血氧水平依賴磁共振成像技術在心血管疾病中的應用進展

師軻，楊志剛，郭應坤，李媛*

血氧水平依賴磁共振成像技術(blood oxygen level dependent magnetic resonance，BOLD-MR)是一種通過檢測組織中脫氧血紅蛋白水平高低來反映局部血氧代謝情況的功能MR 成像技術。20 世紀30 年代，Pauling 在研究血紅蛋白結構時發現脫氧血紅蛋白每個血紅素亞基包含4個不成對電子，并首次描述這種結構在磁場中具有順磁性，可縮短橫向弛豫時間，即BOLD效應，該發現為后來BOLD-MR的臨床應用奠定了理論基礎[1]。最初BOLD-MR 主要用于評價腦缺血性疾病如腦卒中，之后也用于顱內腫瘤、精神疾病及代謝性疾病等相關研究[2-6]。BOLD-MR 可在不依賴對比劑的情況下無創地評價腦組織氧代謝活動，它在解釋氧代謝相關病理生理過程中顯示出較大的發展前景。近年來，該技術在心血管疾病中的應用日益增多，本文就近年來BOLD-MR在心血管疾病的應用進行綜述。

1 成像原理

心臟BOLD-MR 的掃描方案為靜息態聯合負荷態(往往通過血管擴張藥物實現)掃描，并以兩種狀態下氧合水平信號變化率(Δsignal intensity，ΔSI)分析局部心肌血氧代謝情況。其基本原理主要基于冠狀動脈血流儲備的生理特點：正常心肌氧合水平與冠狀動脈血流之間保持動態平衡，冠狀動脈在一定范圍內通過調節自身血流來滿足心肌氧代謝需求，負荷態正常心肌冠狀動脈血流增加，氧合血紅蛋白水平增高，故ΔSI 增高；而缺血心肌冠狀動脈調節功能受損，冠狀動脈在靜息態已動用血流儲備以滿足心肌氧代謝，負荷態由于微循環功能障礙，冠狀動脈不能進一步擴張導致血流量不能相應增加，加之心肌氧消耗量增加，最終導致脫氧血紅蛋白水平增高，故ΔSI降低。

2 臨床應用

2.1 冠狀動脈粥樣硬化性心臟病

BOLD-MR 在冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(coronary atherosclerotic heart disease，CAD)中的相關研究最多也最為深入，早期研究顯示BOLD-MR 在識別心肌缺血以及評價心肌氧代謝方面有較大優勢[7-10]。近年來，研究人員利用BOLD-MR 進一步闡述了心肌缺血與缺氧之間的關系。Karamitsos 等[11]通過比較PET-CT 心肌血流和BOLD 心肌氧代謝發現，正常心肌、遠處心肌及缺血心肌血流與ΔSI 均逐漸降低，但二者的一致性和相關性較低(κ=0.50，r=0.37)，具體而言，PET-CT 顯示的心肌血流降低的節段中有40%其ΔSI 并未降低，即缺血心肌未必缺氧。因此，Karamitsos 等[11]推測PET-CT 提示缺血的節段仍然保持正常的氧合水平信號說明BOLD技術才能真實反映心肌血氧代謝狀態。有關CAD缺血心肌氧代謝與血流的“分離”現象，研究人員推測可能是缺血心肌微循環血流減少后，心肌細胞適應性主動下調耗氧量到最低限度以維持基本供應，此時可維持心肌微循環中氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的穩定水平，故心肌氧合水平信號可無明顯變化，故BOLD 技術是評價心肌缺氧更客觀的影像學手段。

