Cardiac MRI techniques: New challenges

Cardiac MRI techniques: New challenges

心脏磁共振成像(cardiac magnetic resonance imaging, CMR)具有多参数、多平面、多序列成像以及较高的软组织分辨率等优点，成为目前无创性评估心脏结构与功能的“金标准”。CMR心肌灌注、钆对比剂延迟对比增强(late gadolinium enhancement, LGE)及二维血流成像等技术也日臻成熟，对疾病诊断及预后评估具有重要价值。除此之外，近年来还呈现出一批极具临床应用前景的CMR新技术，如参数定量成像[T1、T2 mapping和细胞外间质容积分数(extracellular volume fraction, ECV)成像]、心脏DTI、4D FLOW、CMR特征追踪技术(CMR feature tracking, CMR-FT)及CMR与3D打印技术结合等，为心血管疾病的诊断和预后提供了崭新的视角。

1 细胞分子水平成像技术——从宏观到微观精准揭示疾病早期病理生理学变化

心脏T1、T2 mapping及DTI技术实现了对心肌组织T1、T2值以及水分子扩散运动的定量，在细胞及分子水平反应了心肌微观结构的改变，将心脏病学带入一个崭新的前沿领域[1]。

1.1 T1 mapping和ECV 心肌纤维化是各种心脏疾病共同的病理生理特征，是导致心脏结构功能及电生理异常的主要病理学基础。目前公认的LGE是无创性评估心肌局灶性纤维化(心肌瘢痕)的金标准，但除心肌瘢痕，在非缺血心肌病甚至瘢痕周边还存在不同程度的间质纤维化改变，而常规LGE无法检测这些弥散性纤维化时，新近发展的T1 mapping技术则弥补了这一空白[2]。

根据是否使用对比剂，T1 mapping可分为无对比剂(Native T1)与注射对比剂后T1 mapping(post-contrast T1 mapping)两种序列，其中后者旨在进一步获得ECV。

Native T1反映心肌细胞和细胞外间质的混合信号。细胞水肿(如急性心肌梗死、心肌炎)和细胞外间质容积增大(各种纤维化及淀粉样沉积)是Native T1升高的主要原因[3]；而脂肪(如Anderson-Fabry病，慢性心梗脂肪替代)和铁沉积(肺铁末沉积症、出血)则是导致Native T1降低的两大原因[4]。需要注意的是，由于Native T1值是细胞和细胞间质的混合信号，因此某些同时含有使Native T1升高和降低成分的心肌病变，可能出现T1值相互抵消的现象，如Anderson-Fabry病(可同时含细胞内脂肪沉积和间质纤维化改变)，此时需结合其他技术(如LGE、ECV等)综合鉴别[5]。

ECV是指细胞外间质容积占整个心肌容积的百分比，是基于T1 mapping技术运用特定公式获得的一种新指标。计算公式为：心肌ECV=(1-HCT)×(心肌ΔR1/血液ΔR1)；ΔR1=1/T1pre-1/T1post；T1pre及T1post分别指对比剂注射前后的T1值，HCT为当对比剂在血液和心肌细胞外间隙中浓度达到平衡时的血细胞比容。不同于Native T1，ECV只反映心肌间质病变。因此，任何引起细胞外间隙扩大的病变(如瘢痕、弥散性纤维化、淀粉样变性及心肌水肿等)均可导致ECV值增大，其中胶原纤维比例增加是ECV值增大的主要原因。研究[6-7]表明，在排除其他间质病变(如淀粉样变)后ECV可作为心肌纤维化最敏感的生物标志物，与组织病理学结果高度一致。

总之，Native T1无需注射钆对比剂，尤其适用于合并肾功能损伤或其他无法使用钆对比剂的患者。而ECV作为一个比值，校正了各种技术因素(如场强、对比剂注射剂量、延迟扫描时间、扫描参数等)对T1值的影响，是一个相对更加稳定的指标，且只与细胞外间质容积比例有关，因此理论上其评估心肌纤维化的准确性和特异性更高。

1.2T2 Mapping T2值增大主要与心肌水肿有关。心肌水肿是诸多心脏疾病的早期病生理改变，如急性心肌梗死、心肌炎、结节病及心脏移植免疫排斥反应等，及早诊断和明确水肿的范围及程度、鉴别可挽救心肌有助于临床决策[8]。目前临床常规采用T2加权黑血序列(T2 weighted short tau inversion recovery, T2-STIR)评估心肌水肿，该序列为半定量技术，必须参照正常心肌定义水肿心肌，当病变较弥漫或与正常心肌对比度不够，即可出现漏诊或低估。而T2 mapping可直接测量单位像素的T2值，有效避免了上述情况。

