肺功能成像：猪肺的傅里叶分解磁共振成像和SPECTCT成像的定性比较

肺功能成像：猪肺的傅里叶分解磁共振成像和SPECT/CT成像的定性比较【目的】在动物实验中，比较肺通气加权（VW）和灌注加权（QW）的傅里叶分解磁共振（MR）成像与作为临床参考标准的单光子发射式计算机断层仪（SPECT）/计算机断层显像（CT）成像。【材料和方法】此项研究已得到当地动物保护委员会批准。实验中用1.5T MRI和SPECT/CT对七只麻醉处理后的猪的肺通气和肺灌注情况进行了评估。时间分辨傅里叶分解磁共振成像中使用未触发的二维平衡稳态自由进动序列获得了一系列肺部图像（重复时间1.9毫秒；回波时间0.8毫秒；每帧采集时间118毫秒；采集率3.33帧/秒；翻转角75；截面厚度12mm；采集矩阵128128）。呼吸位移经非刚性图像配准校正。经过对脑组织中的信号强度进行傅里叶分解像素级别的分析，从而分离出因呼吸和血流量周期性改变而引起的质子密度的周期性变化。将代表呼吸与心率的谱线进行整合，从而可计算出VW和QW图像。通气与灌注SPECT成像是通过吸入分散的锝-99m (99mTc) 和注射99mTc标记的大颗粒聚合人血清蛋白得到。FD MRI与SPECT数据由2位达成共识的医师各自独立分析得到的。同质性与病理信号变化分别由区域统计分析而得出。【结果】运用FD MRI与SPECT技术从健康动物实验中得到的图像分别表明了VW、QW图像与肺通气、肺灌注的分布的一致性。相似地，FD MRI与SPECT均观察到了动物的通气与灌注的重力依赖的信号分布。另外这两种模式均能显示出通气与灌注的病变信息。【结论】此项动物实验表明在评估局部肺通气与肺灌注方面，无媒介无辐射的FD MRI与传统SPECT/CT技术相比，二者具有一致性。北美放射学会（RSNA），2011补充材料：/lookup/suppl/doi:10.1148/radiol./-/DC1肺通过交替的通气和灌注进行气体交换。许多疾病如肺功能受损，以及对治疗反应的监测都是采用专门的成像技术，因为肺活量测定方法可能无法单方面描绘出功能上的变化（1）。平面显像和单光子发射计算机断层显像（SPECT）以放射性标记的示踪剂为基础进行三维成像，是一个广泛接受的肺灌注和通气的临床测量标准（2,3）。核成像方式的主要缺点是空间和时间分辨率比较差。通气评估是吸入氙气（4,5）后，通过计算机断层扫描（CT）灌注成像，并使用双能碘增强CT（6）提供高的空间分辨率，但这项检查是在电离辐射下进行的，限制了儿童和低龄段成人的后续检查次数。尽管磁共振（MR）成像是一项众所周知的物理技术，低质子密度组织的可视化存在困难，但它为专门评价肺生理学状况提供了广阔的频谱相对法。基于非质子的肺癌磁共振成像通过病人吸入作为示踪剂的极化气体（氦3，氙129），得到高质量的通气的图像（7,8）。然而，临床常规应用的磁共振成像的气体和硬件的成本高，人员需要训练等问题使其可用性很有限。基于其他方法的质子磁共振成像使用缩短示踪时间的顺磁性T1造影剂来增强肺部的MR信号：雾化的氧和钆螯合物利于MR和磁共振成像（9,10）。使用动态对比示踪材料或顺磁性对比剂可增强磁共振成像，灌注测量可以运用这项技术完成。这种方法提供了高空间和时间分辨率，并能估计各种血流动力学参数（11）。然而，注射钆的造影剂会引起某些相关的罕见病症，如严重的过敏反应或存在潜在的肾系统纤维化的风险。作为一种替代动脉自旋标记灌注测量技术，可在血液中使用水的质子作为一种内源性的造影剂。但结果会导致信噪比低，时间分辨率不高以及信号的快速衰变（13）。近日，平扫傅立叶分解（FD）技术的磁共振成像技术正在研究中，有人提议通过一个单一的非门MR图像系列（14-16）获得区域肺灌注和通气相关信息。该技术是利用肺部组织生理过程中某些区域MR信号强度的变化来成像的。在吸气时，肺容积增大，而实组织密度和信号强度降低。