【科研进展】IDEAL IQ精准水脂分离和定量化技术介绍

【科研进展】IDEAL IQ精准水脂分离和定量化技术介绍

脂肪组织不仅质子密度较高，且T1值很短，T2值较长，因此在T1WI和T2WI上呈现高信号。脂肪组织的这些特性会降低MR图像的质量，从而影响病变的检出，包括脂肪组织引起的运动伪影，水脂肪界面上的化学位移伪影，脂肪组织所造成的图像对比度降低，以及影响增强扫描的效果。因此MRI中脂肪抑制的主要目的在于减少运动伪影、化学位移伪影或其他相关伪影。通过抑制脂肪组织信号，增加图像的组织对比度，改善增强扫描的效果以及鉴别病灶内是否含有脂肪，为鉴别诊断提供信息。MRI脂肪抑制技术主要基于脂肪和水的化学位移以及脂肪与其他组织的纵向弛豫差别。关于化学位移现象，同一种磁性原子核，处于同一磁场环境中，如果不受其他因素干扰，其进动频率应该相同。但是我们知道，一般的物质通常是以分子形式存在的，分子中的其他原子核或电子将对某一磁性原子核产生影响。那么同一磁性原子核如果在不同分子中，即便处于同一均匀的主磁场中，其进动频率将出现差别。在磁共振学中，我们把这种现象称为化学位移现象。化学位移的程度与主磁场的强度成正比，场强越高，化学位移越明显。常规MRI时，成像的对象是质子，处于不同分子中的质子的进动频率也将出现差异，也即存在化学位移。在人体组织中，最典型的质子化学位移现象存在

于是水分子与脂肪之间。这两种分子中的质子进动频率相差约3.5ppm，在3T场强下相差440Hz，1.5 T的场强下相差约220Hz。脂肪和水中质子的进动频率差别为脂肪抑制技术提供了一个切入点。另外，在人体正常组织中，脂肪的纵向弛豫速度最快，T1值最短。脂肪组织与其他组织的T1值差别也为脂肪抑制技术提供了一个新的角度。一、传统脂肪抑制技术

针对上述脂肪组织的特性，MRI可采用多种技术进行脂肪抑制。不同场强的MRI仪宜采用不同的技术，同一场强的扫描机也可因检查的部位、目的或扫描序列的不同而采用不同的脂肪抑制技术。1频率选择饱和法频率选择饱和法是最常用的脂肪抑制技术之一，该技术利用的就是脂肪与水的化学位移效应。由于化学位移，脂肪和水分子中质子的进动频率将存在差别。如果在成像序列的激发脉冲施加前，先连续施加数个预脉冲，这些预脉冲的频率与脂肪中质子进动频率一致，这样脂肪组织的将被连续激发而发生饱和现象，而水分子中的质子由于进动频率不同不被激发。这时再施加真正的激发射频脉冲，脂肪组织因为饱和不能再接受能量，因而不产生信号，而水分子中的质子可被激发产生信号，从而达到脂肪抑制的目的。频率选择脂肪抑制技术对磁场的均匀度要求很高。由于该技术利用的是脂肪中质子的进动频率与水分子中质子的进动频率的微小差别，如果磁场不均匀，则将直

接影响质子的进动频率，预脉冲的频率将与脂肪中质子的进动频率不一致，从而严重影响脂肪抑制效果。因此在使用该技术进行脂肪抑制前，需要对主磁场进行自动或手动匀场，同时应该去除病人体内或体表有可能影响磁场均匀度的任

何物品。进行大FOV扫描时，视野周边区域脂肪抑制效果较差，这也与磁场的均匀度及梯度线性有关。由于预脉冲将占据TR间期的一个时段，因此施加该技术将减少同一TR

内可采集的层数，如需要保持一定的扫描层数则需要延长TR，这势必会延长扫描时间，并有可能影响图像的对比度。2STIR技术STIR技术是基于脂肪组织短T1特性的脂肪抑制技术，也是目前临床上常用的脂肪抑制技术之一。由于人体组织中脂肪的T1值最短，因此180°脉冲后其纵向磁化矢量从反向最大到过零点所需的时间很短，因此如果选择短反转时间TI则可有效抑制脂肪组织的信号。与频率选择饱和法相比，STIR技术对磁场的均匀度要求较低，大FOV扫描也能取得较好的脂肪抑制效果。STIR技术的缺点为信号抑制的选择性较低。如果某种组织（如血肿等）的T1值接近于脂肪，其信号也被抑制。另外，由于TR延长，扫描时间也较长，而且一般不能应用增强扫描。因为被增强组织的T1值有可能缩短到与脂肪组织相近，信号被抑制，从而可能影响对增强程度的判断。3频率选择反转脉冲脂肪抑制技术SPECIAL(spectral inversion at lipids)频率选择脂肪抑制技术

