磁共振定量成像技術(shù)評估心肌組織的研究進(jìn)展

宋宇，郭應(yīng)坤，許華燕，李學(xué)勝，李軍，伏川

近年來，心血管疾病位居中國疾病致死率首位，且患病率處于持續(xù)上升階段[1]。心臟功能的評估對于原發(fā)性心肌疾病的早期診斷、風(fēng)險評估以及監(jiān)測各種病因?qū)е碌男牧λソ呋颊叩寞熜е陵P(guān)重要[2]。心臟磁共振成像(cardiac magnetic resonance，CMR)是指對心臟及大血管進(jìn)行非侵入性成像的無創(chuàng)檢查，可通過多序列、多方位、多參數(shù)成像實現(xiàn)對心臟的形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能狀況、血流灌注及組織特性等多方面的信息進(jìn)行全面評估[3]。隨著心臟磁共振定量成像技術(shù)如縱向弛豫時間定量成像(T1 mapping)、橫向弛豫時間定量成像(T2 mapping)、T2*弛豫定量成像(T2*mapping)特征追蹤(feature tracking，F(xiàn)T)和心肌延遲增強(qiáng)(late gadolinium enhancement，LGE)等新興技術(shù)的快速發(fā)展與進(jìn)步，使得在心肌病變中心肌組織的定量評估、心肌纖維化的早期檢測和心肌損傷的嚴(yán)重程度和范圍等方面提供客觀評價指標(biāo)成為可能，有望為臨床診療、治療監(jiān)測及預(yù)后評價提供有價值的信息。筆者對磁共振定量成像技術(shù)在心肌組織定量評估中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 T1 mapping

T1 mapping技術(shù)是無創(chuàng)評估心肌組織特性的新型技術(shù)，其基本原理是基于組織的縱向弛豫時間(T1值)與信號強(qiáng)度的公式進(jìn)行計算，通過定量心肌組織和血液的T1值來實現(xiàn)對心肌疾病進(jìn)行無創(chuàng)地定量客觀評價。目前，T1 mapping技術(shù)通常采用反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列，在不同的反轉(zhuǎn)時間(inversion time，TI)采集信號，通過定量心臟增強(qiáng)前初始T1值(Native T1)、增強(qiáng)后T1值(Enhanced T1)以及細(xì)胞外容積分?jǐn)?shù)(extracellular volume fraction，ECV)來無創(chuàng)地評估由于纖維化引起的T1值的改變。其中，ECV是指細(xì)胞外間質(zhì)容積占整個心肌容積的百分比，主要根據(jù)Native T1、Enhanced T1及血細(xì)胞比容值計算得出。通過將每個像素內(nèi)感興趣區(qū)的T1值進(jìn)行定量計算并以偽彩的形式在圖像上直觀顯示，得到T1 mapping圖。

在心肌病變中，多種病理過程如彌漫性心肌纖維化、水腫、炎癥、浸潤性疾病和淀粉樣變性等均會改變組織中水分子或局部分子的環(huán)境，因此會導(dǎo)致T1值發(fā)生變化[4]。一項薈萃分析結(jié)果[5]顯示T1 mapping定量評估心肌纖維化與心肌活檢結(jié)果具有良好的相關(guān)性。此外，T1 mapping可定量評估心肌梗死損傷的動態(tài)變化，無創(chuàng)地監(jiān)測組織損傷的演變，其與組織學(xué)檢查結(jié)果密切相關(guān)[6]。同時，T1 mapping鑒別正常心肌與彌漫性病變心肌具有較高的診斷準(zhǔn)確性[7]。Xu等[8]使用心肌Native T1和ECV分?jǐn)?shù)來評估肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)患者中未發(fā)生心肌延遲強(qiáng)化(late gadolinium enhancement，LGE)和血流動力學(xué)障礙者的心肌纖維化，并探討其與左心室功能和左心室肥大的關(guān)系。研究結(jié)果表明HCM患者的Native T1和ECV分?jǐn)?shù)明顯高于健康志愿者，并且其與左心室質(zhì)量指數(shù)密切相關(guān)。該結(jié)果提示即使在沒有出現(xiàn)LGE和血流動力學(xué)障礙的HCM患者中，Native T1和ECV分?jǐn)?shù)增高仍提示出現(xiàn)彌漫性心肌纖維化并伴有左心室肥大等改變。分析原因是LGE檢測纖維化心肌是基于纖維化和正常心肌組織之間信號強(qiáng)度的差異，因此LGE在缺乏正常心肌的情況下通常無法檢測到彌漫性纖維化[9]。Puntmann等[10]研究了T1 mapping在非缺血性擴(kuò)張型心肌病(nonischemic dilated cardiomyopathy，NIDCM)中的預(yù)后相關(guān)性，并將其與不良預(yù)后的常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行比較。研究結(jié)果顯示Native T1和ECV值以及LGE的存在可預(yù)測NIDCM的全因死亡率和心力衰竭終點，為NIDCM患者風(fēng)險分層提供參考信息。另有研究報道ECV值較高的患者心血管死亡發(fā)生率或合并心臟事件的概率明顯升高，與其他CMR參數(shù)相比，ECV具有較高的預(yù)測價值[11-12]。然而，目前仍需要大樣本多中心研究來進(jìn)一步驗證ECV是否可作為不良預(yù)后的獨立預(yù)測因子。

