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方法文章

7.0 特斯拉下多发性硬化症的磁共振成像

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DOI：

10.3791/62142

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2021年2月19日

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1Berlin Ultrahigh Field Facility (B.U.F.F.), Max Delbrück Center for Molecular Medicine in the Helmholtz Association, 2Experimental and Clinical Research Center, Max Delbrueck Center for Molecular Medicine and Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 3NeuroCure Clinical Research Center, Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 4Department of Neurology, Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 5The Swedish National 7T Facility, Lund University Bioimaging Center, Lund University, 6Department of Radiography, Medical University of Lublin, 7ECOTECH-COMPLEX, Maria Curie-Skłodowska University, 8MRI.TOOLS GmbH, 9Berlin School of Mind and Brain, Humboldt-Universität zu Berlin

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本文介绍了一种在7.0特斯拉下获取多发性硬化（MS）患者脑部磁共振（MR）图像的方案。该方案包括设备准备（含射频线圈）、对MS患者的标准化访谈流程、受试者在MR扫描仪中的体位摆放以及MR数据采集。

摘要

本文的主要目标是展示一种针对多发性硬化（MS）患者在7.0特斯拉下进行脑部超高清磁场（UHF）磁共振（MR）成像的前沿方案。MS是一种以白质和灰质病变为特征的慢性炎性、脱髓鞘性神经退行性疾病。在临床实践中，依据现行2017年McDonald诊断标准，利用1.5 T和3 T磁共振成像（MRI）检测在空间和时间上弥散分布的T2-高信号病灶，是准确诊断MS的关键手段。然而，由于在较低磁场强度（通常为3 T）下病灶形态相似，有时难以将MS病灶与其他病因引起的脑白质病变区分开来。超高清磁场MR（UHF-MR）具有更高的信噪比和更优的空间分辨率，这两者均有助于实现更高质量的成像，从而对细微病灶做出更准确、更明确的诊断。因此，7.0 T MRI通过提供MS特异性的神经影像学标志物（例如中央静脉征、低信号边缘结构以及MS灰质病灶的识别），在克服MS鉴别诊断难题方面已展现出令人鼓舞的结果。这些标志物以及其他特征可通过除T1和T2之外的其他MR对比技术（如T2*、相位、弥散）加以识别，显著提升MS病灶与视神经脊髓炎、Susac综合征等其他神经炎症性疾病病灶之间的鉴别能力。本文中，我们描述了当前采用不同MR采集方法在7.0 T下研究MS患者脑内白质与灰质病灶的技术方案。该最新方案包括MR设备的准备（含专为UHF-MR定制的射频线圈）、对MS患者的标准化筛查、安全评估与访谈流程、患者在MR扫描仪中的体位安置，以及为MS检查量身定制的专用脑部扫描数据采集。

引言

多发性硬化症（MS）是中枢神经系统（CNS）最常见的慢性炎症性和脱髓鞘性疾病，可导致年轻成人明显的神经功能障碍，并引发长期残疾1,2。MS的病理特征是大脑灰质和白质中出现脱髓鞘病灶的累积，以及全脑范围内的弥漫性神经退行性变，即使在外观正常的白质（NAWM）中亦可发生3,4。MS的病理学研究表明，炎症在疾病各个阶段均驱动组织损伤，即使在疾病的进展阶段也是如此5。MS的首次临床表现通常伴随可逆性的神经功能缺损发作，当仅提示MS时，称为临床孤立综合征（CIS）6,7。若无明确的CIS表现，在诊断MS时应谨慎对待：诊断应通过随访确认，且长期疾病修饰治疗的启动应推迟，直至获得进一步证据8。

磁共振成像（MRI）是诊断多发性硬化症（MS）和监测疾病进展不可或缺的工具9,10,11。目前，在临床实践中，1.5 T 和 3 T 磁场强度下的 MRI 是检测自旋-自旋弛豫时间加权（T2）高信号病灶并依据现行 2017 年 McDonald 标准准确诊断 MS 的关键诊断工具8。MS 的诊断标准强调需证明病灶在空间和时间上的播散性，并排除其他可能的诊断8,12。增强对比 MRI 是评估急性疾病和急性炎症的唯一方法8，但人们对钆造影剂可能在脑部长期沉积的担忧日益增加，这可能会限制其作为重要诊断工具的应用13,14,17。此外，由于在较低磁场强度下不同病因的脑白质病灶形态相似，有时难以区分 MS 病灶与其他来源的脑白质病灶。

尽管磁共振成像（MRI）无疑是多发性硬化（MS）患者的最佳诊断工具，但MR检查与方案应遵循欧洲多发性硬化磁共振成像小组（MAGNIMS）18，19或北美多发性硬化中心联盟（CMSC）20的指南，用于MS患者的诊断、预后评估及病情监测。依据最新指南，在不同医院和国家间开展标准化的质量控制研究也至关重要21。

针对多发性硬化（MS）诊断和疾病进展监测的磁共振成像（MRI）方案包含多种MRI对比模式，包括由纵向弛豫时间T1、自旋-自旋弛豫时间T2、有效自旋-自旋弛豫时间T2*以及扩散加权成像（DWI）22所决定的对比。为推动MS的MRI检查向标准化协议发展，以促进临床转化及跨机构数据比较，已有多个协调倡议发布了共识报告23,24,25。T2加权成像在临床实践中已广泛应用且技术成熟，常用于识别表现为高信号的白质（WM）病变26,27。尽管白质病变负荷是MS的重要诊断标准之一28，但其与临床残疾程度的相关性较弱，原因在于其对病变严重程度及潜在病理生理机制缺乏特异性26,27,29。这一现象促使研究者探索横向弛豫时间T2的参数化映射技术30。T2*加权成像在MS成像中的重要性日益凸显。T2*加权MRI中的中央静脉征被认为是MS病变的特异性影像标志物27,31,32,33。T2*对铁沉积敏感34,35，而铁沉积可能与疾病持续时间、活动性和严重程度相关36,37,38。已有研究报道，T2*还可反映轻度神经功能缺损及早期MS患者的脑组织改变，因此可能成为评估MS早期发展阶段的工具39,40。