需要利用连续的脉冲对脂肪组织进行预饱和，而STIR技术需要在TR间期占据的时间更长，因此大大减少能够采集的层数。在超快速梯度回波序列时，由于TR很短（往往小于10ms），利用上述两种技术进行脂肪抑制显然是不现实的。近年来在三维超快速梯度回波成像序列中，推出一种新的脂肪抑制技术，即频率选择反转脉冲脂肪抑制技术。该技术既考虑了脂肪的进动频率，又考虑了脂肪组织的短T1值特性。其方法是在真正射频脉冲激发前，先对三维成像容积进行预脉冲激发，这种预脉冲的带宽很窄，中心频率为脂肪中质子的进动频率，因此仅有脂肪组织被激发。同时这一脉冲略大于90°，这样脂肪组织将出现一个较小的反方向纵向磁化矢量，预脉冲结束后，脂肪组织发生纵向弛豫，其纵向磁化矢量将发生从反向到零，然后到正向并逐渐增大，直至最大值（平衡状态）。由于预脉冲仅略大于90°，因此从反向到零需要的时间很短，如果选择很短的TI（10 ~ 20ms），则仅需要一次预脉冲激发就能对三维扫描容积内的脂肪组织进行

很好的抑制。该技术的优点在于仅少量增加扫描时间，但仍然对磁场均匀度要求较高。4DIXON技术DIXON技术自出现至今成像方法不断改进，由最初的两点采集发展至3点采集。以自旋回波SE序列为例，当90激发RF发射后，纵向磁化矢量翻转到XY平面，这时所有的磁化矢量的方向都是一致，当RF脉冲停止后，它们的方向就会发生改变，因为

水比脂肪的进动频率快，在1.5T MR 上它们的频率差别是220Hz，在3T MR上它们的进动频率差别是440Hz。当水和脂肪的方向一致时，总磁化矢量最大，当二者的方向正好相反时，总磁化矢量最小。

所谓两点式DIXON成像即一次扫描采集两个回波，第一个回波的采集与传统方式完全相同，第二次采集时，180相位回聚脉冲的发射时间有一个偏移，使得采集的回波中水和脂肪的相位方向正相反，或者是180相位回聚脉冲的发射时间不变，但是采集信号的时间有一个偏移。这个偏移的时间取决于MR场强和水脂的进动频率差，用π表示。将这两套采集的图像信息经过处理计算，就可以得到只含有水的图像，只含有脂肪的图像，水和脂肪相位一致的图像和相位相反的图像。这种成像方式的关键是水和脂肪的进动频频，如果有外界因素改变的二者的进动频率，那么就会导致计算错误，无法将水和脂肪完全分开，水脂交界处结构模糊。进动频率的关键影响因素是磁场强度。如果有外因改变的局部磁场强度，即磁场不均匀，就会改变水和脂肪的进动频率，最终的图像SNR较低，水和脂肪交界区域结构模糊，水脂分离不彻底。为了克服上述缺点，人们发明了三点式DIXON水脂分离成像技术。即在相同的180相位回聚脉冲后，采集三次信号，时间点分别是0，π，-π，在后处理计算中，计算水和脂肪的相位值，确定每个象素中水和脂肪的信号，可以充分

地克服磁场不均匀性，清晰地显示水脂边界，水脂分离彻底。三点法的特点是采集的三个回波中，中间一个信号与传统的SE/FSE序列采集的时间相同，180相位回聚脉冲正好位于激发脉冲和采集信号之间。另两个是对称性位于这个信号的两边的反相位信号。在三点法水脂分离中，水脂分离的程度的关键取决于水和脂肪的含量，以及这些信号采集的位置。三点法采集信号的时间点是-π，0，π，利用这种采集，一个像素内水和脂肪的含量相近时，水和脂肪的分离不完全，组织结构交界区域显示模糊，有些结构的SNR明显降低。如果中间的信号采集的时间点在π/2+nπ，其他两个信号采集的偏保证移时间在之前和之后2π/3，可以保证任意的水和脂肪比值都可以进行精确的水脂分离。相对于相位回聚脉冲来说，激发脉冲与这些采集的信号没有对称关系，我们称之为非对称性采集，为了保证最短的扫描时间，临床常用的采集时间点是-π/6，π/2，7π/6。这种成像方式即IDEAL(Iterative Decomposition of water and triglyceride fat with Echo Asymmetry and Least-squares estimation)。它可以充分克服传统三点法水脂分离的缺点，保证足够的信号强度，组织结构交界处清晰，水脂分离彻底，彻底屏弃外界干扰对水脂分离的影响。二、IDEAL-IQ精准水脂分离和定量化技术

