心肌擴散加權成像研究進展

王子辰，吳崇文，吳連明

磁共振DWI在多臟器尤其是神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷中已得到廣泛應用，但由于心臟較特殊的生理特性，DWI在心臟中的應用仍處于起步階段，本文從實際應用角度對心肌病變的DWI研究進展進行綜述。

技術原理

在生理和病理條件下，水分子擴散運動會受到細胞膜結構等因素的影響，而與純水的擴散系數(shù)存在差異，這構成了DWI在醫(yī)學領域的應用基礎。DWI常通過雙極梯度序列完成，理想情況下，擴散系數(shù)(D)與DWI的信號強度(S)的關系遵循以下公式：S/S0=exp(-b×D)。其中S與S0分別為施加和不施加擴散梯度的信號強度，b為擴散敏感因子。實際操作中常采集多個不同b值的圖像來計算D，但由于在實際采集過程中信號強度會受到一些其它因素的影響，在計算結果中一般以表觀擴散系數(shù)(ADC)代替D。

近年來，還有一些新的技術在常規(guī)DWI的基礎上發(fā)展出來：①擴散張量成像，即檢測水分子在不同方向上擴散運動受限程度的差異，從而追蹤纖維走行、通過各向異性是否遭到破壞而檢測病變等；②體素內不相干運動(intravoxel incoherent motion,IVIM)，即利用低b值下毛細血管內血液流向不一致可導致DWI信號減低的特點，采集更多不同b值的圖像來擬合出一系列反映毛細血管容量和血流灌注情況的參數(shù)。

與其它器官相比，DWI應用于心臟存在一系列額外挑戰(zhàn)：①心臟處于時刻跳動中，因此運動干擾明顯；②心臟距離膈面與胸廓過近，呼吸運動在直接引起運動偽影的同時還可能引起不同b值圖像位置的不匹配、干擾ADC計算；③心臟局部與肺相鄰，水、氣的磁化率差異導致磁場均勻度較差，進而影響圖像質量、對當DWI中常采用的EPI序列的干擾尤其嚴重。

針對以上問題，心臟DWI需要進行一系列調整：采用EPI、并行采集和半傅里葉算法等手段來加快采集速度，甚至必要時在空間分辨率上做出一定犧牲，以確保能夠在一個心動周期內的心臟相對靜止期(一般為舒張末期)完成圖像采集，以減輕心臟搏動的干擾；為保證不同b值圖像上心臟位置的一致性，若采集時長較短選擇憋氣采集，若時長較長則采用膈肌導航技術于呼氣末采集圖像；使用單層動態(tài)勻場(integrated slice-specific dynamic shimming,iShim)等手段提高磁場均勻性。需要注意的是，即使采用了上述方法，心臟DWI仍有有可能會失敗，如李志偉等[1]報道在11例健康志愿者中有3例由于心肌信號丟失嚴重而無法進行測量。而在實際臨床工作中，患者受自身基礎疾病影響、配合可能會更差。因此，提高圖像質量、縮短成像時間仍是當前DWI研究的重要方向。

DWI在診斷缺血性心臟病中的應用

1.心肌灌注的評估

臨床上常采用再灌注療法治療急性心肌梗死，但是部分患者因毛細血管損傷、微血栓等因素仍然存在微循環(huán)灌注不良，這類患者預后相對較差。因此，使用心臟MRI評估缺血心肌微循環(huán)灌注情況對于預后評估具有重要意義。有研究人員嘗試利用DWI技術來反映組織內血流灌注情況。Ling等[2]通過一系列較低b值DWI圖像擬合出ADC并與MIBI核素顯像結果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者間具有較好的一致性，從而驗證了利用擴散信息來檢測血流灌注情況的可行性。An等[3]嘗試通過IVIM檢測急性心肌梗死患者的局部心肌灌注異常，觀察到病變節(jié)段心肌的f、ADCfast和ADCslow值均低于遠側心肌及對照組，并證實了病變區(qū)域同時存在毛細血管容積減低(由f值反映)和血液流速減低(由ADCfast反映)，提示IVIM模型用于鑒別急性心肌梗死與心梗樣心肌炎的潛力。后續(xù)研究進一步討論了梗死后30天內IVIM各參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)梗死區(qū)f、ADCfast和ADCslow的最小值均出現(xiàn)在梗死后第3天，其后測量值有所回升，但仍顯著小于遠側心肌及對照組[4]。而有意思的是，在陳舊性心肌梗死灶中ADCslow及f值依然較低，但ADCfast值反而高于正常對照[5]，其機制仍有待于進一步研究。

