呼气肺磁共振成像（Expiratory lung MRI）：一种简单且灵敏的方法，可用于量化并可视化囊性纤维化患者的气体滞留现象

《Journal of Cystic Fibrosis》：Expiratory lung MRI: a simple, sensitive method to quantify and visualise regional gas trapping in cystic fibrosis

　　

艾米·V·西蒙斯（Amy V Simmons）| 劳里·J·史密斯（Laurie J Smith）| 佐伊·萨默维尔（Zoe Somerville）| 汉娜·福克（Hannah Faulke）| 威廉·克拉克（William Clark）| 大卫·休斯（David Hughes）| 英娜·阿尔达格（Ina Aldag）| 诺琳·韦斯特（Noreen West）| 阿尔贝托·M·比安卡迪（Alberto M Biancardi）| 吉姆·M·怀尔德（Jim M Wild）| 尼尔·J·斯图尔特（Neil J Stewart）

英国谢菲尔德大学健康学院临床医学系POLARIS

摘要

背景

计算机断层扫描（CT）是评估气体滞留的金标准，这是囊性纤维化（CF）患者早期肺病的特征，但其使用在儿童中受到限制。肺部质子磁共振成像（1H-MRI）提供了一种简单、无辐射的替代方法。本研究旨在利用屏气1H-MRI来观察和量化CF患者的气体滞留情况。

方法

24名正常对照组（9名成人，15名儿童）和27名CF患者接受了在残余容积（RV）和总肺容量（TLC）条件下的屏气1H-MRI检查。对于每位参与者，从TLC图像中确定一个阈值，并将其应用于RV图像以量化低信号区域，这些区域被认为是气体滞留区域，即气体滞留体积（GTV）。根据GTV的正常分布定义了正常上限（ULN），并将GTV与肺功能测定、体容积描记、多次呼吸清除试验和12?Xe通气MRI结果进行比较。

结果

在CF患者的RV图像中，气体滞留表现为低信号强度区域。健康志愿者的GTV中位数为2.93%（0.32–14.37%）。CF患者的GTV中位数为21.80%（2.04–82.68%），FEV? z分数为-1.14（-5.43, 2.17），其中14名患者的FEV?正常。GTV的ULN为7.01%；14名FEV?正常的CF患者中有9名超过了这一值。在CF患者中，GTV与FEV? z分数、12?Xe-MRI通气缺陷百分比以及体容积描记测量的气体滞留百分比（RV/TLC%）之间存在显著相关性。

结论

通过使用标准且易于实施的屏气1H-MRI协议，可以清晰地观察和量化CF患者的气体滞留情况。初步证据表明，FEV?正常的CF患者也存在肺功能受损。

引言

CF肺病通常起源于细小气道，感染和炎症的循环会导致气道阻塞和狭窄。这些气道在呼气时容易发生完全阻塞，从而在阻塞远端形成气体滞留，这是CF早期肺病的特征[1]。对于CF患者（pwCF）来说，早期肺病的检测和监测至关重要，因为及时干预可以防止不可逆的肺损伤并改善长期预后[2,3]。

肺功能测定是评估CF患者整体肺功能的临床标准。然而，它仅提供肺功能的总体测量，并且普遍认为对早期肺损伤不敏感[2],[4],[5],[6],[7]。肺功能测定有助于检测气流受限，但无法准确评估滞留的气体量。体容积描记通过残余容积（RV）与总肺容量（TLC）的比率直接测量气体滞留情况，但对早期气体滞留不敏感[8]。多次呼吸清除试验（MBW），特别是肺清除指数（LCI）的测量，已被证明对CF早期肺病敏感，可以在肺功能测定出现变化之前检测到通气不均匀性，但与体容积描记一样，也仅提供肺功能的总体测量[9,10]。计算机断层扫描（CT）是评估CF肺病的影像学标准方法，包括气体滞留[11,12]。然而，CT相关的电离辐射风险限制了其在儿童中的使用[3,13]。

