合成MRI技术在中枢神经系统疾病中的研究进展 (1).pdf
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1、国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪:409-413合成MRI技术在中枢神经系统疾病中的研究进展董悦,刘远康,成盼盼,徐向阳*【摘要】合成MRI可通过单次扫描获得组织的T1、T2及质子密度值,基于定量数据能够合成多种对比加权影像。目前,合成MRI技术已被广泛应用于中枢神经系统成像,不仅缩短了成像时间,还可通过弛豫时间定量成像、脑组织分割及髓鞘体积测量评估疾病的病理特征,对疾病的诊断、病理生理机制的研究、预后评估具有十分重要的作用。就合成MRI技术成像在脑肿瘤、脑血管病变、脱髓鞘病变、神经退行性疾病、癫痫、Sturge-Weber综合征中的应用进展予以综述。【关键词】合成磁共振成像;中枢
2、神经系统;定量参数;髓鞘;人工智能中图分类号:R74;文献标志码:AResearch progress of synthetic MRI technology in evaluating central nervous systemDONG Yue,LIUYuankang,CHENG Panpan,XU Xiangyang.Department of Radiology,Liyuan Hospital,Tongji Medical College,HuazhongUniversity of Science and Technology,Wuhan 430077,China.Correspond
3、ing author:XU Xiangyang,E-mail:【Abstract】Synthetic MRI can obtain T1,T2relaxation time and proton density values of tissue in a single scan,andcan synthesize multiple contrast-weighted images based on quantitative data.At present,synthetic MRI technology has beenwidely used in central nervous system
4、 imaging,which can not only reduce imaging time,but also evaluate the pathologicalfeatures of the disease through quantitative assessment of relaxation time,brain tissue segmentation,and myelin volumemeasurement.It plays an important role in disease diagnosis,elucidating pathophysiological mechanism
5、s,and prognosticevaluation.This paper comprehensively reviews the remarkable progress made in the application of synthetic MRI acrossvarious conditions including brain tumors,cerebrovascular diseases,demyelinating diseases,neurodegenerative diseases,epilepsy,and Sturge-Weber syndrome.【Keywords】Synth
6、etic magnetic resonance imaging;Central nervous system;Quantitative parameters;Myelin;Artificial intelligence ,23,46(4):409-413作者单位:华中科技大学同济医学院附属梨园医院放射科,武汉430077通信作者:徐向阳,E-mail:*审校者基金项目:国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项项目(2019YFE0196800)DOI:10.19300/j.2023.Z20368综述神经放射学合成MRI是一种多参数定量MRI技术,单次扫描可获得组织的T1、T2、纵向弛
