【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】氣體交換是肺部最重要的生理功能。慢阻肺、哮喘、間質(zhì)性肺疾病等肺部重大疾病都會(huì)導(dǎo)致肺部氣體交換功能異常。傳統(tǒng)臨床影像技術(shù)(如CT、ECT、MRI等)難以對(duì)肺部氣體交換功能進(jìn)行精準(zhǔn)檢測。超極化129Xe肺部氣體MRI技術(shù)，利用自旋交換激光光泵技術(shù)將129Xe氣體的MRI信號(hào)增強(qiáng)10000倍以上，并將其作為對(duì)比劑經(jīng)口吸入肺部進(jìn)行成像，解決了傳統(tǒng)MRI因肺部質(zhì)子密度低(信號(hào)強(qiáng)度約為其余正常實(shí)質(zhì)性組織1/1000)而不能成像的難題，彌補(bǔ)了當(dāng)前肺部影像技術(shù)無法對(duì)肺部氣體交換功能進(jìn)行成像的不足。該技術(shù)能夠定量、可視化地評(píng)估肺通氣功能、肺泡微結(jié)構(gòu)和氣血交換功能，并被廣泛用于肺部重大疾病導(dǎo)致的肺損傷定量評(píng)估。129Xe肺部氣體MRI通常需要患者吸入氣體后屏氣進(jìn)行成像，而肺部疾病患者通常難以長時(shí)間屏氣，如何快速實(shí)現(xiàn)高分辨成像是其臨床廣泛應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一。
 

　　近日，精密測量院周欣研究團(tuán)隊(duì)提出了基于Zigzag編碼的超快129Xe氣體MRI成像方法。僅需3.5秒！就能實(shí)現(xiàn)肺部通氣功能的高分辨成像，已經(jīng)應(yīng)用于COVID-19患者出院后肺通氣功能定量可視化評(píng)估。相關(guān)研究成果在《醫(yī)學(xué)磁共振》(Magnetic Resonance in Medicine)上發(fā)表，并被選為當(dāng)期封面。
 

《醫(yī)學(xué)磁共振》封面
 

　　通過在相位編碼方向施加鋸齒形梯度，實(shí)現(xiàn)了快速肺部高分辨通氣功能成像。圖1展示了本研究提出的三維梯度回波(3D GRE)序列中Zigzag編碼軌跡的示意圖，根據(jù)不同的加速需求，可選擇在單方向或多個(gè)方向施加鋸齒形梯度。
 

　　(A)傳統(tǒng)3D GRE、(B)3D GRE-zigzag-Y(R=4)和(C)3D GRE-zigzag-YZ(R=4×4)的脈沖序列圖和對(duì)應(yīng)的k空間軌跡
 

　　基于Zigzag編碼的129Xe氣體MRI超快成像技術(shù)獲得的肺部通氣功能影像與常規(guī)bSSFP序列獲得的通氣功能影像質(zhì)量相當(dāng)(采用相同分辨率時(shí))，且可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集時(shí)間縮短約一半情況下，將圖像分辨率提高約10倍。該方法能夠在5.5秒內(nèi)獲得分辨率為2.5×2.5×2.5 mm³的肺部通氣功能圖像；而當(dāng)分辨率為3×3×3 mm3時(shí)，圖像的采集時(shí)間可進(jìn)一步縮短至3.5秒。圖2展示了通過bSSFP序列(采集時(shí)間10.2秒)和本研究中提出的快速成像方法(采集時(shí)間5.5秒)獲得的肺部通氣功能圖像對(duì)比。與bSSFP相比，使用本研究提出的快速成像方法得到的肺部影像能夠觀察到更多通氣異常區(qū)域的細(xì)節(jié)。
 

　　基于常規(guī)bSSFP和本研究提出的成像方法獲得的COVID-19出院患者的肺通氣功能影像
 

　　藍(lán)色、黃色和紅色箭頭代表肺通氣缺損
 

　　圖3展示了基于bSSFP序列與本研究提出的方法獲得的健康志愿者和COVID-19出院患者的相近層面的通氣聚類分布圖(通氣缺損、低信號(hào)、中強(qiáng)信號(hào)、中高信號(hào)和高信號(hào)區(qū)域分別用紅色、黃色、綠色、藍(lán)色和深藍(lán)色標(biāo)記)。兩種方法獲得的通氣缺損百分比(VDP)在健康組和COVID-19組均無顯著差異，其中在健康組中基于bSSFP和Zigzag編碼方法獲得的VDP分別為1.27±0.58%和1.24±0.54%；COVID-19出院患者組中分別為6.93±2.72%和7.06± 2.85%。
 

　　基于常規(guī)bSSFP 和本研究提出的方法獲得的健康志愿者和COVID-19出院患者的典型通氣功能圖像和聚類圖
 

　　圖4展示了健康志愿者和COVID-19出院患者的典型通氣功能影像(空間分辨率為2.5 ×2.5×2.5 mm3)，不論是在橫斷面還是冠狀面均具有良好的成像效果。該健康志愿者和出院COVID-19患者的VDP分別為0.73%和7.12%。
 

健康受試者和COVID-19出院患者的典型高分辨通氣功能圖像
 

　　綜上，本研究提出的肺部超快129Xe氣體MRI方法，在3.5秒內(nèi)可獲得肺部通氣功能高分辨影像(3×3×3 mm³)；在5.5秒內(nèi)獲得當(dāng)前最高分辨率的通氣功能影像(2.5×2.5×2.5 mm³)，能夠有效、可視化地定量評(píng)估COVID-19出院患者的通氣功能。該方法在臨床上對(duì)屏氣功能受限患者的通氣功能定量可視化評(píng)估具有很高的應(yīng)用潛力和價(jià)值。
 

　　該研究成果以“Rapid Pulmonary 129Xe Ventilation MRI of Discharged COVID-19 Patients with Zigzag Sampling”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Magnetic Resonance in Medicine上。精密測量院博士生方媛和青年研究員李海東(青促會(huì)會(huì)員)為文章共同第一作者，研究員周欣為通訊作者。
 

　　該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。