质子磁共振成像（1H-MRI）为评估CF肺病提供了无辐射的替代方法。在单次1H-MRI协议中，可以获得不同对比度的多种图像来评估肺病的不同方面。例如，超短回波时间（UTE）MRI序列[12,14,15]可用于常规成像与CF肺病相关的结构异常，包括支气管扩张和黏液堵塞[12,14,15]。UTE MRI是一种高分辨率的自由呼吸扫描，其对比度与CT相当，并且在识别CF中的低信号区域方面与CT结果一致[16]。尽管UTE MRI可以观察气体滞留，但其检测灵敏度低于其他特征[15]。由于气体滞留是呼气末期的现象，在呼气末期进行成像可能比在潮式呼吸期间成像提供更多信息。2D UTE MRI还用于生成定量肺T1图谱，T1值与CF疾病严重程度的临床测量结果相关，表明其对早期结构和功能异常具有敏感性。然而，这种方法目前仅限于2D采集，每层图像都需要单独屏气[17,18]。

超极化12?Xe通气MRI对CF早期肺病的通气异常非常敏感[9]。该方法依赖于直接成像吸入的超极化气体在肺内的分布情况。通气异常表现为低/无信号区域，可以通过通气缺陷百分比（VDP%）进行量化。据报道，在FEV?和CT结果正常的CF患者中，VDP%超过了正常上限[7,19]。然而，这种技术需要专业设备和训练有素的人员来操作，因此目前仅在专业中心可用。

在这项研究中，我们使用在残余容积（RV）和总肺容量（TLC）附近获取的短屏气3D spoiled梯度回波（SPGR）序列的肺部1H-MRI来评估RV处的低信号区域，这些区域被认为对应于CF患者的气体滞留。这些序列是标准配置，在所有扫描仪上均可使用，所需的屏气时间较短（约10秒），适用于5岁以上的儿童。我们定性评估了气体滞留情况，并开发了一种自动化方法从这些图像中量化气体滞留。定量结果与肺功能测定的FEV?、体容积描记的RV/TLC、12?Xe通气MRI的VDP%以及MBW的LCI进行了比较。

节选

研究对象

这项回顾性研究使用了三个队列的数据：9名成人对照组、15名儿童对照组和27名CF患者（包括20名成人和7名8–12岁的儿童）。成人和儿童对照组被合并为一个正常的队列。研究详情如下。

肺功能测试

进行肺功能测定的正常对照组中，FEV? z分数在正常范围内。在27名CF患者中，有14名的FEV?也在正常范围内。15名CF患者的RV/TLC在GLI预测值范围内，其中14名的FEV?也正常。7名FEV?正常的CF患者的LCI正常，而其他所有CF患者的LCI均异常。

在15名健康儿童中，有2名因未能达到RV而被排除。所有健康成人和CF患者均

讨论

我们证明了使用在RV附近获取的简单、广泛可用的1H-MRI SPGR序列，可以定性和定量地评估CF患者中的气体滞留区域。

所呈现的图像显示，大多数CF患者存在明显的异质性气体滞留。与正常对照组相比，CF患者的计算GTV显著较高，FEV?正常和异常的患者之间也存在差异。

结论

我们提出了一种在RV附近获取的1H-MRI短屏气序列，作为CF患者气体滞留的定性和定量评估的简单方法。在CF患者中，气体滞留现象明显可见，我们的数据表明一些FEV?正常和LCI正常的患者也存在异常的气体滞留。我们的方法满足了临床需求，提供了一种适用于儿童成像的无辐射替代CT的方法，具有潜在的纵向研究价值。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

这项工作还得到了国家卫生研究院（NIHR）、健康教育英格兰（Health Education England）和医学研究委员会（MRC）的支持，包括MRC资助的项目（MR/M008894/1和MR/M022552/1），以及NIHR授予JW的NIHR-RP-R3-12–027项目，以及LS获得的健康教育英格兰/NIHR临床博士研究奖学金（ICA-CDRF-2015–01–027）。本文表达的观点仅代表作者本人，并不一定代表NHS的观点。