基于定量超短回波时间双回波稳态磁共振成像的气道黏液表征：一项体外概念验证研究

《European Radiology Experimental》：Characterization of airway mucus using quantitative MRI: an in vitro proof-of-concept study

　　

目的：慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）的一个特征性表现是黏液高分泌。在这项概念验证研究中，研究人员旨在利用定量超短回波时间（ultrashort echo time, UTE）磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）序列，在受控的体外合成黏液模型中表征气道黏液，为未来的体内研究奠定技术基础。 材料与方法：采用UTE双回波稳态（UTE double-echo steady-state, UTE-DESS）序列采集来自自由感应衰减样信号和自旋/受激回波样信号的两种回波信号，并估计定量MRI参数（T1、T2和扩散率）。使用黏蛋白（0.20%、0.50%和1.0%）与黄原胶（0.10%、0.25%和0.50%）混合制备合成黏液体模，以复制人喉部黏液的粘弹性特性，并将样品嵌入1%琼脂中进行成像。 结果：不同浓度的黏蛋白和黄原胶配制的黏液体模在颜色和不透明度上表现出视觉差异。三个相对黏液浓度分别为1、2.5和5的试管所估计的T1值分别为2.23±0.16、2.37±0.20和2.09±0.18秒（平均值±标准差）。相应的T2值分别为806.6±105.6、687.4±78.0和475.0±41.3毫秒，而扩散率值分别为2.36±0.14、2.31±0.18和2.33±0.18 μm2/ms。仅有T2弛豫时间与黏液浓度显示出显著的线性相关性（r=-0.9998，p=0.0112）。 结论：UTE-DESS MRI可用于表征气道黏液。T2弛豫时间与增加的黏液浓度呈强负相关，表明其对黏液含量具有敏感性。 关键要点： 问题：一种新型的定量超短回波时间MRI序列能否无创地表征气道黏液特性，并克服黏液阻塞性疾病中传统肺部成像的局限性？ 发现：在这个受控的体外模型中，UTE-DESS MRI图谱显示，仅T2弛豫时间与增加的黏液浓度呈强负相关。 相关性声明：这项探索性的概念验证为未来体内研究中利用无辐射、无创的T2图谱监测和分型COPD及其他黏液阻塞性肺部疾病奠定了技术基础。

研究背景

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种以持续呼吸道症状和进行性气流受限为特征的慢性气道疾病，其病理机制涉及小气道重塑、肺实质破坏（肺气肿）以及弹性回缩力丧失。COPD是全球第四大死因，2021年导致约350万人死亡，占全球总死亡人数的5%，预计到2050年病例数将达到6亿。氧化应激和蛋白酶-抗蛋白酶失衡会促进杯状细胞增生并减少纤毛细胞，最终导致黏液产生增加和黏液纤毛清除功能受损，形成慢性炎症和气道阻塞的恶性循环。气道黏液高分泌是COPD的标志性特征，会促使黏液栓形成，加速肺功能下降并诱发急性加重。黏液栓被认为是肺功能损害和COPD加重风险的潜在标志物。尽管支气管镜仍是黏液可视化的金标准，但其具有侵入性、操作风险高、成本高且对中等大小支气管以外区域评估能力有限等缺点。传统的MRI由于肺部组织质子密度低以及气-组织界面的磁敏感效应导致信号快速衰减，信噪比差，图像质量受限，限制了其在评估气道病理和管腔内内容物（如黏液）方面的应用。为解决这些挑战，超短回波时间（UTE）MRI作为一种新兴的肺部MRI方法应运而生。

研究目的与结论

在这项概念验证研究中，研究人员旨在利用定量UTE双回波稳态（UTE-DESS）MRI序列，在受控的体外合成黏液模型中表征和量化气道黏液，为未来的体内研究建立技术基础，并支持开发用于评估COPD及其他黏液阻塞性肺疾病中黏液负担的无创、无辐射MRI生物标志物。研究结果表明，UTE-DESS能够实现多个定量MRI参数的同步图谱绘制，其中T₂弛豫时间与增加的黏液浓度显示出强且显著的相关性，表明UTE-DESS衍生的T₂测量值对黏液含量的变化特别敏感，可作为潜在的量化成像生物标志物。