MRI 技术的进步有望更准确地识别多发性硬化症（MS）患者中枢神经系统（CNS）中的病变变化，并为临床医生提供更可靠的依据，以提高 MS 诊断的准确性与速度11。超高场强（UHF，B0≥7.0 T）MRI 具有更高的信噪比（SNR），可转化为更高的空间或时间分辨率，这对于实现更精确、更明确的影像学诊断至关重要41,42。在超高磁场下使用的1H射频会产生不利的发射场（B1+）不均匀性43，而采用多通道发射技术（并行发射，pTx）的射频线圈及优化的射频脉冲设计可改善B1+的均匀性，从而实现对大脑更均匀的成像覆盖44。

随着7.0 T磁共振成像（MRI）的发展，我们在脱髓鞘疾病（如多发性硬化症，MS）的研究中获得了更深入的认识，包括病灶检测的敏感性和特异性提高、中央静脉征的识别、软脑膜强化，甚至代谢变化的观察45。组织病理学研究早已表明，MS病灶围绕静脉和小静脉形成46。病灶的静脉周围分布（即中央静脉征）可通过T2*加权MRI在3.0 T或1.5 T下识别46,47,48，但在7.0 T的超高场强MRI（UHF-MRI）下识别效果最佳49,50,51,52。除了中央静脉征外，7.0 T UHF-MRI还改善或揭示了其他MS特异性影像标志物，如低信号边缘结构以及MS灰质病灶的鉴别53,54,55,56。利用UHF-MRI更清晰地描绘这些标志物，有望克服将MS病灶与其他神经炎症性疾病（如Susac综合征53和视神经脊髓炎54）中的病灶相区分的部分挑战，同时还有助于识别其他疾病或MS变异型（如Baló同心性硬化57,58）中的共同致病机制。

鉴于超高场磁共振成像（UHF-MRI）在检测与鉴别多发性硬化（MS）病灶方面所面临的挑战与机遇，本文介绍了我们目前采用不同成像技术在7.0 T磁场强度下研究MS患者脑内白质与灰质病灶的技术方法。该最新方案包括磁共振设备的准备（含专为超高场磁共振定制的射频（RF）线圈）、对MS患者的标准化筛查、安全评估与访谈流程、患者在磁共振扫描仪中的体位安置，以及专用于MS研究的脑部扫描图像采集。本文旨在为影像学专家、基础研究人员、临床科学家、转化研究人员和技术人员提供指导，无论其经验水平如何，从初学者到高级用户及应用专家，均可借此进入MS患者超高场磁共振成像的研究领域，最终实现跨学科领域中技术发展与临床应用的协同融合。

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方案

本方案已获得柏林夏里特大学医学中心伦理委员会（批准编号：EA1/222/17，2018年1月8日）以及柏林夏里特大学医学中心数据保护部门和公司治理部门的批准。所有受试者在参与研究前均已签署知情同意书。

