磁共振非對比增強三維冠狀動脈成像研究進展

伍希，唐露，岳汛，彭鵬飛，鄧巧，吳韜，孫家瑜*

磁共振非對比增強三維冠狀動脈成像包括冠狀動脈磁共振血管造影（magnetic resonance angiography,MRA）和冠狀動脈管壁斑塊成像，具有無電離輻射、不依賴對比劑和無需屏氣等獨特優(yōu)勢，能無創(chuàng)檢測冠狀動脈的管腔狹窄或擴張及管壁斑塊等病變，在腎功能不全、對比劑過敏、兒童、孕婦及需要重復檢查的特殊患者中具有更突出的應用價值[1-3]。但是由于冠脈直徑較小、走形彎曲、且成像受呼吸和心跳等因素的影響，導致采集時間長、空間分辨率低和信噪比低等缺點，使磁共振冠脈成像技術具有較大的挑戰(zhàn)性[4-6]。近年來，隨著MRI序列、加速技術和人工智能的不斷發(fā)展，磁共振冠脈成像在加速采集、基于深度學習的運動估計、欠采樣和超分辨率重建等方面都取得了巨大進展[5,7]。本文就磁共振三維全心非對比增強冠狀動脈成像在檢測冠脈管腔及管壁斑塊等方面的應用進展進行綜述，以期磁共振冠脈成像能更廣泛應用于臨床，讓更多患者受益。

1 冠狀動脈MRA

冠心病是冠狀動脈粥樣硬化導致冠狀動脈狹窄、供血不足，引起心肌缺血壞死，進而出現(xiàn)心臟器質性功能改變的疾病[8]，是全球發(fā)病和死亡的主要原因之一，預計在未來幾十年對社會的負擔還會增加[9-11]。冠狀動脈MRA作為一種無創(chuàng)、無輻射的成像技術，診斷冠心病具有較高的敏感性和特異性，并具有較高的陰性預測價值[12]。穩(wěn)態(tài)自由進動（steady-state free precession, SSFP）序列因具有良好的血管對比度，是1.5 T冠脈MRA的常用序列[13-15]。而梯度回波（gradient echo, GRE）序列不易受到磁場不均勻性的影響，因而在3.0 T場強下更具有優(yōu)勢[6]。Kaul等[16]研究結果顯示在3.0 T場強下GRE比SSFP序列獲得更好的圖像質量、更高的對比噪聲比和更長的血管長度。GRE 序列、心電門控、膈肌導航和脂肪抑制已成為3.0 T非對比增強冠脈MRA 的標準采集方案[1,17]。但因冠脈直徑小、走形彎曲、且成像受呼吸和心跳等因素的影響，掃描時間長、空間分辨率低和信噪比低等因素成為限制冠脈MRA 應用于臨床的主要因素。隨著硝酸甘油等血管舒張劑的應用和加速技術、心臟運動“凍結”、呼吸運動校正、深度學習等技術的創(chuàng)新，冠脈MRA正在克服這些挑戰(zhàn)。

1.1 硝酸甘油等血管舒張劑

冠心病患者冠狀動脈舒張功能的異常不僅局限于內皮依賴機制，還可能涉及平滑肌細胞功能的損害，而硝酸甘油提供的非內皮依賴性一氧化氮可誘導平滑肌細胞依賴性血管舒張[13]。Heer等[18]研究表明，舌下給藥硝酸甘油后冠狀動脈直徑和可見血管長度顯著增加，從而提高了1.5 T非對比增強冠狀動脈MRA檢測＞50%冠狀動脈狹窄的診斷性能。冠脈舒張功能反映動脈硬度，而動脈硬化是未來心血管事件（卒中和心肌梗死）的獨立預測因子，且與心力衰竭相關[13,19]。在1.5 T[13]和3.0 T[20]冠脈MRA 的研究中發(fā)現(xiàn)，硝酸甘油給藥后圖像質量和診斷性能顯著提高，硝酸甘油誘導的冠狀動脈舒張功能在嚴重冠心病患者中受損，并表明結合硝酸甘油給藥前和給藥后的冠狀動脈MRA 能夠提供一種簡單無創(chuàng)、無電離輻射的技術來評估冠狀動脈舒張功能。

