胎兒心臟MRI 新技術(shù)及對(duì)心血管系統(tǒng)的量化評(píng)估

劉可 董素貞*

先天性心臟?。╟ongenital heart disease,CHD）簡(jiǎn)稱(chēng)先心病，是最常見(jiàn)的胎兒先天畸形，在活產(chǎn)嬰兒中發(fā)生率為0.6%～1.2%[1]。CHD 可以引起心臟及大血管的局部解剖結(jié)構(gòu)異常，還可以引起血流動(dòng)力學(xué)和心功能的異常。產(chǎn)前準(zhǔn)確評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)和心功能對(duì)于CHD 胎兒治療方式的選擇和預(yù)后的改善至關(guān)重要。

超聲心動(dòng)圖是目前產(chǎn)前評(píng)估CHD 胎兒血流動(dòng)力學(xué)和心功能的最主要方法，但是超聲心動(dòng)圖受羊水過(guò)少、孕周過(guò)大、胎兒體位、胎兒肋骨鈣化、多胎和母體情況（如母體肥胖、合并子宮肌瘤等）的影響[2-3]。這些影響因素導(dǎo)致超聲心動(dòng)圖不能清晰顯示和評(píng)估胎兒心血管解剖結(jié)構(gòu)、血流動(dòng)力學(xué)和心功能。MRI 對(duì)胎兒無(wú)損傷和副作用[4]，而且MRI 能夠顯示在超聲心動(dòng)圖上顯示不清的CHD 胎兒[5]。但是，由于胎兒心臟體積和結(jié)構(gòu)較小，加之不斷運(yùn)動(dòng)和心率較快會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，以及缺乏滿(mǎn)意的心電門(mén)控技術(shù)等，限制了MRI 產(chǎn)前評(píng)估CHD 胎兒的血流動(dòng)力學(xué)和心功能[5]。

本文就目前可以應(yīng)用的胎兒心電門(mén)控技術(shù)和心臟 MRI 新技術(shù)如 4D 血流 MRI（4D FLOW MRI）、相位對(duì)比MRI（phase-contrast MRI,PC MRI）等在胎兒心血管結(jié)構(gòu)與CHD 評(píng)估方面取得的進(jìn)展進(jìn)行綜述，并闡述心臟MRI 新技術(shù)在胎兒心血管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能中的量化評(píng)估作用。

1 心電門(mén)控技術(shù)

目前研究報(bào)道可以應(yīng)用的心電門(mén)控技術(shù)有度量?jī)?yōu)化門(mén)控（metric optimized gating,MOG）、自門(mén)控、多普勒超聲（doppler ultrasound, DUS）門(mén)控等[4，6-7]。MOG 是通過(guò)合成觸發(fā)器獲取k 空間數(shù)據(jù)，采集胎兒心率。Bidhult 等[8]通過(guò)血流模型獲取了血流偏差值和變異率，表明MOG 門(mén)控技術(shù)與常規(guī)門(mén)控技術(shù)之間具有良好的一致性，而且MOG PC MRI 對(duì)一定范圍內(nèi)的胎兒血流進(jìn)行測(cè)量具有可行性，利于臨床醫(yī)生更好地監(jiān)測(cè)胎兒的血流動(dòng)力學(xué)信息。但是，數(shù)據(jù)采集與重建比較復(fù)雜，且需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間。Han等[9]提出了一種新的心臟運(yùn)動(dòng)自門(mén)控方法，即在不使用傳統(tǒng)心電圖（echocardiography,ECG）門(mén)控的情況下，采用自門(mén)控電影序列精準(zhǔn)地檢測(cè)出心臟觸發(fā)信號(hào)，從而獲得高質(zhì)量的電影影像并有望替代傳統(tǒng)ECG 門(mén)控。自門(mén)控是使用各種k 空間軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)多途徑來(lái)獲取胎兒心臟周期，但其觸發(fā)信號(hào)的獲取會(huì)受到環(huán)境噪聲的影響，無(wú)法在檢查期間獲取胎兒心臟影像。Haris 等[10]使用DUS 門(mén)控對(duì)胎兒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加速數(shù)據(jù)采集，成功地在孕婦自由呼吸的情況下獲取胎兒動(dòng)態(tài)電影影像，DUS 是直接通過(guò)血流和室壁的運(yùn)動(dòng)反映心臟的生理活動(dòng)，因此能夠獲取更加準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的胎兒心臟運(yùn)動(dòng)信息。

