心血管磁共振彌散張量成像及彌散頻譜成像研究進展

楊文靜，趙世華，陸敏杰

心血管磁共振(cardiovascular magnetic resonance,CMR)多參數、多平面、多序列成像特點可實現“一站式”檢查，不僅以無創、無輻射等優勢發展成為心血管結構和功能評價的金標準，各種新穎成像技術更是發展迅速，如T1 mapping和心肌應變成像。彌散成像技術雖然在靜止組織的體部磁共振已成熟應用，但在心血管領域因其相對較高的技術難度尚未常規成熟開展，尤以彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)及彌散頻譜成像(diffusion spectrum magnetic resonance imaging,DSI)為甚。近年來，隨著磁共振軟硬件技術的不斷發展，DTI及DSI相關研究報道也逐漸增多。如不需要對比劑增強的DTI在心肌急性損傷中具有重要作用，可以評估心肌組織微觀結構的完整性和心肌細胞層面的改變，反映心肌細胞腫脹和壞死，瘢痕生成和彌漫性纖維化等。另外DTI還可通過量化水分子彌散的各向異性顯示心肌纖維的走向，如心肌排列紊亂，為心血管疾病的診斷和預后提供更多的信息。而更為高級的DSI可以充分的解決體素內彌散異質性的問題，顯示復雜的心肌纖維結構，對心肌組織結構的病理改變精準成像。

1 成像技術

相對于僅在三個正交方向上應用DWI，DTI是DWI的發展和深化，用彌散加權圖像的信息決定彌散張量，彌散張量是具有大小和方向的3D矢量的數學擴展。在此成像方式中，可將彌散張量形象地視為一個橢圓球體，通過重復沿至少六個方向施加的彌散敏感梯度序列，為每個圖像體素計算橢圓形彌散張量。該橢圓形張量可對每個體素內水分子彌散的各向異性進行評價，即組織不均勻性彌散特征[1]。水分子在平行于組織結構的主要方向上具有最大彌散率，在存在磁場梯度的情況下導致信號衰減。因此，利用在多個不同的彌散編碼梯度方向上與彌散相關的信號衰減構建彌散張量，可較DWI更為準確地顯示心肌纖維的微觀結構變化。

DTI從離體組織到體內成像，經組織學驗證可以無創性觀察在體心肌微觀結構，心肌的微觀結構與心室功能改變密切相關[2]。正常左室心肌纖維成螺旋狀排列，從心尖到基底部心外膜下心肌纖維以左手螺旋排列，在中層心肌纖維逐漸過渡為周向排列，再到心內膜下心肌纖維排列為右手螺旋。DTI提示心肌細胞的螺旋排列在心室收縮時驅動心肌旋轉和扭轉，維持正常的心室功能。心肌細胞聚集形成二級微觀結構，稱為“sheetlets”。每個肌層約有4個心肌細胞厚度，被膠原性剪切層包圍并相互連接，從而在心臟收縮的動態運動過程中允許相鄰肌層之間的剪切。這種心肌層結構從舒張期更多平行于局部心外膜壁切平面到收縮期重新定向為更傾向于垂直該切面，此動態變化是室壁增厚過程不可或缺的部分[3]。螺旋角(helix angle，HA)來描述心肌細胞的螺旋排列，相對于中層心肌周向排列，HA從心內膜下到心外膜下由正變負，并通過次要特征向量角(E2 angle,E2A)表示心動周期中肌層走向的動態變化[2-4]。DTI測量參數詳細介紹見表1。b值對測量張量參數有很大的影響，在低b值下，彌散加權圖像和參考圖像之間的信號強度差異很小，并且兩個圖像中的噪聲都對測量的信號損耗有很大影響。在高b值下，彌散加權的信號強度可以接近背景噪聲水平，人為地降低了平均彌散率和各向異性[1]。Andrew等[5]研究中顯示平均彌散率(mean diffusivity,MD)、各向異性分數(fractional anisotropy,FA)和HA等彌散參數的測量依賴于彌散權重。當b值較小時，信號衰減主要受體內不相干運動如微血管灌注的影響。只要彌散加權信號可以充分地與背景噪聲區別開，增加主彌散加權圖像b值可以改善MD、FA和HA maps。

