單次屏氣TGRAPPA及TmSENSE技術(shù)對(duì)左右心功能測(cè)量的應(yīng)用研究

張雅穎， 陳銦銦， 惲虹， 楊?yuàn)櫍?曾蒙蘇， 金航

準(zhǔn)確并可重復(fù)的測(cè)量左心室功能參數(shù)對(duì)冠脈綜合征、原發(fā)性心肌病等的診斷、病情分級(jí)、治療計(jì)劃及預(yù)后有重要的參考價(jià)值。先天性心臟病、肺部疾病、肺血管疾病會(huì)引起肺動(dòng)脈高壓，造成心室功能及結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)于這類疾病來(lái)說(shuō)，右心室功能的評(píng)估亦非常重要[1-2]，這也促使著許多影像技術(shù)在右心室功能上的不斷進(jìn)步。超聲心動(dòng)圖是目前臨床運(yùn)用最廣泛的心功能測(cè)量手段，二維超聲測(cè)量評(píng)估心功能臨床應(yīng)用簡(jiǎn)易、便捷，但是由于心室形態(tài)的不規(guī)則性，尤其右心室指標(biāo)的準(zhǔn)確性通常受很大影響，心臟磁共振可以多平面成像，對(duì)左右心室的功能的測(cè)量更加準(zhǔn)確，磁共振檢查已成為無(wú)創(chuàng)心功能公認(rèn)的金標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，因其準(zhǔn)確性高、重復(fù)性可靠，得到臨床的認(rèn)可，但由于心臟MR檢查成像時(shí)間較長(zhǎng)，臨床應(yīng)用受到一定限制，因此，心臟MR快速成像技術(shù)具有較高的研究?jī)r(jià)值以及廣闊的臨床應(yīng)用前景。本研究探討單次屏氣時(shí)間調(diào)整全局自動(dòng)校準(zhǔn)部分并行采集(time-adaptive generalized autocalibrating partially parallel acquisition，TGRAPPA)和時(shí)間調(diào)整改良敏感性編碼(time-adaptive modified sensitiving encoding，TmSENSE)技術(shù)在心功能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用價(jià)值，并與傳統(tǒng)多次屏氣逐層掃描(true fast imaging with steady state free procession，trueFISP)電影結(jié)合全局自動(dòng)校準(zhǔn)部分并行采集(generalized autocalibrating partially parallel acquisition，GRAPPA)技術(shù)進(jìn)行對(duì)照分析。

材料與方法

1.研究對(duì)象

隨機(jī)選取于本院放射科行心臟磁共振檢查的患者37例，男17例，女20例，平均年齡(42±17)歲，包括16例無(wú)明顯器質(zhì)性心臟病的患者、5例擴(kuò)張性心肌病、4例肥厚性心肌病、2例致心律失常性右心室心肌病、4例肺動(dòng)脈高壓、4例心肌梗死和2例心肌淀粉樣變性。所有研究對(duì)象均無(wú)磁共振檢查禁忌癥，檢查前進(jìn)行屏氣訓(xùn)練，簽署知情同意書。

2.檢查設(shè)備與方法

采用Siemens MAGNETOM Area 1.5T超導(dǎo)MR儀，梯度場(chǎng)強(qiáng)45 mT/m，梯度切換率200 mT/m·ms，成像線圈為脊柱線圈和18通道相控陣線圈，心電門控采用磁共振兼容的無(wú)線矢量心電門控板。采用頭先進(jìn)仰臥位掃描，先獲取兩腔心、四腔心及短軸圖像，所有患者均行多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA技術(shù)、單次屏氣 true FISP電影分別結(jié)合TGRAPPA及TmSENSE檢查，3種序列的掃描時(shí)間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.00)，TGRAPPA及TmSENSE檢查能夠明顯縮短檢查時(shí)間(表1)。不同受試者根據(jù)心臟大小調(diào)整掃描層數(shù)(6～10層)，均覆蓋全心，同一病例均采用相同層厚及層數(shù)。在MR掃描過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)患者存在心律不齊時(shí)，針對(duì)四腔心層面完成傳統(tǒng)GRAPPA電影以及TGRAPPA和TmSENSE電影掃描，以初步分析優(yōu)化實(shí)時(shí)并行采集(temporal parallel acquisition technique，TPAT)在心律失常患者中的應(yīng)用。