2 心臟MRI 新技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)成像序列 單次激發(fā)快速自旋回波（singleshot fast spin-echo, SSFSE） 序列和穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)(steady-state free precession,SSFP) 序列是目前應(yīng)用于胎兒心臟MRI 的最主要序列。SSFSE 序列是射頻脈沖和回波脈沖依次交替激發(fā)進(jìn)行重建圖像，可以在2 s 內(nèi)生成與血管和周?chē)M織結(jié)構(gòu)具有較好對(duì)比度的高分辨力影像[11]。其中，血流呈現(xiàn)黑色低信號(hào)，周?chē)M織呈現(xiàn)明亮的高信號(hào)。有研究[12]采用SSFSE序列數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)了CHD 心外血管的可視化。SSFP 序列是以梯度回波為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)多次快速激發(fā)后，重聚橫向剩余磁化矢量，獲得較少運(yùn)動(dòng)偽影的胎兒心臟影像[13]。SSFP 采集數(shù)據(jù)時(shí)間非常短，并且能在心肌和血液之間形成良好的對(duì)比度，獲得顯示心內(nèi)外解剖結(jié)構(gòu)的最佳白血序列。該序列既可以得到靜態(tài)影像，又可以得到動(dòng)態(tài)心臟影像。電影SSFP 是以SSFP 序列為基礎(chǔ)，通過(guò)使用ECG 門(mén)控，實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率和空間分辨率的心臟動(dòng)態(tài)電影成像[11]。與靜態(tài)成像重建相比，壓縮傳感和k-t 敏感度編碼技術(shù)用于重建可獲得更高時(shí)間和空間分辨率的實(shí)時(shí)心臟影像[6]。此外，在自由呼吸的情況下，采用運(yùn)動(dòng)校正數(shù)據(jù)處理方法可以獲得呼吸或者運(yùn)動(dòng)偽影較少的圖像，實(shí)現(xiàn)多方向采集整個(gè)胎兒心臟數(shù)據(jù)[6]。

2.2 血流成像序列 PC MRI 和4D FLOW MRI 是目前應(yīng)用于心臟血流成像最重要的序列。PC MRI是利用血液流動(dòng)中質(zhì)子產(chǎn)生的相位變化來(lái)測(cè)量血流速度，不僅能顯示血管解剖結(jié)構(gòu)，又能提供血流方向、流量及流速等血流動(dòng)力學(xué)信息。4D FLOW MRI 是以PC MRI 為基礎(chǔ)，該技術(shù)將3D 空間編碼與3D 速度編碼相位對(duì)比MRI 相結(jié)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜血流模式演變過(guò)程的3D 可視化和量化。但是，4D FLOW 序列掃描時(shí)間較長(zhǎng)，且依賴(lài)于強(qiáng)大的圖像后處理技術(shù)，在血管解剖的空間分辨力方面不如CT血管成像和增強(qiáng)MR 血管成像[14]。

2.3 功能成像序列 T1mapping 和T2mapping 序列是目前應(yīng)用于胎兒心臟MRI 功能成像的主要序列。T1mapping 和T2mapping 均可直接測(cè)量心肌組織T1、T2值，計(jì)算心肌細(xì)胞外間質(zhì)容積分?jǐn)?shù)，定量評(píng)估心肌纖維化、出血及心肌水腫的程度和范圍，但是由于目前缺乏合適的T1和T2值的參考范圍，其臨床價(jià)值有待進(jìn)一步研究。目前T1mapping 和T2mapping 成像序列仍未廣泛應(yīng)用于臨床。

