心臟磁共振單次屏氣三維容積電影成像在心臟功能評價中的應用

尹剛， 陳秀玉， 崔辰， 范陽， 楊新令， 趙世華

心臟功能特別是左心室功能的評價是心臟疾病診斷與治療中的關鍵。相對于其他影像學檢查方法，心臟磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)能準確提供心臟結構和功能的多維信息，且其計算心臟容積不依賴于任何幾何模型的假設，被認為是評價心功能的金標準[1，2]。由于其無創、無輻射的優點，CMR在臨床上得到廣泛應用。配合心電門控的二維(2D)平衡式穩態自由進動(balanced steady-state free precession，bSSFP)序列采用超短TR和TE，較大翻轉角，一次屏氣采集一個心臟層面對應心動周期內不同時相的圖像(即動態電影)。該序列單次成像速度快，血池心肌對比強，已成為現今CMR評價心臟舒縮功能的常規序列[3，4]。然而，該序列需要患者配合多次屏氣以獲得從心尖到心底的多個2D切面電影圖像，總耗時較長，且每次屏氣狀態的不一致也增加了成像難度。最近，Jeong等[5]學者發明了一種快速的三維(3D)bSSFP單次屏氣全心臟容積成像序列，基于高并行采集加速因子的kat-ARC加速技術，配合bSSFP采集，能夠在一次屏氣時間內進行3D全心數據采集。本研究旨在探討3D bSSFP序列評估左心室功能的可行性和實用性。

材料與方法

1.研究對象

搜集2016年11月-2017年1月來我院進行CMR檢查的患者，納入標準：符合CMR檢查要求。排除標準：檢查時心律不齊，訓練時不能屏氣15s以上。最終納入本研究的患者20例，其中男10例，女10例；年齡26～70歲，平均(47±14)歲；冠心病3例，擴張型心肌病6例，肥厚型心肌病和肺動脈高壓各2例，縮窄性心包炎、心房占位、心肌炎、左室致密化不全、頻發室性早搏、偶發房性早搏及高血壓患者各1例。

2.檢查方法

所有患者均知情同意。采用3.0T MR掃描儀(通用電氣醫療集團，美國，Discovery MR 750)，最大梯度場強50 mT/m，最大梯度切換率200 mT/m/ms。采用8通道表面相控陣心臟專用線圈。患者仰臥位，從左前胸引出四根電極導線連接心電門控，呼氣末屏氣下掃描。先對患者行常規心臟MR檢查，其中包括多層面的2D bSSFP序列心臟電影成像，其掃描層面包括左心兩腔(Left 2 chamber heart，L2CH)、四腔心(4 chamber heart，4CH)、三腔心(3 chamber heart，3CH)、左室流出道(left ventricular outflow tract，LVOT)、右心兩腔(right 2 chamber heart，R2CH)和右室流出道(right ventricular outflow tract，RVOT)六個長軸切面及從二尖瓣口到心尖覆蓋整個左室的等間距相互平行的八個短軸(SA)切面。基本參數：FOV 320 mm×320 mm，圖像矩陣192×224，層厚8 mm，ZIP512重建像素大小0.63 mm×0.63 mm×8 mm，TR 3.3 ms，TE 1.7 ms，翻轉角50°，并行采集加速因子2，依據心率快慢設置分段填充K空間線數目14～18，時間分辨率46～60 ms，重建時相數25，采集帶寬125 Hz。隨后進行3D單次屏氣全心臟容積電影成像。3D bSSFP序列的掃描參數：FOV 380 mm×247 mm，矩陣192×125， 層厚4 mm，ZIP2重建像素大小1.5 mm×1.5 mm×2 mm，TR 3.2 ms，TE 1.3 ms，翻轉角50°，kat-ARC并行采集加速倍數8，依據心率快慢設置分段填充K空間線數目20～24，時間分辨率64～77 ms，重建時相數25，采集帶寬125 Hz。為了最大程度的減小磁敏感性偽影，每個序列掃描前都施加B0局部勻場。