在呼气相时则会相反。肺组织MR信号强度也受到心脏循环调制。在收缩期中获得的图像的信号强度较少，在舒张期则相反，因为在收缩期时血液速度快，导致MR信号（17）的相移。呼吸的两个生理流程分别对应不同频率，并与光谱时间分辨率相关，通过相关的数据可生成通气加权（VW）和灌注加权（QW）图像（16）。 FD磁共振通过使用一个平衡的稳态获得无差脉冲序列从而获得来自快速自由呼吸的图像，会有非刚性图像配准用于呼吸补偿。MR谱只受到单独的呼吸和心脏信号的调制。因此，一次检测就可以得到VW和QW的数据。这项研究的目的是比较基于FD磁共振成像技术的平扫肺VW和QW图像与基础临床参考标准的SPECT /CT的图像。材料和方法：动物准备这些实验的协议由教育部研究，得到了农业、环境和农业地区（德国基尔）批准，符合动物保护法。实验中共选用了七只成熟健康的母猪，平均体重（40 - 45公斤），用磁共振成像和SPECT / CT评估区域肺灌注和通气。这些猪在整个实验过程中保持全身麻醉，并被固定为仰卧位然后进行气管插管。呼吸完全依靠呼吸机完成。所有功能成像是在持续的、可控的通气机器中进行并连续监测心率。实验完成后，对动物处以安乐死。成像过程实验的第一部分是使用1.5T全身MR成像仪（Magnetom Avanto，西门子，Healthcare Sector, Erlangen, 德国），峰值梯度幅值45mT/m，最大的回转速率200T/m/s。对身体使用大小为12的组合频率，对脊椎用24的频率。这些方式用于评估FD MR灌注和通气系统的成像，对胸腔进行一系列冠状图像的采集与二维横截面时间分辨的无差脉冲稳态序列分析。序列参数列于表1。进一步的技术详情见鲍曼等人（16）的研究，载于附录E1（在线）。然后这些动物被移到SPECT /CT系统（Symbia T，西门子，医疗保健部门）后直接进行MR检查。实验之间的时间间隔大约是1个小时。 SPECT / CT系统包括双头可变角摄像头和一个单螺旋CT。成像中将锝99m（99m锝） - 标记的碳（Technegas; Cyclomedica萨尔茨吉特，德国）在蒸发器中进行蒸发，并且让动物呼吸蒸发器中的标记物，这些均在通气机器中完成。大部分应用的是活性物质，没有吸附在肺中的锝的生物半衰期为135小时（18），完全能满足灌注显像的要求。然而，只有一小部分（约12.5）的活新物质被肺部吸附。因此，活动静脉注射示踪比一到两个程度的吸入示踪（19）更容易实现。灌注显像中，静脉注射99m锝来标记大颗粒聚合人血白蛋白。在自由呼吸时的衰减校正中用CT进行检查。在吸气和呼气时进行形态学的CT成像。 SPECT / CT成像参数列于表2。图像的后期处理与FD所有时间分辨的平衡稳定状态自由差数据均通过非刚性图像配准算法来对呼吸运动进行校正，该算法采用独立的软件（fMRLung3.0西门子公司研究，普林斯顿，新泽西州）。呼吸和心脏周期造成傅立叶分析的MR数据信号变化。功率谱的生成包含了（图1）每个切片的各个像素。用呼吸峰下的区域和心脏频率计算生成VW和QW图像。光谱图像分析使用软件（MATLAB2009b;数学工程，Natick，Mass）。图像后期处理可在附录E1（在线）中找到，进一步的细节，见鲍曼等人中发现（16）。图像评估MR图像，以及SPECT/ CT的数据，被导入到内部开发多模软件（DIROlab;德国海德堡癌症研究中心，Frauenhofer MEVIS，不来梅，德国）中。通过互信息的算法完成刚性图像配准形态的MR和CT数据处理。生成的配准矩阵应用于转化VW和量子阱MR图像并对应相应的通气和灌注SPECT的数据。数据可视化分析和明显的形态学病理检查由两位达成共识的医生（J.D.，C.H.）共同完成。在多层面的格式化模式中分析VW和QW FD图像，通气和灌注SPECT图像分析采用的是（MATLAB2009b; MathWorks公司）MATlAB软件。