王晶 國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心 （北京 100081）

內(nèi)容提要： 肺病是全球高發(fā)疾病，早期診斷是成功治療的關(guān)鍵，但目前尚缺乏有效反映肺功能的非侵入性檢查方法。超極化氣體MRI是一種新興技術(shù)，滿足了肺部功能成像需求。與質(zhì)子MRI不同，超極化氣體肺部MRI可以肺部氣體空間或肺部組織內(nèi)的自旋成像，為肺部MRI增加了實(shí)質(zhì)性的價(jià)值和診斷潛力。文章介紹了超極化氣體MRI技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

根據(jù)美國癌癥學(xué)會發(fā)布的2018年癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，肺癌是全球發(fā)病率（11.6%）和病死率（18.4%）排名首位的惡性腫瘤疾病[1]。由于空氣污染、煙草吸食、老齡化等多種因素影響，我國人民肺部健康形勢不容樂觀，肺部疾病的早期診治是當(dāng)前醫(yī)療領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。臨床常用的肺部影像檢查方法，例如X射線攝影（DR）、計(jì)算機(jī)體層成像（CT）和正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層成像（PET-CT）等均存在放射性傷害，無法直接評價(jià)肺部器官的氣-氣、氣-血交換功能。磁共振成像（MRI）無放射性傷害，軟組織圖像對比度較好，作為一種影像學(xué)研究方法適合用于器官功能評價(jià)。臨床常規(guī)MRI的圖像信號來源于人體內(nèi)部的水質(zhì)子（1H）。雖然多數(shù)實(shí)體器官中1H分布豐富，但是肺部主要由氣體和空腔組織構(gòu)成，導(dǎo)致肺部MRI圖像質(zhì)量較差，阻礙了MRI在肺部疾病的臨床應(yīng)用?；贛RI技術(shù)，科研人員嘗試了注射Gd造影劑灌注成像（PWI），基于內(nèi)源性示蹤劑的動脈自旋標(biāo)記成像（ASL），以及其他特殊造影劑（19F、17O等）增強(qiáng)成像等，對肺實(shí)質(zhì)組織開展了多項(xiàng)研究，均存在不足之處。關(guān)于肺部通氣功能，臨床目前缺乏真正無創(chuàng)、無放射性的影像學(xué)評價(jià)方法。

1.超極化氣體成像

惰性氣體的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對人體安全，經(jīng)超極化處理后能夠大幅度提升氣體極化度，增強(qiáng)磁化矢量[2]。采用超極化惰性氣體作為MRI造影劑，可有效改善肺部圖像信噪比，供臨床用于肺部通氣成像。超極化氣體MRI的技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜，關(guān)鍵步驟是將吸入肺部的惰性氣體進(jìn)行超極化預(yù)處理，需要高效率的惰性氣體極化裝置。由于目標(biāo)原子核的共振頻率不同，通常面向1H頻譜的臨床常規(guī)磁共振成像設(shè)備無法直接用于惰性氣體成像，需要研發(fā)專用的寬頻帶譜儀、射頻放大器和線圈，以及特殊的肺部成像序列等[3]。

1.1 惰性氣體超極化

超極化裝置是惰性氣體成像的核心環(huán)節(jié)，工作原理如下（見圖1）：①將堿性金屬（銣Rb等）在真空環(huán)境中進(jìn)行加熱氣化；②利用自旋交換光泵（SEOP）原理，施加外部磁場，激光照射激發(fā)氣態(tài)堿性金屬原子躍遷至高能態(tài)；③均勻混合金屬氣體與惰性氣體（3He，129Xe），借助氣體分子碰撞進(jìn)行能量交換，實(shí)現(xiàn)惰性氣體分子的超極化處理；④將超極化后的惰性氣體通入置于永磁體中的冷卻收集裝置（液氮冷阱），低溫環(huán)境下固化和分離惰性氣體。

表1.常見超極化氣體的物理特性[5]

圖1.典型的129Xe超極化過程示意圖（注：首先向激光極化腔內(nèi)注入1%極化度的129Xe、89%4He和10% N2的混合氣體，完成自旋交換光泵過程（SEOP）。當(dāng)混合氣體流出極化腔后，由于129Xe在77K低溫（液氮）環(huán)境下會快速結(jié)冰，可以利用液氮將129Xe冷卻固化，與4He、N2進(jìn)行分離。累積收集一定劑量的固態(tài)超極化129Xe，在成像前預(yù)置于室溫下解凍，裝入醫(yī)用氣體袋中保存，供患者吸入后進(jìn)行MRI掃描。保存于氣袋中的超極化氣體半衰期約為1h。）