1. 受试者

注意：MS 患者的招募通常在 7.0 T MR 检查前数天至数周内进行。

  1. 根据纳入标准（依据具体的神经免疫学问题）和排除标准（例如包括可植入式医疗设备，如胰岛素泵或起搏器，以及妊娠状态），由门诊神经科医生招募多发性硬化（MS）患者。
  2. 在门诊就诊期间，向MS患者简要介绍7.0特斯拉（7.0 T）磁共振（MR）检查，并解释与7.0 T MR检查相关的安全措施。
    1. 尽管应采取预防措施，特别是在7.0 T条件下，应向所有相关人员提供禁忌症清单（例如 表1），但仍需从可靠的文献来源持续更新关于安全性考量和决策过程的最新认识，尤其是针对种类繁多的植入物59,60,61,62,63。国际医学磁共振学会（ISMRM）和磁共振放射技师学会（SMRT）提供了有关MR安全策略以及植入物和设备安全标准的指导64。
    2. 与健康安全官员及医务人员共同充分了解可能存在的危险、预防措施及应对方案。所使用的局部射频线圈类型、植入物的位置和类型均为关键因素59。
    3. 对存在植入物、设备或纹身的受试者进行符合本地伦理考量的风险/获益评估63，并考虑过度保守限制可能导致的研究收益损失。
  3. 在MR检查前一周，为受试者安排7.0 T MR扫描仪的检查预约。对于行动不便或来自其他城市的患者，应提前更早联系。在安排预约的同时，通过电子邮件向受试者提供重要信息：包括知情同意文件和表格，以及安全信息（含禁忌症清单（表1））。这些信息用于为步骤1.9至1.14中的讨论做好准备。
  4. 一旦允许受试者进入超高清场强（UHF-MR）建筑或区域并确认其身份，应评估其对超高磁场潜在危险的认知情况。对于被动导电性植入物以及可植入式医疗设备（如起搏器和胰岛素泵）的情况需特别注意。
  5. 要求每位受试者填写一份确认表格，以确认其符合进入5高斯（0.5 mT）区域的安全要求，该区域被视为公众暴露于静态磁场的“安全”水平。MR扫描仪主磁体周围这一 安全区域由杂散磁场等于5高斯的距离界定。5高斯线通常在地面上标出。由于本例中采用被动屏蔽的7.0 T MR扫描仪的杂散磁场范围较广，因此使用建筑物的外墙来界定安全区域，而非5高斯线。
    注意：在本录像拍摄时，全球正处于2020年冠状病毒大流行期间，每位受试者均需遵守相应的防疫指南，包括保持1.5米社交距离、佩戴口鼻防护用品以及手部消毒。
  6. 告知受试者MR建筑入口附近设有储物柜，可用于安全存放个人贵重物品。同时告知受试者，部分个人物品（如机械手表、带有磁条的银行卡）在靠近磁体一段时间后可能构成潜在安全风险和/或可能受损。
  7. 陪同受试者前往准备室，在此处由医师、神经科医生或研究护士对其进行检查。
  8. 询问受试者的健康状况及用药情况，并在病例报告表（CRF）中进行记录。
  9. 在所有检查措施开始前，询问是否存在潜在的MRI禁忌症（妊娠、所有可能涉及异物的既往手术史、含金属物体的既往外伤史、穿孔、纹身、助听器、幽闭恐惧症、肌肉骨骼问题、被动或主动导电性植入物，包括牙科植入物，以及起搏器和胰岛素泵等医疗设备）。
  10. 讨论研究的背景和目标 （相关信息已通过电子邮件提前发送）。如适用，说明研究的资金来源（例如，研究是由研究者发起、企业发起或企业资助）。声明机构关联关系及潜在的利益冲突。受试者必须能够理解研究的目的及其影响。受试者有权在提出请求时获取其个人数据。研究完成后一年内，将提供一份报告或出版物供免费查阅。
  11. 讨论数据保护及保险相关事项。所有数据在研究开始前均进行假名化处理。将受试者的个人数据（包括姓名、出生日期、住址、联系电话及假名化ID）记录于研究者现场文件（ISF）中的识别清单内，并锁存于专用柜中。
    1. 数据最长保存期限为10年。仅研究伦理审批中指定的授权人员可通过密码访问数据。保险相关信息包括因参与研究造成损害时的治疗和/或赔偿安排。该信息已通过电子邮件提前发送。
  12. 说明研究中的医学参数测量项目（如血压、心率、体重、身高、体温、育龄期女性受试者的妊娠检测）。此信息也已通过电子邮件提前发送。
  13. 说明MRI检查流程。在进入MRI安全区域前，向每位受试者说明接受超高场强磁共振检查的潜在益处及潜在风险。此信息也已通过电子邮件提前发送。
  14. 确保研究的伦理合规性，申明本研究已获得伦理委员会批准，并向患者保证参与研究的安全性。告知受试者参与检查是自愿的，可在任何时候无须额外说明理由或承担负面后果的情况下中止检查。
  15. 获取受试者的口头及书面知情同意。
  16. 在获得同意后，将为受试者分配一个假名化ID，所有数据均将以该假名进行记录和存储。

2. MR 设备准备

注意：以下步骤在受试者到达超高端磁共振成像（UHF-MR）大楼之前完成。

  1. 启动 MR 采集软件。磁体始终处于开启状态。
    1. 对于某些扫描仪（例如，本方案中用于获取代表性结果的西门子 MR 系统），操作间内的一个开关盒（图 1）用于启动 MR 系统（梯度系统和软件）：将钥匙顺时针旋转，按下蓝色的系统开启按钮以启动软件（syngo）。扫描仪电脑上将弹出一个窗口，要求输入密码确认。
  2. 将专用于头部 MRI 的射频线圈连接至 MR 系统。在西门子 7.0 T 系统上，通常使用 1 通道圆极化（CP）发射（1Tx (CP)）、24 通道接收（24Rx）射频线圈（图 2），或可选的 1Tx(CP)/32Rx 射频线圈。这些射频线圈通过 4 个插头连接至患者检查床（标记为 X1 - X4）。
    ​注意：在飞利浦或通用电气（GE）7.0 T MR 系统上，典型的头部线圈为 2Tx(CP)/32Rx 射频线圈。该射频线圈通过 3 个插头和接口盒连接至患者检查床。所有这些射频线圈均无需针对患者进行调谐和匹配。
  3. 对于小型射频线圈，应使用耳塞而非耳机作为听力保护装置。
  4. 准备患者检查床。在 MR 扫描仪附近备好耳塞、软枕、腿部垫枕、毛毯和床单，以便随时取用。
  5. 患者检查床应处于可伸缩的就绪位置，以迎接受试者。

