我国肺部疾病形势严峻，慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)、哮喘及其他呼吸系统疾病的发病率逐年升高^[1]。目前对肺功能的评价主要依赖于肺功能检查(pulmonary function test，PFT)，然而肺功能检查对早期病变并不敏感，不能对肺气肿部位准确定位。双能量CT可观察到吸烟患者肺血容量(pulmonary blood volume, PBV)不均匀分布^[2]，双相(呼气相和吸气相)CT可评估吸烟相关COPD患者肺功能损害区及气道病变^[3]。CT动态灌注、SPECT和PET-CT能够获得功能信息，但空间分辨率受限，均存在辐射风险。常规氢质子MRI由于肺内气体质子含量低，基于氢质子肺部MRI信噪比低，图像质量不佳，易受呼吸运动伪影影响。

超极化¹²⁹Xe-MRI肺成像(hyperpolarized ¹²⁹Xe magnetic resonance imaging，HP ¹²⁹Xe MRI)克服了常规MRI肺部成像难题。目前国外已有研究报道使用HP ¹²⁹Xe MRI和HP ³He超极化惰性气体MR成像用于COPD、哮喘、囊性肺纤维化、放射性肺损伤、肺移植等方面研究^[4]，能够无辐射、敏感地显示肺结构与功能。有实验也证明HP ¹²⁹Xe MRI在小鼠及人体上有可重复性及敏感性高等特点^[4-7]。我国尚未见关于人体肺部HP ¹²⁹Xe MRI报道。本研究在获得国内首幅人体肺部HP ¹²⁹Xe MRI图像基础上，对其肺通气成像特征进行定性分析。

本课题收集2015年9月到2016年5月期间的8例病史及肺功能资料完整志愿者，有武汉大学中南医院伦理委员会批件并与患者签订了知情同意书。其中男性3例，女性5例，年龄34-63岁(平均53.4岁)。其中3例已确诊有肺部疾病(包括1例慢性支气管炎，1例哮喘以及1例吸烟者)，其余5例为健康志愿者。慢性支气管炎患者为56岁女性，既往有慢性支气管炎病史10年。哮喘患者为34岁女性，既往有粉尘过敏及哮喘病史。吸烟者为52岁男性，吸烟30年，2包/d。所有受试者在同一天完成肺部CT和HP ¹²⁹Xe MRI扫描。排除标准还包括：① 年龄 < 18岁或 > 80岁；② 哺乳或妊娠期; ③ 心律失常病史；④ MRI检查禁忌。

采用1.5T Siemens Avanto (Siemens Erlangen, Germany)超导磁共振成像系统经改造适合HP ¹²⁹Xe成像。HP ¹²⁹Xe气体制备应用自制铷蒸汽碱金属自旋交换光泵抽运系统(spin exchange optical pumping，SEOP)能将HP ¹²⁹Xe灵敏度增强到40 000多倍。受检者在检查前进行2次呼吸训练，受试者先准备呼吸至平静呼吸下呼气末，再一次性快速吸入HP ¹²⁹Xe气体约700 ml后，使肺处于吸气相屏气7 s左右完成全部扫描，记录受试者检查前后心率、收缩压、舒张压及血氧饱和度，检查后询问不适反应。通气像采用压缩感知技术快速小角度激发序列(fast low angle shot, FLASH)进行冠状位成像。扫描参数：TR 6.75 ms，TE 2.74 ms，Matrix 128×128，FOV 40 cm×40 cm，FA 35 °，pixel 1.6 mm×1.6 mm，层厚20 mm，层间距4 mm，层数6-8层，带宽为250 kHz，总采集时间为6.1-8 s。

采用SIEMENS公司Somatora Definition双源64层螺旋CT扫描(Siemens Erlangen, Germany)。扫描参数为：电压120 kV，电流160-180 mAs，矩阵512×512，螺距0.75-1.0 mm，扫描层厚1 mm。受检者取仰卧位，深吸气后屏气扫描，扫描范围由双肺尖至肺底。使用多平面重建的方法，观察各肺叶、各级支气管情况。

以肺气肿作为阳性指标，由两名从事肺部疾病诊断10年以上医师采用双盲法对CT和HP ¹²⁹Xe MRI图像进行诊断，诊断一致时纳入分析，不一致时协商一致解决。CT图像上注重肺气肿的改变，诊断肺气肿的CT标准为CT值低于-950 HU，观察肺气肿的窗位为-975 HU，窗宽为50 HU。MR图像注重观察全肺气体的分布及低信号缺损区。

