【放射微课堂】动态对比增强磁共振成像扫描方法
动态对比增强（dynamic contrast enhanced, DCE）MRI是一种独特的定量MRI检查技术，可获得多种组织灌注的相关信息，从而发现疾病发生发展过程中细微的病理生理学改变。目前，DCE-MRI技术发展迅速，具有重要的临床价值和广阔的前景，但同时它在成像和分析技术方面也存在许多难点和挑战，包括应用的规范化方面都处于初期阶段。
一个完整的动态对比增强磁共振成像的扫描，主要有两部分组成：T1 mapping序列和动态T1加权序列
定量动态对此增强磁共振成像扫描方案示意图
01
T1 mapping序列
定量DCE-MRI通过钆对比剂在组织内的强化和分布过程，来反映组织灌注与渗透性的血流动力学特性。准确的对比剂浓度信息是计算血流动力学特征的基础，如何把动态对比增强图像中的信号强度信息转化为浓度信息是定量DCE-MRI的关键。这就需要在未注射对比剂时获得图像中每个像素的T1值，然后根据对比剂进入后弛豫率的改变，将信号强化的变化信息和对比剂浓度联系起来。
获取T1 mapping的方法有多种，例如多重复反转恢复时间成像技术（look locker）、多回波时间成像技术（multi-time of echo）和多翻转角（multi-flip angle）T1加权成像技术。前两者需要重复进行多次不同的TR，扫描时间相对较长；而多翻转角技术仅需多次进行不同的反转角，耗时较短，目前大多数的DCE文献都采用这种方法来进行T1 mapping的计算。
通过五个不同的翻转角(通过五个不同的翻转角（3º, 6º, 9º, 12º, 15º）且其他参数相同的图像信息，获得T1 mapping图像
02
动态对比增强序列
DCE-MRI对时间分辨力要求较高，相对于自旋回波（SE）序列，梯度回波序列（GRE）扫描速度快，更适合进行DCE-MRI。目前，广泛应用的是扰相快速梯度回波序列，它对T1弛豫的改变更敏感，有利于显示对比剂所致的弛豫时间变化。
早期，各磁共振设备提供商都发布了基于2D方式的扰相快速梯度回波序列，如GE公司快速扰相梯度回波（fast spoiled gradient recalled echo，FSPGR）序列，西门子公司的快速小角度激发（fast low angle shot,FLASH）序列和飞利浦公司的T1快速场回波（T1 fast field Echo,T1 FFE）序列。随着磁共振成像技术的发展，3D成像方式的时间因素得到解决，为获得高质量的薄层图像，它们又分别推出了基于三维技术的扰相快速梯度回波序列：如GE公司的Fast acquisition with multiphase enhanced GRE（FAME）和用于肝增强扫描的Liver acquisition with volume acceleration（LAVA）序列，西门子公司的Volume interpolated body examination（VIBE）序列和飞利浦公司的T1 high resolution isotropic volume excitation（THRIVE）序列。2D序列由于容易受血流的流入效应、层间的翻转角漂移以及B1场的不均匀性等影响，已经较少用于DCE-MRI扫描。而快速3D序列可以实现大范围的薄层扫描，对血液流入效应不敏感，较少发生层间编码错误，目前被广泛用于DCE-MRI扫描。
随着磁共振扫描序列和不同K空间填充方式的发展，新的快速序列也被应用于动态对比增强扫描，例如西门子的CAIPIRINHA-TWIST-Dixon技术，在保证高时间分辨力的同时也获得极高空间分辨力的图像，能够完成运动器官，如肝、肺等整个脏器的快速扫描。GE也推出了与之相似的序列DISCO，但目前还未在中国上市。
03
动态对比增强序列的参数设置
由于动态数据的自身特点，在进行DCE-MRI扫描的时候，需要考虑以下几个方面的因素来选择合适的参数设置：
1．时间分辨力：是指在连续采集的两个相邻时间点的间隔时间长度，即每采集一帧图像所需要的时间，目前的设备能力通常以秒为单位。时间分辨力越高，采样的频率就越高，所获得的时间信号强度曲线就越平滑，对数据的还原也就越接近真实。
影响时间分辨力的最关键参数就是重复时间（TR），一般来说，在设置DCE序列时，为了获得较高的时间分辨力，TR通常选择最小值；同时，为了尽量减少T2*权重的影响，也会选择设备上能允许的最小回波时间（TE）。对于2D方式一般需要一定的层间距（10%～20%），空间分辨力会受到限制；而3D序列则更有利于进行薄层的无间隔扫描，但是它较2D序列的扫描时间更长。