T1 mapping采用呼吸導(dǎo)航采集方法，解決了在心臟掃描中由于屏氣不佳造成的呼吸運動偽影，信噪比較高、可重復(fù)性好。但T1值可能受多種因素的影響，如磁場強(qiáng)度、掃描參數(shù)、生理因素中如年齡、性別、心率和體溫等的影響[13]。由于受設(shè)備硬件和軟件差異的影響，導(dǎo)致在多中心隊列研究中不同站點測量的T1值不同，限制了其結(jié)果的可比性[14]。同時，基于不同序列的T1 mapping成像測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性也有待進(jìn)一步研究。因此，建立標(biāo)準(zhǔn)化的人群參考值范圍亟待解決。此外，在ECV的定量中需注意的是，由于心肌淀粉樣變性、水腫和冠狀動脈舒張引起的血管內(nèi)腔擴(kuò)張也可引起ECV的升高，因此需在排除這些因素的情況下，ECV升高才是彌漫性間質(zhì)纖維化的替代影像學(xué)標(biāo)志[15-16]。

2 T2 mapping

T2 mapping技術(shù)是通過定量測量心肌組織橫向弛豫時間(T2值)來對心肌水腫進(jìn)行評估的定量技術(shù)。T2弛豫時間是CMR成像的另一個生物學(xué)參數(shù)，是用于區(qū)分正常和異常心肌組織的特定時間參數(shù)。心肌組織中水量的增加是T2值增大的主要原因。因此，心肌水腫是導(dǎo)致T2值變化的主要病理改變[17]。T2 mapping的采集序列主要包括多回波快速自旋回波序列、多回波梯度回波序列以及基于T2-prepared的平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動序列(balance steady-state free precession，bSSFP)或GRE序列(T2-prepared bSSFP or GRE sequence)。

Park等[18]的研究評估了T2 mapping在急性心肌梗死再灌注中檢測心肌水腫的臨床應(yīng)用價值，研究結(jié)果顯示梗死心肌T2值明顯升高，并且相比T2WI成像可更可靠地識別梗死心肌的心肌水腫。Spieker等[19]的研究表明與心內(nèi)膜心肌活檢相比，T2 mapping可無創(chuàng)評估擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)患者是否存在心肌炎癥。研究結(jié)果顯示與健康對照組相比，DCM患者的T2值顯著增加；同時在活檢證實存在心肌炎癥的組織中，其T2值較未發(fā)生炎癥的心肌進(jìn)一步升高。Huang等[20]采用T1和T2 mapping來檢測HCM患者的局部心肌節(jié)段，并研究HCM患者中組織重塑與結(jié)構(gòu)和功能重塑之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示在HCM患者中，盡管非肥厚性心肌節(jié)段壁厚正常且收縮功能得以維持，但已顯示出T1和T2值顯著升高，即在HCM中組織重塑可以先于結(jié)構(gòu)和功能重塑。該研究結(jié)果表明T1和T2 mapping可在早期為HCM診斷提供重要參考價值。

T2 mapping克服傳統(tǒng)磁共振定性評估如T2WI成像的不足，實現(xiàn)了對心肌組織進(jìn)行定量可靠評估，主要用于臨床檢測急性心肌損傷或炎癥中。但與此同時，T2 mapping成像易受硬件和軟件等技術(shù)條件以及生理因素的影響，如對心率有依賴性。