在沒有明顯禁忌證的情況下，建議舌下給藥硝酸甘油，以改善管腔內信噪比、血管直徑和冠狀動脈MRA 的血管清晰度[1]。但硝酸甘油也可能提高患者心率而損害圖像質量，因此，對高心率患者應謹慎使用硝酸甘油。

1.2 加速技術

冠狀動脈管徑細小，其成像需要更高的空間分辨率。而空間分辨率越高，信噪比會相應降低，所以在維持高空間分辨率和高圖像質量的同時會使采集時間增加。同時，圖像采集過程中，呼吸和心率發(fā)生不規(guī)整改變，也會增加采集時間。并行采集和壓縮感知是冠狀動脈MRA 最常用的加速方法。高分辨率冠狀動脈MRA 采用并行采集技術可縮短圖像采集時間，并保持圖像質量，但高加速因子會導致特定的偽影，如殘差混疊和g因子噪聲增強[1]。壓縮感知技術通過k空間的隨機欠采樣和迭代重建來快速成像[4,21]。Nakamura等[17]研究顯示，在3.0 T非對比增強冠脈MRA中，壓縮感知技術比并行采集的掃描時間顯著縮短，同時保持可接受的冠脈可視化。也有研究[22]表明，壓縮感知加速的冠脈MRA比傳統(tǒng)的并行采集產生更高的整體圖像質量。Lu等[6]于2021 年提出3.0 T 非對比增強Dion 水-脂分離全心冠脈MRA 成像，結合合適的壓縮感知加速因子能夠檢測疑似冠心病患者顯著的冠狀動脈狹窄，其診斷準確度為81%。

在追求快速采集的同時，并行采集和壓縮感知技術采用合適的加速因子對圖像質量至關重要。此外，并行采集與壓縮感知技術的結合也是活躍的研究領域，其有望提高冠脈MRA空間分辨率同時減少采集時間。

1.3 心臟運動“凍結”

冠脈隨著心臟運動也不斷處于運動的狀態(tài)，成功的冠脈MRA需要有效的運動控制，目前的自由呼吸方案常用節(jié)段采集和前瞻性心電門控來抑制心臟運動偽影，通常在舒張中晚期采集數(shù)據(jù)[23-24]。但對于心律失常、異位性搏動、高心率和可變心率的患者，可以通過收縮期進行圖像采集，因為收縮期對心律失常和心率變異性敏感性低，但是與舒張期成像相比，其靜止期相對較短，可能需要更長的掃描時間[1,23]。右冠狀動脈相對左冠狀動脈運動幅度更大[25]，因而多通過觀察右冠狀動脈來選擇合適的延遲觸發(fā)時間和采集窗。在冠脈MRA 采集之前一般會掃描多時相的電影圖像，選擇右冠狀動脈運動幅度最小的R-R 間期作為冠脈采集窗。另一種方法是以類似于冠狀動脈CT 血管造影的方式連續(xù)采集，然后回顧性重建多個心臟期相，最后選擇運動偽影最少的時相圖像[4]。目前常用的前瞻性心電門控使數(shù)據(jù)采集與心動周期同步，并調整到冠脈運動相對較少的期相，降低心臟運動對圖像質量的干擾，選擇準確的冠脈采集窗對成功磁共振冠脈成像至關重要。