对所有受试者的相关数据录入SPSS 17.0软件进行统计学分析，计量资料使用x±s表示，对于检查前后生命体征及血氧饱和度的变化使用配对样本的t检验，P < 0.05表示差异有统计学意义。

共8例受试者，见表 1，所有受试者一般情况良好，肺功能均未发现明显异常。

表 1(Table 1)

表 1 8例受试者一般信息及临床肺功能 受试者编号 性别 年龄(岁) 心率(次/min) 收缩压(mmHg) 舒张压(mmHg) FEV1(L) FVC(L) FEV1/FVC(%) 1 女 56 75 128 76 2.29 2.69 85 2 女 34 90 116 77 2.97 3.67 80 3 男 52 72 169 106 4.07 4.98 82 4 女 60 77 110 72 2.23 3.17 70 5 男 43 84 126 76 3.53 4.36 81 6 男 63 67 112 68 3.13 4.22 74 7 女 59 66 103 56 2.33 2.84 82 8 女 60 67 102 62 2.71 3.66 74 FEV1:第1秒用力呼气容积；FVC：用力肺活量；2016 GOLD COPD诊断标准[8]FEV1/FVC < 70%确诊为COPD，本研究所有受试者均未达到

表 1 8例受试者一般信息及临床肺功能

主诉检查时有头昏2例，其余受试者均无不良反应发生，结果显示心率、收缩压、舒张压及血氧饱和度在HP ¹²⁹Xe MRI肺成像检查前后变化均无统计学意义(P > 0.05)，见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 8例受试者检查前后心率、收缩压、舒张压及血氧饱和度的变化(x±s) 时间 心率(次/min) 收缩压(mmHg) 舒张压(mmHg) 血氧饱和度(%) 检查前 74.75±8.68 120.75±21.68 74.13±14.88 97.75±0.71 检查后 74.25±8.03 117.50±14.92 73.88±13.56 97.75±0.89 P 0.516 0.339 0.812 1.000

表 2 8例受试者检查前后心率、收缩压、舒张压及血氧饱和度的变化(x±s)

病例1为慢性支气管炎患者(图 1-3)，该患者肺功能检查(PFT)正常，CT图像显示左下肺片状肺气肿区；HP ¹²⁹Xe MRI显示CT上已显示的左下肺病变，同时还显示肺内小通气缺损区，肺部HP ¹²⁹Xe分布不均匀。病例2为哮喘患者(图 4-6)，PFT正常，CT图像未能显示明显异常；HP ¹²⁹Xe MRI显示双肺多发片状通气缺损区。病例3为吸烟者(图 7-9)，PFT正常，CT示双上肺胸膜下肺气肿区；HP ¹²⁹Xe MRI显示双肺胸膜下广泛通气缺损区，病变显示范围比CT大。8例受试者肺HP ¹²⁹Xe信号呈由前至后递增分布趋势(图 10-12)。

图 1-3(Figure 1-3)

图 1-3 56岁女性慢性支气管炎患者的肺部CT、HP 129Xe MRI及伪彩图 CT显示左下肺片状的密度减低区(白色箭头)；HP 129Xe MRI显示左下肺病变(白色箭头)，同时还显示肺内小通气缺损区(黑色箭头)

图 4-6(Figure 4-6)

图 4-6 34岁女性哮喘患者的肺部CT、HP 129Xe MRI及伪彩图 CT未显示明显异常；HP 129Xe MRI显示双肺多发通气缺损区(黑色箭头)

图 7-9(Figure 7-9)

图 7-9 52岁男性吸烟者的肺部CT、129Xe MRI及伪彩图 CT显示双上肺胸膜下低密度区(白色箭头)。HP 129Xe MRI显示双上肺胸膜下通气缺损区(白色箭头)，还显示双肺胸膜下更为广泛通气缺损区(黑色箭头)

图 10-12(Figure 10-12)

图 10-12 同一健康受试者肺部的不同层面冠状位HP 129Xe MRI伪彩图 重力方向上不同层面冠状位图像信号强度呈现由前向后递增趋势

HP¹²⁹Xe MRI肺通气成像可获得肺部空腔结构形态和通气功能状况，实现对肺部疾病可视化检测。HP ¹²⁹Xe MRI肺部通气成像的原理是在受试者吸入超极化气体后，气体通过气管、支气管并逐级向下，最终达到肺泡并分布于全肺，此时成像即为HP ¹²⁹Xe MR肺通气成像。健康志愿者气管、支气管通畅，肺泡结构完好，气体呈均匀分布于两肺；通气功能障碍患者由于气管、支气管的活瓣作用以及肺泡结构破坏，使得相应区域肺结构和功能受损，HP ¹²⁹Xe不易进入支气管及肺泡，图像上表现为通气缺损区，从而能定量评估肺部通气功能障碍疾病。目前该方法已用于COPD、哮喘、囊性肺纤维化、放射性肺损伤、肺移植等方面研究^[4]。

