心臟磁共振指紋技術(shù)研究進展

鄧煒 李小虎

心臟磁共振（cardiac magnetic resonance，CMR）成像是心肌組織定量成像的重要技術(shù)，可無創(chuàng)性對心血管疾病進行診斷與鑒別，并反映疾病的進展與潛在的病理機制。CMR 定量參數(shù)包括T1、T2、T2*弛豫時間和細胞外容積（extracellular volume，ECV）等，對多種心臟病變（如心肌水腫、心肌梗死、心肌纖維化以及心肌鐵過載相關(guān)性心肌病等）具有較高的敏感性[1]。因此，CMR 在臨床心血管疾病的診斷中發(fā)揮著重要作用。

磁共振指紋（magnetic resonance fingerprinting，MRF）技術(shù)將參數(shù)映射進行了統(tǒng)一，能夠通過單次掃描同時獲得T1、T2、T2*、質(zhì)子密度（proton density，PD）、ECV、脂肪分數(shù)(fat fraction，F(xiàn)F)等多個定量參數(shù)信息[2-4]，這不僅大幅縮短了成像時間，且有助于簡化CMR 掃描流程，提高病人依從性[5-6]。本文就心臟MRF（cardiac MRF，cMRF）技術(shù)的成像原理、創(chuàng)新點及發(fā)展前景進行綜述。

1 cMRF 成像原理

1.1 成像序列 cMRF 序列旨在針對不同組織的特性進行混合編碼采集數(shù)據(jù)。組織的特性包括不同的T1和T2弛豫時間，因此也具有其獨特的時間信號演變或稱“指紋”。cMRF 常采用快速成像穩(wěn)態(tài)自由進動（fast imaging with steady state precession，F(xiàn)ISP）序列，在整個掃描過程中，翻轉(zhuǎn)角（FA）和重復(fù)時間（TR）會不斷發(fā)生改變。同時，為控制心臟運動，避免呼吸運動的影響，通常采用心電觸發(fā)和屏氣的方式在每次心動周期的舒張末期（采集時間窗通常為240～280 ms）進行信號采集[7-8]。每個心動周期可獲得48 幅圖像，采集時間窗約為250 ms，總掃描時間約為16 s[8]。采集完整數(shù)據(jù)需要16 個心動周期，第1 個心動周期內(nèi)施加非選擇性反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖，第2個心動周期內(nèi)不進行磁化準備，在第3 個和第4 個心動周期內(nèi)分別施加40 ms 和80 ms 回波時間的T2預(yù)脈沖，后續(xù)12 個心動周期重復(fù)上述掃描模式[3]。由于cMRF 需要在短時間內(nèi)獲取盡可能多的組織信號演變數(shù)據(jù)，因而采用非均勻螺旋軌跡對k 空間數(shù)據(jù)進行稀疏采樣，這種采集方式具有較好的采樣效率且有利于后續(xù)模式匹配[9]。最后將全部數(shù)據(jù)擬合，從而獲得不同組織特有的信號演變過程即不同組織的“指紋”，后續(xù)用于指紋庫中進行模式匹配，獲取不同心肌組織的定量特征信息[2，10]。

1.2 字典生成“指紋字典”是cMRF 技術(shù)的核心組成部分，包括成像序列中影響不同組織信號演變的所有參數(shù)。利用Bloch 方程與計算機仿真技術(shù)模擬不同心肌組織所有可能的MRI 參數(shù)（如T1、T2等）與實際掃描參數(shù)組合下的信號演變曲線，進而形成字典。常規(guī)部位（如腦、骨骼肌、前列腺等）的字典只需要計算一次，就可以應(yīng)用于后續(xù)所有掃描。但在cMRF 中，由于受試者心率在掃描過程中可能會發(fā)生變化，因此一個采集窗結(jié)束和下一個采集窗首次射頻激發(fā)之間會有一個可變的時間間隔。此間隔在Bloch 方程中是根據(jù)不同脈沖的激發(fā)時間來進行計算的，也正因如此每次掃描都會生成一個新的字典，延長了cMRF 整體成像時間。通常，每次cMRF掃描得到的新字典需要使用MATLAB Mex 代碼生成，在一臺臺式電腦（Dell XPS 8500，3.40 GHz，Intel i7 Core，16 GB RAM）上計算平均需要12.1 s[8]。此外，字典的生成時間也受其他因素的影響。例如，用于計算信號演變曲線的T1和T2信號采集時間間隔決定了cMRF 字典的大?。蝗糇值鋬?nèi)數(shù)據(jù)量較大，字典的分辨率則較高，但會增加字典的生成時間[7]。