7、豫率(R1)、横向弛豫率(R2)及质子密度(proton density,PD)等定量参数。扫描结束后,合成MRI可生成R1、R2及PD图,采用专用的合成MRI后处理软件可调整重复时间(repetition time,TR)、回波时间(echo time,TE)和反转时间(inversion time,TI)获得不同对比加权影像1。合成MRI较传统MRI成像速度快,不易受线圈敏感度及射频场不均匀性的影响,且诊断效能与传统MRI相当。合成MRI用于中枢神经系统,可实现弛豫时间定量成像、髓鞘体积测量及脑组织分割,已被应用于脑肿瘤、脑血管性疾病、脱髓鞘性疾病、神经退行性疾病、癫痫、Sturge-We
8、ber综合征(Sturge-Weber syndrome,SWS)等疾病的诊断。本文就合成MRI的基本原理及其在中枢神经系统疾病中的应用进展进行综述。1合成 MRI 技术合成MRI技术常用动态多回波(multiple-dynamic,multiple-echo,MDME)序列采集数据,影像采集和后处理主要分为3个部分。(1)数据采集。MDME序列包括2个重复时相:第1个时相,在层409国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪面m施加翻转角为120的饱和脉冲使之饱和;第2个时相,选择另一层面n执行多个回波的快速自旋回波序列采集。通过改变层面m和n的顺序来控制某一层面饱和及采集之间的延迟时间。
9、(2)定量值获取。通过2次回波4次延迟可生成每个成像层面的8幅模数图,通过特定的算法对这些图像中每个像素的信号强度进行最小二乘拟合,能得到T1、T2、R1、R2、PD值,同时生成相应组织参数的定量图。(3)影像合成。根据获取的R1、R2和PD定量图,通过改变TR、TE和TI可以同时获得多种对比加权影像,包括T1WI、T2WI、质子密度加权成像(PDWI)、T1WI液体衰减反转恢复(FLAIR)、T2WI FLAIR、双反转恢复(double inversion recovery,DIR)、相位敏感反转恢复(phase sensitive inversion recovery,PSIR)、PSI
10、R亮血成像、短时反转恢复(short-tau inversionrecovery,STIR)等影像。将合成MRI用于中枢神经系统,基于髓鞘特有的弛豫时间,可实现髓鞘体积测量及脑组织分割。Warntjes等2开发了一种基于合成MRI定量值评估髓鞘的模型,该模型假设MRI影像的每个体素中包括4个部分的体积,即髓鞘、细胞、自由水及脑实质外水的体积,每一部分均有特定的R1、R2及PD值,然后根据髓鞘内及周围细胞内外水之间的磁化交换来计算每个体素中的髓鞘体积分数(myelinvolume fraction,MVF)。研究3-4表明,基于合成MRI生成的MVF与大脑组织切片染色及健康受试者的其他髓鞘成像技
11、术有很好的相关性。与上述髓鞘体积测定方法类似,合成MRI后处理软件可实现对脑灰质、白质、脑脊液的自动分割,继而获取完整的脑实质体积(brain parenchymal volume,BPV)、颅内体积(intracranial volume,ICV)及任一脑组织的定量值。2合成 MRI 技术在中枢神经系统疾病中的应用2.1脑肿瘤胶质瘤是常见的原发性恶性脑肿瘤,具有浸润性,周围常伴组织水肿。常规增强MRI难以鉴别瘤周水肿与肿瘤浸润,而定量T1值能够反映胶质瘤在常规MRI上不可见的瘤周水肿区域的组织变化5。Blystad等6使用合成MRI对19例胶质瘤病人瘤周水肿区域进行定量值测量,结果发现瘤周水
12、肿区域的R1、R2值随着距肿瘤强化边界距离的增加而降低。另一项研究7计算了脑胶质瘤注射对比剂前后的R1差值,发现瘤周水肿区域的R1差值显著高于对侧正常脑白质区域。这种瘤周水肿区域R1值的不均匀分布,可能与肿瘤浸润导致瘤周组织血脑屏障损伤有关,但相关研究缺乏病理对照,其相关性有待进一步验证。此外,通过合成MRI定量参数还可鉴别星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤。异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)是细胞代谢过程中一种关键的酶,其基因突变常见于大部分低级别胶质瘤。IDH突变型星形细胞瘤在T2WI上呈完全或几乎完全均匀的高信号,在FLAIR上呈低信号,不包括肿瘤边缘的高