3.圖像分析

①心功能分析：所有左右心室短軸電影由心功能專用分析軟件(Argus Syngo MR 2004V)進(jìn)行分析，由2名影像科醫(yī)師獨(dú)立完成。經(jīng)人工干預(yù)和軟件自動(dòng)相結(jié)合，確定舒張末期和收縮末期時(shí)相，再描繪出兩期各層面心內(nèi)膜邊界，乳頭肌屬于心腔內(nèi)結(jié)構(gòu)，左室基底部包擴(kuò)主動(dòng)脈瓣以下的左室流出道部分，右室基底部包括肺動(dòng)脈瓣以部分[5]。由軟件自動(dòng)計(jì)算左右室射血分?jǐn)?shù)(election factor，EF)，舒張末期容積指數(shù)(end-diastolic volume index,EDVI)和收縮末期容積指數(shù)(end-systolic volume index,ESVI)和心臟搏出量(stroke volume,SV)。

②圖像對(duì)比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)：選擇乳頭肌層面，測(cè)量并計(jì)算各個(gè)序列圖像的對(duì)比噪聲比，CNR=(SIB-SIM)/SDnoise，SIB和SIM分別代表心腔和心肌的信號(hào)強(qiáng)度，SDnoise為背景噪聲信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 序列參數(shù)

表2 左心功能各指標(biāo)

③圖像質(zhì)量評(píng)分：2名影像科醫(yī)師獨(dú)立完成圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)，出現(xiàn)分歧時(shí)共同分析以取得一致意見(jiàn)，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：4分，圖像質(zhì)量為優(yōu)秀，無(wú)偽影；3分，圖像質(zhì)量為良好，輕微偽影；2分，圖像質(zhì)量為中等，中度偽影；1分，圖像質(zhì)量為差，嚴(yán)重偽影。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分別對(duì)同一個(gè)體3種方法所獲得的左右心室EF、EDVI、ESVI、SV采用配伍組設(shè)計(jì)方差分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)2位醫(yī)師所測(cè)得的心功能指標(biāo)進(jìn)行組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)的檢測(cè)，其值越接近1，2位醫(yī)師的測(cè)量結(jié)果一致性越好。三種圖像的CNR評(píng)價(jià)采用配伍組設(shè)計(jì)方差分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA技術(shù)和單次屏氣true FISP電影分別結(jié)合TGRAPPA及TmSENSE檢查間等級(jí)數(shù)據(jù)資料的對(duì)比，采用friedman秩和檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.心功能測(cè)試結(jié)果

37例患者均完成各種序列的檢查，各序列測(cè)得的心功能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、3。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA技術(shù)和單次屏氣true FISP電影分別結(jié)合TGRAPPA及TmSENSE技術(shù)測(cè)得的左、右心功能指標(biāo)間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，測(cè)量的結(jié)果具有較好的一致性。2位放射科醫(yī)師所測(cè)得左右心功能指標(biāo)相關(guān)性高(ICC接近1)。

2.圖像CNR比較

CNR在各組間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，其中多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA技術(shù)的CNR最高，為188.8±55.2，單次屏氣true FISP電影分別結(jié)合TGRAPPA及TmSENSE技術(shù)的CNR有所下降，分別是111.7±28.7及77.3±19.7，兩兩比較后true FISP電影結(jié)合TmSENSE技術(shù)的CNR較TGRAPPA下降更加明顯。