对每一个采集的FD磁共振成像和所有相应的格式得到的SPECT数据进行分析，划定右肺和左肺，包括整个肺组织，不包括血管的ROI区域。 配准数据考虑了ROE区域并保证了评估的一致性。统计分析个体内的平均信号强度用于双肺ROI区域的分析评估及变化的变异系数（CV）的估计。通过比较左肺部秩和符号秩检验，检查的同质信号分布的每个兴趣区域作为正确的分布的CV。并同时计算右肺的斯皮尔曼等级相关系数（R）之间的信号强度。MR图像和SPECT图像可用于证明FD图像在个体中的鲁棒性。对于视觉插值，采用梯度前后插值法。合并后的最外层部分像素分布的评估采用Mann - Whitney U检验法。统计测试执行显著水平等于0.05。 P值小于0.05指在统计学上有显著性差异。所有统计分析均使用以下软件（OriginPro8; OriginLab软件，北安普顿，mass）。结果VW和QW的FDMR成像和通气和灌注SPECT / CT图像在所有的动物中有相似的结果，因为在两种动物中均由多层面重格式化读取的数据来证明区分通气和灌注病变。从相对应的肺换气不足和灌注不足的区域读取针对所有模型的横向和背向数据，以确保配准的数据一致性。正如在图2和图3（图所示E1的在线）所示，在健康的肺组织中，肺血管显示QW图像的信号强度高，而在VW图像上却不可见。在所有SPECT图像中，肺气管中无核素的沉积。MR和SPECT/ CT图像显示平均的CV在0.1345到0.1844之间和0.1151到0.1917之间。 右肺和左肺部所有FD MR影像和SPECT/ CT图像的的CV估计如表3所示。 CV分布在右肺和左肺部在MR成像时表现出显着性差异（用Wilcoxon符号秩检验（见表4）。斯皮尔曼秩相关系数r在左右肺平均信号强度之间，分别为0.79的VW和0.86的QW图像。在SPECT / CT图像中，通气和灌注图像的R分别为0.91和0.92。从每个模式中获得万有引力分布沿信号强度从后前方向观察通气和灌注图像并如图4所示。所有动物最前切片和最后切片的通气和灌注的像素分布的低值在VW和QW图像中显示（P0.001，采用Mann - WhitneyU检验）。图2显示了6号猪的VW和QW的FDMR成像和通气和灌注SPECT/ CT检查获得的数据，支气管阻塞的中下叶最可能造成突然的空气滞留，右肺的CT图像和VW图像显示信号强度相对于周围比较健康的肺组织的变化有所降低。然而在相应的QW图像中也显示了信号强度区域的血液的流动减少。这些现象在SPECT的采集的数据中也可观测到。图1.机械通气后的5号猪的肺部组织的信号强度变化幅度的短时傅里叶变换曲线。由通气和血流引起的最大信号强度变化分别在大约0.35Hz和1.3Hz处。从3号猪获取的图片显示出肺不张（图3）。病变处位于右肺上叶的下段。从SPECT图上可以得知，受影响的区域经过通气定影和灌注定影。从FD MR图像上可以得到相同的功能信息。在VW图上可以看到肺部密度的变化，同时QW图上显示出受损肺部区域没有血液的流动。 图4给出了左肺和右肺上5个相同区域的FD MR和SPECT/CT图的信号强度的平均标准偏差。FD MR和SPECT/CT图中也给出了从病理学上畸形区域（3号和6号猪）探测得到的ROI的信号强度。如图4所示，这些ROI的信号强度比正常组织要低，并在单一标准偏差的范围之外。图2：（a）6号猪的CT图像显示出右肺（上图）的下叶的一个区域存在有气体滞留（箭头处）。下图给出了功能性肺成像的截面位置（直线处）。（b）在通气(V-APECT)和灌注(Q-SPECT)图像以及（c）FD MR图像中能探测到肺部缺陷。该肺部区域的密度变化是有限的。这在VW和QW FD MR图像中均可见。讨论核医学上SPECT和SPECT/CT的通气和灌注成像是一项已经得到认可的技术，运用这项技术可以得到大量的因肺部疾病而产生的生理变化信息。