3 T2＊mapping

T2*mapping技術(shù)通過直接量化組織T2*弛豫時間來間接反映不同組織器官間的鐵含量情況，實現(xiàn)對心肌組織鐵代謝的評估，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)蔫F螯合療法來提高患者的生存率[21-22]。當(dāng)鐵蛋白的儲存容量超過正常情況時，鐵會以水合氧化鐵的形式沉積在心肌和肝組織中，導(dǎo)致局部磁場的均勻性被破壞，T2*值縮短[23]；當(dāng)T2*值小于20 ms時則提示發(fā)生進(jìn)行性心室功能不全[24]。研究表明，T2*值與心肌組織鐵含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性[25]。當(dāng)T2*值大于20 ms時，反映無心臟鐵超負(fù)荷；當(dāng)T2*值在10～20 ms之間時，反映輕至中度的鐵負(fù)荷；當(dāng)T2*值小于10 ms時則反映嚴(yán)重的鐵過載[26]。T2*mapping的采集序列通常為多回波GRE序列，采用小翻轉(zhuǎn)角和長回波時間，單次屏氣在不同回波時間采集圖像，并通過擬合計算得到T2*值。近來，有研究報道采用非剛性運動校正的GRE-EPI序列可實現(xiàn)T2*mapping在自由呼吸狀態(tài)下進(jìn)行掃描，同時精確測量心肌T2*值，并且對呼吸運動不敏感[27]。同時，黑血技術(shù)采用雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖來抑制血液的信號，以減少血液流動產(chǎn)生的影響。并且在心臟舒張末期采集數(shù)據(jù)，減少呼吸運動對圖像的影響，因此T2*mapping通常建議采用黑血序列進(jìn)行成像[28]，以早期發(fā)現(xiàn)心肌鐵超負(fù)荷并監(jiān)測螯合治療。

Parsaee等[29]的研究根據(jù)心臟T2*值將受試者分為正常和異常心肌鐵負(fù)荷組，并評估其與心肌縱向應(yīng)力之間的相關(guān)性。研究結(jié)果表明心肌T2*值與左心室縱向應(yīng)力有顯著相關(guān)性，心臟鐵超負(fù)荷患者的縱向應(yīng)力低于無鐵負(fù)荷的患者。一項研究表明[30]HCM患者T2*值明顯降低，尤其是在心肌纖維化患者亞組中。由于心肌纖維化可影響HCM患者的預(yù)后，因此T2*mapping可為HCM患者高風(fēng)險亞組提供額外的參考信息。Robbers等[31]評估了微血管損傷和心肌內(nèi)出血對急性心肌梗死再灌注患者局部T1和T2*值的影響，研究結(jié)果表明急性心肌梗死后微血管損傷會影響局部T1和T2*值。若存在微血管損傷，則梗死區(qū)T1值較低；T2*mapping則提示梗死區(qū)低T1值可能是心肌內(nèi)出血所致，表明T1和T2*值是準(zhǔn)確評估梗死后心肌的有效補(bǔ)充。

研究表明，重型地中海貧血患者的心臟鐵超負(fù)荷和心血管并發(fā)癥的發(fā)生率較高[26]。因此，鐵螯合和實時監(jiān)測血清鐵蛋白水平可防止心臟鐵超負(fù)荷的發(fā)生，有助于早期發(fā)現(xiàn)心血管并發(fā)癥。T2*mapping技術(shù)可在早期檢測和量化鐵沉積，實現(xiàn)了鐵螯合療法患者在治療期間鐵代謝狀態(tài)的實時監(jiān)測，起著至關(guān)重要的作用，為輸血依賴性貧血患者提供了更準(zhǔn)確、有效的鐵螯合治療方案。由于T2*值會隨著場強(qiáng)的增加而縮短，這使得對重度鐵超負(fù)荷的評估更加困難，因此在3.0 T場強(qiáng)下進(jìn)行T2*mapping成像以評估鐵超負(fù)荷心肌病具有一定挑戰(zhàn)。

4 FT

磁共振FT技術(shù)是一種在平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動序列的基礎(chǔ)上定量測量心肌應(yīng)變參數(shù)，整體或局部評估心肌功能及運動的新技術(shù)。心肌應(yīng)變即心肌在張力作用下的形變能力，其評價參數(shù)主要包括縱向應(yīng)變(longitudinal strain，LS)、徑向應(yīng)變(radial strain，RS)和周向應(yīng)變(circumferential strain，CS)[32]。目前，左心室射血分?jǐn)?shù)是評估心臟功能的常見臨床指標(biāo)。然而，近年來迅速發(fā)展的CMR-FT技術(shù)已成為定量評估心臟功能的更加準(zhǔn)確的工具和手段，可通過多個應(yīng)變參數(shù)來直接評估心肌纖維變性，可在發(fā)生明顯的室壁運動異常和射血分?jǐn)?shù)降低之前來檢測左心室功能障礙。研究報道，整體縱向應(yīng)變和周向應(yīng)變與左心室射血分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，為臨床工作中評估左心室功能提供參考信息[33]。