3.圖像分析

數據重建和定量分析均采用CVI42(Circle Cardiovascular Imaging Inc.Calgary，Canada)醫學影像后處理軟件。三維數據按照二維圖像的方向和層厚重建出對應的六個長軸切面及從二尖瓣口到心尖覆蓋整個左室的零間隔相互平行的若干(8～12個)短軸切面。所有2D和3D序列數據都匿名處理并隨機順序分配，由兩名由經驗的影像醫師獨立進行定性定量評價。

由于并行采集造成圖像噪聲分布不均勻，采集時間差異巨大，本文不分析、比較2D與3D圖像的信號噪聲比。對每個患者各層面二維電影和重建后的三維電影進行圖像質量的總體評分，依據血池心肌對比度、偽影程度對診斷可靠性的影響劃分為4個等級：很差，無法用于診斷為1分；一般，血池心肌對比較差或偽影較重可能影響診斷為2分；良好，血池心肌對比較好、有偽影但不影響診斷為3分；優秀，血池心肌對比較好且無偽影為4分[6]。

4.心功能定量分析

運用CVI42軟件，用二維和重建后三維短軸層面圖像計算心功能參數。觀察確定基底部和心尖部層面，選擇舒張末期(ED)和收縮末期(ES)。手動描記心內膜和心外膜，依據辛普森法則(Simpson′s rule)[7]計算心室容積，得到左室的一系列形態和功能參數，包括舒張末容積(EDV)、收縮末容積(ESV)、每搏輸出量(SV)、射血分數(EF)、心排量(CO)和心指數(CI)。心內膜和心外膜間的容積與心肌密度(1.05g/cm2)相乘即轉化為心肌質量。CO與體表面積(BSA)相除即得到CI。

5.統計學分析

采用 SPSS 20.0統計學軟件進行統計學分析，檢驗水準α=0.05。所有定量參數(圖像質量評分，2D與3D心功能參數)的比較中，若配對差值呈正態性分布，用配對t檢驗；若呈非正態性分布，則用秩和檢驗(Wilcoxon)。心功能結果相關性分析中，若呈正態性分布，用Pearson相關分析；若呈非正態性分布，則用Spearman相關分析。

結 果

1.檢查時間及圖像總體質量

20例患者均成功完成2D和3D bSSFP電影成像。2D圖像的總成像時間為(488.8±27.0) s，其中包含勻場預掃描時間(10 s)、采集前后屏氣口令時間(10 s)、序列采集時間(8～12 s)、前后兩次屏氣患者休息停頓時間(5 s)。3D圖像的序列采集時間為(23.0±2.7) s。

20例患者的2D圖像質量評分[(3.55±0.60)分]和3D圖像質量評分[(2.90±0.31)分]具有統計學差異(Z=-3.357，P=0.001)。20例患者中，1例的2D圖像質量評分為2分，2例的3D圖像質量評分為2分，由于有可能影響診斷，故此3例不進行后續心功能定量分析。剩余17例患者的2D和3D圖像質量評分均≥3分，均滿足診斷需求(圖1～14)。

2.心功能定量分析

對17例患者進行心功能定量分析，2D和3D序列的心功能參數比較見表1，其中SV、EF、CO、CI在兩者間的差異均無統計學意義(P均>0.05)。2D和3D序列的心功能參數的相關性分析見表2，結果顯示2D和3D序列的6項心功能參數均高度相關(P均<0.01)。

表1 2D和3D序列的心功能參數比較

注：*由于正態性檢驗結果顯示配對差值呈非正態性分布，故采用秩和檢驗。

表2 2D和3D序列心功能定量結果的相關性分析

注：*由于正態性檢驗結果顯示呈非正態性分布，故采用Spearman相關分析。

討 論

本文以傳統2D bSSFP序列作參考，結果顯示單次屏氣3D bSSFP序列能夠準確評價左心室的EF、SV、CO和CI，且其所有容積測量結果均與2D序列所測結果具有良好的相關性。單次屏氣3D bSSFP序列可得到心臟全容積電影數據，相比傳統2D序列顯著降低了時間成本。

