人通过T1、T2和ADC图对周边区前列腺腺癌和前列腺炎的特征进行了评估。他们分析了100多名腺癌和前列腺炎患者的数据，证明了联合MRF和ADC参数区分正常周边区前列腺组织和前列腺癌的能力，AUC为0.99。他们还发现，ADC和T2参数能够区分高级或中级肿瘤和低级肿瘤。Panda等人随后发表的论文对67名男性的过渡区病变进行了类似分析。他们的分析发现，T1、T2和ADC参数的组合可用于区分正常过渡区和癌症，AUC为0.94。他们进一步分析了有临床意义的和无意义的病变之间的区别，发现T1能够提供适当的区分，AUC约为0.8。Shiradkar等人最近的一项研究将MRF与前列腺癌和前列腺炎的组织病理学相关联。T2和ADC测量值与国际泌尿外科病理学会（ISUP）的预后组之间存在负相关。周边区T2 MRF参数和过渡区T1参数与前列腺癌的组织病理学密切相关。

• 其他:

由于需要憋气、脂肪饱和度高、扫描时间长以及运动伪影倾向增加，腹部MRI成像具有挑战性。MRF为当前的挑战提供了一个有希望的改变。在Chen等人的一项研究中，对14名有肝脏病变和无肝脏病变的患者进行了MRF。通过使用二维快速成像与稳态自由步进（FISP），而不是典型的反转恢复平衡稳态自由步进（BSSFP），扫描时间明显减少。T1、T2和B1图的采集是在19秒的屏气状态下进行的，与文献中的测量结果相比，具有一致性。转移性腺癌的T1和T2值与正常肝脏组织相比有明显差异。长达19s的屏气是本研究中的一个限制因素，许多病人在身体上无法做到。Jaubert等人通过开发一个需要14秒屏气的九回波肝脏MRF序列来解决这个问题。这项最初的研究是一个概念验证，他们未来的工作将尝试在肝脏病变的病人身上采用类似的方法。Cloos等人的概念验证研究评估了一种即插即用的MRF（PnP-MRF）方法，通过自我校准获得PD、T1和T2参数图，在一系列实验条件下无需微调。作者强调了这种方法在保持快速扫描时间的同时扫描近金属硬件的好处。这对于评估与植入物有关的病变，如手术后的疼痛或植入物的故障尤为重要。

5、未来发展方向：

近年来，MRF取得了重大进展，提高了整个身体成像的准确性、精确度和效率。为了使MRF作为一种定量生物标志物被进一步用于临床，机会仍然存在。

MRF序列优化可以大大减少所有的扫描时间，同时提高T1和T2的准确性，这仍然是未来MRF研究的主流。将应用范围扩大到各种疾病状态和器官系统将是评估该技术更广泛作用的必要条件。与任何定量成像生物标志物一样，未来的研究工作应着重于评估技术验证、生物/临床验证和MRF的成本效益。随着新的应用的确定，需要通过假设驱动的研究和多机构环境下的临床试验进行测试，以成功转化为临床实践。

随着MRF在不同机构和研究小组中的效用越来越大，标准化的报告对于研究之间的比较是必要的。Poorman等人提出了一个统一的图表布局，包括脉冲序列图、参数图和采样模式细节。方法学指标，如计算时间、内存要求、计算机规格和其他细节，需要报告和公开分享。同样，结果也可以用统一的颜色图来系统地显示。

6、结论：

磁共振指纹是一种定量的磁共振技术，能够同时产生多个高质量的组织属性图。采集序列与参数的伪随机变化、字典匹配和独特的重建方法的独特组合允许在较短的扫描时间内对多种组织属性进行精确的量化。初步研究已经证明，在脑部成像、心脏成像、乳腺成像等领域有很好的效果。对技术和生物验证的进一步研究将使该技术能够弥合转化差距并在临床实践中找到自己的位置。