表1 心血管磁共振彌散成像主要測量參數Tab.1 Main parameters of cardiovascular magnetic resonance diffusion imaging

DTI在心肌纖維沿單軸排列的區域可以很好地描述纖維的取向，但在病理情況下，體素內可能存在纖維束斷裂、交叉、彎曲或者纏繞等情況，DTI不能同時顯示多個彌散最大值，無法分析單個體素中的多個纖維走向。每個圖像體素都包含數百萬個心肌細胞和心肌層，這些不是統一排列的，并且存在不同走向甚至反向走向的心肌。此時，由于受到彌散梯度方向、數目和自由度的限制，DTI不能顯示錯綜復雜的纖維走向，因此只能反映總體平均值。幸運的是，不基于模型假設的DSI有效地彌補了這方面的不足，Wedeen等[6]引入概率密度函數來描述體素內水分子復雜的彌散行為，即彌散運動完整的空間分布。常規的彌散成像采樣信息空間加入了新的空間采樣維度q-space。q-space記錄彌散梯度的信息，對自旋位移的空間進行采樣，每個采樣點對應一個方向和強度特異的彌散梯度，DSI成像需至少200個彌散梯度方向[7]。DSI技術首先構造了充分描述體素內水分子的彌散運動所需的概率密度函數，其次通過不同方向和強度的彌散梯度采樣填充q-space，從而將q-space的數據信息做傅里葉變換重建彌散概率函數，提取彌散特征揭示出生物組織的微觀結構[6,7]。在體內和離體樣本中，如大腦和離體的舌肌結構，該成像技術可以充分地解決體素內彌散異質性的問題，顯示復雜的纖維結構，并且在每個位置彌散頻譜的取向最大值和纖維取向密度之間是相對應的[6]。DSI同時采樣k和q空間，以充足的角度分辨率精確辨別出局部復雜交錯的纖維走行，得到了真正意義上的六維彌散影像[7]。

2 臨床應用

2.1 DTI

隨著技術進步和脈沖序列的改善，無論在正常人還是心臟疾病患者中，DTI體內測量體現出很好的重復性[8,9]。越來越多的研究進行心臟疾病患者的體內DTI，通過DTI在心肌梗死、非缺血性心肌病、先天性心肌病等中均可測量心肌走向和肌層結構功能，并對心肌微觀結構的病理改變有更深的認識，各種心血管疾病的DTI參數變化詳見表2。DTI的纖維束示蹤成像技術可清楚地觀察心肌纖維束的走形、方向和完整性。研究表明正常人左室心外膜下肌纖維在收縮末期相對于舒張末期更傾斜，收縮末期MD和FA降低，可能是收縮期心肌細胞增厚和細胞外空間受壓所致，提示心臟肌纖維的結構是動態變化的，與心腔的幾何結構和收縮功能相關[10]。另一項研究中使用一種新穎的觸發延遲探查序列，在三個不同的心臟階段獲取高平面分辨率的心臟DTI，探測心肌細胞的活動性。在健康的志愿者中，聚集的心肌細胞在收縮過程中會更縱向地重新定向，而肌層在室壁增厚時會徑向傾斜[11]。

表2 心血管疾病中各彌散參數異常變化Tab.2 Abnormal changes of diffusion parameters in cardiovascular diseases

2.1.1 心肌梗死

心肌梗死(myocardial infarction,MI)后左室重構中心肌纖維走向和結構發生改變，從而引起左室功能障礙。在動物和人的研究中已經發現梗死區域的MD升高，FA降低。組織學驗證該變化與心肌細胞腫脹和壞死，細胞外基質擴張以及組織性程度較低的膠原纖維生成相關[3,12,13]。除此以外通過DTI發現心肌梗死后心肌螺旋排列結構發生變化，梗死區域以右手螺旋成分減低為主，肌纖維的重新分布以及心肌重構與心功能改變之間密切相關，可能為臨床預后提供重要信息。