此外，激励次数（number of excitation，NEX）或信号采集次数（number of acquistions，NA）也是影响时间分辨力的重要因素，增加采集次数虽然有利于减少伪影并提高图像信噪比，但也会延长了扫描时间，降低DCE的时间分辨力。这样，DCE序列的NEX往往是1。
时间分辨力对于DCE来说是至关重要的指标，不同的时间分辨力会影响Tofts模型定量参数结果的可靠性，如要保证定量参数的误差控制在10%以内，需要动脉输入函数（AIF）采样时间分辨力小于1s，而对于组织的增强信号的采样时间分辨力要小于4s。但是，不同的检查部位和研究目的，时间分辨力的要求也不尽相同。例如，Othman的研究显示仅需10s/帧的时间分辨力，DCE的药代动力学参数就可以区分前列腺的良恶性病变。此外，不同模型对于动态数据时间分辨力的要求也不相同，例如，交换模型(exchange model)的时间分辨力要达到2s/帧，而参考模型(reference model)由于其不需要选择血管作为动脉输入函数，因此对时间分辨力的要求大大降低。
2．空间分辨力: 是指图像对细微结构的分辨能力，它取决于所成像体素的大小，体素越小则空间分辨力越高。
体素的大小，其中一个影响因素是层面内即视野除以矩阵数目的比，视野的选择更多要考虑成像部位和病变的大小，在不产生卷褶伪影和完全包括病变的前提下，视野越小越有利于病变的显示和空间分辨力的提高。而在确定视野后，矩阵越大，成像体素越小，图像层面内的空间分辨力越高。但是由于频率编码和相位编码对于扫描时间的影响不同，相位编码的提高也同时会降低扫描时间，因此对于矩阵大小的选择，相位编码数通常都小于频率编码数。影响体素大小的另一个因素是层厚，层厚越薄，图像在层面方向的空间分辨力越高。层厚的选择更多要考虑病变大小的情况，小病灶则需要更薄的层厚，而薄层无间隔扫描则是3D序列的优势。
和其他磁共振序列一样，DCE序列的空间分辨力和时间分辨力在一定程度上也存在着矛盾，当空间分辨力提高时，时间分辨力必然下降。由于时间分辨力对于DCE更为重要，因此，大多数的DCE扫描会更多地考虑时间分辨力的要求，而空间分辨力只需能够清楚显示病变的强化程度即可。
3．图像的对比噪声比：它是指病变与背景组织信号差别和噪声之间的比值，相对于信噪比，它是评价显示病变能力的更直接指标。
绝大部分DCE-MRI所采用的扰相快速梯度回波序列，具有突出显示组织间的T1对比的优势。而翻转角的选择，不仅影响图像的权重，也与对比剂的显示有关。一般来说，小的翻转角（＜5º）对较低浓度对比剂更敏感，但是相对信号变化的范围有限；当增大翻转角度后（10º～30º），翻转角有了更大的变化范围，可以观察更大范围的对比剂浓度变化。而2D序列与3D序列的翻转角选取策略也有所不同。对于2D序列，较大的翻转角会增加血液的流入效应，从而影响动脉输入函数（AIF）的准确性，因此反转角一般选择小于15º；而对于3D序列，较大的翻转角可以抑制血流的流入效应，因此，3D序列一般选择30º～60º的翻转角。
4．总扫描时间： DCE动态扫描总的时间长度对定量参数也有很大影响，不同模型对于扫描时长的要求也不一样。例如，Patlak模型的假设条件为对比剂从血管流入细胞间隙的过程，不考虑对比剂的回流。因此，它的数据只需要包含对比剂的首过过程（first pass），60～90s就已足够。而Tofts等双室模型，要考虑对比剂回流，此时间段的信号变化还没有达到稳态，则需更长的采集时间。Tofts模型要求扫描时间大于10分钟即对比剂流动达到稳态以后，才能保证所获得的ve值的准确性。但是，扫描时间过长也会造成病人的运动伪影增加，实际临床工作中也可能缩短扫描时间，少有研究会用到10分钟的扫描时间。
04
动态对比增强扫描中的注意事项
1．T1 mapping序列的矩阵大小、视野要与动态扫描序列保持一致。如采用多翻转角T1 mapping技术进行，则最好使用同一序列类型。
2．体部脏器，如肝、肺等，容易受呼吸以及心脏搏动的影响，动态扫描可能由于运动伪影而无法分析或定量结果出现错误。因此，应适当控制呼吸的影响，推荐在动脉期进行屏气扫描，之后采用浅呼吸进行；或者采用屏气-呼吸循环方式来完成整个扫描。这需要扫描前对病人进行很好的呼吸训练。此外，运动器官的扫描数据一般应先配准再进行计算。
3．获得DCE数据时，一般选择在动态扫描后的第3～5个时相再开始进行对比剂注射，增强前的扫描可作为参考基准。
4．为保证时间分辨力，可以通过减少扫描层数来提高扫描速度，尤其是对于3D采集方式。
5．对于支持多通道并行采集（SENSE，SMASH等）或者新的多层面采集技术的设备，推荐采用并行采集或者多层面采集方式，但是加速因子不宜选择太高，以免信噪比过低。
资料来源：本文内容来自《动态对比增强磁共振成像》，更多详细内容欢迎阅读原书。