非對(duì)比增強(qiáng)冠狀動(dòng)脈磁共振血管成像的研究進(jìn)展

李玉鑫　曹美娜　姜珊　梁爽　梁龍　任卓君　李為民

【摘要】 非對(duì)比增強(qiáng)冠狀動(dòng)脈磁共振血管成像（non-contrast-enhanced coronary magnetic resonance angiography，NCE-CMRA）作為無創(chuàng)影像檢查方法之一，具有無電離輻射、無須對(duì)比劑的優(yōu)勢(shì)，在心血管疾病的篩查、診斷及隨訪中具有重要價(jià)值。近年來諸多NCE-CMRA新技術(shù)集中涌現(xiàn)，使其在掃描時(shí)間及成像質(zhì)量方面均取得了進(jìn)步，并在心血管疾病的研究中取得了新的進(jìn)展。本文主要對(duì)NCE-CMRA近年來的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】 磁共振成像 冠狀動(dòng)脈 磁共振血管成像 心血管疾病

隨著我國人口老齡化加劇及居民生活方式發(fā)生變化，心血管疾病的患病率及死亡率呈逐年增長趨勢(shì)，成為威脅人們身體健康的首要問題[1]。冠狀動(dòng)脈造影（CAG）是診斷冠狀動(dòng)脈管腔狹窄或擴(kuò)張的金標(biāo)準(zhǔn)，但其是一種侵入性的檢查方法，而且可能伴隨并發(fā)癥。冠狀動(dòng)脈CT血管成像（CCTA）對(duì)于冠脈血管管腔的評(píng)估與CAG相當(dāng)，且具有無創(chuàng)的優(yōu)勢(shì)，并能對(duì)斑塊的性質(zhì)進(jìn)行判斷，因此成為臨床診斷冠心病最為常用的檢查方法。然而CCTA仍具有輻射性，并且需要注射對(duì)比劑，這對(duì)于兒童、孕婦、碘對(duì)比劑過敏及腎功能不良的患者可能不是最佳選擇。非對(duì)比增強(qiáng)冠狀動(dòng)脈磁共振血管成像（NCE-CMRA）具有無創(chuàng)、無輻射及無須使用對(duì)比劑的特點(diǎn)，在特殊的患者群體中具有更為突出的應(yīng)用價(jià)值[2-3]，為冠狀動(dòng)脈疾病的早期篩查及隨訪復(fù)查提供了一種新的影像檢查手段。本文對(duì)近年來NCE-CMRA的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

1 NCE-CMRA檢查技術(shù)

目前常用的掃描序列是穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)（steady-state free precession，SSFP）序列及梯度回波（gradient echo，GRE）序列。SSFP序列在1.5T場(chǎng)強(qiáng)下可以較好地進(jìn)行全心的冠狀動(dòng)脈成像。與1.5T相比，3.0T NCE-CMRA檢查可以獲得更高的信噪比及圖像分辨率，但磁場(chǎng)的不均勻性也相對(duì)更高，而GRE序列對(duì)磁場(chǎng)不均勻性的敏感性低，在3.0T場(chǎng)強(qiáng)下比SSFP序列獲得的圖像質(zhì)量更好[2，4]。掃描中需要使用心電門控及呼吸門控抑制運(yùn)動(dòng)偽影，通過脂肪抑制提升冠脈與周圍脂肪的對(duì)比，并施加T2預(yù)準(zhǔn)備脈沖進(jìn)一步提高冠脈血液與心肌的對(duì)比[5]。然而掃描時(shí)間長、圖像質(zhì)量容易受到呼吸及心臟運(yùn)動(dòng)偽影干擾導(dǎo)致空間分辨率和信噪比低等因素限制了NCE-CMRA在臨床中的應(yīng)用。近年來，隨著各種掃描及成像技術(shù)的不斷創(chuàng)新與突破，NCE-CMRA正在克服這些困難與挑戰(zhàn)。

1.1 加速采集技術(shù)