傳統2D bSSFP序列是目前CMR評價心功能的主要序列，其掃描時間相對較長，為保證足夠的時間空間分辨率，一般一次屏氣只能掃描一層，為了全方位、多角度地呈現心臟結構和功能，需要患者反復屏氣配合，進行多層面成像；同時，為滿足診斷需求，常規需要4～6個長軸位和8～10個短軸位。對于耐受能力差、不能反復屏氣配合的患者，臨床需要一種能在自由呼吸下掃描或能減少屏氣次數的成像模式。自由呼吸下掃描需要同步呼吸運動和心臟自身的周期運動，常采用呼吸門控或膈肌導航，這樣會增加成像難度和時間。

圖1～14 女，54歲，肺動脈高壓患者。1～7圖分別為2D bSSFP序列掃描所得L2CH、4CH、3CH、LVOT、R2CH、RVOT、SA層面舒張末期(a)和收縮末期(b)圖像；8～14圖分別為3D bSSFP序列對應層面和期相的圖像。2D成像需要患者配合7次屏氣，而3D成像只需1次屏氣，后續能任意方位重建。對于2D定位有難度的層面，各向同性的3D數據可以任意重建，如R2CH和RVOT層面，3D圖像呈現三尖瓣、右室流出道時的方向角度要優于對應的2D圖像。

單次屏氣3D bSSFP序列采集時間短(本研究中，全心覆蓋采集的最短時間18 s，平均23 s)，對于屏氣能力良好的患者，一次屏氣就能實現心臟全容積的電影成像，成像效率大大提高。

心臟處于人體中特定的軸向，導致傳統2D成像定位困難，這也是CMR檢查難以普及的原因之一，特別是某些細小結構，如主動脈冠狀竇口，隨著心臟自身周期運動不斷變換位置，2D定位時尤其困難。3D bSSFP序列容積成像定位簡單，取橫軸面，上下覆蓋整個心臟容積即可。另外，3D 成像得到的是各向同性的3D空間數據，后續可在工作站進行任意方位、任意層厚的無死角重建，顯示2D定位捕捉不到的結構[8-11]。相比于2D bSSFP序列，3D bSSFP序列無需擔心檢查過程中切面的遺漏。

本文20例患者的2D圖像總體質量優于3D，是由于單次屏氣3D bSSFP序列的固有原因造成的。首先，3D全心容積采集會降低血液的流入增強效應，在相對較短的TR下，血液信號更容易被飽和，從而降低血池和心肌的對比度；其次，由于需要加快速度進行單次屏氣全心采集，3D序列使用很高的并行采集加速因子，信噪比會有所降低。盡管如此，剔除3例由于屏氣配合不好的患者，余下17例患者的3D電影圖像均能滿足診斷要求。

心臟功能評價是心臟檢查的重要內容，諸多疾病的發生、進展及治療預后都與心臟功能的變化相關[1，12]。CMR能無創在體定量評價心臟功能，且較其他影像學方法更準確。本研究對比2D和3D bSSFP序列評價左心室收縮功能的定量結果顯示，3D bSSFP序列能準確評價左室EF、SV、CO和CI。由于3D掃描覆蓋整個心臟，Z軸方向空間分辨率高，連續無間隔，所以3D掃描理論上更有利于心臟容積的測量，這也有可能是3D序列測得的EDV和ESV結果和2D高度相關但較2D高的原因，深層次的原因需要更大的樣本量來支撐和驗證。

本研究存在的局限性：①當2D和3D序列比較結果存在差異時，缺乏金標準；②樣本量少；③未對右心功能及心臟的舒張功能進行比較；④3D序列一次屏氣時間太長(23 s左右)，部分患者不能耐受。在今后的研究工作中，可適當增加樣本量，并嘗試縮短成像或屏氣時間進一步探討3D bSSFP序列評估心臟功能的價值。

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