1.4 呼吸運動校正

最初通過屏氣來抑制呼吸運動偽影，但由于膈頂漂移和患者長時間憋氣能力有限而圖像質量并不理想。因此，自由呼吸運動補償?shù)?D冠狀動脈MRA引起廣泛關注。膈肌導航技術利用肝-膈肌界面的輪廓實現(xiàn)呼吸上下平移運動估計，同時用于門控或校正[4]。為了獲得高質量圖像，膈肌導航一般會采用窄的采集窗（±5 mm），并依賴于患者的呼吸模式，導致采集時間不可預測且采集效率較低（30%～50%），同時長的采集時間會導致患者不耐受而產生更多的運動偽影或心率和呼吸模式的改變使圖像質量降低[1,5]。因此，新的呼吸運動補償框架如一維自導航[26]和基于圖像的導航技術（image-based navigators,iNAVs）[27]被提出，將呼吸掃描效率提高到100%，從而顯著減少采集時間。Heerfordt等[28]將笛卡爾膈肌導航技術與3D 徑向自導航進行比較，結果顯示自導航技術獲得了更短的采集時間和更均勻的血池圖像，但血管銳利度低和可見血管長度相對更短。一維自導航很難將運動（如心臟）和靜止（如胸壁）的組織分離開來，從而產生偽影。iNAVs是自導航的一個可行替代方法，它在采集高分辨率冠脈MRA 之前，通過在每個心動周期采集低空間分辨率的2D/3D圖像，將運動組織分離于靜態(tài)組織，且該框架能夠在多個方向上估計呼吸運動[4]。Nazir等[27]前瞻性納入45 例疑似冠心病患者，驗證了1.5 T 非對比增強基于2D圖像導航高分辨率冠脈MRA檢測冠心病良好的診斷準確性，與有創(chuàng)冠脈造影相比，具有高的敏感度（95%）和陰性預測值（93%）。Munoz 等[29]也證明了一種基于圖像導航的水/脂肪冠脈MRA 方法的可行性，其圖像質量與膈肌導航相當，但掃描時間更短且可預測。Hajhosseiny等[30]將基于圖像導航器的高度欠采樣采集和非剛性運動校正相結合，使三維高分辨率非對比增強冠脈MRA 在臨床可行和可預測的時間內（約10 min）進行采集，在排除低中等風險冠心病患者的顯著狹窄方面實現(xiàn)較高的診斷準確性。

盡管提供了100%的呼吸掃描效率，但自導航或iNAVs 框架本身是不夠的。獲得高分辨率（1 mm等體素）冠脈MRA可能需要30 min 來獲得完全采樣[5]。將自導航或iNAVs 與圖像加速技術相結合，或應用更先進的運動校正框架，以望在臨床可行的采集時間內實現(xiàn)高空間分辨率的冠脈MRA。各導航技術的效率和診斷性能還需更多研究進一步驗證。

1.5 深度學習

在各種加速技術的應用下，圖像去噪是冠脈MRA 不可或缺的步驟。深度學習基于“學習噪聲”策略的特點，通過有效地優(yōu)化去噪水平和良好的邊緣保存來改進去噪，有利于提高冠狀動脈MRA 圖像質量，且深度學習應用具有靈活性，包括應用于圖像域和k 空間域來創(chuàng)建去噪的空間圖像或去噪的k 空間數(shù)據(jù)[31-32]。多項研究[33-38]通過訓練不同的神經(jīng)網(wǎng)絡去尋找重建的最優(yōu)變換，來改善冠脈MRA 圖像質量或減少采集時間。Yokota等[33]評估深度學習重建在3.0 T 非對比增強冠脈MRA圖像質量的影響，研究結果顯示與傳統(tǒng)冠脈MRA 相比，深度學習重建顯著提高了高分辨率冠脈MRA 的對比噪聲比，從而具有更高的視覺圖像質量和更好的血管可追溯性。Qi等[34]引入深度學習方法，用于高度欠采樣自由呼吸全心冠脈MRA 同步非剛性運動估計和運動校正重建，達到快速采集和快速重建，可作為一種有效排除顯著冠狀動脈疾病的工具。雖然深度學習與圖像采集加速技術相結合時，其在不同框架中具有很大的潛在應用價值，但臨床應用必須謹慎，因為不適當?shù)娜ピ肟赡苡绊憟D像和臨床診斷的準確性。

冠脈MRA 成像不僅受場強、序列、血管舒張劑、加速技術、心臟運動“凍結”、呼吸運動校正及深度學習的影響，同時，檢查前患者準備和患者自身情況（心率快慢，呼吸模式和耐受性等）也是影響冠脈MRA成功的關鍵因素。隨著MRI序列和各技術的不斷發(fā)展，冠脈MRA的臨床應用限制因素也正逐漸克服。