1.3 匹配 字典生成后，將采集的信號與字典詞條進行比較以找到最佳匹配。早期的cMRF 是采用簡單相關(guān)的算法來執(zhí)行匹配過程，通過計算所獲取的像素信號演變數(shù)據(jù)與字典所有詞條的相關(guān)性來選擇最佳匹配，將具有最高相關(guān)性的字典詞條選為最佳匹配，并索引到其對應(yīng)的量化生理參數(shù)，從而實現(xiàn)心肌組織的參數(shù)定量。近年，不斷有新的算法涌現(xiàn)，從整體上進一步減少了cMRF 的成像時間。例如，采用FISP 序列采集數(shù)據(jù)時，通過使用奇異值分解來壓縮MRF 字典的時間域可使匹配加速約40 倍[11-13]。

2 cMRF 成像技術(shù)的創(chuàng)新

2.1 3D自由呼吸cMRF 常規(guī)CMR 定量成像耗時較長，經(jīng)常出現(xiàn)由于病人屏氣不佳而導(dǎo)致影像質(zhì)量下降的情況，進而影響診斷的準確性，因此如何降低病人屏氣時間一直是臨床所關(guān)注的問題。Cruz等[14]提出了一種可在自由呼吸下進行全心心肌定量成像的呼吸運動補償三維（3D）cMRF 技術(shù)，在標準體模與10 名健康受試者中進行測試。其結(jié)果顯示，體模中使用3D cMRF 與常規(guī)CMR 定量成像測得的T1、T2值具有良好的一致性；而在健康受試者中，2 種技術(shù)測得的T1、T2值存在一定差異，即3D cMRF 所測T1值高于改良Look-Locker 反轉(zhuǎn)恢復(fù)（modified Look-Locker inversion recovery，MOLLI）序列所測T1值（平均偏差為38 ms），低于飽和恢復(fù)單次激發(fā)采集（saturation recovery single shot acquisition，SASHA）序列所測T1值（平均偏差為55 ms）；3D cMRF 所測T2值低于梯度-自旋回波（gradient and spin echo，GraSE）序列所測T2值（平均偏差為7.3 ms）。這種偏差在2D cMRF 的相關(guān)研究[8]中也有觀察到，考慮為一些成像過程中的混雜因素所致，如部分容積效應(yīng)、磁化傳遞效應(yīng)等[15-16]。相較于常規(guī)CMR 定量成像方式，3D cMRF 在自由呼吸的狀態(tài)下約7 min 即可完成全心的T1與T2定量成像，故有望解決因屏氣配合度較差而造成檢查失敗的問題。這對于臨床CMR快速定量成像與提高檢查成功率具有重要意義。

2.2 水脂分離cMRF FF 在診斷心肌肌纖維脂肪浸潤方面具有極高的敏感度，對心血管疾病的診斷與評估具有重要作用[17]。FF 定量成像中，水和脂肪的部分容積效應(yīng)是已知的誤差來源，因此完善現(xiàn)有CMR 定量成像技術(shù)以提高FF 定量成像的精確度至關(guān)重要。為此，Jaubert 等[17-18]提出了一種可從一次屏氣掃描中同時獲得心肌組織T1、T2和FF 定量信息的水脂分離CMR 指紋成像（Dixon cMRF）技術(shù)。在體模與健康受試者中進行測試發(fā)現(xiàn)，Dixon cMRF 所測得的T1、T2、FF 值與常規(guī)CMR 定量成像方式保持良好的一致性，且可潛在地減小因水-脂肪部分容積效應(yīng)引起的T1、T2與FF 的測量誤差，有助于提高心肌FF 定量成像的速度與精確度[19]。

