超极化气体肺磁共振成像

1. 核心概念与基本原理

   • 首先，您需要了解常规肺部磁共振成像（MRI）的难点。肺部主要由含气肺泡构成，其内氢质子密度极低（比软组织低约1000倍），且肺泡-空气界面磁化率差异大，导致信号极其微弱，因此肺部是传统MRI的“盲区”。
   • 超极化气体肺磁共振成像 彻底绕过了这一限制。它的核心不是探测人体自身的质子，而是将具有磁性的惰性气体同位素（最常用的是氦-3 (³He) 和氙-129 (¹²⁹Xe)）通过物理技术处理，使其原子核的磁化强度增强数万倍乃至十万倍以上（相对于常规热平衡态），这个过程称为“超极化”。
   • 将这些超极化气体作为示踪剂，通过呼吸让受试者吸入后，立即进行磁共振扫描。此时，超极化气体本身成为极强的信号源，直接在气腔（肺泡、气道）内产生高强度MR信号，从而对肺部空气空间进行直接、无创的可视化。

2. 关键技术：气体的超极化与示踪特性

   • 超极化技术：主要方法是“自旋交换光泵”。以³He为例，用特定波长的激光照射富含碱金属（如铷）的蒸气池，将角动量转移给³He原子核，使其核自旋在特定方向高度有序排列，达到超极化状态。这是一个体外制备过程。
   • 气体示踪剂特性：
     • ³He：生物惰性，不参与代谢，具有极高的磁矩和超极化水平，能产生最强信号，专门用于描绘通气空间。
     • ¹²⁹Xe：具有独特的“溶解相”特性。吸入后，¹²⁹Xe气体从肺泡扩散进入肺组织间隙（屏障组织）和毛细血管红细胞（血液），并在其中发生化学位移。这意味着¹²⁹Xe成像不仅能显示气腔相，还能通过特殊序列分离并量化组织/血浆相和红细胞相，从而评估气体交换功能。

3. 成像方法、序列与主要测量参数

   • 成像序列：由于超极化信号不可再生（扫描一次即衰减），必须使用超快速成像序列。最常用的是梯度回波序列的变体，如稳态自由进动序列，它能在单次屏气（通常6-15秒）内获取整个肺部的三维图像。
   • 主要成像类型与参数：
     • 静态通气成像：显示吸气末全肺的气体分布，可定量测量通气缺损百分比，直观发现通气障碍区域。
     • 动态通气成像：以高时间分辨率（如每秒多帧）捕捉气体吸入和呼出的动态过程，评估区域通气动力学。
     • 扩散加权成像：测量超极化气体在肺泡内的表观扩散系数。受限ADC反映肺泡微观结构尺寸，用于评估肺气肿等肺泡破坏性疾病。
     • ¹²⁹Xe多相成像：分离气腔、组织/血浆、红细胞三相，计算红细胞转移系数，这是评估肺泡-毛细血管膜气体交换效率的直接指标。

4. 临床应用与独特价值

   • 慢性阻塞性肺病：早期探测局部通气异常，精准量化肺气肿区域（通过ADC值升高），评估治疗效果。
   • 哮喘：发现隐匿性的通气不均和气道阻塞，即使患者处于临床稳定期。
   • 间质性肺病：¹²⁹Xe的组织相成像可直接显示气体交换膜增厚或纤维化区域。
   • 肺纤维化与肺气肿共存综合征：能同时评估肺结构破坏（ADC）和气体交换障碍（红细胞转移），精准区分两种病理过程。
   • 肺移植后评估：监测移植肺的通气功能和气体交换能力，早期发现排斥反应。
   • 儿科肺部疾病：无辐射，适用于儿童囊性纤维化等疾病的长期随访。

5. 优势、局限性与未来发展

   • 优势：完全无电离辐射；直接、三维、全肺可视化通气功能；提供独特的微观结构和气体交换功能信息；定量指标客观敏感。
   • 局限性：技术复杂，成本高昂（尤其³He稀缺昂贵）；需要特殊的射频线圈和气体处理设备；¹²⁹Xe具有一定麻醉性，需控制浓度；目前主要用于科研和高级临床中心。
   • 未来：研究方向包括提高¹²⁹Xe的极化率和临床应用普及度，开发新型超极化示踪剂（如¹³C标记化合物），以及将超极化气体成像与质子MRI（肺血管、灌注）进行多模态融合，实现对肺结构、通气、灌注、扩散和气体交换的“一站式”全面评估。