2.水腫的檢出

目前常用T2WI檢測急性心肌梗死后的心肌水腫，并在采集過程中使用反轉恢復序列等技術來抑制血液信號，以避免其對心內膜下病灶產生干擾。但T2WI的敏感性較低，同時當心內膜下血液流速較慢時常出現(xiàn)血液信號抑制失敗，使內膜下呈高信號，而可能與水腫的心肌相混淆。而DWI的TE較長，圖像帶有T2權重，同時在低b值下血液信號衰減較心肌明顯，從而可抑制心內膜下血液信號，因此有不少研究人員嘗試使用DWI來檢測心肌水腫。早在2007年有研究者在一例急性心梗患者中對比了DWI與T2WI質量，結果顯示DWI的對比噪聲比更高[6]。之后，Deux等[7]對12例心梗患者的研究結果顯示，DWI抑制血池信號的得分高于STIR-T2WI(3.9±0.3 vs. 3.0±0.7)，且心肌高信號區(qū)的顯示率更高(100% vs. 67%)。Kociemba等[8]對91例心梗患者的研究中獲得了類似的結果：與T2WI相比，DWI具有更高的敏感度和陰性預測值(83.1% vs. 60.6%；60.0% vs. 39.1%)，在下壁梗死灶中兩者的差別尤為明顯(敏感度：85% vs. 46%)；且血液信號抑制效果更好(100% vs. 70%)，運動偽影發(fā)生率更低(3% vs. 24%)，顯示的水腫區(qū)與延遲增強圖像上梗死區(qū)域大小的相關性更高(r：0.61 vs. 0.39；P<0.001)。Jin等[9]采用經(jīng)皮冠狀動脈介入術誘導建立急性心肌梗死動物模型，對比DWI與T2WI，發(fā)現(xiàn)在梗死后4h以內DWI檢出水腫的敏感度更高，對比噪聲比和相對信號指數(shù)更大，且對血液信號的抑制能力更強(評分：3.29±0.76 vs. 2.14±0.9；P=0.047)，驗證了DWI對梗死后心肌水腫的早期檢測能力。

3.梗死心肌的檢測

目前常采用釓劑延遲增強掃描(late gadolinium enhancement,LGE)來檢測心肌梗死區(qū)域，但系統(tǒng)性腎源性纖維化這一不良反應的存在限制了其在腎功能不全患者中的應用。Pop等[10]在以豬為樣本的實驗結果表明，在心肌梗死后6周心肌纖維化程度與ADC值呈高度正相關，ADC圖上梗死區(qū)域的面積與組織學結果間具有良好的一致性，且不亞于LGE。Nguyen等[11]的動物實驗結果顯示，梗死后8周LGE顯示信號升高的心肌梗死區(qū)域有較高的ADC值，兩者的一致性較好，尤其是在識別透壁性梗死節(jié)段上兩者的診斷一致率達100%。Moulin等[12]對34例急性心肌梗死患者的DWI(b=0和200ms/mm2)研究結果同樣顯示，心肌梗死區(qū)域的ADC值較正常區(qū)域明顯上升。但Laissy等[13]發(fā)現(xiàn)急性期心肌梗死灶的ADC值明顯降低，與上述研究結果完全相反，筆者推測可能與該研究中采用了相對更高b值(b值為250～500 ms/mm2，以50 ms/mm2為間隔)DWI來計算ADC值有關。該研究中同時發(fā)現(xiàn)亞急性期ADC較急性期變化不大，慢性期ADC上升但仍顯著低于正常及遠側心肌，這樣的變化導致通過ADC值檢測梗死區(qū)域的敏感度隨時間的推移急劇下降，急性期、亞急性期和慢性期分別為97%、86%和39%，因此通過ADC值來判定梗死區(qū)時還應注意時間上的適用范圍。

DWI在診斷非缺血性心臟病中的應用

1.肥厚性心肌病

肥厚性心肌病通常為彌漫性病變，通過LGE檢測心肌纖維化的敏感性不高。因此一般采用細胞外容積(extracellular volume，ECV)來檢測心肌纖維化。有研究中采用Pearson相關性分析結果顯示肥厚性心肌病患者的ADC與ECV高度相關(R2=0.72)，2個參數(shù)圖檢出的心肌纖維化區(qū)域具有高度一致性(Kappa=0.66)[14]。其它研究中亦顯示出ADC與ECV的相關性較好(R2分別為0.65與0.36)[15-16]。Wu等[15]據(jù)此嘗試將ADC應用于肥厚性心肌病的診斷，其結果顯示ADC值鑒別肥厚性心肌病與正常對照的AUC為0.93，與ECV(0.94)相近。而隨后開展的另一項實驗中利用IVIM模型進行了進一步探索，發(fā)現(xiàn)ECV增大的心肌節(jié)段中，實際擴散系數(shù)D值增大，而偽擴散系數(shù)D*與f值降低，且各參數(shù)均與ECV具有較好的相關性，表明IVIM模型能夠較好的反映纖維化所致的一系列病理生理改變(如灌注減低等)[17]。除此以外，還有研究者發(fā)現(xiàn)ADC值與心肌損傷標志物cTnI和左心室收縮功能之間具有相關性[15,18]，但這項研究中并沒有探討其關聯(lián)性是否獨立于ECV。

