肺部气血交换功能异常是诸多肺部疾病的早期表现，目前临床缺乏肺部气血交换功能评估的影像学手段。超极化129Xe气体MRI凭借129Xe良好的溶解性与化学位移敏感性，在肺部气血交换功能评估中展现了独特优势。然而，受限于129Xe信号的快速衰减与不同肺组织成分间129Xe信号的混杂干扰，129Xe MRI肺部气血交换功能成像技术在临床依然面临着诸多挑战。
导 读
肺部重大疾病，如慢性阻塞性肺疾病和间质性肺疾病等，全球的发病率和死亡率居高不下。这些疾病的早期往往伴随着气血交换功能的改变。然而，由于临床缺乏气血交换功能定量可视化检测技术，患者易错失最佳治疗时机，极大影响了疾病的早诊早治。因此，亟需发展可直接对肺部气血交换功能成像和定量评估的新技术。
图 1 肺部气血交换直接成像方法及其在动物和人体中的应用
当前临床肺部气血交换功能的评估主要依赖于肺部整体的一氧化碳弥散量（DLco）测量，该方法难以及时检出肺部疾病早期的微小病灶。因此，亟需发展可直接对肺部气血交换功能成像和定量评估的新技术，助力肺部重大疾病的早诊早治。
超极化129Xe MRI是近些年临床新兴的肺部功能成像方法，能够无创、无电离辐射地对肺通气、微结构和气血交换功能进行成像。目前，在包括中国和美国在内的多个国家，该技术已被批准用于临床。由于129Xe良好的溶解性和化学位移敏感性，其在肺泡（气态）、肺组织与血浆（TP）和血红细胞（RBC）等不同肺组织成分中分别产生不同化学位移的MRI信号。然而，这些MRI信号衰减迅速且存在相互混杂干扰，这使得准确评估肺部气血交换功能极具挑战性。
为了解决上述挑战，本研究提出了一种直接对肺部气血交换功能成像的新方法，研究者通过设计高选择性SLR（Shinnar-Le-Roux）脉冲，独立激发129Xe在红细胞和肺组织与血浆中的信号（统称为溶解态信号），解决了溶解态129Xe信号难分离的难题；通过采用超短回波（UTE）序列，克服了红细胞和肺组织与血浆内129Xe 磁共振信号的快速衰减，实现了溶解态129Xe信号高灵敏采集；同时对溶解态和气态129Xe信号进行空间编码，避免了不同肺组织成分间的信号混杂。在此基础上，采用相位调制重建策略，一次采样即可获得高信噪比的气态和溶解态129Xe图像（图1A）。最终实现对肺泡，肺组织和血浆及红细胞中的129Xe的直接成像，并通过肺部不同组分的129Xe 磁共振信号比值（RBC/Gas，TP/Gas和RBC/TP）来定量描述气体的交换效率。
肺纤维化导致的气血交换功能改变主要表现为RBC/Gas和RBC/TP的降低以及TP/Gas的升高（图1B-L）。这与病理切片结果显示的肺泡壁增厚有较强的相关性。这些结果揭示了肺纤维化导致的肺泡壁增厚会限制气体在肺泡、红细胞以及肺组织和血浆之间的转移效率，从而导致肺部气血交换功能受损。
新冠肺炎出院患者的气血交换功能改变主要表现为RBC/TP的降低（图1M-Q）。RBC/TP与用力肺活量和DLCO之间具有较强的相关性。这些结果表明新冠肺炎出院患者的肺部气血交换功能并未完全恢复，解释了为何一些患者出现长新冠症状。
综上，相关结果证实本研究提出的方法可以用于肺部气血交换功能的直接成像和定量评估，为肺部气血交换功能的定量可视化评估提供了全新的影像学方法与工具，助力肺部重大疾病的早诊早治。
总结与展望
本研究基于超极化129Xe气体MRI，建立了对肺部气血交换功能直接成像的新方法，并在动物疾病模型与肺部重大疾病患者中开展了应用研究。结果表明本研究提出的方法对于肺部气血交换功能障碍相关疾病的早诊早治具有重要意义。未来还需要通过多中心试验，验证该方法在肺部重大疾病的诊断和疗效评估中的价值，并进一步扩大其在肺部重大疾病临床诊治中的应用。
责任编辑
韩金鸣 首都医科大学宣武医院
董 衡 南京大学
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第五卷第六期发表的Letter文章“Direct imaging of pulmonary gas exchange with hyperpolarized xenon MRI” (投稿: 2024-03-05；接收: 2024-10-17；在线刊出: 2024-10-19)。
DOI：10.1016/j.xinn.2024.100720
引用格式：Li H., Li H., Zhang M., et al.(2024). Direct imaging of pulmonary gas exchange with hyperpolarized xenon MRI. The Innovation 5:100720.
作者简介
周 欣 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，研究员，院长，基金委创新研究群体项目负责人，国家杰青，国际华人医学磁共振学会主席。
主要从事医学影像的新仪器、新技术及活体分子成像方面的研究，在我国率先开展多核（多种原子核）磁共振成像临床研究。带领团队研发的用于产生超极化气体的“医用氙气体发生器”获批全球首个同类医疗器械注册证；研发的创新医疗器械——磁共振成像系统（人体肺部气体多核磁共振成像系统）获国家药监局批准上市，该系统是全球首台获批的可用于气体成像的临床多核磁共振成像系统，解决了临床无创无辐射精准检测肺部疾病的难题，已在全国十余家三甲医院开展了慢阻肺、肿瘤、新冠肺炎等肺部重大疾病的临床应用。获2023年国家技术发明二等奖（第一完成人）、2023年湖北省科技进步一等奖（第一完成人）、2018年湖北省技术发明一等奖（第一完成人）、全国创新争先奖、首届科学探索奖、CCTV 2018年度全国十大科技创新人物等荣誉，在PNAS、Science子刊等学术刊物上发表论文180余篇，授权国内外发明专利100余件。
课题组网站：www.zhougroup.org
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