目前常用的加速技術(shù)包括并行成像（parallel imaging，PI）技術(shù)和壓縮感知（compressed sensing，CS）技術(shù)。并行采集技術(shù)是通過在相位編碼方向上進(jìn)行相對(duì)規(guī)律的欠采樣和空間的敏感度信息的圖像重構(gòu)來提高M(jìn)RI成像速度的方法。使用并行采集時(shí)為了減少成像時(shí)間，只填充K空間的部分信息（減少相位編碼步級(jí)），K空間采集多少主要取決于并行采集的加速因子，然而加速因子增大會(huì)導(dǎo)致圖像的信噪比降低[6]。Zhang等[7]提出一種可變加速靈敏度編碼技術(shù)（variably-accelerated sensitivity encoding，vSENSE），它是利用非相干吸收和偽影抑制生成改進(jìn)的靈敏度圖提高加速因子，在提供了更高加速因子的同時(shí)保證了圖像較高的信噪比，進(jìn)一步擴(kuò)展了并行采集技術(shù)的應(yīng)用。

CS是目前最有應(yīng)用前景的加速采集方式。帶有稀疏采樣和迭代重建的CS技術(shù)能從相對(duì)較少的測(cè)量數(shù)據(jù)中重建信號(hào)和圖像，使NCE-CMRA可以在很大程度上縮短采集時(shí)間，并在3T下保持相對(duì)可接受的視覺效果[8]。有研究表明，CS可以在心肌延遲強(qiáng)化前完成全心CMRA成像，在保持圖像質(zhì)量的同時(shí)減少總體檢查時(shí)間，這可能提供了一種更快的心臟磁共振掃描方案，減輕患者負(fù)擔(dān)[8]。目前提出了一些將PI和CS兩種加速技術(shù)相結(jié)合的方法，通過在重建過程中采用分步重建的方式，以實(shí)現(xiàn)非相干欠采樣和并行成像欠采樣的相結(jié)合，在減少欠采樣偽影的同時(shí)提高了圖像信噪比，保留了更多的圖像細(xì)節(jié)。Lu等[9]的研究結(jié)果顯示CS技術(shù)在NCE-CMRA中的應(yīng)用使其對(duì)冠狀動(dòng)脈的細(xì)小分支顯示更佳。這種新的結(jié)合方法有可能成為NCE-CMRA加速采集技術(shù)的一種潮流。

1.2 心電門控技術(shù)

與冠狀動(dòng)脈CTA相同，通過使用前瞻性心電圖門控在心臟周期的靜止期（通常是舒張中期至晚期）獲取數(shù)據(jù)，可以將心臟的運(yùn)動(dòng)偽影降至最低。根據(jù)患者心率情況選擇特異性采集窗口，以提取冠狀動(dòng)脈相對(duì)靜止時(shí)期的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集之前，需利用平衡式超快速場(chǎng)回波心臟電影序列追蹤右冠狀動(dòng)脈的“靜止期”來確定最佳的觸發(fā)延遲及采集窗，根據(jù)患者的心率情況選擇在左心室舒張中末期（心率≤70次/min）或收縮末期（心率>70次/min）進(jìn)行采集[10]。對(duì)于存在心律失常、心率變異等隱患的患者，可以選擇在對(duì)其敏感度較低的收縮期進(jìn)行圖像采集，降低圖像偽影的影響。但是可能會(huì)由于靜止期較短（心率較快）而導(dǎo)致采集時(shí)間延長。

1.3 呼吸導(dǎo)航技術(shù)

呼吸運(yùn)動(dòng)校正對(duì)于CMRA成像具有重要作用。早期采用屏氣法來抑制呼吸運(yùn)動(dòng)偽影來提高圖像質(zhì)量，但由于患者難以長時(shí)間維持屏氣和膈頂漂移的影響，圖像質(zhì)量并不理想。因此，自由呼吸運(yùn)動(dòng)下的三維全心CMRA成為重點(diǎn)研究方向。