2.急性心肌炎

與急性心肌梗死后心肌水腫的檢測類似，Potet等[19]嘗試通過低b值DWI代替T2WI來檢測急性心肌炎患者心肌水腫情況，結果顯示兩組圖像上血液信號的抑制程度差異不大(3.9±0.3 vs. 3.4±0.8，P=0.09)。心肌炎組中DWI上全部心肌的相對信號強度(心肌信號強度/骨骼肌信號強度)顯著高于正常對照組(2.2±0.4 vs. 1.1±0.4)，當采用1.9作為閾值時，對心肌炎患者檢出的敏感度、特異度和診斷符合率分別為0.85、1.00和0.90，而采用STIR-T2WI時上述指標值分別為0.15、1.00和0.45。因此，低b值DWI可檢出心肌水腫并據(jù)此診斷急性心肌炎。也有研究者嘗試采用IVIM成像來鑒別心肌炎與急性心肌梗死，結果顯示：心肌炎組的ADCslow、ADCfast和f值均較對照組降低，但顯著高于心肌梗死組[3]。

3.心衰

有研究者對原發(fā)性擴張型心肌病所致終末期心衰患者的離體心肌樣本進行了DTI檢查并與健康志愿者進行比較，結果顯示心衰患者心肌的各向異性分數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)下降22%，平均擴散速率(mean diffusivity,MD)升高，擴散矩陣的3個本征值中D1變化不大，D2和D3有所升高，且隨心肌膠原蛋白含量的升高FA值減低而MD、D2和D3值升高，從而初步驗證DTI檢測彌漫性心肌纖維化的可行性[20]。值得注意的是，該研究僅在離體樣本上進行DTI掃描，且心肌水腫、心肌纖維束混亂以及高齡患者中可能存在的心室重構會影響DTI參數(shù)的測量值，而這些因素在該研究中并未被控制，因此其適用性仍有待進一步驗證。

4.先天性心臟病

先天性心臟病常常伴有心肌微結構的改變。Tous等[21]對多種不同類型的先天性心臟病離體標本進行掃描，初步證明了DTI技術檢測心肌微結構的可行性。研究中認為DTI獲得的第一本征向量表示心肌纖維走向，其與短軸平面的夾角稱為螺旋角(helix angle)，螺旋角在心肌內外膜之間的變化率稱為螺旋角梯度。在大動脈轉位患者的標本中，有室間隔缺損標本的每1%室壁厚度范圍內室間隔螺旋角梯度變化與無室間隔缺損標本間有顯著差異(-0.94°/% vs. -1.28°/%，P=0.001)。這表明室間隔缺損的存在使更多的心肌纖維沿心肌環(huán)方向而非心臟長軸方向排列，因此可能會影響心臟在長軸方向上的收縮；這一結果與既往形態(tài)學分析結果一致，且該方法可進行定量分析，進一步拓寬了其應用潛力。

技術進展

1.T2W和ADC同時成像

Aliotta等[22]對常規(guī)SE-DWI序列進行了改進，在多次采集中使用不同的TE，從而使DWI在生成ADCmap時還能夠生成T2map。該序列的優(yōu)勢：在不增加DWI采集時間的前提下可額外得到T2map；采集高b值圖像時可使用較短的TE，從而提高了圖像的信噪比。除此以外，該序列還采用了二階運動校正以減輕心臟運動的干擾，并使用了膈肌導航技術使圖像采集過程中無需患者憋氣，使其可以應用于無法配合呼吸的患者。在體模試驗中顯示該序列獲得的ADC值與常規(guī)DWI相當，獲得的T2值較常用的T2準備脈沖-穩(wěn)態(tài)自由進動方法更接近金標準，并在一例急性心肌梗死患者中成功檢測到梗死心肌的ADC和T2值較遠側心肌升高。

2.DTI檢測心肌纖維束走向的算法改進

DTI應用于檢測在體心肌纖維束走向時會受到運動以及不同圖像間位置不匹配的干擾。Nagler等[23]開發(fā)了一種稱為極大似然纖維估計(maximum likehood fiber estimator,MLFE)的算法，可通過DWI圖像灰度值計算心肌纖維束的自由度和擴散張量模型。通過與現(xiàn)有的張量曲線插值(curvilinear tensor-interpolation，CLTI)方法進行比較，發(fā)現(xiàn)無論在合成數(shù)據(jù)或是通過離體心臟采集的真實DTI圖像中，MLFE對纖維走行的重建均更準確，且受運動及位置不匹配等因素的干擾更小，尤其是CLTI常在心底和心尖方向出現(xiàn)較嚴重的纖維走行方向的計算錯誤，而MLEF的計算仍較準確。因此，這一算法有應用于在體心肌DTI的潛力。

3.梯度波形改進

目前的研究初步顯示了DWI在各種心肌病變中的應用價值，但樣本量都不大，且偶有研究結果相沖突的情況。期待能有更多高質量研究對這些研究進行驗證，并進一步拓展心肌DWI的臨床應用領域。