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近日，精密測量院超靈敏磁共振團隊提出肺部高時空分辨率動態通氣功能成像新方法，實現了當前最高時空分辨率的活體肺部動態通氣功能成像，其空間分辨率達到亞毫米級（0.5 mm）、時間分辨率達到毫秒級（5.6 ms）。該方法可無創、定量評估整個呼吸周期內肺部動態通氣情況，為慢阻肺、哮喘等呼吸系統疾病的精準診療開辟了新路徑。相關研究結果發表在《科學通報》（Science Bulletin）上。
肺部炎癥、纖維化和水腫等病變可導致肺通氣功能受損。目前臨床主要利用肺功能檢查（PFTs）進行全局通氣功能評估。超極化129Xe氣體磁共振成像（MRI）雖能直接對肺內氣體成像，實現氣體交換功能的定量可視化檢測，但受限于MRI的掃描速度和空間分辨率，其動態通氣影像的時間分辨率和空間分辨率較低，制約了其在肺部疾病（早期評估及臨床前研究）中的廣泛應用。
針對上述難題，研究團隊開發了一種高時空分辨率動態通氣功能成像新方法（圖1a-c），獲得了亞毫米空間分辨率（0.5 mm）和毫秒級時間分辨率（5.6 ms）的肺部動態通氣成像，實現了肺部整個呼吸周期內的氣體動力學可視化評估（圖1d）。該方法的主要原理是利用多次呼吸和k空間線采樣技術提高超極化129Xe動態通氣成像的時空分辨率。傳統動態成像的時間分辨率取決于相位編碼步數N和重復時間TR，即N×TR。肺部呼吸是一種周期性運動，利用這種周期性，可以在每次呼吸過程中連續采集同一條相位編碼的k空間線（稱為k空間線采樣技術），不同呼吸采集不同的相位編碼，直至所有k空間數據采集完成。因此，該研究團隊所提出的方法獲得的圖像時間分辨率為TR，比傳統方法提高了N倍。
動態通氣成像的通氣、數據采集和k空間線填充策略示意圖
利用該技術，研究團隊在脂多糖（LPS）誘導的肺損傷大鼠肺內檢測到氣體MRI信號--時間曲線顯著降低，并存在區域差異（圖2a-f）。基于此，研究團隊還發展了一套動態通氣功能定量參數體系，包括氣體到達時間（Tarrival）、信號峰值時間（Tpeak）、吸氣速率（Flowin）和呼氣速率（Flowout）等（圖2g-i）。經分析，發現LPS誘導的肺損傷大鼠的吸氣和呼吸速率在肺葉水平存在異質性，且部分肺葉的通氣速率顯著低于對照大鼠（P <0.05）。
肺內氣體MRI信號--時間曲線；典型肺部動態通氣特征時間、氣體流速分布圖及組間對比
相關研究以“Dynamic ventilation functional MRI of the lung with sub-millimeter spatial resolution and millisecond temporal resolution”為題發表在《科學通報》（Science Bulletin）上。精密測量院博士后李紅闖和研究員李海東，以及海軍軍醫大學第二附屬醫院副主任醫師范麗為該論文的共同第一作者，精密測量院研究員周欣為該論文的通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、湖北省自然科學基金等項目支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.05.014