Wu等[13]對急性心肌梗死后26天的患者進行DTI，發現心肌微結構完整性改變。HA測量得出心外膜下左手螺旋肌纖維比例從遠端[(13.3±5.8)%]到相鄰區域[(19.2±9.7)%]再到梗死區域[(25.8±18.4)%]逐漸增加(ANOVA，P=0.004)。相應的右手螺旋成分比例依次減少，與心內膜對缺血的敏感性相關。梗死區的左手螺旋心肌細胞的增加和遠端右手螺旋心肌細胞的增加都是心肌梗死后適應性心肌重構反應。另外一項研究通過對羊進行纖維示蹤成像也發現心肌梗死遠端心肌纖維向右旋轉，HA正向變化，在心外膜下最為顯著[14]。多元線性回歸分析提示心肌梗死區左手螺旋肌纖維比例與梗死面積大小顯著相關，是射血分數的預測指標(P＜0.001)，肌纖維的重新分布與心功能改變密切相關[13]，通過DTI我們進一步認識了心肌梗死后心肌重構的結構和功能之間的相關作用。Das等[15]發現在急性ST段抬高型心肌梗死患者中，與遠端心肌相比，急性梗死心肌的FA、E2A和心內膜下右手螺旋心肌(myocytes with right-handed orientation，RHM)比例均顯著降低。RHM降低的節段中伴隨E2A降低，這表明心內膜下心肌細胞結構的破壞會影響肌層在收縮期重新定向的能力。急性梗死心肌的FA、E2A和RHM與血運重建后3個月時左室射血分數相關(分別為r=0.68，r=0.59和r=0.53)，FA可獨立預測左室射血分數恢復情況,若FA較低則左室射血分數恢復情況更差(標準β=0.56，P=0.008)。這些發現有助于闡明急性心肌梗死的微結構效應，并可能為危險分層提供新的生物標志物。

Pashakhanloo等[12]研究中對慢性MI的豬模型進行離體DTI和釓對比劑延遲強化(late gadolinium enhancement，LGE)成像，在微米級的高分辨率下，對慢性梗死心肌微觀結構變化進行描述。該研究結果顯示MD升高，FA降低，可識別心肌梗死。此外，梗死室壁心肌的主要特征向量的平均方向遵循原始纖維方向的模式：在心外膜下心肌纖維左手螺旋排列到心內膜下的右手螺旋排列。但HA的跨壁梯度與瘢痕的透壁程度相關，并且與室壁厚度呈負相關。且梗死室壁中心外膜左手螺旋本征向量的比例和角度不連貫均顯著增加。在這項研究中獲得的梗死后重構的信息對研究結構與心電功能之間的聯系有重大意義，從而可能改善心肌梗死后的治療和預后。

Mekkaoui等[16]研究中提出一個新的心肌纖維結構的參數—纖維束傳播角度(tractographic propagation angle，PA)。PA值是沿著主特征向量場內的肌纖維軌跡計算得到，為相對于給定纖維軌跡的2個相鄰主特征向量之間的夾角。因此，PA是一種度量肌纖維曲率(度/單位距離)的指標。PA＞4可以區分正常心肌和梗死心肌，勾畫心肌瘢痕區域并準確測量梗死面積，與LGE存在很強的相關性(r=0.95)，并且與心內膜電壓呈負相關。通過直接測量肌纖維的結構和連貫性，PA有望為室性心律失常提供有效的見解，評估其風險并為臨床治療提供幫助。

2.1.2 心肌病

通過DTI可描述肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)和擴張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)患者心肌微結構的異常，對HA、FA和MD等參數重復準確測量。在DTI中顯示HCM患者室間隔中MD最高、FA最低，與HCM組織病理性改變主要發生在室間隔相關[9]，并發現FA可能為心肌紊亂的體內標志物，預測發生室性心律失常的風險。在DCM中也發現MD升高，FA降低，FA與正常對照相比具有顯著差異[17]。