2 磁共振冠狀動脈管壁斑塊成像

冠狀動脈粥樣硬化的早期表現(xiàn)是動脈重塑（動脈擴大），并在冠狀動脈壁形成動脈粥樣硬化斑塊。因此，更大的動脈粥樣硬化負擔往往先于管腔狹窄。這種早期斑塊不會導致冠狀動脈狹窄，在傳統(tǒng)的有創(chuàng)冠狀動脈造影中無法識別[39]。冠狀動脈管壁斑塊成像是一個快速發(fā)展的領域，在不依賴對比劑的情況下冠狀動脈MRI 可以利用斑塊特征（斑塊內出血、血栓、脂質核心等）的T1 縮短作用來識別高危冠狀動脈斑塊[4,40]，如非對比增強T1 加權反轉恢復（T1-weighted inversion-recovery,T1W-IR）序列，在過去十幾年內已成為用于識別高危冠脈斑塊的一種新的無創(chuàng)成像技術[41]。Kawasaki等[42]發(fā)現(xiàn)非對比增強T1W-IR圖像上的高信號冠脈斑塊與動脈重塑、超聲衰減和較低的CT 值有關，所有這些都被認為是不穩(wěn)定斑塊的指示。最近也有研究表明，非對比增強T1W-IR 圖像上的管壁高信號斑塊可預測穩(wěn)定型冠狀動脈疾病患者未來的冠狀動脈事件[43]。Stuber[39]認為當非對比增強T1W-IR 圖像中存在高信號時，冠狀動脈斑塊可能更容易破裂。

盡管傳統(tǒng)的T1 加權圖像對評估冠狀動脈粥樣硬化具有前瞻性的預后能力，但仍有一些技術障礙阻礙了臨床轉化，如缺乏解剖參考、低空間分辨率、長時間和不可預測的掃描時間。為解決上述斑塊表征的局限性，Xie等[44]于2017年引入冠狀動脈粥樣硬化T1 加權表征（coronary atherosclerosis T1-weighted characterization, CATCH）技術，即在一次自由呼吸三維全心檢查中，能夠同時獲得亮血和黑血冠脈MRA 以及高信號冠狀動脈斑塊的可視化。其研究結果顯示CATCH 提供了高時效（約10 min）全心冠狀動脈斑塊的特征，高T1信號強度區(qū)域與侵入性研究中的高危斑塊特征呈正相關。但高信號斑塊的原因尚不清楚，斑塊內出血和局部脂質積累都可能導致冠狀動脈壁的高T1 信號。Sato等[45]在一項回顧性研究中，使用CATCH 方法探討了冠狀動脈斑塊成分的無創(chuàng)表征。其研究結果顯示血管內超聲的回聲區(qū)與高信號斑塊有很強的聯(lián)系，但在穩(wěn)定型冠狀動脈疾病中的高信號斑塊的主要底物是斑塊內出血，而不是脂質。而另一項研究顯示高信號斑塊與愈合的破裂斑塊和大脂質核密切相關[46]。由于呼吸運動參數(shù)在亮血和黑血數(shù)據(jù)集中部分共享，冠狀動脈斑塊的錯位可能無法避免。Ginami等[47]最近也介紹了3D全心非對比增強亮血和黑血相位敏感反轉恢復序列，同時獲得冠狀動脈NRA 和血栓/斑塊內出血可視化，允許獨立估計/糾正呼吸運動，進一步減少配準錯誤的可能性。

總之，磁共振非對比增強T1 加權圖像上出現(xiàn)的高信號與斑塊破裂的傾向有關，而冠狀動脈信號增強的幅度對指導和監(jiān)測治療具有重要意義。用于評估冠狀動脈管壁斑塊的各序列正在研究中，其應用到臨床環(huán)境中還需要更進一步的驗證。

3 小結與展望

磁共振非對比增強冠狀動脈成像具有無電離輻射、不依賴對比劑和無需屏氣等獨特優(yōu)勢，對冠脈疾病的早期檢測、危險分層和預后評估等方面具有重要意義。掃描時間長、空間分辨率低和圖像質量差是冠狀動脈MRI的主要限制，隨著MRI序列、加速技術和人工智能的不斷發(fā)展，冠脈MRA 和磁共振冠脈管壁斑塊成像技術逐漸得到完善，同時聯(lián)合心臟電影技術、mapping 技術、首過灌注、延遲強化、彌散張量成像、相位對比和4D FLOW 等技術，對心血管形態(tài)、功能、心肌活性及血流動力等提供全面檢查，真正實現(xiàn)“一站式”心血管MRI，造福更多心血管疾病的患者。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。