Czimbalmos等[34]采用CMR-FT對接受至少15 h/周訓(xùn)練的健康運動員、明確診斷為致心律失常性右室心肌病的患者和訓(xùn)練有素的致心律失常性右室心肌病運動員的心室進(jìn)行整體和局部區(qū)域的應(yīng)變分析。研究結(jié)果表明在患有致心律失常性右室心肌病的運動員中，右室室間隔游離壁的應(yīng)變和應(yīng)變率在病理范圍內(nèi)，顯示出較右心室射血分?jǐn)?shù)更高的敏感度，為鑒別致心律失常性心肌病提供了重要的參考依據(jù)。Berganza等[35]研究了法洛四聯(lián)癥修復(fù)術(shù)后患者和健康對照組的縱向、周向和徑向應(yīng)變參數(shù)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，法洛四聯(lián)癥修復(fù)術(shù)后患者左心室整體周向應(yīng)變差異具有顯著統(tǒng)計學(xué)意義。同時，左心室周向應(yīng)變與右心室舒張末期容積之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，而左心室縱向應(yīng)變和右心室射血分?jǐn)?shù)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。本研究結(jié)果提示周向應(yīng)變可能是早期檢測心室異常的有利參數(shù)。Reindl等[36]采用CMR-FT研究了451例血運重建的ST段抬高型心肌梗死患者的心肌應(yīng)變值，以預(yù)測ST段抬高型心肌梗死后的臨床結(jié)局。在24個月的隨訪中，有10%的患者發(fā)生了死亡、再梗死和充血性心力衰竭等主要不良心臟事件。研究結(jié)果顯示發(fā)生不良心臟事件患者的三個應(yīng)變指標(biāo)均發(fā)生改變，其中總體縱向應(yīng)變是應(yīng)變參數(shù)中預(yù)測不良心臟事件的最強(qiáng)預(yù)后因子。該結(jié)果表明總體縱向應(yīng)力可獨立預(yù)測血運重建ST段抬高型心肌梗死患者的中期不良心臟事件的發(fā)生率，其預(yù)測價值優(yōu)于梗死嚴(yán)重程度的指標(biāo)即左室射血分?jǐn)?shù)。一項前瞻性多中心隊列研究[37]亦提示左心房應(yīng)變可作為評估ST段抬高型心肌梗死長期預(yù)后的預(yù)測因子。

目前，用于心肌組織應(yīng)變分析的技術(shù)包括超聲斑點追蹤技術(shù)、MRI心肌組織標(biāo)記技術(shù)(myocardial tissue tagging，Tagging)和CMR-FT技術(shù)。其中，超聲斑點追蹤技術(shù)由于操作者依賴性較大而測量準(zhǔn)確性欠佳，且空間分辨率較低[38]。Tagging技術(shù)由于標(biāo)記線易受影響導(dǎo)致靶點的配準(zhǔn)欠佳，且后處理較復(fù)雜，因而在臨床中應(yīng)用較少。相較而言，CMR-FT解決了傳統(tǒng)心肌應(yīng)變測量方法中圖像空間分辨率較低、信噪比較低、掃描時間較長、后處理煩瑣、測量數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)等問題，可在諸多疾病的早期識別心肌應(yīng)變的異常改變[38]。同時，研究表明其測量結(jié)果與超聲斑點追蹤技術(shù)和Tagging技術(shù)等一致性較好[39]。

5 LGE

心肌延遲強(qiáng)化即經(jīng)靜脈注射釓對比劑一段時間后，正常心肌因?qū)Ρ葎├宥鵁o強(qiáng)化，異常心肌因側(cè)支循環(huán)形成或?qū)Ρ葎浬⒑蜏舳霈F(xiàn)強(qiáng)化。LGE可用于檢測心肌纖維化的存在、位置和程度，在疾病的預(yù)后評估與風(fēng)險分層中發(fā)揮著重要作用。目前，LGE通常采用的序列是反轉(zhuǎn)恢復(fù)梯度回波序列和相位敏感反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列。

