氣體交換是肺部最重要的生理功能。慢阻肺、哮喘、間質性肺疾病等肺部重大疾病都會導致肺部氣體交換功能異常。傳統臨床影像技術(如CT、ECT、MRI等)難以對肺部氣體交換功能進行精準檢測。超極化129Xe肺部氣體MRI技術，利用自旋交換激光光泵技術將129Xe氣體的MRI信號增強10000倍以上，并將其作為對比劑經口吸入肺部進行成像，解決了傳統MRI因肺部質子密度低(信號強度約為其余正常實質性組織1/1000)而不能成像的難題，彌補了當前肺部影像技術無法對肺部氣體交換功能進行成像的不足。該技術能夠定量、可視化地評估肺通氣功能、肺泡微結構和氣血交換功能，并被廣泛用于肺部重大疾病導致的肺損傷定量評估。129Xe肺部氣體MRI通常需要患者吸入氣體后屏氣進行成像，而肺部疾病患者通常難以長時間屏氣，如何快速實現高分辨成像是其臨床廣泛應用的挑戰之一。
 

　　近日，精密測量院周欣研究團隊提出了基于Zigzag編碼的超快129Xe氣體MRI成像方法。僅需3.5秒！就能實現肺部通氣功能的高分辨成像，已經應用于COVID-19患者出院后肺通氣功能定量可視化評估。相關研究成果在《醫學磁共振》(Magnetic Resonance in Medicine)上發表，并被選為當期封面。
 

《醫學磁共振》封面
 

　　通過在相位編碼方向施加鋸齒形梯度，實現了快速肺部高分辨通氣功能成像。圖1展示了本研究提出的三維梯度回波(3D GRE)序列中Zigzag編碼軌跡的示意圖，根據不同的加速需求，可選擇在單方向或多個方向施加鋸齒形梯度。
 

　　(A)傳統3D GRE、(B)3D GRE-zigzag-Y(R=4)和(C)3D GRE-zigzag-YZ(R=4×4)的脈沖序列圖和對應的k空間軌跡
 

　　基于Zigzag編碼的129Xe氣體MRI超快成像技術獲得的肺部通氣功能影像與常規bSSFP序列獲得的通氣功能影像質量相當(采用相同分辨率時)，且可以實現在數據采集時間縮短約一半情況下，將圖像分辨率提高約10倍。該方法能夠在5.5秒內獲得分辨率為2.5×2.5×2.5 mm3的肺部通氣功能圖像；而當分辨率為3×3×3 mm3時，圖像的采集時間可進一步縮短至3.5秒。圖2展示了通過bSSFP序列(采集時間10.2秒)和本研究中提出的快速成像方法(采集時間5.5秒)獲得的肺部通氣功能圖像對比。與bSSFP相比，使用本研究提出的快速成像方法得到的肺部影像能夠觀察到更多通氣異常區域的細節。
 

　　基于常規bSSFP和本研究提出的成像方法獲得的COVID-19出院患者的肺通氣功能影像
 

　　藍色、黃色和紅色箭頭代表肺通氣缺損
 

　　圖3展示了基于bSSFP序列與本研究提出的方法獲得的健康志愿者和COVID-19出院患者的相近層面的通氣聚類分布圖(通氣缺損、低信號、中強信號、中高信號和高信號區域分別用紅色、黃色、綠色、藍色和深藍色標記)。兩種方法獲得的通氣缺損百分比(VDP)在健康組和COVID-19組均無顯著差異，其中在健康組中基于bSSFP和Zigzag編碼方法獲得的VDP分別為1.27±0.58%和1.24±0.54%；COVID-19出院患者組中分別為6.93±2.72%和7.06± 2.85%。
 

　　基于常規bSSFP 和本研究提出的方法獲得的健康志愿者和COVID-19出院患者的典型通氣功能圖像和聚類圖
 

　　圖4展示了健康志愿者和COVID-19出院患者的典型通氣功能影像(空間分辨率為2.5 ×2.5×2.5 mm3)，不論是在橫斷面還是冠狀面均具有良好的成像效果。該健康志愿者和出院COVID-19患者的VDP分別為0.73%和7.12%。
 

健康受試者和COVID-19出院患者的典型高分辨通氣功能圖像
 

　　綜上，本研究提出的肺部超快129Xe氣體MRI方法，在3.5秒內可獲得肺部通氣功能高分辨影像(3×3×3 mm3)；在5.5秒內獲得當前最高分辨率的通氣功能影像(2.5×2.5×2.5 mm3)，能夠有效、可視化地定量評估COVID-19出院患者的通氣功能。該方法在臨床上對屏氣功能受限患者的通氣功能定量可視化評估具有很高的應用潛力和價值。
 

　　該研究成果以“Rapid Pulmonary 129Xe Ventilation MRI of Discharged COVID-19 Patients with Zigzag Sampling”為題發表在國際學術期刊Magnetic Resonance in Medicine上。精密測量院博士生方媛和青年研究員李海東(青促會會員)為文章共同第一作者，研究員周欣為通訊作者。
 

　　該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導項目、湖北省自然科學基金等項目的資助。