HCM會發生致死性心律失常，其標志性特征是心肌紊亂，僅基于臨床特征評估發生心律失常的風險缺乏敏感性和特異性。Ariga等[18]研究中評估了舒張期FA作為HCM的非侵入性生物標志物，該研究結果表明HCM的FA中壁環被局部FA降低破壞。FA降低的區域與LGE和細胞外體積分數(extracellular volume fraction，ECV)升高的區域相匹配，提示纖維化導致FA降低。針對LGE和ECV進行校正的FA仍然降低，排除纖維化的影響后，FA降低與心肌紊亂有關。多模式磁共振成像證實了心肌纖維化和心肌紊亂對FA降低的共同作用。此外，HCM室壁肥厚部位的FA局灶性降低與室性心律失常顯著相關，FA降低0.05使HCM的心律失常幾率增加2.5(95%CI:1.2 to 5.3；P=0.015)，舒張性FA可能是HCM心肌紊亂的第一個體內標志物，并且是潛在的獨立危險因素。

相關研究顯示在HCM和DCM患者的心動周期中，E2A均出現動態變化異常，在HCM中提示舒張期心肌松弛受損，而在DCM中收縮期肌纖維聚集體的重新定向減少，可從心肌微觀結構層面對病情進行評估以及預測復發風險。Ferreira等[19]在HCM中觀察到預期的HA跨壁分布，從左手螺旋通過周向到右手螺旋排列向內過渡。同樣通過E2A證實了正常人中心肌層的透壁微觀結構以及心動周期中的取向改變。HCM的心臟收縮期E2A高于正常人(63.9°vs.56.4°，P=0.026)，而舒張期E2A顯著升高(46.8°vs.24.0°，P＜0.001)。尤其是在心肌肥厚區域，即使在舒張期E2A仍保持高的收縮期樣成角，并且與室壁厚度相關，而與LGE的出現無關，提示收縮構象在舒張期持續存在，舒張期的心肌細胞應力升高及心肌松弛受損。以上所提出的病理生理改變與分子基因模型研究一致，有助于HCM治療手段的發展與評估。在另外一項研究中HCM和運動員的E2A值明顯高于正常對照組，但HCM患者在最厚的部位表現出偏心性E2A升高，而運動員在心肌最厚部位和遠端心肌的E2A沒有顯著差異[20]。

Nielles-Vallespin等[2]研究中也發現HCM在舒張期E2A顯著高于對照組，E2A的移動性減低。另外在DCM中E2A的移動性也顯著降低，主要是由于收縮期E2A保持較低的舒張期樣成角，肌層不能很好的旋轉至收縮期構象。von Deuster等[17]對DCM患者進行DTI，同樣發現肌纖維聚集體更偏向于縱向取向，且心肌收縮期間肌纖維聚集體的重新定向減少。另外發現相對于對照組，DCM的HA跨壁斜率在舒張期和收縮期的改變沒有顯著差異。但在舒張期HA斜率傾斜程度比對照組更大[(-1.02±0.53)°/% depth vs.(-0.78±0.22)°/%depth]。研究結果還證明左心室形狀的變化不能完全解釋DCM患者與對照組之間HA斜率的差異，HA斜率更陡峭與心肌扭轉功能降低相關，加深我們對DCM患者結構與功能之間作用的認識。Khalique等[21]對12名經治療恢復的DCM進行研究，與DCM患者和對照組對比觀察心肌微觀結構的恢復情況。結果顯示心肌細胞螺旋結構和舒張期E2A在三組之間沒有差異。而收縮期E2A在DCM恢復患者中顯著高于DCM組，且低于正常對照組。E2A移動性也高于DCM組(P＜0.0001)，低于對照組(P=0.001)。DCM經過治療后射血分數和左室大小都恢復到正常范圍，但是心肌微觀結構持續存在異常，心肌層運動受損。DTI有助于評估DCM恢復情況并預測DCM復發風險，提供射血分數以外左室動力學恢復的測量指標。

2.1.3 其他

心肌淀粉樣變(cardiac amyloidosis，CA)是由錯誤折疊的蛋白在心肌中沉積所造成的，其對心肌的微觀結構所造成的影響是未知的。LGE和ECV已被證實可以對其進行很好的評估，但在CA患者中由于腎功能嚴重降低，對比劑使其臨床應用受到限制。CMR-DTI可以在不使用對比劑的情況下對心肌微結構改變進行評估，發現CA患者肌纖維更多地呈周向排列，并通過E2A提示心肌舒張松弛功能受損與淀粉樣蛋白浸潤有關。