3. 受试者准备

  1. 引导受试者前往更衣室，并要求其换上手术服。只能穿着无金属且不含射频识别芯片的内衣。再次确保所有金属物品（如眼镜、首饰、手机）不得带入7.0 T磁共振操作室和扫描室。
  2. 执行步骤1.11中提到的所有准备工作。
  3. 要求受试者在磁共振检查前排空膀胱。对育龄期女性受试者进行妊娠检测。
  4. 通过操作室陪同志愿者进入7.0 T磁共振扫描室。在进入扫描室前，再次确认未携带任何金属物品。
  5. 缓慢走向7.0 T检查床。被动屏蔽磁体的边缘磁场范围比主动屏蔽磁体更大。含有铁磁性的小型物体在装有被动屏蔽磁体的房间门口就可能已受到吸引力或扭矩作用。
  6. 请受试者平躺在检查床上，并尽可能使其感到舒适。提供小型头枕、手臂支撑枕、腿部垫枕以及毛毯，以防受试者感到寒冷。
  7. 为受试者连接磁共振兼容的脉搏血氧仪，用于在磁共振检查过程中监测血氧饱和度（SpO2）、心率及生命体征。
  8. 提供耳塞和手持式挤压球（报警装置），以便在紧急情况下于检查期间使用。请受试者按压挤压球，以确认其功能正常。
  9. 指导受试者向射频头部线圈靠近（图2）。将射频线圈的发射部分（TX-Part）和上部接收线圈部分向服务端移动，以便安置受试者头部（图2）。开启等中心定位装置。
    1. 在某些磁共振扫描仪（例如西门子和GE磁共振系统）上，使用激光进行定位。极其缓慢地移动检查床，使激光定位光与射频线圈顶部的标记十字完全对齐。保存该位置。在激光定位过程中，请受试者闭上眼睛。其他超高端磁共振设备厂商可能采用不同的定位系统。在任何情况下，都必须确保射频线圈上的标记与等中心定位装置对齐。
  10. 仔细确认头部位置，并确保受试者感到舒适。
  11. 极其缓慢地将检查床移至磁共振扫描仪的等中心位置。在7.0 T条件下，尤其需要缓慢移动检查床，以避免或减轻由感应电流引起的副作用，例如金属味、眩晕或头晕65,66,67。为满足此要求，部分厂商建议根据B0*(grad(B0))调整检查床移动速度曲线。建议将检查床移动速率设置为低于0.66 T/s 67。
  12. 在移动检查床时与受试者保持沟通，并说明一旦检查床停止移动，任何潜在的副作用将立即消失。当检查床向磁体中心移动时，受试者仍可能感到头晕或出现金属味。根据我们的经验，这些效应轻微且完全可逆67,68。
  13. 离开扫描室前，确认受试者感觉舒适并愿意开始磁共振检查。
  14. 离开扫描室后，使用对讲系统检查与受试者的通讯是否通畅。受试者可在任何时候联系研究人员。
  15. 在整个检查过程中持续监测受试者的状态，并确认其是否始终感到舒适，包括后续所有步骤直至研究结束。

4. 数据采集

注意：以下某些关于用户界面操作或特定扫描步骤的描述可能仅适用于某一特定磁共振系统（7.0T Magnetom，西门子医疗，德国埃尔兰根）。不同厂商及软件版本之间的命令和操作流程可能存在差异。本方案遵循欧洲多发性硬化磁共振成像研究组（MAGNIMS）18,19 和北美多发性硬化中心联盟（CMSC）20 针对多发性硬化患者诊断、预后评估及病情监测所制定的指南。