自由呼吸狀態(tài)膈肌導(dǎo)航是NCE-CMRA成像常用的方法之一，將導(dǎo)航條放置于右側(cè)膈肌膈頂對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行追蹤，通過在預(yù)先設(shè)定的采集框內(nèi)獲取數(shù)據(jù)?？稍谝淮纬上裰酗@示全心冠脈主干及分支，但其掃描時(shí)間較長，且與患者的呼吸方式相關(guān)[11]。王雪瑩等[12]在膈肌導(dǎo)航觸發(fā)掃描的基礎(chǔ)上聯(lián)合膈肌追蹤定位的方法，優(yōu)化了膈肌定位的準(zhǔn)確性，在縮短了整體成像時(shí)間的同時(shí)明顯提高了圖像質(zhì)量。然而，采集效率低且采集時(shí)間不可預(yù)知仍是其不足之處。

基于此提出的一維自導(dǎo)航技術(shù)（1D self-navigation）及圖像導(dǎo)航器技術(shù)（image-navigation，iNAV）克服了其中的一些不利因素[13-14]，兩者均可以實(shí)現(xiàn)100%的呼吸掃描效率。自導(dǎo)航可以減少掃描過程中不穩(wěn)定的呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影，并直接從獲得的NCE-CMRA數(shù)據(jù)中估計(jì)心臟的一維頭足和三維平移運(yùn)動(dòng)。但難以將運(yùn)動(dòng)的（如心臟）和靜態(tài)的（如胸壁）組織分開，視場(chǎng)中靜態(tài)組織產(chǎn)生的殘留運(yùn)動(dòng)偽影可能影響運(yùn)動(dòng)估計(jì)的準(zhǔn)確性，降低運(yùn)動(dòng)校正的性能，影響圖像質(zhì)量[15]。而使用iNAV進(jìn)行的平移呼吸運(yùn)動(dòng)校正，是在高分辨率NCE-MRA采集前獲得每次心臟跳動(dòng)時(shí)的二維/三維低空間分辨率圖像，從而將運(yùn)動(dòng)組織與靜態(tài)組織分開[16]。并且能在滿足100%的呼吸采集效率的同時(shí)獲得可預(yù)測(cè)和更短的采集時(shí)間[14]。Henningsson等[16]在一項(xiàng)研究中，驗(yàn)證了三維全心CMRA序列結(jié)合iNAV與一維導(dǎo)航儀相比掃描時(shí)間明顯縮短，且血管清晰度和視覺評(píng)分明顯提高。通過將iNAV技術(shù)和K空間欠采樣技術(shù)相結(jié)合，并加入壓縮感知和運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)的重建方式，可以極大地提高圖像的質(zhì)量，減少運(yùn)動(dòng)偽影[17]。

1.4 脂肪抑制技術(shù)

由于冠狀動(dòng)脈嵌入在心包脂肪中，如果脂肪抑制不理想，殘留的脂質(zhì)信號(hào)可能會(huì)妨礙冠狀動(dòng)脈血管的正確解剖可視化，因此NCE-CMRA需要有效的脂肪抑制，特別是在高磁場(chǎng)強(qiáng)度和場(chǎng)強(qiáng)不均勻性增加的區(qū)域[18]。目前NCE-CMRA抑脂技術(shù)主要采用T2預(yù)脈沖（T2-prep pulse）頻率選擇預(yù)飽和抑脂技術(shù)和水-脂肪分離（mDixon）技術(shù)。mDixon技術(shù)利用了水-脂肪共振頻率差引起的相位移動(dòng)生成只有水和脂肪的圖像，對(duì)降低胸壁殘留脂肪信號(hào)的運(yùn)動(dòng)偽影有幫助。Lu等[9]在基于58名冠心病患者的研究中表明，3.0T NCE-CMRA結(jié)合Dixon水脂分離技術(shù)與冠脈造影相比較具有高敏感性（96.4%）與陰性預(yù)測(cè)值（95.2%）。