3.圖像質(zhì)量評(píng)分

三種成像序列所得的圖像，心內(nèi)膜均清晰可辨。多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA的評(píng)分為3.9±0.4、單次屏氣true FISP電影結(jié)合TGRAPPA為3.7±0.7及TmSENSE的評(píng)分為3.0±1.0，評(píng)分的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)，兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，單次屏氣TGRAPPA的圖像質(zhì)量與多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA無(wú)明顯差異(P>0.05)；單次屏氣TmSENSE技術(shù)的圖像質(zhì)量次于單次屏氣TGRAPPA及多次屏氣GRAPPA電影(P值=0.02)，見(jiàn)圖1、2。在心率失?；颊叩臋z查中，多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA技術(shù)所獲得的圖像偽影較多，圖像質(zhì)量差，TGRAPPA所獲得的圖像質(zhì)量較好(圖3)。

圖1 三種成像方法圖像質(zhì)量評(píng)分情況。

圖2 a) 多次屏氣true FISP電影結(jié)合GRAPPA技術(shù)的心臟收縮末期短軸圖像，心內(nèi)膜清晰可辨，圖像質(zhì)量佳； b) 單次屏氣 true FISP電影結(jié)合TGRAPPA技術(shù)的心臟收縮末期短軸圖像，圖像質(zhì)量稍下降，但與GRAPPA接近； c) 單次屏氣 true FISP電影結(jié)合TGRAPPA技術(shù)的心臟收縮末期短軸圖像的圖像偽影明顯增多，圖像質(zhì)量下降較明顯。 圖3 心率失?；颊?。a) 傳統(tǒng)GRAPPA 的四腔心圖像可見(jiàn)心律不齊導(dǎo)致的偽影，心內(nèi)膜顯示欠清； b) TGRAPPA技術(shù)所得的圖像，偽影較少，心內(nèi)膜清晰可辨。

討 論

心臟MR有著出色的時(shí)間及空間分辨力，MR是當(dāng)前公認(rèn)測(cè)量心功能的金標(biāo)準(zhǔn)。臨床常用單層真實(shí)穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)采集電影成像序列，需多次屏氣逐層掃描才能完成心功能的分析，應(yīng)用GRAPPA并行采集技術(shù)可以縮短檢查時(shí)間，但是時(shí)間縮短有限，仍然不能達(dá)到一次屏氣完成全心的掃描的要求，需要多次屏氣，這會(huì)造成因頻繁屏氣引起的層面偏差及屏氣疲勞所致的呼吸偽影，特別是老年人及危重患者[6]，本文旨在探尋一種更高效、更快捷的心功能成像方法。