3 心臟MRI 技術(shù)對(duì)胎兒心血管系統(tǒng)的量化

3.1 心血管結(jié)構(gòu)的定量評(píng)估 心臟MRI 可以測(cè)量主動(dòng)脈弓直徑、心室壁厚度、左右心腔大小等心血管結(jié)構(gòu)，但目前用于胎兒心血管結(jié)構(gòu)方面的量化研究還較少。Toemen 等[15]前瞻性使用MRI 測(cè)量心臟右心室舒張末期容積、右心室射血分?jǐn)?shù)、左心室舒張末期容積、左心室射血分?jǐn)?shù)、左心室容積等，研究胎兒時(shí)期、嬰兒時(shí)期與兒童時(shí)期生長(zhǎng)發(fā)育的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)胎兒時(shí)期和兒童時(shí)期的生長(zhǎng)發(fā)育很可能與兒童時(shí)期的心臟大小相關(guān)。Lloyd 等[12]采用心臟MRI和二維超聲心動(dòng)圖分別對(duì)51 例胎兒的降主動(dòng)脈、上腔靜脈、橫主動(dòng)脈弓直徑進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)兩者測(cè)得數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性（組內(nèi)相關(guān)系數(shù)為0.78，95%CI 為 0.68～0.84）。Tavares 等[16]利用 DUSMRI 對(duì)正常胎兒和CHD 胎兒的心臟進(jìn)行四腔切面成像，測(cè)量出心室直徑、二尖瓣和三尖瓣的瓣口直徑、心肌壁的厚度和心臟橫徑等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DUSMRI 與超聲心動(dòng)圖之間存在高度一致性，對(duì)于更好地監(jiān)測(cè)胎兒心臟運(yùn)動(dòng)具有重要的臨床意義。

3.2 心血管血流的定量評(píng)估 胎兒循環(huán)的主要特點(diǎn)是來(lái)自臍靜脈的富氧血經(jīng)過(guò)靜脈導(dǎo)管流入右心房，再由卵圓孔進(jìn)入左心房，供應(yīng)胎兒生長(zhǎng)發(fā)育。來(lái)自右心室的乏氧血通過(guò)動(dòng)脈導(dǎo)管、降主動(dòng)脈和臍動(dòng)脈輸送回胎盤(pán)，在肺循環(huán)中其相對(duì)較低的含氧量保持了胎兒循環(huán)典型的高肺血管阻力[17]。PC MRI 可以對(duì)胎兒升主動(dòng)脈、動(dòng)脈導(dǎo)管、降主動(dòng)脈、上腔靜脈等大血管進(jìn)行血流量以及血流速度的定量測(cè)量。Tsai-Goodman 等[18]通過(guò)使用3.0 T MRI 測(cè)量出了胎兒主肺動(dòng)脈、上腔靜脈、動(dòng)脈導(dǎo)管、升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈的血流量，所獲數(shù)據(jù)與1.5 T 下所測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性，為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)胎兒各血管血流量的變化提供了一種新的方法。Schrauben 等[19]通過(guò)使用4D FLOW MRI 測(cè)量胎羊升主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈、動(dòng)脈導(dǎo)管、降主動(dòng)脈、上腔靜脈、靜脈導(dǎo)管等血管血流量，從而評(píng)估胎羊心血管血流的循環(huán)分布。Schoennagel 等[20]使用PC MRI 測(cè)量了胎羊降主動(dòng)脈血流的峰值速度、平均速度、最大平均速度和平均流量，表明MRI對(duì)評(píng)估胎兒循環(huán)血流動(dòng)力學(xué)具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

3.3 心功能定量評(píng)估 CHD 胎兒心功能會(huì)影響胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育、器官發(fā)育和出生后的結(jié)局，因此胎兒心功能定量評(píng)估對(duì)于CHD 胎兒的干預(yù)具有重要價(jià)值。由于產(chǎn)前難以準(zhǔn)確獲得血管面積以及評(píng)估穿過(guò)血管腔的血流速度的變化，限制了超聲對(duì)胎兒血流以及心功能的評(píng)估[21]。目前，心臟MRI 可以通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量胎兒心室射血分?jǐn)?shù)、心室輸出量等參數(shù)對(duì)心功能進(jìn)行評(píng)估。Seed 等[22]首次通過(guò)心臟MRI 測(cè)量出胎兒心室輸出量以及主肺動(dòng)脈、升主動(dòng)脈、上腔靜脈、動(dòng)脈導(dǎo)管、降主動(dòng)脈、臍靜脈和肺血流量，表明MRI 對(duì)胎兒心血管的血液循環(huán)分布以及心功能評(píng)估具有可行性。此外，為更好地改善CHD 胎兒的臨床預(yù)后及降低其死亡率，尚需對(duì)CHD 胎兒進(jìn)行心功能評(píng)估。Tsuritani 等[23]應(yīng)用超聲和MRI 分別對(duì)CHD 胎兒和正常胎兒心臟射血分?jǐn)?shù)、降主動(dòng)脈血流量進(jìn)行測(cè)量的對(duì)照研究表明，MRI 可以比超聲更加準(zhǔn)確地評(píng)估正常胎兒的心功能，也可以評(píng)估CHD 胎兒的心功能。Al Nafisi 等[21]測(cè)量了CHD 胎兒的心室輸出量以及肺血流量、上腔靜脈血流量，研究了胎兒血流動(dòng)力學(xué)與肺和腦發(fā)育的關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)MRI 評(píng)估CHD 胎兒心功能的可行性，加深對(duì)胎兒循環(huán)病理生理的理解。