Gotschy等[22]研究中使用彌散加權的二階運動補償自旋回波序列對CA患者和對照者進行了測量。在CA患者中，MD顯著升高，FA顯著減低，提示CA患者中彌漫性心肌紊亂。并且MD和FA均與原始T1有極好的相關性(r=0.908，P＜0.001；r=-0.715，P＜0.001)，與ECV也顯著相關。先前一項大樣本研究中已經證實了原始T1診斷CA的準確性，并提出了陽性和陰性預測值[23]，該研究結果進一步證實了MD和FA的診斷價值。另外在心肌微觀結構水平上描述了肌纖維取向的特征，發現跨壁HA斜率與總體縱向應變密切相關(r=0.921，P＜0.001)。HA斜率降低與總體縱向應變之間的強相關性，表明淀粉樣變性患者的更多周向肌纖維取向可能是其縱向功能喪失的微觀結構決定因素[22]。

在Khalique等[24]研究中同樣對CA患者進行了DTI，并且通過MD和FA可以有效地鑒別CA和肥厚型心肌病。與對照組相比，CA中的舒張期E2A顯著更高[(45±11)°和(25±9)°，P＜0.001)]，提示淀粉樣蛋白浸潤抑制正常的舒張松弛功能。在CA亞型分析中表明，在轉甲狀腺素蛋白淀粉樣變中肌層舒張功能障礙與細胞外體積有關。這表明在CA中可能是不同的機制導致收縮力受損，轉甲狀腺素蛋白淀粉變性中淀粉樣蛋白負荷對其功能改變有影響，而輕鏈淀粉樣變性可能存在其他特異機制。因此，DT-CMR提供了一種無對比劑的成像方法，可通過無創性微觀結構評估來識別病理生理變化，優化診斷。

在不同的先天性心臟病中，DTI的定量測量所表示的心臟微觀結構改變特征有所不同。這些心臟結構差異可能會進一步啟發我們對這些先天性心臟病功能的了解。Tous等[25]利用DTI對法洛四聯癥(tetralogy of Fallot,TOF)，大動脈右旋轉位(dextro-transposition of great arteries,D-TGA)，大動脈左旋轉位(levo-TGA，L-TGA)，完全性內臟反位(situs inversus totalis,SIT)等先天性心臟病的標本中心肌細胞的組織結構進行測量。與D-TGA無室間隔缺損(ventricle septal defect,VSD)相比，TOF和D-TGA伴VSD的HA跨壁梯度降低，并且在室間隔中保持對稱。同樣在右室壁中，VSD也與HA跨壁梯度降低有關，表明周向心肌占主導。另外單室系統性右心室具有最低的HA跨壁梯度和最高的HA非對稱性。在L-TGA伴VSD中，HA是非對稱性的，并且跨壁梯度在室間隔，前壁和側壁都降低。在不同的先天性心臟病中，不同微觀結構可以解釋CHD中不同的解剖和功能改變。Campanale等[26]對系統性右心室衰竭患者的移植心臟進行研究，系統性右心室明顯肥大，心內膜層約占壁厚的2/3，由肥大且相互交錯的小梁組成。通過DTI還發現盡管心外膜下致密層為近似正常的平行且接近周向的肌纖維，而肌小梁層由彼此呈較大角度延伸的纖維束組成，螺旋角分布無規則較散亂，室壁中占比較大的心肌紊亂很可能導致功能障礙。另外FA和MD提示心肌結構完整性喪失，心肌水腫和心肌纖維化，是心室功能障礙和心律失常的重要標志物。該研究通過微觀心肌組織異常為系統性右心室衰竭提供新的見解。

DTI技術進展相關研究也不斷涌現，Gorodezky等[27]采用分段可變密度螺旋STEAM序列可實現高分辨率DTI，在不同心臟階段均產生了與標準分辨率序列相似的DTI結果。在運動引起的相位校正，非共振校正和T2*校正之后，數據質量和清晰度均得到提高。另外在人工智能方面，經過訓練的卷積神經網絡U-Net成功地實現了DTI后處理的自動化，支持實時結果并減少了工作量。彌散圖像的圖像配準通過U-Net分割得到改善，全自動方法所測量的張量參數與有經驗的醫師具有良好一致性[28]。