2.3 化學(xué)交換cMRF ECV 可提供有關(guān)間質(zhì)擴張程度的重要病理信息，是診斷彌漫性心肌纖維化的重要指標[20]。常規(guī)CMR 定量成像需通過初始T1值和注入釓對比劑后的T1值計算得出ECV，因此釓對比劑禁忌者無法進行該項檢查[21]。Hamilton 等[20]提出了一種化學(xué)交換MRF（MRF with chemical exchange，MRF-X）技術(shù)，無需注入釓對比劑，通過Bloch-McConnell 方程 (將兩室交換模型合并到Bloch 方程中) 來測量每個細胞膜內(nèi)的T1值及ECV值。該研究使用MRF-X 技術(shù)對一組已知的細胞膜內(nèi)及細胞膜外T1信號演變進行模擬，結(jié)果表明雖然相對誤差仍然存在，但MRF-X 技術(shù)對ECV、細胞內(nèi)T1值和細胞外T1值表現(xiàn)出良好的敏感性，繼續(xù)進行序列優(yōu)化可提高參數(shù)擬合的準確性。目前，尚未有基于MRF-X 技術(shù)的CMR 臨床試驗，其臨床可行性亟待研究。由于該技術(shù)無需注入釓對比劑，其作為CMR 定量成像的潛在發(fā)展方向，尤其對釓對比劑禁忌的病人具有重要意義。

2.4 同步多層面cMRF 早期cMRF 單層覆蓋范圍有限，可能導(dǎo)致局灶性病變的遺漏，因此提高cMRF單次掃描層面覆蓋范圍對于病灶的檢出與檢查成功率的提高具有重要意義。Hamilton 等[22]提出了同步多層cMRF（simultaneous multislice cMRF，SMScMRF）技術(shù)，可在16 個心動周期的屏氣掃描期間同時測得心肌3 個層面的T1、T2和PD 值。在體模與10 名健康受試者中進行測試發(fā)現(xiàn)，SMS-cMRF 與早期cMRF 所測得的T1、T2和PD 值具有良好一致性，SMS-cMRF 還可同時在多個心臟層面上生成T1、T2和PD 定量參數(shù)影像，有助于提高層面覆蓋率并降低成像時間，具有良好的臨床應(yīng)用前景。

2.5 自由運行cMRF 常規(guī)CMR 定量成像依賴心電門控觸發(fā)掃描，易受病人心率及心率變異影響。Jaubert 等[23]開發(fā)了一種非心電門控觸發(fā)的自由運行cMRF 序列，依靠心電信號重建MRI 影像，可同時進行心肌T1和T2定量成像和心臟電影成像。在對體模和10 名健康受試者的研究中發(fā)現(xiàn)，自由運行cMRF 與常規(guī)CMR 成像所測得的心臟射血分數(shù)、T1及T2值具有良好的一致性。但基于自由運行cMRF所生成的電影影像分辨率較低，序列有待進一步優(yōu)化。初步研究表明，自由運行cMRF 可為臨床CMR成像提供整個心臟覆蓋范圍內(nèi)的定量參數(shù)信息和心功能信息，有助于簡化CMR 檢查的工作流程[23]。

3 小結(jié)與展望

cMRF 是具有極高臨床應(yīng)用價值與潛力的CMR 新技術(shù)。它可以在單次掃描中同時獲得心肌組織多參數(shù)定量信息。在受檢者與體模中的初步研究表明，cMRF 具有與常規(guī)CMR 定量成像相當?shù)某上褓|(zhì)量，有助于減少病人受檢時間、簡化掃描流程，且利于提高病人依從性。但cMRF 技術(shù)尚不完善，其層面覆蓋范圍、屏氣時間、部分容積效應(yīng)、字典生成時間、字典容量、匹配優(yōu)化、磁化傳遞效應(yīng)和成像混雜因素的校正等都有待改善。此外，仍需進一步深入探討cMRF 技術(shù)在心肌疾病的診斷與鑒別、心功能的測量、灌注異常與心臟移植病人的評估以及減少釓對比劑的使用等方面的應(yīng)用價值目前，cMRF 的臨床研究數(shù)量較少，需進一步臨床驗證以評估該技術(shù)的可重復(fù)性及其取代常規(guī)CMR 成像方式的能力。同時，將cMRF 與壓縮感知技術(shù)結(jié)合可進一步加快cMRF 的成像速度以及將其他CMR 相關(guān)序列（如磁敏感加權(quán)成像、擴散加權(quán)成像、灌注加權(quán)成像等）融入進cMRF 的成像框架都可能是未來CMR 成像的潛在發(fā)展方向。