3.4 胎兒循環(huán)血氧飽和度與血細(xì)胞容量定量評(píng)估 胎兒缺氧是胎兒生長(zhǎng)受限的關(guān)鍵原因，胎兒缺氧程度可以用血細(xì)胞容量和血氧飽和度進(jìn)行評(píng)估。目前臨床上主要是通過(guò)超聲檢測(cè)側(cè)支血流的變化來(lái)評(píng)估胎兒缺氧程度，但是因?yàn)檠鞑粩嘧兓鵁o(wú)法獲得準(zhǔn)確的結(jié)果[24]。T1mapping、T2mapping 成像序列可以無(wú)創(chuàng)評(píng)估血細(xì)胞容量和血氧飽和度，有助于提高胎兒缺氧產(chǎn)前診斷的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)早期干預(yù)，改善CHD 胎兒的預(yù)后。Portnoy 等[25]通過(guò)將T1和T2值進(jìn)行代數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)得臍血標(biāo)本的血氧飽和度和血細(xì)胞容量與血?dú)夥治龅玫降恼Ｖ颠M(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，MRI 所測(cè)值與正常值之間具有很好的一致性，表明MRI 可用于血氧飽和度和血細(xì)胞容量的定量測(cè)量，對(duì)胎兒宮內(nèi)生長(zhǎng)受限和胎兒貧血的監(jiān)測(cè)具有重要的臨床意義。Portnoy 等[24]通過(guò)建立模型和相關(guān)參數(shù)獲得胎兒臍帶血磁化率、弛豫時(shí)間與血氧飽和度和血細(xì)胞容量之間的函數(shù)關(guān)系，有望成為無(wú)創(chuàng)測(cè)量胎兒血氧飽和度和血細(xì)胞容量的又一新方法，將有助于臨床上進(jìn)一步評(píng)估胎兒的氧氣輸送、消耗的生理情況。

盡管有研究表明心臟MRI 可以用于測(cè)量主動(dòng)脈直徑、心腔大小、血管血流量、心室射血分?jǐn)?shù)以及血氧飽和度等，但未見(jiàn)進(jìn)一步應(yīng)用于臨床的研究報(bào)道。隨著研究的不斷深入和技術(shù)發(fā)展，心臟MRI 在胎兒心血管系統(tǒng)量化評(píng)估方面的應(yīng)用將會(huì)快速推廣到臨床。

4 小結(jié)與展望

近年來(lái)，胎兒心臟MRI 技術(shù)已經(jīng)取得較大進(jìn)展，有望成為胎兒超聲心動(dòng)圖之外的又一種非常有前景的輔助手段；但技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，仍然存在一些需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。首先，由于胎兒心臟解剖結(jié)構(gòu)較小以及母體呼吸運(yùn)動(dòng)，心臟MRI 需要優(yōu)化特定序列參數(shù)、縮短數(shù)據(jù)重建時(shí)間、提高影像信噪比以及減輕母體呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，以提高數(shù)據(jù)重建的穩(wěn)定性和優(yōu)化影像質(zhì)量。其次，復(fù)雜性CHD 有時(shí)合并心外異常，有必要綜合應(yīng)用各種檢查方法提高胎兒復(fù)雜性CHD 診斷準(zhǔn)確率。最后，未來(lái)對(duì)新技術(shù)應(yīng)用的研究需要擴(kuò)大臨床樣本量以進(jìn)一步驗(yàn)證。

當(dāng)今，人工智能正在逐步應(yīng)用于影像醫(yī)學(xué)，它可以應(yīng)用于MRI 對(duì)心臟進(jìn)行體積分析，通過(guò)自動(dòng)分割右、左心室可以計(jì)算左心室和右心室的質(zhì)量和體積，快速獲取心室發(fā)育情況，有極大潛力提供精確、快速的心臟結(jié)構(gòu)和功能的生物標(biāo)志物[26-27]。相信在不久的未來(lái)，人工智能自動(dòng)圖像識(shí)別軟件與醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的快速發(fā)展與交集會(huì)在胎兒心血管評(píng)估方面取得更大進(jìn)展。