  1. 输入所需的研究和受试者信息（项目编号、伪匿名ID、出生日期、身高、体重、受试者体位（即头部优先仰卧位）、研究者姓名）。不同厂商的7.0 T磁共振系统操作步骤可能有所不同。在所有情况下，均需确保已加载正确的研究方案。
    1. 对于西门子扫描仪，点击显示屏的上方栏（患者 | 登记) 在 syngo 软件中。输入患者信息，选择检查协议，然后点击 检查加载选定的研究方案后，检查窗口将打开。该窗口右侧会显示所选研究方案中已保存的成像序列。
  2. 按照所选研究方案中规定的顺序运行成像序列。这些成像序列的参数应在患者检查前预先规划，并根据上述CMSC和MAGNIMS指南进行保存，用于诊断18 以及多发性硬化患者预后评估与监测19.
  3. 调整与定位图像
    1. 在进行多发性硬化症检查的数据采集之前，使用以下步骤执行必要的调整 定位像 序列（也称为定位序列）。这通常是一个梯度回波（GRE）序列，包含扫描前需要执行的调整程序。
      注意：调整包括对非均匀静态磁场（B₀）的校正（匀场），以优化磁场均匀性，从而提高图像质量。0）场。B0 由于大磁场以及体内磁化率差异（如空气、骨骼、血液）及其分布，会导致磁场不均匀性。这些不均匀性会拓宽自旋的频率分布，并可能导致显著的体素内去相位；这在射频重聚（自旋回波）序列中不是问题，但会显著降低后续大多数序列的信号强度，尤其是 T2*加权成像。在临床磁共振扫描仪（磁场强度为B的设备）上会自动进行调整0≤7.0 T）。在某些扫描仪上（例如 Siemens 7.0 T MR 扫描仪），调整通常由操作员主动启动。有关如何选择和操作序列的具体细节，请参考与系统配置相对应的操作手册。
    2. 选择 定位像在西门子扫描仪上，标记窗口右侧的序列，然后单击左箭头，将该序列移至窗口左侧，以将其加入工作流程队列中。确保为所使用的射频线圈选择所有通道。 定位序列 序列的顺序对于规划后续序列中成像层面的方向也至关重要。此时尚无图像可用，因此无法调整参考体积。
    3. 根据具体MR系统的需要进行相应调整（参考操作手册）。在西门子扫描仪上，这包括频率和发射器调整，以设定射频线圈和放大器功率所需的基本频率和电压，以及三维匀场，以校正静态磁场的不均匀性。图3):
    4. 选择 选项 | 调整频率、发射器、3D匀场及其他选项卡将出现在窗口下方的工具栏中。 频率，选择 开始 直到基频居中并显示“是”为止。在 发射器，根据所使用的射频线圈和放大器功率设置电压（对于我们采用的24通道接收射频头线圈，使用300 V）并 应用.
    5. 在“3D 匀场”下选择 测量 以及当 B0 生成图像，按压 计算 获取匀场值。重复 频率 以及 3D 匀场 至少调整两次，直至匀场值与前一次保持一致。按下 应用 以及 关闭在飞利浦和GE 7.0 T扫描仪上，每次序列扫描前需在后台进行调整（操作员需提供反馈以进行调整控制）。
    6. 运行 定位像 在三个方向上进行序列扫描。序列参数：采集时间（TA）＝160 ms。由于尚未获得图像，将位置设于等中心，旋转角度＝0 °其他参数：矩阵 = 256×256，视野 = 250 mm，层厚 = 7.0 mm，层间距 = 7.0 mm（100 %），TR = 7.0 ms，TE = 3.03 ms，平均次数（avg）= 1，翻转角（FA）= 2 °，无脂肪或水抑制。 切片组 1 （矢状面方向，相位编码方向 A>P), 切片组 2 （横断面方向，相位编码（PE）方向 A>P), 切片组 3 （冠状位，相位编码方向 R>L）。每个切片组采集三个切片。此时不对几何参数进行任何调整。
    7. 获取定位像。
    8. 确认调整体积是否已使用以下方法正确设置 定位像 MR图像。将调整容积与视野（FOV）对齐，并与受试者头部中心对齐。若未对齐，需正确对齐后重新进行调整。
    9. 重要提示：每次调整使用体积或射频通道数量后，均需重新进行校准。
      1. 在西门子系统上，可通过从上一次复制调整体积来避免此情况 定位序列 调整体积设置正确的位置：选择调整正确的最后一次扫描，右键单击 复制参数，并选择 调节音量 在打开的窗口中。需要进一步调整的情况包括需要更精细匀场技术的特殊成像序列（例如，平面回波成像（EPI））。
  4. 专用磁共振成像序列的采集
    1. 多种具有不同对比度的序列（T1T2T2*, 相位，QSM，弥散）可用于研究MS病理（图11）。可根据临床需求或研究问题选择最适合的方法，并在MR系统中将其纳入研究方案，用于特定的相关科研项目或临床研究。目前已有多种实用指南和综述，用于在磁共振成像上研究、检测和界定多发性硬化病灶。 8,50,69每台磁共振系统在获取专用磁共振序列时，其操作流程和用户界面各不相同。图4在西门子系统上，查看每个研究方案右侧的磁共振方法（序列）列表，并将其添加到检查窗口左侧的序列队列中。以下是我们使用西门子7.0 T磁共振扫描仪研究多发性硬化病理时所采用的一些序列。在规划序列定位时，如需调整，请务必重复进行。
  5. 磁化准备快速梯度回波成像（MPRAGE）
    1. MPRAGE 是一种 T1加权3D矢状位反转恢复预准备扰相GRE序列，用于高空间分辨率和T1-对比。其主要用途为解剖学成像，可用于评估多发性硬化症（MS）中的脑体积丢失情况70首次在多发性硬化患者中应用，以提高对比增强病灶（CELs）的检出率71. MPRAGE 提供优异的 T1- 即使不使用对比剂，也能实现灰质（GM）、白质（WM）和脑脊液（CSF）之间依赖于对比度的清晰区分72. 结合T2加权序列，如FLAIR（见下文），是一种广泛使用的T1加权技术在多模态分割方法和基于体素的形态学分析中的应用73. 利用7.0 T下更优的并行成像性能以及更高的信噪比和空间分辨率，采用MPRAGE序列检测和分类皮层MS病变得到了显著改善 74.
    2. 使用以下 MPRAGE 序列参数：TA = 5 分 3 秒，3D 模式，各向同性分辨率 = [1.0×1.0×1.0 mm³，矩阵 = 256×256×256，视野 = 256 mm，矢状位，相位编码方向 A>P，每 slab 层数 = 192，层厚 = 1.0 mm，层间距 = 0.5 mm，TR = 2300 ms，TE = 2.98 ms，平均次数 = 1，拼接次数 = 1，无滤波，反转恢复时间 TI = 900 ms，翻转角 FA = 5 °，无脂肪或水抑制，基线分辨率为256，采用GRAPPA的并行成像，加速因子PE = 2 (图4A).
    3. 以矢状位方向采集，该方向应与大脑半球间裂对齐。由于MPRAGE为三维序列，图像仍可在研究结束时配准至基线扫描图像。