目前T2 mapping序列很多，其中以梯度自旋回波序列(gradient spin echo sequence, GraSE)成像最快最稳定，具有较高的可重复性[9]。研究[10]表明，T2 mapping识别活动性心肌炎的敏感度均高于其他常规序列，而以T2值>60 ms的敏感度最高。最新一项研究提示[11]依据17节段获得的节段T2值及其不均质程度比单纯依据整体T2值诊断急性心肌炎具有更高的优越性，可与“路易斯湖”标准相媲美；而进一步结合LGE，其诊断急性心肌炎的敏感度和特异度分别可达93%和83%，优于“路易斯湖”标准。

总之，T2 mapping技术在评估心肌水肿方面展现出巨大的优势与潜力，然而类似于T1 mapping，该技术同样面临T2值受场强、序列、心率甚至心肌节段等多种因素的影响，正常与病变心肌间尚缺乏统一的阈值，一定程度上阻碍了以上参数定量技术在临床的推广与应用。

1.3DTI DTI是基于水分子弥散运动的成像技术。心肌微观结构复杂而有序，水分子易沿心肌纤维束方向扩散，而在垂直于肌束的方向弥散受限，这种在不同方向上的弥散差异或称各向异性是心脏DTI的基本原理。该技术多采用双门控单次激发EPI序列，有两个重要参数——ADC和FA，分别代表某一体素内水分子的平均弥散程度及各向异性程度，两者均与心肌层板的完整性、致密性及平行性密切相关。此外，DTI还可以三维显示心肌纤维素的走行，评估螺旋角随心脏舒缩运动的变化[12]。

目前，人类在体心脏DTI逐渐被应用于肥厚型心肌病、心肌梗死及心肌纤维化评估等。有研究[13]认为ADC值可反映肥厚型心肌病心肌间质纤维化且无需对比剂，与Native T1和ECV有良好的一致性。此外，肥厚心肌收缩期肌纤维螺旋角显著增大，并持续到舒张期，导致舒张受限[14]。急性心肌梗死后梗死心肌ADC值显著增高、FA值显著降低，与心肌梗死面积及左心室射血分数明显相关，且梗死周边区ADC值也随时间延长而增高、FA值降低，并与周边区心肌代偿性增厚显著相关[15]。

DTI可从分子水平提示心脏疾病状态下心肌微观结构改变。但不同于神经系统，心脏DTI需在毫米级的相干运动背景下探测微米级的非相干运动，在技术上是一项巨大的挑战。因此，目前多数心脏DTI仍局限于离体心脏标本及其验证，而在体心脏DTI仍任重而道远。

2 4D FLOW技术——从平面到三维直观显示血流动力学变化

4D FLOW是一种无创的可对心腔及大血管血流进行定性和定量分析的新技术。与传统2D FLOW相比，4D FLOW同时对3个相互垂直的维度进行速度编码并获得三维相位对比电影，不仅可以三维直观显示心腔及大血管的血流特征，并经1次扫描即可获得扫描范围内任意位置血流的方向、速度、剪切力等血流动力学参数[16]。

2015年4D FLOW专家共[17]推荐的临床适应证包括瓣膜病(狭窄或反流)、心内分流或侧支(如房间隔缺损、室间隔缺损、动脉导管未闭等)、复杂先天性心脏病(如单心室、法洛四联症等)及主动脉病变(主动脉瘤、主动脉缩窄、主动脉夹层等)。4D FLOW技术既可提供包括流速、流量、反流分数、峰值流速等常规参数，还可提供剪切力、血流能量、脉冲流速、湍流动能等新的血流动力学参数，以上参数均可提示极细微血流异常及其湍流类型，有助于临床更早地发现和评估疾病进展过程中的血流动力学改变及其对管壁的影响，对疾病的诊断和预后随访有重要价值。最新一项研究[18]采用4D FLOW前瞻性入组了5例主动脉瓣二瓣化畸形(bicuspid aortic valve, BAV)而功能正常的患者，结果显示尽管主动脉根部及升主动脉内径及其流速等常规参数与正常对照者差异均无统计学意义，但BAV患者升主动脉壁剪切力的分布及峰值已明显改变，提示血流动力学改变早于结构重构，甚至有可能是其触发机制。