13、信号,称为T2-FLAIR失配症。T2-FLAIR失配征是鉴别IDH突变型星形细胞瘤与IDH突变型伴染色体臂1p和19q共缺失少突胶质细胞瘤的高度特异性影像指标,但敏感度较低8。Kikuchi等9利用合成MRI定量参数鉴别诊断IDH突变型胶质细胞瘤,研究显示当定量T2值为178 ms时,鉴别星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤的受试者操作特征曲线下面积(AUC)为1.00,诊断敏感度和特异度均达100%,敏感度显著高于T2-FLAIR失配征。脑转移瘤也是成年人常见的颅内肿瘤。增强MRI常用于诊断脑转移瘤。合成MRI通过个性化调整影像参数,可以提高脑转移瘤病灶的对比度。Hagiwara等10研究显示增强后
14、合成T1反转恢复(inversionrecovery,IR)影像上的病灶-脑白质对比度及对比信噪比(contrast to noise ratio,CNR)显著高于增强后传统T1IR,且能识别更多的转移灶。但该研究中合成T1IR是在增强后传统T1IR成像后进行扫描,因此不同增强延迟时间对转移灶显示可能具有一定差异。Kang等11比较了不同增强延迟时间(1、10和20 min)影像上测量的转移灶定量弛豫值和肿瘤体积,结果显示延迟10 min、20 min的R1、R2值和肿瘤体积变化均大于延迟1 min的测量值。因此,推测增强后即刻成像不能完全反映对比剂在组织内的渗漏效应,为增强后合成MRI选择合
15、适的成像时间提供了参考。2.2脑缺血性疾病缺血性脑卒中具有较高的发病率和致死率,明确缺血性脑卒中发病时间对病人的治疗及预后至关重要12。研究13表明,脑缺血病灶在扩散加权成像(DWI)上呈高信号,FLAIR上未见明显高信号改变,DWI-FLAIR不匹配可视为明确脑卒中发病时间在4.5 h内的指标。然而,不同观察者对FLAIR呈稍高信号的视觉评估存在较大差异。合成MRI生成的定量T2值可以反映FLAIR上轻微的信号改变。Duchaussoy等14利用合成MRI研究了52例缺血性脑卒中病人在4.5 h时间窗内病变区域410国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪的定量T2值与发病时间之间的相关
16、性,结果表明定量T2值的差异及比值与缺血性脑卒中发病时间显著相关。由此可见,合成MRI生成的定量T2值可用于筛选FLAIR呈稍高信号的脑卒中病人。Andr等15对比评估了43例缺血性脑卒中病人合成MRI和常规MRI影像,并比较了急性和慢性缺血性脑卒中病变的定量值,结果表明合成T1WI及T2WI影像质量显著高于常规MRI,且T1、T2值能够鉴别急性和慢性缺血性脑卒中。但该研究样本量较小,未来需要更大的样本量去验证。此外,合成MRI还可以筛选急性脑卒中责任血管。Wang等16研究表明合成PSIR亮血成像与CT血管成像对于诊断急性脑卒中病人血管狭窄的效能相当,特别是合成MRI为无创检查,具有更高的临
17、床应用价值。综上,合成MRI可以预测缺血性脑卒中的发病时间,提高影像质量,同时筛选病变血管,对减少病人及社会的医疗负担有重要意义。2.3脱髓鞘性疾病多发性硬化(multiple sclerosis,MS)是一种中枢神经系统的炎性脱髓鞘疾病。MRI在诊断和评估MS治疗反应中起着关键作用。但是,常规MR影像上发现的病灶与临床神经缺损症状相关性差。Hagiwara等17研究表明合成DIR影像中MS斑块的对比度和CNR显著高于常规DIR影像,且合成MRI比常规MRI能检测更多的MS斑块,为临床诊断及评估MS预后提供更多影像学依据。MS的主要病理改变为髓鞘损伤、灰质受累及脑实质萎缩。合成MRI能够进行髓
18、鞘体积测量及脑组织分割,可作为评估MS病人疾病进展的有价值的工具。Saccenti等18研究表明合成MRI生成的MVF与其他髓鞘评估技术磁化传递成像(magnetizationtransfer imaging,MTI)、T1WI/T2WI和径向扩散系数(radial diffusivity,RD)诊断敏感度相当,且合成MRI对评估MS斑块、斑块周围白质的MVF更敏感。Andica等19应用合成MRI评估了复发缓解型MS病人灰质改变与疾病持续时间之间的相关性,结果发现晚期复发缓解型MS病人灰质的髓鞘体积比早期复发病人的减低,且灰质髓鞘体积与病程呈负相关。因此,合成MRI通过评估髓鞘体积能够对MS