提高M(jìn)R的成像速度，以前主要依靠提高場(chǎng)強(qiáng)梯度及切換率，但是由于硬件及生理上的限制，發(fā)展的空間有限，因此，并行采集技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，也是目前的研究熱點(diǎn)。MRI并行采集圖像重建算法主要分為2類：一類是基于圖像域的重建方法，如敏感性編碼(sensitivity encoding，SENSE)和PILS，這類方法對(duì)先對(duì)各個(gè)線圈的k-空間數(shù)據(jù)分別進(jìn)行快速傅里葉反變換 (fast fourier transform inverse，IFFT)，得到各個(gè)線圈有卷褶偽影的圖像，再利用不同方法對(duì)卷褶的圖像進(jìn)行展開(kāi)，以得到一副全FOV無(wú)卷褶圖像，SENSE提高了MRI的采集速度，但是以犧牲圖像的信噪比為代價(jià)[7]，改良敏感性編碼(modified sensitivity encoding，mSENSE)為自動(dòng)矯正的SENSE算法，運(yùn)用了自動(dòng)校正線圈敏感度估計(jì)方法，它無(wú)需進(jìn)行預(yù)掃描；另一類是基于k-空間重建方法，如GRAPPA，這類方法首先利用多個(gè)線圈的欠采樣數(shù)據(jù)，對(duì)k-空間未采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，得到完整空間數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行IFFT重建得到圖像。GRAPPA同樣運(yùn)用了自動(dòng)校正線圈敏感度估計(jì)方法，它可以解決基于K空間重建算法的相位錯(cuò)誤，信噪比降低等問(wèn)題[8]。動(dòng)態(tài)線圈敏感度校正法首先運(yùn)用于去除傅立葉編碼在時(shí)間上的重疊(unaliasing by fourier-encoding the overlaps in the temporal dimension，UNFOLD)技術(shù)，后運(yùn)用于TGRAPPA[9]及TmSENSE[10]，進(jìn)一步提高了圖像的時(shí)間分辨力，尤其適用于需動(dòng)態(tài)采集的檢查，例如心臟MR，TmSENSE是mSENSE的改進(jìn)型。TPAT技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①和自動(dòng)校正線圈敏感度校正相比，動(dòng)態(tài)線圈敏感度校正法不需要額外掃描時(shí)間；②線圈位置的移動(dòng)對(duì)線圈敏感值的估計(jì)影響比較小。有學(xué)者[11]將GRAPPA和mSENSE技術(shù)的圖像質(zhì)量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)GRAPPA技術(shù)的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于mSENSE，本研究發(fā)現(xiàn)TGRAPPA的圖像質(zhì)量好于TmSENSE，可能與兩種技術(shù)的重建方式有關(guān)。采用TPAT技術(shù)以后，可在一次屏氣周期中快速準(zhǔn)確完成心功能分析所需的6～10層心室短軸切面的掃描，極大的減少了檢查時(shí)間，降低患者頻繁屏氣所致的層面偏移和屏氣疲勞所致的呼吸偽影，提高了成像的效率和圖像的質(zhì)量，這與先前的報(bào)道相符[12-14]。

目前心臟MR尚難以臨床廣泛開(kāi)展的原因之一為成像時(shí)間長(zhǎng)，因此快速成像技術(shù)具有不可估量的潛在應(yīng)用價(jià)值。本研究中使用TPAT技術(shù)能在短短十幾秒內(nèi)獲得全心的圖像，并能準(zhǔn)確得到心功能數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)電影節(jié)約了大量時(shí)間成本，相較于心超的耗時(shí)也毫不遜色，并且測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。特別是大型的綜合醫(yī)院，心臟MR的成像時(shí)間長(zhǎng)與龐大的患者數(shù)量形成了突出的矛盾，急需一種解決方案。雖然TPAT技術(shù)對(duì)磁共振儀器以及配套軟件有一定的要求，但是一般的大型綜合醫(yī)院基本可以滿足，對(duì)于小型醫(yī)院，如果磁共振性能和配套軟件能夠滿足要求，也是能夠使患者和醫(yī)院同時(shí)受益的。所以聯(lián)合TPAT技術(shù)能夠在單次屏氣內(nèi)完成覆蓋全心的短軸位電影掃描，對(duì)于臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，特別是患者較大的綜合性醫(yī)院來(lái)說(shuō)，是十分有利的。本研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)采集的電影成像方法，在患者心律整齊、能很好屏住呼吸的情況下，毋容置疑，可獲得非常出色的總體圖像質(zhì)量以及心肌/血池圖像對(duì)比，但是多次屏氣操作繁瑣，對(duì)患者依從性要求高，對(duì)于不能耐受多次屏氣的患者，圖像質(zhì)量會(huì)受影響，此外，如果患者出現(xiàn)頻發(fā)的心律不齊，將嚴(yán)重干擾傳統(tǒng)的采用回顧性心電門控的電影成像序列。聯(lián)合TPAT技術(shù)后，雖然CNR有所下降，但是心內(nèi)膜還是清晰可辨的，本組實(shí)驗(yàn)中具體測(cè)得的心功能參數(shù)EF、EDVI、ESVI及SV在各組序列間無(wú)明顯差異， TPAT技術(shù)單次屏氣心功能結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的多次屏氣序列的一致性良好。理論上來(lái)說(shuō)，聯(lián)合應(yīng)用TPAT技術(shù)后，患者可以在自由呼吸狀態(tài)下完成心功能電影掃描，有文獻(xiàn)[15]報(bào)道自由呼吸下TSENSE技術(shù)獲得的圖像具有診斷意義，但是考慮到自由呼吸狀態(tài)下，心房心室的容積可能與屏氣狀態(tài)有所差異，因此本研究采用屏氣狀態(tài)，盡量與傳統(tǒng)的成像序列保持一致，增加可比性。本研究還觀察到，在心率不齊的患者中，發(fā)現(xiàn)TGRAPPA的圖像質(zhì)量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)多次屏氣序列，偽影較少，還可以觀察到期前收縮，這可能與采用前瞻性心電門控，空間敏感性信息按幀實(shí)時(shí)自動(dòng)糾正有關(guān)，所以TPAT技術(shù)適用于不能耐受屏氣，嚴(yán)重心率不齊的患者，可以提高圖像質(zhì)量，更好的評(píng)估心功能。本研究發(fā)現(xiàn)，從主觀評(píng)分來(lái)說(shuō)，TmSENSE圖像的偽影比較多，TGRAPPA的圖像質(zhì)量比TmSENSE更勝一籌，臨床工作中選擇TPAT模式時(shí)，推薦使用TGRAPPA。