IDEAL-IQ通过一次扫描同时产生水像，脂像，脂肪百分数图像和R2*弛豫图像。这项技术建立在前面介绍的GE特有

的IDEAL技术上，结合了快速三维多回波梯度回波成像序列和增强的图像重建技术改善了局部脂肪的检出，为临床诊断提供宝贵信息。IDEAL-IQ技术通过并行采集技术提高图像获取速度，全部扫描可在单次屏气内完成。由于采用小翻转角激发，降低了水像，脂像和脂肪分数图像中的T1效应。水脂分离的精度经常会受到多中因素的影响，包括T2*衰减以及甘油三酯的多峰模型等等。如下图所示，在没有T2*影响情况下，同反相位的水脂信号分别占据了最大值和最小值的位置。在这种情况下，可以准确得到脂肪的百分数。但是，在有T2*衰减的影响下，同反相位时间的水脂信号都发生很大变化。如果不考虑T2*的情况，10%脂肪含量的情况会被误认为脂肪含量接近为零。为了更加精确地进行水脂分离，传统的单脂肪峰无法满足需要。根据甘油三酯的化学特性，除了位于3.5ppm附近的-CO-CH2-CH2—和（CH2）n-，包含-CO-CH2-CH2-，-CH2-CH=CH-CH2-，-CH=CH-，-CH-O-CO-，-（CH2）n-CH3，-CH=CH-CH2-CH=CH-和-CH2-O-CO-组成九峰脂肪共振模型，如下图所示[1]。为了去除T2*的影响因素，IDEAL-IQ重建采用了多回波技术来预测R2*（1/T2*）衰减率，并且把这个因素包含在水脂分离的计算之中。采用多回波幅度图计算R2*弛豫率，通过多峰脂肪模型精确模拟甘油三酯的多共振峰，以实现全自动计算R2*图像和R2*校正以后脂像，水像，脂肪分数图[2]。IDEAL-IQ扫描序列如

下图所示。IDEAL-IQ的混合型水脂分离算法的流程图，分两步进行。第一步用复数域重建法重建多回波复数数据，并生成水、脂和T2*的图像。生成的水像与脂像在第二步幅值重建法中用作初始估测。第一步生成的R2*（1/T2*）值用来校正源数据，简化第二步中所需的拟合算法。第二步生成了另外一套估测的水、脂图像。然后将这两步生成的两组水像与脂像通过“混合算法”加权整合，生成最后的水像、脂像，而权重来自于第一步的计算出的脂肪比[3]。IDEAL-IQ图像重建流程如下图所示。Ideal-IQ重建水像，脂像，脂肪分数图像和R2*图像，如下图所示。三、IDEAL-IQ临床应用IDEAL-IQ技术不仅能帮助临床医生对某些病变发生发展的机制及病变进展有更深入的认识，同时也对相关疾病治疗药物的开发和疗效评价提供了更客观更科学的依据。IDEAL-IQ 临床应用包括但不限于内脏脂肪的测量，比如非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）患者肝脏脂肪含量分析，肝移植供体肝脏脂肪变性分析，胰腺脂肪含量分析等；包括脂肪定量技术在骨骼和肌肉系统疾病中的应用，比如骨质疏松，贫血和恶性肿瘤造成骨髓变化，肌肉脂肪侵润和退变等；还有铁定量测量方面，实质性脏器及分分泌腺体的铁过载，老年痴呆以及帕金森疾病中枢神经系统铁沉积等。IDEAL-IQ技术凭借快速扫描，全自动图像重建，精确水脂分离和R2*测量，必将在临床上发挥出不可估量的作用。参考文献1．Yu H,

Shimakawa A, McKenzie CA, Brodsky E, Brittain JH, Reeder SB. Multiecho water-fat separation and simultaneous R2* estimation with multifrequency fat spectrum modeling. Magn Reson Med 2008;60(5):1122-1134.2．Yu H, McKenzie CA, Shimakawa A, Vu AT, Brau AC, Beatty PJ, Pineda AR, Brittain JH, Reeder SB. Multiecho reconstruction for simultaneous water-fat decomposition and T2* estimation. J Magn Reson Imaging 2007;26(4):1153-1161.3．Yu H, Reeder SB, Shimakawa A, Brittain JH, Pelc NJ. Field map estimation with a region growing scheme for iterative 3-point water-fat decomposition. Magn Reson Med 2005;54:1032-1039.

（作者：张泳张静张英魁周振宇）