  6. 磁化准备2-快速梯度回波采集（MP2RAGE）
    1. 这是一个 T1加权3D序列，同时进行T1 磁化率图谱；一种双反转对比磁化准备快速梯度回波序列，用于可靠的白质病变体积测量75. MP2RAGE序列可生成具有不同对比度的图像，例如，两幅具有不同反转时间与翻转角度的梯度回波图像、一幅T1w 图像，背景无噪声且具有 T1 定量 T1 成像可为多发性硬化患者提供进一步的诊断信息，以更好地区分病灶亚型并实现疾病活动的快速分期76. MP2RAGE 最近被证明可改善皮质下皮质内病灶的可视化（图13A)77，这与多发性硬化症中的脑膜炎症相关78 并且即使在更高磁场强度和先进方法下也极难检测。开源的 MP2RAGE 代码可从开发者处获取：https://:github.com/JosePMarques/MP2RAGE-related-scripts
    2. 使用以下 MP2RAGE 序列参数：TA = 11 分 37 秒，三维成像，矢状位，相位编码方向 A>P，空间分辨率为 [1.0×1.0] mm²，矩阵 = 256×256，FOV = 256 mm，FOV 相位 = 93.75 %，slabs = 1，每 slab 层数 = 176，层厚 = 1.0 mm，层间距 = 0.5 mm，TR = 5000 ms，TE = 3.18 ms，平均次数 = 1，concatenations = 1，TI 1 = 700 ms，TI 2 = 2500 ms，FA 1 = 4 °，FA 2 = 5°，无脂肪或水抑制，基线分辨率为320，采用GRAPPA的并行成像，加速因子PE = 3 (图5).
    3. 以与 MPRAGE 相同的方位和定位运行 MP2RAGE。
  7. 液体衰减反转恢复（FLAIR）
    1. FLAIR 是一种使用 T2-加权液体衰减反转恢复（FLAIR），通过抑制脑脊液信号以评估多发性硬化病灶随时间的空间播散情况（在西门子扫描仪上，其与SPACE（采用不同翻转角演进实现应用优化对比度的采样完美成像模块）联合使用）。该序列的优势包括高各向同性分辨率、低比吸收率（SAR）、支持并行成像、脑脊液抑制，因而更有利于检测脑实质边界的病变。FLAIR序列在识别皮层病变方面尤为有益。图13B)79 以及多发性硬化患者脑部对比增强后的软脑膜强化（LME）80有趣的是，在1.5 T下检测多发性硬化患者LME时，使用FLAIR CUBE（GE磁共振系统的成像模块）的检出率显著高于使用FLAIR SPACE（西门子）81. 3D FLAIR SPACE 被证明是一种有吸引力的 T2加权序列，作为上述T的补充1用于多发性硬化患者病变检测的加权MP2RAGE序列76通常，这两个序列会与横断面病灶分割结果共同配准，以生成联合的多发性硬化病灶图谱82最近，FLAIR（在3.0 T Philips MR系统上）发现，Susac综合征患者出现LME的可能性显著高于多发性硬化患者83.
    2. 使用以下FLAIR序列参数：TA = 6分16秒，3D模式，矢状位，相位编码方向A>P，各向同性分辨率 = [0.8×0.8×0.8 mm³，矩阵 = 320×320×320，视野 = 256 mm， slab 数 = 1，层面过采样 = 18.2%，每 slab 层数 = 176，相位编码视野 = 87.5%，层厚 = 0.80 mm，TR = 8000 ms，TE = 398 ms，平均次数 = 1，拼接次数 = 1，原始数据及图像滤波，TI = 2150 ms，无脂肪或水抑制，相位编码方向加速因子 AFPE = 4 (图6).
    3. 以矢状位方向运行序列，与 MPRAGE 和 MP2RAGE 序列相同。
    4. 如果鼻子位于黄色框外，则将序列参数图中的相位编码视野（FOV phase）增加至100%。这会将扫描时间（TA）更改为6分56秒。
  8. 多回波快速低角度激发（FLASH-ME）
    1. FLASH-ME 是一种二维 T2*-加权梯度回波序列，采集多个不同回波时间的回波。此前在7.0 T下已采用类似的序列作为定量评估T的工具2* 弛豫率，用于研究健康对照组全脑皮层细胞构筑组织的模式 84最近，定量T2* mapping被用于研究多发性硬化症患者大脑皮层组织的完整性，认知功能障碍被证实与T2*值升高相关，且该关联独立于皮层厚度或病灶的存在。85. 仅使用最长回波时间时，该序列用于描绘以小静脉血管为中心的多发性硬化白质病灶（中央静脉征， 图12），尤其是靠近脑室的那些（图14a)42,55.
    2. 使用以下FLASH-ME序列参数：TA = 12 min 10 s，2D模式，横断面方向，面内分辨率 = [0.47×0.47 毫米²，矩阵 = 512×512，视野 = 238 mm，层数 = 52，层厚 = 2.0 mm，无层间距，相位编码方向 R>L，TR = 1820 ms，TE1-8 = 4.08 ms, 7.14 ms, 10.20 ms, 13.26 ms, 16.32 ms, 19.37 ms, 22.43 ms, 25.49 ms（确保回波时间的增量为3.5 ppm脂肪-水化学位移的整数倍），avg = 1，concatenations = 1，FA = 35 °，无脂肪抑制（图7).
    3. 使用 3D MPRAGE 冠状面、横断面 定位序列 用于规划二维 FLASH-ME 扫描的几何结构的图像。
    4. 调整视野（FOV）和扫描层面，使整个头部位于中心位置（见上文）。
    5. 使用缩放和平移工具在矢状位MPRAGE图像上调整2D FLASH-ME的FOV位置和倾斜角度，使FOV（黄色框）的下边界与胼胝体下缘线对齐胼胝体下平面).
    6. 调整角度后移动整个层块，使最上层以颅骨穹窿结束。该层块并未覆盖整个大脑。较大的层块会延长测量时间，并引入鼻腔-耳腔磁化率伪影。
    7. 如果调整体积与几何体积不再对齐，则修改调整体积。如有必要，重复进行调整（见上文）。
  9. 磁敏感加权成像（SWI）
    1. 对于SWI，使用完全流动补偿的3D T的幅度和相位数据2*加权GRE序列。为了增强磁敏感性对比，利用相位数据生成加权掩模，并与SWI中的幅值图像相乘86. SWI 可增强静脉与周围组织之间的对比度87，并且还能识别多发性硬化患者中的铁沉积88含铁巨噬细胞沉积于慢性脱髓鞘多发性硬化病灶边缘89，并在相位图像上表现为病灶边缘的高信号89,90 以及在T2*使用SWI进行体内和死后后处理的加权图像91 (图14b）。三维编码能够实现更短的重复时间（TR）和更低的翻转角，从而实现全脑覆盖，缩短扫描时间，并降低对B1+ 磁场扰动92并行成像还可缩短采集时间；广义自校准部分并行采集（GRAPPA）并行成像技术对每个通道的幅值和相位图像进行重建，并将其合并以生成最终图像。93,94.