在左心功能的指標(biāo)中，有報(bào)道[16]認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)多次屏氣序列所測(cè)得的部分指標(biāo)有可能較單次屏氣TPAT序列的值大，可能是標(biāo)準(zhǔn)序列采用的是回顧性心電門控，信號(hào)采集窗覆蓋整個(gè)心動(dòng)周期。然而，TPAT并行采集序列運(yùn)用的是前瞻性心電門控，信號(hào)采集窗覆蓋心動(dòng)周期的80%～90%，可會(huì)對(duì)心功能指標(biāo)產(chǎn)生影響，使相應(yīng)指標(biāo)變低。在本研究中，心室功能指標(biāo)中沒(méi)有觀察到相應(yīng)現(xiàn)象(P>0.05)，推測(cè)單次屏氣TPAT電影成像中，大部分患者的舒張末期和收縮末期已經(jīng)涵蓋在數(shù)據(jù)采集中，也有可能這種差異本身較小，本研究的樣本量不夠大，還不能檢測(cè)出來(lái)。由于前瞻性門控可能存在上述的問(wèn)題，后期需要擴(kuò)大樣本量，根據(jù)患者心率等情況進(jìn)一步分組，深入研究在何種情況下，前瞻性門控單次屏氣成像心功能分析的指標(biāo)會(huì)偏小。 本研究旨在尋找適合臨床應(yīng)用的高效電影掃描序列，三種序列都應(yīng)用了平行采集，在分析CNR時(shí)，難以估算線圈幾何因子的影響，這會(huì)使測(cè)量值與真實(shí)值之間可能存在一定偏差，但是在圖像主觀評(píng)價(jià)時(shí)，也能夠觀察到TPAT對(duì)圖像CNR的影響，與本研究中CNR客觀數(shù)據(jù)比較結(jié)果一致。 TGRAPPA及TmSENSE技術(shù)除了在心功能評(píng)價(jià)方面發(fā)展空間較大，在心肌首過(guò)灌注血管對(duì)比增強(qiáng)動(dòng)態(tài)掃描、主要實(shí)質(zhì)臟器，如肺、肝、腎及心血管介入方面也有很大的價(jià)值[17]，值得進(jìn)一步發(fā)展及挖掘。

總之，TPAT技術(shù)可大幅度提高心臟MR的成像效率，應(yīng)用TGRAPPA及TmSENSE均可在單次屏氣過(guò)程中完成左右心功能的評(píng)價(jià)，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，TGRAPPA圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于TmSENSE，TPAT技術(shù)有望克服心臟MR成像時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，達(dá)到快速掃描的目的，促進(jìn)心臟MR成像的普及，使之能在臨床得到更廣泛的應(yīng)用，更好的服務(wù)于臨床使更多患者受益。