HP¹²⁹Xe MRI肺通气成像能无辐射、敏感地显示肺通气缺陷。¹²⁹Xe是一种惰性气体对比剂，无毒、副作用，国外临床研究已证实其在人体MRI中应用是安全的^[5]。本研究中8例受试者均顺利完成检查，除2例受试者主诉检查时有头昏外，其余受试者均没有不良反应发生。HP ¹²⁹Xe MRI肺通气成检查前后生命体征、血氧饱和度监测未发现明显变化(P > 0.05)，与国外研究报道一致。HP ¹²⁹Xe气体能够得到较高的信号增益，提高图像信噪比，本研究中图像信噪比均可达到诊断需求，空间分辨率较高，病灶能清晰显示。

HP¹²⁹Xe MRI肺部气体信号分布特点反映肺部重力顺应性梯度。本研究中8受试者在仰卧位时，在重力方向上，不同冠状位图像上肺气体信号强度呈递增趋势，说明HP ¹²⁹Xe分布可能受到重力作用，而在非重力方向上，即同一冠状位图像的左右肺并不存在明显信号差异。已有研究^[9]证实肺血流灌注受重力影响呈现重力梯度分布，然而对于肺气体

分布研究尚缺乏。本研究发现肺部重力顺应性梯度特点，原因可能是在非重力依赖方向上HP ¹²⁹Xe分子在肺泡中主要受布朗运动影响，呈杂乱无章分布状态，所以在同一平面的左右肺上呈现均匀分布；在重力依赖方向上呈现梯度分布特点一方面可能由于Xe气体分子密度(5.9 g/L)比空气密度(1.3 g/L)大，Xe气体分子更多分布于背侧肺；另一方面由于肺本身的生理特点，重力作用下胸腔内负压上部较下部大，使得上部肺泡顺应性降低，流入上部肺泡气流量也随之减低。

COPD包括了慢性支气管炎及肺气肿两种病理过程，是以不可逆性小气道阻塞及肺泡破坏为特征的疾病。例1患者虽然PFT未达到COPD诊断标准，但HP ¹²⁹Xe MRI存在通气缺损区，提示该患者存在早期COPD病变。Kaushik等^[10]研究中发现与CT图像相比，HP ¹²⁹Xe MRI能显示CT未能发现的病灶，这些病灶可能是早期轻微的炎症反应区及潜在的治疗靶区。本研究提示HP ¹²⁹Xe MRI对早期COPD诊断敏感性高。哮喘是气道慢性炎症疾病，以可逆气流受限为特征。传统肺功能检查只能反映全肺气流受限，对小气道病变不敏感。核素显像、正电子成像、X线、CT对哮喘的诊断价值有限。Svenningse等^[11]发现研究哮喘患者HP ¹²⁹Xe MRI肺部信号分布不均匀，有明显通气缺陷区，相应病灶CT未能显示，在活动后或胆碱负荷后通气缺损区增多、增大，在给予支气管舒张剂沙丁胺醇后部分通气异常区消失。例2哮喘患者PFT及CT没有明显异常，而在HP ¹²⁹Xe MRI上观察到双肺多发通气缺损区，可能是由于该患者的小气道存在炎性重塑，导致局部通气功能障碍。吸烟可能会导致肺血管内皮及肺泡结构和功能的破坏，导致肺气肿、肺灌注减低以及肺通气障碍。在Kaushik等^[10]的研究中，长期吸烟的COPD患者HP ¹²⁹Xe MRI表现为多发通气缺损区，DCE-MRI研究^[12]中发现在吸烟者肺部的灌注缺损区。本例吸烟者的发现与以上的研究结果相似，提示HP ¹²⁹Xe MRI能在高危吸烟者中筛查早期COPD。

尽管如此，本研究样本量小，尚需进行大样本临床验证。除了HP ¹²⁹Xe MRI通气成像外，还需要发展扩散加权成像、溶解态¹²⁹Xe MRI等方法。总之，HP ¹²⁹Xe MRI通气成像能安全有效评估肺通气缺陷，敏感地显示CT不能显示的肺部早期、多发、小灶性肺通气缺陷病变，亦能反映肺部重力顺应性梯度。