该项技术毫无疑问展现了巨大的临床应用前景，但也面临诸多问题，为此，2015年专家共识针对目前技术现状对4D FLOW扫描参数及后处理均做了详细推荐，旨在尽可能优化及规范化扫描程序及结果解读，加速实现该技术在未来的常规临床应用。

3 CMR-FT——从单纯舒缩到多方位应变实时多维显示心肌运动

CMR-FT是用于评价心肌应变的一种后处理技术，类似于超声的斑点追踪技术。不同于早期的CMR tagging技术，CMR-FT只需在常规SSFP序列图像上进行后处理，即可获得心肌形变信息，操作简便，应用前景广阔。与传统的射血分数相比，CMR-FT可从周向、径向及纵向评估整体和局部心肌应变，以及心肌扭转、非同步运动及舒张功能。此外，由于CMR-FT只需描记心内膜或心外膜，因此也可评估肌壁较薄的右心室和心房形变[19-20]。

目前，CMR-FT已被应用于各种心脏疾患，包括心肌缺血和心肌活性、心肌病、肺动脉高压以及先天性心脏病等，可测量的参数包括整体或局部周向、径向及纵向应力，及各应力随时间的变化曲线和应变率，有研究[21]提供了正常人群不同年龄及性别左心室整体应力的参考范围。上述参数以整体应力尤其是整体纵向应力的可重复性最高，与超声斑点追踪的一致性最好[22]。研究[23-24]表明，左心室整体纵向应力对缺血性心脏病及扩张型心肌病患者的远期预后及危险分层具有指导价值；CMR-FT评估右心室应力及非同步运动对诊断不典型致心律失常性右心室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy, ARVC)患者右心功能异常的价值优于常规电影序列[25]。

相比整体应力，局部应力对定量评估节段性室壁运动异常至关重要，然而目前局部应力研究结果的可重复性多不理想，迄今为止所有二维的局部应力评估(包括斑点追踪及tagging)的可重复性均有待商榷，未来三维追踪技术的开发有望突破这一瓶颈。

4 3D融合打印技术——从图像到实物直观显示心血管空间结构

3D打印技术是通过计算机控制，采用“分层制造，逐层叠加”的方式制成三维实体的工艺[26]。在医疗领域，3D打印技术最大的优势是能够辅助制定个体化手术治疗方式、提高手术精确度、降低手术风险和并发症。基于CMR图像的3D打印技术目前主要用于结构性心脏病及大血管疾病，术前打印3D心脏及大血管模型有助于临床直观了解病变的空间结构，提高手术成功率。

在我国心血管疾病的诊疗中，3D打印数据主要源于CT，超声及CMR数据用于3D建模相对较少，但三种影像学方法各有利弊[27]。CT图像对心脏外部尤其是大血管解剖结构显示最佳，但对于心室内瓣膜、房间隔及室间隔缺损边缘等结构显示不良，且往往需要应用增强后图像作为3D建模数据；超声图像对瓣膜显示最佳，但整体图像空间分辨率不足；MRI图像用于3D建模需要采集高分辨率容积数据，耗时长，对于婴幼儿患者往往需要镇静。基于不同成像方法优缺点，3D融合打印技术可结合2种成像方法的优势，获得更精确的3D产品模型。Kurup等[28]尝试将MRI图像与3D超声图像融合用于3D打印，并成功用于制定单心室-肺动脉闭锁术前计划。

目前3D打印在心血管领域的应用仍局限在结构展示和体外测试方面，其应用受到一定限制。3D融合打印技术是未来发展趋势，随着图像精度的提高、打印技术的改进以及生物材料的突破，3D融合打印有望实现真正意义的生物打印，为患者打印个性化植入设备及器官，为心血管疾病的诊疗带来革命性突破。

总之，CMR无创、无辐射，其多参数成像赋予其集结构、功能与组织学等“一站式”成像能力，是目前其他任何影像检查技术难以比拟的。然而，目前临床常见的CMR技术，主要停留在肉眼可分辨的结构、功能和组织学变化方面。新呈现的CMR新技术则能够揭示疾病的早期病理生理变化，将在疾病的早期诊断、预后判断和危险分层中发挥重要指导作用。

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赵世华(1962—)，男，安徽池州人，博士，主任医师。

2017-07-15

2017-07-20

迎接心脏磁共振成像新技术挑战

赵世华

(国家心血管病中心 北京协和医学院 中国医学科学院阜外医院磁共振影像中心，北京 100037)

R541; R445.2

A

1003-3289(2017)08-1125-04

研究方向：心血管病影像诊断。E-mail: cjr.zhaoshihua@vip.163.com

10.13929/j.1003-3289.201707120