    2. 使用以下SWI序列参数：TA = 9分26秒，2D模式，空间分辨率：[0.3×0.3] mm²，矩阵 = 768×768，读取视野 = 256 mm，相位视野 = 68.75 %， slab 数 = 1，每 slab 层数 = 120，层厚 = 1.0 mm，层间距 = 0.2 mm，强横向方向，相位编码方向 R>L，TR = 30 ms，TE = 15.3 ms，avg = 1，concatenations = 1，FA = 30 °，无脂肪或水抑制，基底分辨率为768，相位分辨率为100%，层面分辨率为100%，相位部分傅里叶=6/8，层面部分傅里叶=6/8，采用GRAPPA的并行成像，AFPE=2（图8).
    3. 以横断面方向采集 不要 不要引入任何角度倾斜，因为这会使后处理更加困难。
    4. 将切片层块向颅侧移动，使最上端边缘与颅骨穹窿对齐。沿腹侧或背侧方向移动该层块，使大脑完全位于视野（FOV）中央。
  10. 定量磁化率成像（QSM）
    1. 对于QSM，使用二维T2*-加权GRE序列（采用六个回波时间，并对第一个回波实施流动补偿）。QSM是SWI的后续技术，其核心思想是提供逐体素的磁化率分布估计95定量磁化率成像（QSM）利用相位图像生成三维磁化率分布图，其体素强度与基础组织的表观磁化率呈线性正比关系。在研究多发性硬化症病理时，QSM可提供有关组织成分和微结构的重要信息，例如白质中的髓鞘含量以及灰质中的铁沉积情况。95. 导致磁共振可测量信号变化的多种多相MS病理生理过程十分复杂，因此联合使用多种磁共振方法具有优势：QSM对MS相关的组织改变更为敏感，但其信号变化同时受到铁沉积和脱髓鞘（二者均增加磁敏感性）的叠加影响，这与T2* 映射中，MS 的两种病理生理过程将产生相反的影响：脱髓鞘会增加 T2* 速率，而铁沉积会降低 T2*96QSM 相比相位图像能更准确地解析磁化率的空间分布模式，因而能够更精确、可靠地描绘磁化率的实性及环状模式97结合T2*加权成像、SWI和QSM，还可研究多发性硬化疾病进展过程中病灶内铁含量的变化：非含铁病灶在所有序列中均呈高信号，而含铁病灶在T2*和SWI中呈低信号，但在QSM中不呈低信号 98.
    2. 使用以下QSM序列参数：TA = 7 min 43 s，2D模式，slabs = 1，PE方向A>P，平面内分辨率为 [0.49×0.49 毫米²，矩阵 = 448×448，读取视野 = 220 mm，相位视野 = 90.6%，每 slab 层数 = 96，层厚 = 1.0 mm，层过采样 = 8.3%，TR = 36 ms，TE1-6 = 6.15 毫秒, 11.22 毫秒, 16.32 毫秒, 21.42 毫秒, 26.52 毫秒, 31.62 毫秒, avg = 1, concatenations = 1, 图像滤波, FA = 30 °，无脂肪或水抑制，基线分辨率 = 448，相位部分傅里叶 = 6/8，层面部分傅里叶 = 6/8，采用 GRAPPA 的并行成像，加速因子（AF）PE = 2 (图9).
    3. 使用矢状位MPRAGE图像上的缩放和平移工具，移动并倾斜视野（FOV），使FOV（黄色框）的下边界与胼胝体下缘线对齐胼胝体下平面).
    4. 将切片堆向颅侧移动，使顶层与颅骨穹窿对齐。
  11. 弥散加权平面回波成像（DW-EPI）
    1. 对于弥散加权成像（DW成像），使用一个 2D EPI 采用64个不同扩散编码方向的序列，b值为 b = 0 s/mm2 以及 b = 1000 s/mm2DW成像可检测组织微结构的细微变化，包括早期多发性硬化症患者正常 appearing 白质中常被常规MRI遗漏的弥漫性神经退行性变和脱髓鞘。99,100既往在多发性硬化中的弥散研究报道皮质病变的平均弥散系数升高101一项近期在7.0 T下的研究揭示了类似结果，同时还发现早期多发性硬化患者的细胞内体积分数较低；通过将三室组织模型拟合至扩散加权图像，可将细胞内室与各向同性体积分数（水肿或脑脊液）及细胞外空间区分开来。 102与对照组的白质相比，皮层和白质病灶以及正常表现白质（NAWM）的细胞内体积分数均有所降低。102在白质病灶中，细胞内区室的减少伴随着平均扩散率和分数各向异性的升高，提示脱髓鞘和轴突丢失102DW-EPI 通常会伴随几何畸变，表现为图像中像素的拉伸或压缩。为补偿这一问题，已引入反向相位梯度方法，即使用相反的相位编码（PE）极性对同一层面进行两次采集。 103,104相反的空间失真模式可通过配准工具进行对齐并合并图像。对于失真校正，采用相反的相位编码方向采集同一图像，但不进行扩散加权，从而缩短了采集时间。
    2. 使用以下 DW-EPI 序列参数：TA = 14 分 02 秒，二维维度，横断面方向，A>P PE方向，空间分辨率为[1.95×1.95] mm²，矩阵 = 256×256，读取视野 = 500 mm，层数 = 30，相位视野 = 100.0 %，层厚 = 2.0 mm，层间距 = 2.0 mm，重复时间 = 12000 ms，回波时间 = 115 ms，平均次数 = 1，拼接次数 = 1，脂肪抑制，基础分辨率 = 256，相位分辨率 = 100 %，相位部分傅里叶 = 6/8，采用 GRAPPA 的并行成像，加速因子PE = 3，扩散模式 = MDDW，2 个扩散权重：b 值 1 = 0 s/mm²，b值2 = 1000 s/mm²²，弥散方向数 = 64（图10).
    3. 以横断面方向采集 不要 不要引入任何角度调整，因为这会使后期处理更加困难。
    4. 移动视野（FOV），使层面块的上边界与颅骨穹窿对齐。前后方向平移，使脑组织 precisely 位于 FOV 中央。
    5. 以相位编码（PE）方向的两种相反极性采集序列，以便在后期处理中消除畸变伪影。为执行相反极性序列，需重复2D EPI序列，此次选择PE方向为P的序列版本>A. 修改的序列参数：TA = 1 分 14 秒，P>一个相位编码方向，1 个扩散加权：b 值 = 0 s/mm².
    6. 以与之前二维EPI序列相同的方向和定位运行此序列。
    7. 确认相位编码方向设置为 P>参数选项卡中的 A 常规. 如果不是，请通过输入 180 进行更改°.
    8. 最后一个序列完成并重建后，磁共振成像检查即告完成。
    9. 在病例报告表（CRF）中记录所有获取的序列及其相关描述。