除此之外，最近提出了一些新興的抑脂技術(shù)，如脂質(zhì)不敏感的二項(xiàng)式非共振射頻激勵(lì)法（lipid-insensitive binomial off-resonance excitation，LIBRE）和快速中斷穩(wěn)態(tài)（fast interrupted steady-state，F(xiàn)ISS）序列。LIBRE對(duì)磁場(chǎng)不均勻有著很強(qiáng)的適應(yīng)性，通過選擇性地抑制脂肪并激發(fā)水信號(hào)，無須預(yù)脈沖就能有效抑制脂肪。并且其具有廣泛的脂肪抑制帶寬，適用于全心三維容積掃描[19]。在評(píng)估不同的脂肪抑制技術(shù)下獲得的NCE-CMRA圖像中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用LIBRE得到的圖像在血管清晰度、可檢測(cè)的血管長度、圖像信噪比方面都有著較高的評(píng)分[18]。而且LIBRE可以在抑制胸壁殘留的脂肪信號(hào)的同時(shí)改善了對(duì)心臟血池的跟蹤，這種改進(jìn)的脂肪抑制可能有利于自由呼吸狀態(tài)下自導(dǎo)航的運(yùn)動(dòng)校正[18]。FISS同樣可以在有效抑制脂肪的同時(shí)獲得高信噪比（SNR）和血液-心肌對(duì)比度噪聲比（CNR），尤其對(duì)于心包脂肪具有很強(qiáng)的抑制作用，有利于提高嵌入心包脂肪的冠脈解剖結(jié)構(gòu)的可視化[20]。并且在1.5T和3.0T自由呼吸狀態(tài)下的全心非對(duì)比增強(qiáng)CMRA中，與無脂肪抑制時(shí)相比，掃描時(shí)間僅有小幅度增加[21]。

1.5 圖像重建技術(shù)

盡管自導(dǎo)航和iNAV框架提供100%的采集效率，但獲取一個(gè)完全采樣的高分辨率（≈1 mm的各向同性）全心三維冠狀動(dòng)脈磁共振血管成像可能仍需要30 min[22]。將圖像加速技術(shù)（欠采樣采集、平行成像、迭代非線性重建）與一維導(dǎo)航器（膈肌導(dǎo)航或自導(dǎo)航）相結(jié)合可以在臨床可行的采集時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率NCE-CMRA[23]。這種方法允許100%的呼吸掃描效率，與單獨(dú)的呼吸門控相比，采集時(shí)間大大縮短并且圖像質(zhì)量相當(dāng)。Bustin等[22]調(diào)整了一個(gè)高度欠采樣的基于補(bǔ)丁的心臟磁共振重建框架，提出了基于補(bǔ)丁的三維低秩（PROST）重建，實(shí)現(xiàn)了空間分辨率小于1 mm3的自由呼吸全心三維NCE-CMRA，采集效率100%，并且可預(yù)測(cè)采集時(shí)間小于10 min。在一個(gè)健康受試者的驗(yàn)證隊(duì)列中，圖像質(zhì)量與完全采樣采集相當(dāng)，與迭代SENSE和壓縮感知重建方法相比，圖像質(zhì)量有明顯改善。然而高度欠采樣的采集很容易受到混疊偽影的影響，使傳統(tǒng)的圖像加速方法的擴(kuò)展受到了限制。

Fuin等[24]提出了基于深度學(xué)習(xí)（deep learning，DL）的圖像重建來解決其中的一些缺陷。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以回顧性地識(shí)別先前重建的數(shù)據(jù)樣本，然后在幾秒鐘內(nèi)重建獲得圖像。雖然該方案解決了耗時(shí)的圖像重建過程，但它仍然依賴于前瞻性獲得的高空間分辨率CMRA圖像。最近提出一項(xiàng)基于深度學(xué)習(xí)的超級(jí)分辨率方案來克服這一缺點(diǎn)[25]。其中，低空間分辨率的圖像被前瞻性地獲取，通常具有低到中等的加速因子，從而大大縮短了掃描時(shí)間，同時(shí)采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在幾秒鐘內(nèi)重建使其具有更高的空間分辨率[26]。這些深度學(xué)習(xí)方案具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值，但仍需進(jìn)一步的臨床驗(yàn)證。

2 4D/5D全心成像

3D心臟磁共振（MRI）成像作為傳統(tǒng)2D圖像的替代品，簡(jiǎn)化了掃描計(jì)劃，提供了更全面的信息，允許對(duì)心血管系統(tǒng)進(jìn)行多方面的評(píng)估，同時(shí)也提高了信噪比和空間覆蓋率。但掃描時(shí)間較長，并且即使采用心臟和呼吸運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償策略減少了運(yùn)動(dòng)偽影，然而使用心電圖（ECG）相關(guān)的導(dǎo)聯(lián)安置、呼吸導(dǎo)航儀和一系列規(guī)劃使工作流程更為復(fù)雜化。