在这项研究中，为了与临床建立的参考图像模式对比，我们建立了一种方法用于替代肺功能MR成像的弱化评估。在大量动物身上我们做了通气和灌注的对比。通过对左肺与右肺的测量，统计分析表明平均信号强度（VW和QW）与某些量（通气与灌注）之间存在很好的相关性。两种模式下的个别单侧CV表现出相同的均一性；而威尔科克森标志排列测试表明两边肺部的QW成像存在很大的差异。从早先的研究中可以得知，心脏旁边的脉搏是引起这个矛盾的主要原因。图3：(a)3号猪的CT图显示出右肺上叶的较低部位出现肺不张（箭头处）。下图显示了获取MR和SPECT图像的截面位置（水平线处）。（b）对受影响的区域进行通气定影和灌注定影，在通气成像（V-SPECT）和灌注成像（Q-SPECT）中清晰可见。（c）肺部组织密度改变以及血液流速减小在VW和QW FD MR 成像中分别可见。为了与QW FD MR 图像形成对比，在SPECT灌注图中减小含有肺动脉区域的信号强度。表3.FD MR和SPECT图像的静态ROI分析注：数据代表CV这项工作的实验环境中，测量肺部严重肺功能改变的FD MR图像的临床意义能得到证实。由于测量时间的限制，FD MR成像被限制为5秒，前后方向上为6cm。通风和灌注中广为接受的重力依赖的差异能被复制并通过FD MR和SPECT成像证明符合统计学规律。对FD MR成像而言，尚未发现参考信号，目前还不能计算对比VW和QW的比率。尽管如此，很巧合的发现通气与灌注两者结合的不足之处在于，它明显的减弱了信号，使其在正常组织的信号强度标准偏差之外。该结果也通过SPECT得到了类似的证实。29%的肺部患病率似乎很高，也有一些报告给出更高的发生率和患病率。此外，这通常会发展为急性或慢性感染。通过侵入式镇静，插管法与仰卧位的常规操作对比，或许可以解释我们的发现。表4. 左肺到右肺的CV对比注：对比运用的是威尔科克森标志排列测试法。该项研究选用了在良好环境下生长的猪。两个偶然的病理性发现表明通气-灌注FD MR成像与标准SPECT/CT成像之间具有一致性。但是，仍需要对大量的患者进行调查，来确认这种研究方法的鲁棒性和重复性。另外，这些方面如观测者的变化也需要考虑。在这项动物研究中，所有的检查都是在人为控制的通气环境下，该技术不需要稳定的受限的呼吸过程。数据采集过程中呼吸和心跳频率的大幅改变会影响到信噪比，但检查仍可以进行。基于MR的通气和灌注测量不受电离辐射的干扰。试验中动物处于大剂量的核辐射中。因而需要另外的辐射保护。在接下来的肺部通气和灌注试验中，基于FD的MR成像无此限制。另外，在后面的试验中，消除造影剂可以减小其他药理学上的副作用或相互影响。这表明FD MR成像在妊娠妇女、儿童以及肾衰竭病人的检测中具有很大的吸引力。至于获取时间，VW和QW FD MR成像可以缩短成像时间，增加病人的舒适感。这会减少测量的固定时间。当前的技术已经可以在一分钟之内获取一个截面厚度为12mm的二维时间分辨平面图。研究中，检测五个截面用了不到5min，同时获得了通气量和灌注量。检测整个人肺的测量时间可能会增加到大约15min,前后方向的覆盖范围为18cm。在我们的试验中，分别获取通气和灌注的SPECT数据持续了85min。对SPECT来说是可以缩短成像时间的，但计数率也会相应的下降并会限制空间分辨率。大血管的直接可视FD灌注MR成像可能是另一个值得研究的方面。这可应用来探测严重肺栓塞病人的大血管内的血栓。在灌注SPECT研究中，核素的分布取决于毛细血管堵塞的比例。核素不会存在于大血管中，因此这些区域中存在无效区域。MR成像的优势在于在检测中能进一步的结合形态学成像，这将使得单一的临床MR成像机成为一个像SPECT一样的全面的高品质CT。更多的优势包括逻辑方面。闪烁扫描术和SPECT需运用99m Tc,它来自钼99。2008年，所有的核素资源由