5. 结束磁共振检查

  1. 进入磁共振扫描室，缓慢将受试者检查床从等中心点移开。
  2. 评估受试者的身体状况，并询问其在检查前、检查中或检查后是否出现任何可能的不良反应。特别询问是否存在头晕、闪光感、冷热感、全身不适、肌肉抽搐、金属味觉或其他任何异常感觉。
  3. 将所有观察结果（包括不良反应）记录在病例报告表（CRF）中。
  4. 在进行最后的咨询后，陪同受试者前往更衣室，随后前往储物柜取回存放的个人物品，最后送至建筑物出口。作为安全措施，必须始终陪同来访的受试者。
  5. 将所有书面文件（CRF、受试者编号清单、研究知情同意书）归档至研究者站点文件夹中，并存放于安全处锁好。文件保存期限至少为10年。

6. 数据备份

注意：每个磁共振中心均遵循各自的数据保存与安全备份指南。数字磁共振数据应存储在受密码保护的服务器上。以下流程适用于西门子 7.0 T 磁共振系统。

  1. 在 患者浏览器 中选择受试者 ID 编号，然后选择 传输。
  2. 选择 导出至离线，并输入本地文件夹的路径（例如，C:\temp）。
  3. 检查进程是否已完成（通过 传输 | 本地作业状态）。
  4. 选择高级用户（Ctrl+Esc），并输入管理员密码以解锁。
  5. 启用高级用户后，进入 Windows 资源管理器（Ctrl+Esc）。
  6. 将 Dicom 数据从本地文件夹移至密码保护服务器上的安全 Dicom 数据研究文件夹中。

7. 系统关闭

  1. 根据系统要求关闭设备。对于西门子扫描仪，使用 syngo 软件上方的工具栏关闭软件。仅在软件关闭后，再按下 MR 系统的关闭按钮（西门子扫描仪上的蓝色按钮），并将钥匙向左转动。

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结果

一名被诊断为复发缓解型多发性硬化症（RRMS）的26岁女性，使用上述方案在7.0 T磁共振设备上进行了检查（图11）。在磁共振图像中可以观察到B1+场分布存在一些畸变。当使用更高共振频率时，这种情况是可预期的43；较短的波长会增强破坏性和建设性干涉效应105,106。为了获取磁共振图像（图11、图12、图13、图14），我们在西门子7.0 T磁共振系统上使用了单通道发射体线圈，该系统无法通过手动调节相位和幅度来补偿B1

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讨论

本文介绍的方案包含一系列具有不同对比度的磁共振成像序列，这些序列在7.0 T下检查多发性硬化症（MS）患者时通常会被使用。结合不断涌现的技术进展，这些序列为代谢或功能成像等更先进应用的研究奠定了基础。

除了脑部病灶外，脊髓病灶也常影响多发性硬化症患者，导致运动、感觉和自主神经功能障碍。然而，脊髓成像在技术上具有挑战性，尤其是在7.0 T场强下113。需要进一步发展并行发射和并行成像技术，以克服因B1 场分布不均所导致的成像畸变问题114。

本方案的目标是跨学科领域传播并协同整合技术发展与临床应用。除了空间和时间分辨率的预期提升之外，更高磁场带来的物理特性变化还提供了新的机遇，包括在磁敏感加权成像（SWI）和相位对比技术中获得更优的对比度115，以及对钠116,

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披露

不存在需要声明的相互竞争的财务利益。

致谢

本项目（T.N.）部分获得了欧洲研究理事会（ERC）在欧盟“地平线2020”研究与创新计划下的资助，资助协议编号为743077（ThermalMR）。作者谨向德国柏林赫尔姆霍兹协会马克斯·德尔布吕克分子医学中心柏林超高端磁场设施（B.U.F.F.）、瑞典隆德大学生物成像中心瑞典国家7T设施（隆德大学，瑞典隆德）以及波兰玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里大学ECOTECH-COMPLEX（卢布林，波兰）的技术团队及其他支持团队致以诚挚感谢。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
7T TX/RX 24 通道头部线圈Nova Medical, Inc., Wilmington, USANM008-24-7S-0131 通道圆极化（CP）发射（Tx），24 通道接收（Rx）射频头部线圈
Magnetom 7T 系统Siemens Healthineers, Erlangen, GermanyMRB10767.0 T 全身科研磁共振扫描仪
syngoMR B17 软件Siemens Healthineers, Erlangen, GermanyB17AMagnetom 7T 系统的图像处理软件

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