在過去十年中，各種4D心臟MRI成像技術(shù)被提出，允許對(duì)心臟的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償重建并且無須設(shè)置心電觸發(fā)延遲時(shí)間掃描[27]，然而呼吸運(yùn)動(dòng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。解決4D成像呼吸運(yùn)動(dòng)的策略主要分為兩種：第一種為使用呼吸門控，如自導(dǎo)航儀，其優(yōu)點(diǎn)為實(shí)施簡(jiǎn)單、性能強(qiáng)大。但該方法存在掃描效率降低的問題，因?yàn)橹挥性谔囟〞r(shí)間窗口（如呼氣結(jié)束）獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)被用于重建最終圖像[28]；第二種方案旨在提高掃描效率，通過使用圖像配準(zhǔn)算法對(duì)呼吸過程中的心臟運(yùn)動(dòng)假設(shè)建模（如平移、仿射或非剛性變換），然后將不同呼吸階段的圖像結(jié)合進(jìn)行校正。最近有人提出了一種不同的處理呼吸運(yùn)動(dòng)的方法，稱為外維黃金角徑向稀疏平行（extra-dimensional golden-angle radial sparse parallel，XD-GRASP）技術(shù)[29]。XD-GRASP不是對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行去除或校正，而是將獲得的數(shù)據(jù)分類為多個(gè)未采樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后重建出具有完整信息的多維圖像序列。這種方法保持了較高的掃描效率，并能獲得具有潛在臨床價(jià)值的額外生理學(xué)信息。XD-GRASP已經(jīng)成功應(yīng)用于全心CMRA[30]及心臟磁共振電影成像（cardiac cine MRI）[29]。

基于XD-GRASP應(yīng)用于4D全心成像的理念開發(fā)了一種5D全心稀疏磁共振框架。這個(gè)框架包括三個(gè)空間維度（x-y-z）和兩個(gè)不同的時(shí)間維度，分別代表心臟和呼吸運(yùn)動(dòng)維度[31]。5D成像方法結(jié)合了連續(xù)的三維黃金角度徑向采樣方案和多維壓縮感知技術(shù)，以高空間分辨率（1.15 mm各向異性）和時(shí)間分辨率（每個(gè)心動(dòng)期40～50 ms）重建分離心臟和呼吸運(yùn)動(dòng)維度，不需要在圖像采集和重建期間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正。允許在任意方向上評(píng)估心肌功能，并能在多個(gè)心動(dòng)周期實(shí)現(xiàn)高分辨率冠狀動(dòng)脈的可視化。這個(gè)成像框架有可能使心臟MRI工作流程簡(jiǎn)化，并提高檢查的利用率和效率[31]。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，非對(duì)比增強(qiáng)CMRA能夠在無創(chuàng)、無電離輻射且無須對(duì)比劑的條件下評(píng)估冠狀動(dòng)脈血管病變，然而掃描時(shí)間長、空間分辨率低、圖像質(zhì)量易受運(yùn)動(dòng)偽影影響仍是限制其廣泛應(yīng)用于臨床的主要因素。近年來隨著加速技術(shù)、運(yùn)動(dòng)校正、脂肪抑制、圖像重建及4D/5D全心成像的不斷發(fā)展與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了屏氣靶容積成像到自由呼吸全心冠脈成像，掃描時(shí)間更短且達(dá)到了100%呼吸采集效率，并通過結(jié)合深度學(xué)習(xí)使得重建后的圖像分辨率進(jìn)一步提升。同時(shí)聯(lián)合多參數(shù)心臟磁共振成像可以對(duì)冠狀動(dòng)脈疾病患者完成從血管病變到心臟結(jié)構(gòu)功能、心肌組織活性和血流的“一站式”影像評(píng)估，未來在心血管疾病的研究領(lǐng)域中一定會(huì)取得更為豐富的成果。

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