Science Bulletin | 精密测量院提出肺部高时空分辨率动态通气功能成像新方法
近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院周欣研究员团队在ScienceBulletin上发表题为“Dynamic ventilation functional MRI of the lung with sub-millimeter spatial resolution and millisecond temporal resolution”的研究简报，基于超极化129Xe气体磁共振成像（MRI）的动态通气功能成像新方法，实现亚毫米级空间分辨率（0.5 mm）与毫秒级时间分辨率（5.6ms）。该方法可无创、定量评估整个呼吸周期内肺部动态通气情况，为慢阻肺、哮喘等呼吸系统疾病的精准诊疗开辟了新路径。
肺部炎症、纤维化和水肿等病理改变可导致肺通气功能受损，目前临床仅能通过肺功能检查（PFTs）进行全局通气功能评估。超极化气体磁共振成像（MRI）虽能直接对通气异常的区域进行评估，但其时间和空间分辨率较低，限制了其在早期肺部疾病（早期评估及临床前研究）中的广泛应用。针对上述难题，研究团队提出了一种用于动态通气功能成像的新方法，获得了亚毫米空间分辨率（0.5mm）和毫秒级时间分辨率（5.6ms）的肺部动态通气成像，实现了肺部整个呼吸周期内的气体动力学可视化评估。
该方法的主要原理是利用多次呼吸和k空间线采样技术提高超极化129Xe动态通气成像的时空分辨率。传统动态成像的时间分辨率取决于相位编码步数N和重复时间TR，即N×TR。肺部呼吸是一种周期性运动，利用这种周期性，可以在每次呼吸过程中连续采集同一条相位编码的k空间线（称为k空间线采样技术），不同呼吸采集不同的相位编码，直至所有k空间数据采集完成。因此，该研究团队所提出的方法获得的图像时间分辨率为TR，比传统方法提高N倍。
动态通气成像的通气、数据采集和k空间线填充策略示意图
利用该技术，研究团队在脂多糖（LPS）诱导的动物肺损伤模型上进行了验证，发现肺损伤的大鼠肺部动态通气信号--时间曲线显著降低且存在区域差异。基于此，团队还发展了动态通气功能定量参数体系，包括气体到达时间（Tarrival）、信号峰值时间（Tpeak）、吸气速率（Flowin）和呼气速率（Flowout）等。结果表明，LPS大鼠吸气和呼吸速率在肺叶水平存在异质性，部分肺叶的通气速率显著低于对照大鼠（P<0.05）。总体而言，该研究提出了一种动态通气功能高时空分辨率成像的新方法，有助于肺部慢性疾病的早期诊断。
肺内气体MRI信号--时间曲线；典型肺部动态通气特征时间、气体流速分布图及组间对比
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院李红闯博士后和李海东研究员，以及海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）放射诊断科副主任范丽教授为该论文的共同第一作者。中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的周欣研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、湖北省自然科学基金等项目支持。
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