19、病人脑微结构损伤进行检测,可用于疾病诊断和预后评估,应用前景广泛。2.4神经退行性疾病神经退行性疾病是神经元结构或功能逐渐丧失而引发的一类疾病。合成MRI通过弛豫时间定量成像、髓鞘体积测量和脑组织分割,能够全面评估脑组织的形态结构、体积、信号变化。鹿娜等20利用合成MRI技术测量和分析了28例帕金森病人和28例健康对照者大脑各组织体积及弛豫值,结果显示帕金森病人的白质体积、白质分数、髓鞘体积、MVF、灰质T1及T2值明显高于正常对照组,而灰质分数、白质T1和脑脊液PD值明显低于正常对照组。Lou等21对18例阿尔茨海默病(lzheimers disease,A)病人和18例健康对照者进行合成M
20、RI,并进行简易智力状态量表(mini-mental sate examination,MMSE)评分,获取皮质或皮质下区域的PD值、T1值、T2值,结果显示AD病人右侧岛叶皮质T1值、T2值及左侧海马区的T2值均显著高于健康对照者,而左侧尾状核的T1值则低于健康对照者;此外,还发现随着AD病人MMSE评分降低,其BPV与ICV均降低,而脑脊液体积、双侧岛叶皮质的T1值和T2值,双侧海马区的T1值均增加。综上,合成MRI能够提供多种定量参数,可以用于神经退行性疾病的诊断,但以上研究均为横断面研究,未来需要纵向研究来验证其在神经退行性疾病进展及预后中的作用。2.5癫痫颞叶内侧癫痫是临床上最常见的
21、难治性癫痫类型之一,常伴海马硬化。常规MRI对于海马硬化的诊断以视觉评估海马体积及信号强度为主。合成MRI通过定量参数,能够反映海马在常规MRI上难以识别的轻微的信号改变。摆玉财等22对30例颞叶内侧癫痫病人及45例健康对照者进行合成MRI扫描,结果显示T1和T2值可以诊断颞叶内侧癫痫的海马硬化,T2值对海马硬化病变的诊断效能最高,AUC为0.899。当T2值为97.67 ms时,诊断海马硬化敏感度、特异度分别为0.8、0.955 6。T2值能够较准确地反映难治性癫痫病人海马硬化的病理特征,以便对难治性癫痫海马硬化病人进行及时的临床管理,但研究样本量较少且缺乏病理对照,需要进一步在大规模的临床
22、研究中验证。2.6SWSSWS是一种罕见的先天性神经皮肤综合征,以颜面和软脑膜血管瘤为主要特征。T2WI上脑白质信号减低为SWS早期诊断线索,这一现象可能是由于髓鞘化加速。合成MRI技术能够反映SWS病人髓鞘相关改变。Hagiwara等23对1例SWS病人进行合成MRI扫描,研究显示患侧脑白质髓鞘体积显著高于健康侧,证实了病变区域髓鞘化加速。Andica等24使用合成MRI评估了14例单侧SWS病人的髓鞘异常,按年龄分为A组2岁(5例)及B组2411国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪岁(9例),结果发现A组3例病人患侧MVF较对侧增高;相比之下,B组9例病人患侧MVF较对侧减低。推测
23、可能原因为不同年龄组的脑白质局部灌注和葡萄糖代谢差异所致。因此合成MRI技术可能有助于SWS的早期诊断,但仍需要进一步研究。3合成 MRI 临床应用的难点在临床环境中合成MRI的应用还面临诸多挑战:(1)在不替换常规MRI序列的前提下添加合成MRI技术会延长总扫描时间。(2)相比于单个常规的MRI序列,合成MRI序列单次扫描时间较长,影像质量只能在原始影像扫描结束后评估,难以及时地发现影像质量问题。(3)合成MRI定量值的计算基于影像中每个像素的信号强度的复杂拟合方程,使用现有软件进行后处理耗时较长(每个病例超过1 min)25。(4)合成FLAIR影像质量低于传统FLAIR。由于脑组织的部分
24、容积效应和脑脊液的流动效应,合成FLAIR影像上常可见高信号的伪影,这种伪影容易被误认为蛛网膜下腔出血或皮质多发性硬化性疾病,因此可能需要额外的常规FLIAR序列来确认诊断。4人工智能(AI)在合成 MRI 中的应用近年来,随着AI技术的快速发展,深度神经网络被广泛应用于医学影像重建、分割和降噪26-27。有研究通过引入不同深度学习方法来提高中枢神经系统成像中合成FLAIR影像质量,如Ryu等28使用带有感知损失函数的卷积神经网络来校正合成FLAIR影像中的伪影;Hagiwara等29使用通过条件生成网络训练来执行像素转换的方法来提高合成FLAIR影像的质量。以上研究提示校正后合成FLAIR影
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