Chery等[40]研究了LGE評估缺血性心肌病患者心肌纖維化對心律失常、心源性猝死或全因死亡率的預(yù)后價值，研究結(jié)果顯示LGE在預(yù)測缺血性心肌病患者不良結(jié)局方面具有較高的預(yù)后價值，并可為臨床決策提供參考信息。心臟受累是法布里病死亡的主要原因，有研究[41-42]證實LGE是法布里病患者不良心臟事件的重要預(yù)測指標(biāo)，其已被證實可代表法布里病中的替代性纖維化，是心律不齊的標(biāo)志物。因此，LGE可用于鑒別具有不良心臟事件高風(fēng)險的法布里病患者，這對于患者的治療和預(yù)后至關(guān)重要。另有一項多中心研究報道[43]，LGE在鑒別HCM患者心臟猝死風(fēng)險方面具有較大的優(yōu)勢。Raman等[44]采用LGE對72名HCM患者心肌纖維化的進(jìn)展進(jìn)行評估，并探討其潛在的病因機(jī)制和臨床意義。研究結(jié)果顯示26%的患者發(fā)生了顯著的心肌纖維化，心肌灌注異常的患者表現(xiàn)為LGE增高更加明顯和磷酸肌酸/三磷酸腺苷等能量的增加。同時，纖維化進(jìn)展與左室壁變薄、心室擴(kuò)張和收縮功能降低等不良心臟重構(gòu)有關(guān)，并預(yù)示HCM患者后續(xù)發(fā)生不良臨床事件的風(fēng)險增加。

目前，LGE被廣泛地應(yīng)用于檢測心肌纖維化和心肌瘢痕組織中，在疾病的診斷、鑒別診斷和預(yù)后評估中起著不可替代的作用，但需結(jié)合心臟結(jié)構(gòu)和功能等信息進(jìn)行綜合判斷和分析。需要注意的是，在傳統(tǒng)LGE成像中，最佳TI值的設(shè)置對于獲得最佳對比度的正常和病理心肌組織至關(guān)重要。在大量心肌浸潤的情況下，這種依賴于操作者的選擇可能具有挑戰(zhàn)性，而基于相位敏感反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列的LGE成像對TI設(shè)置不太敏感，操作者依賴性較小，可較準(zhǔn)確地獲得LGE圖像。

6 體素內(nèi)不相干運動彌散加權(quán)成像(intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging，IVIM-DWI)

IVIM-DWI是基于傳統(tǒng)擴(kuò)散加權(quán)成像方法，采用雙指數(shù)模型并通過多個不同的b值來對水分子的真性擴(kuò)散和微循環(huán)血流灌注形成的假性擴(kuò)散進(jìn)行評估的成像方法[45-46]。在無需對比劑的情況下通過多參數(shù)測量來準(zhǔn)確反映心肌組織等全身多個器官的血流灌注和水分子擴(kuò)散運動的情況[47-48]。

An等[49]研究結(jié)果顯示IVIM-DWI可作為評估急性心肌梗死和梗死樣心肌炎心肌灌注方式的可靠方法。由于病理生理過程不同，急性心肌梗死表現(xiàn)出較梗死樣心肌炎患者而言更低的心肌灌注狀態(tài)。同時，該研究團(tuán)隊[50]進(jìn)一步對IVIM-DWI在連續(xù)評估心肌梗死患者經(jīng)皮冠狀動脈介入治療后心肌灌注情況的可行性進(jìn)行研究，研究表明經(jīng)皮冠狀動脈介入治療后心肌梗死患者的心肌水腫和心肌灌注狀態(tài)存在動態(tài)過程，且選擇在第3天至第7天期間對心肌灌注進(jìn)行評估為最佳時間段。

對于IVIM-DWI心臟成像而言，呼吸運動和心臟搏動是影響掃描成敗和數(shù)據(jù)測量精確度的重要因素。隨著磁共振成像技術(shù)的發(fā)展，使得IVIM-DWI在心臟成像中成為可能，目前已應(yīng)用于定量測量心肌組織血流灌注和水分子運動狀況情況，對于疾病的鑒別診斷、臨床治療及進(jìn)展評估提供參考依據(jù)。

7 小結(jié)

綜上所述，心臟磁共振定量成像技術(shù)因其較高的組織分辨率、時間分辨率，可多方向、多參數(shù)成像以及可同時獲得心肌組織的特征信息等優(yōu)勢而在臨床和科研中得到廣泛應(yīng)用。其定量信息反映了心肌疾病的組織病理學(xué)改變，在心肌疾病的早期診斷、病變的累及范圍、風(fēng)險分層的評估、監(jiān)測治療效果及預(yù)后評估等方面發(fā)揮著重要的作用，具有較大的臨床應(yīng)用潛力。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。