1.2 多核磁共振成像設(shè)備

3He和129Xe的旋磁比與1H（42.576 MHz/T）差異較大，需要特制的寬頻帶譜儀和射頻線圈（圖2）等硬件設(shè)備，才可能實(shí)現(xiàn)多原子核成像（表1）。

超極化氣體吸入肺部后，在短時(shí)間內(nèi)無法通過弛豫作用恢復(fù)氣體極化度，所以屬于不可再生的造影劑。傳統(tǒng)MRI的掃描參數(shù)和成像序列，例如90°射頻脈沖、化學(xué)位移成像等，不適合直接用于超極化氣體成像。為了充分利用氣體極化度，超極化氣體MRI一般采用小角度激發(fā)的快速梯度回波序列，在相位編碼方向逐次調(diào)整激發(fā)角度，使所有相位編碼掃描均具有相似的磁化矢量。結(jié)合螺旋成像（Spiral）、平面回波成像（EPI）等快速序列，以及并行加速、壓縮感知等圖像采集重建技術(shù)，可以進(jìn)一步提高成像速度，推動肺部動態(tài)通氣成像的臨床應(yīng)用[6]。

圖2.典型的肺部超極化氣體MRI的射頻接收線圈[4]（注：a.超極化3H鳥籠線圈；b.超極化3H肺部相控陣線圈；c.超極化129Xe肺部相控陣線圈。肺部線圈c專門為手臂設(shè)計(jì)了單獨(dú)開口，更貼合人體胸部表面。）

圖3.超極化129Xe的靜態(tài)肺部實(shí)質(zhì)MRI圖像（注：從上至下分別是：成年健康志愿者，老年健康志愿者，吸煙者（尚無COPD)，慢性肺阻患者（COPD），哮喘患者和肺纖維化患者（IPF）。）

2.肺部臨床應(yīng)用

在超極化氣體肺部MRI檢查前，應(yīng)備好醫(yī)用氣體收集袋，裝盛一定劑量的超極化氣體。掃描開始后，先進(jìn)行常規(guī)1H MRI采集肺部定位像和結(jié)構(gòu)像。常規(guī)MRI掃描結(jié)束后，可通過語音提示患者吸入預(yù)制的超極化氣體，并立刻屏住呼吸，開始進(jìn)行超極化氣體成像。超極化氣體吸入患者肺部后，經(jīng)氣管和支氣管逐級深入擴(kuò)散至肺泡，充盈整個(gè)肺部，在此過程中可以同時(shí)進(jìn)行超極化氣體成像。

超極化氣體MRI的圖像信號與肺臟健康程度直接相關(guān)。超極化129Xe圖像可以反映不同肺部疾病狀態(tài)的通氣模式[3]。一般而言，健康人的氣路順暢，吸入的超極化氣體在肺內(nèi)分布均勻；患者肺部結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生病變，導(dǎo)致肺內(nèi)超極化氣體分布不均勻，引起圖像信號產(chǎn)生不同程度的缺失。此外，MRI圖像信號同時(shí)受到肺內(nèi)氧濃度差異的影響，而氧濃度分布與肺泡氣體交換功能有關(guān)。當(dāng)超極化氣體吸入肺部后，與肺泡內(nèi)殘留的順磁性氧氣逐步混合，縱向弛豫時(shí)間T1將隨著氧濃度增加而減小，進(jìn)而影響磁化矢量和圖像信號的變化（見圖3）。

3.展望

超極化惰性氣體作為一種安全的MRI造影劑，為臨床評價(jià)肺部形態(tài)和通氣功能提供了豐富的診斷信息。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所是國際上較早開展超極化氣體MRI研究的科研機(jī)構(gòu)，自主研制了級聯(lián)激光光泵129Xe氣體極化裝置，采集了國內(nèi)首例人體超極化氣體肺部MRI圖像[7]。目前該所科研團(tuán)隊(duì)已研制出超極化氣體磁共振成像設(shè)備的整套樣機(jī)，在國際上處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)其他高校和科研機(jī)構(gòu)，例如上海交通大學(xué)、中國科技大學(xué)等，也開展了類似研究。通過科研人員、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和臨床醫(yī)學(xué)界的共同努力，有利于促進(jìn)惰性氣體超極化技術(shù)創(chuàng)新，加速超極化氣體磁共振成像的臨床應(yīng)用進(jìn)程。