关键技术与方法

研究人员采用的主要关键技术方法是UTE-DESS MRI序列。该序列基于稳态自由进动（SSFP）信号形成，通过重复射频脉冲配合相干梯度建立稳态磁化。由于非零梯度矩的存在，SSFP信号被分离为两个分量：自由感应衰减样信号（S+）和自旋/受激回波样信号（S-）。S+信号在射频脉冲后立即观测到，主要由UTE成分贡献；S-信号则在下一个射频脉冲前测量，主要由加权了纵向弛豫时间（T₁）、横向弛豫时间（T₂）和水分子扩散率的信号贡献。通过改变翻转角（FA）和梯度矩（GM）重复采集UTE-DESS的S+和S-图像，获得不同信号加权的图像，再将其拟合至SSFP信号模型，即可同时估计出质子密度、T₁、T₂和扩散率等定量MRI参数。实验在一台3-T临床扫描仪上进行，使用32通道头线圈接收信号。

研究结果

视觉检查：三个试管在颜色和不透明度上表现出视觉差异，随着黏液浓度增加，外观逐渐变暗，透明度降低。这些视觉差异定性确认了在MRI实验前成功制备了具有不同黏液浓度的体模。

技术结果：获取了两种不同FA（10°和30°）和两种不同GM（30和120 mT/m·ms）下的S+和S-图像。总体而言，S+和S-回波之间存在T₂加权的差异。较低GM和较高FA下，S+和S-信号之间的对比度主要由T₂弛豫主导。较高FA（30°）的采集使得S+和S-信号均具有更强的T₁加权。S+信号受扩散加权影响极小，而S-信号则根据GM的不同表现出不同的扩散加权，较高的GM（120 mT/m·ms）产生更强的扩散加权。值得注意的是，较低FA（10°）与较高GM的组合产生了最强的扩散加权。

测量参数：通过UTE-DESS拟合得到的参数显示，三个相对黏液浓度（1、2.5、5）试管的估计T₁值分别为2.23±0.16、2.37±0.20和2.09±0.18秒；估计T₂值分别为806.6±105.6、687.4±78.0和475.0±41.3毫秒；估计扩散率值分别为2.36±0.14、2.31±0.18和2.33±0.18 μm²/ms。仅有T₂弛豫时间与总相对黏液浓度显示出显著的线性相关性（r=-0.9998，p=0.0112）。

讨论与结论

讨论部分指出，大多数既往关于COPD气道黏液的研究聚焦于胸部计算机断层扫描（CT）而非MRI。CT可直接可视化和量化黏液栓，但MRI历史上因技术限制和对气道结构异常的敏感性较低而不太适用。然而，UTE脉冲序列的出现为直接高效的肺部可视化提供了新途径。UTE-MRI结合呼吸门控技术可提供与高分辨率CT相当的诊断性能，同时避免电离辐射。研究人员认为，UTE-DESS的S+信号可提供肺组织的形态学信息，而S-信号（T₂加权）和拟合的T₂参数则可提供关于黏液的信息。研究还讨论了所用合成黏液模型的合理性，指出黄原胶因其良好的流变特性而被用作主要成分以模拟气道黏液的粘弹性行为。研究的局限性包括：体模模型未能完全复制天然气道黏液的生化与生物物理特性；缺乏呼吸运动可能降低了向临床肺部成像的适用性；线性相关分析仅基于三个浓度水平，统计解释仍高度探索性；缺乏会话内与会话间的重复性数据；以及相较于CT较长的采集时间可能限制临床可行性。

研究结论：这项体外概念验证研究表明，UTE-DESS MRI可用于气道黏液的定量表征。在测量的参数中，T₂弛豫时间与增加的黏液浓度呈强负相关，表明其对黏液含量具有潜在敏感性。通过在不使用电离辐射的情况下提供形态学和定量信息，UTE-DESS MRI有望成为评估气道黏液负担的无创工具。这些发现为未来的体内研究奠定了基础。