2.2 DSI

DSI在神經科學領域臨床研究方面取得了巨大的成果，在心血管疾病的應用還有不少挑戰，相關研究報道較少，目前集中于離體心臟成像。DSI可對心肌螺旋結構進行更精準地成像，在梗死心肌中發現不同走向的肌纖維在同一平面直接相交，并且在HCM心臟模型中發現HA透壁過渡模式被破壞。因此，通過DSI可對心肌梗死和HCM的復雜微觀結構改變有更深入的認識。

Sosnovik等[29]研究中應用DSI對離體小鼠心臟進行纖維跟蹤成像，在每個體素內分解多個心肌亞群，第一次在心肌中生成準確的3D纖維追蹤示意圖。在正常心臟中，心肌中層的肌纖維圍繞左心室的長軸沿圓周排列，心內膜下纖維具有正HA，而心外膜下纖維具有負HA。HA從心內膜到心外膜平滑地過渡，在給定的透壁平面上螺旋角幾乎沒有分散，交叉對稱的螺旋結構中正交的肌纖維被中間過渡的肌纖維分開。Lohezic等[30]研究中對離體小鼠心臟處于不同狀態時分別進行DSI，同樣確定從心內膜下到心外膜下的螺旋結構改變，并且發現這種主要分布在舒張和收縮狀態下均得以保留。另外還發現心尖部有多個走向心肌纖維局部交叉，凸顯了DSI在重建局部具有復雜細胞排列區域的優勢。

在梗死的心肌中，雖然可以通過體素內HA和FA的平均水平推測心肌纖維結構的改變，但不能對病變肌纖維進行高分辨3D解剖成像。Sosnovik等[29]對梗死心肌進行DSI研究，發現梗死心肌肌纖維螺旋排列結構消失，梗死心肌邊緣排列不規則，殘留心肌從梗死區域延伸到邊緣，具有高度分散HA的肌纖維束組織形成單個復合層，DSI纖維追蹤圖所示與梗死心臟相應組織學切片之間發現高度相關性。在梗死區域，向基底前壁延伸的縱向肌纖維和向室間隔延伸的橫向肌纖維彼此在同一平面直接相交，形成肌纖維交叉點。梗死心肌中正交肌纖維的網狀結構可能抵抗機械重構，但也可能增加致命的折返性心律失常的風險，對受損心肌的機械重構和電生理改變提供新的見解。

Wang等[31]研究中敲除小鼠MyBP-C基因建立HCM模型，對離體心臟進行DSI成像，研究結果發現HCM心臟模型中表現出明顯的心肌結構紊亂，其主要特征是中層和內膜下心肌纖維方向相干性喪失，典型的HA透壁過渡模式被破壞。該研究證實了DSI在確定心肌病中心肌組織結構紊亂的用途，并提示肌絲蛋白異常表達、心肌纖維排列和心臟扭轉功能之間存在的生物學聯系。

DSI從研究到臨床還有很多問題需要解決，但隨著MR成像硬件和技術的改進是可行的。如通過縮短心肌縱向弛豫時間縮短掃描時間，對DSI算法進行調整，通過遠遠低于515個彌散編碼梯度達到足夠的空間和角度分辨率，采用32和128通道進行高度加速的并行采集等[7,29]。射頻技術，多元素陣列，導航儀和并行采集方案的進步也將促進更高級的q空間采集方案的臨床轉化[32]。

3 小結

近年來，多種CMR新技術如雨后春筍般集中涌現，而包括DTI及DSI在內的CMR彌散成像是其中最具挑戰的技術之一。但其非對比劑增強、面向心肌纖維微觀結構的天然優勢又使之具有巨大的臨床發展空間。DTI及DSI將進一步豐富CMR心血管疾病一站式檢查的內涵，為更早、更準、更全面地評估心血管解剖結構和功能異常帶來希望。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突