冠狀動脈血流儲備分數(fractional flow reserve，FFR)是評價冠狀動脈狹窄和心肌缺血嚴重程度的功能學指標。Walcher 等[13]研究顯示FFR 與相應供血區心肌節段SI 呈正相關，若以FFR=0.8 作為冠狀動脈狹窄的分組依據，狹窄組心肌節段SI低于無狹窄組，SI識別冠狀動脈狹窄有較高的靈敏度。Luu 等[14]觀察發現缺血心肌(FFR＜0.8)ΔSI 降低，而ΔSI＞0%的心肌FFR 高于ΔSI≤0%的心肌；此外，若以ΔSI=0%為參考，得到缺血心肌FFR=0.54，因此FFR=0.8或許高估了缺血心肌的范圍，而FFR=0.54或許能更準確地識別缺血心肌。

2.2 急性心肌梗死

急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是心血管疾病致死的首要原因。Chen等[15]對AMI患者進行連續多次MR 掃描，結果顯示梗死心肌SI 低于遠處心肌，其中伴有出血的梗死心肌由于受鐵沉積的影響SI 降低最顯著。更重要的是，研究發現發病初期梗死心肌周圍可挽救心肌SI 高于遠處心肌，隨著病程推移，前者SI 逐漸恢復至正常水平，該結果可能反映了發病過程中炎細胞浸潤的程度，這為進一步研究AMI心室重構提供了新的途徑。

2.3 肥厚型心肌病

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)是以基因型和表型異質性為特征的、有遺傳傾向的原發性心肌病，是青少年人群心源性猝死的主要原因之一[16]。Karamitsos 等[17]研究顯示，HCM 突變基因攜帶者心肌灌注接近正常水平，但HCM 突變基因攜帶者ΔSI 低于正常對照者和運動員[(10.4±2.0)% vs (18.9±1.4)% vs (18.7±2.0)%；P＜0.05]，提示HCM 突變基因攜帶者心肌氧代謝出現異常，而這種異常在HCM 患者中表現尤為突出[(10.4±2.0)% vs(6.9±1.4)%]。隨著心肌厚度的增加，HCM 突變基因攜帶者ΔSI 與心肌灌注均逐漸降低，但前者出現異常早于后者。研究人員認為HCM 突變基因攜帶者盡管尚無心肌肥厚的表現，但心肌收縮能耗增加，加之微血管密度相對降低，負荷狀態微循環儲備功能不能進一步提高，從而導致SI 降低，故心肌氧代謝受損或可作為HCM 預后的獨立預測因素。有研究以HCM最常見的基因突變類型MYBPC-3為研究對象，發現MYBPC-3突變基因患者及攜帶者心肌ΔSI低于正常對照組[(-5±3)% vs(2±4)% vs (15±4)%；P＜0.05]；另外，HCM患者早期心肌運動表現為舒張功能障礙，但該研究并未發現SI與左心室舒張功能的相關性，故研究人員推測肥厚心肌氧代謝異常可能早于舒張功能障礙，BOLD-MR 或許可作為早期診斷HCM 代謝異常的手段[18]。此外，最近一項研究提示HCM 心肌纖維化可能與心肌缺氧有一定聯系，在該研究中，多數乏氧的心肌節段native T1≥1290 ms，ECV≥28%[19]。

2.4 擴張型心肌病

擴張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)是以單側或雙側心腔擴大，心肌收縮功能減退為主要表現[16]。Dass等[20]研究顯示負荷態DCM 患者較正常對照組心肌灌注減低，但ΔSI 與后者相比無明顯差異[(17±3)% vs (20±2)%；P＜0.05]，其原因在于DCM 心肌細胞密度減低，微血管數量減少，因此微循環功能障礙對心肌氧代謝的影響作用減弱。此外，該研究還發現吸氧后患者血氧濃度升高并不能顯著改善心肌PCr/ATP，故認為缺氧在DCM 病理生理過程并非關鍵性因素，針對DCM的治療應著眼于心肌功能和代謝。

2.5 高血壓心臟病

Chen 等[21]的研究顯示靜息態肥厚心肌與非肥厚心肌較正常對照組氧合水平信號(T2*)降低[(23.78±3.09) ms vs(28.64±4.23) ms vs (30.77±2.71) ms；P＜0.05]。這可能是由于肥厚心肌代償性收縮力增強使得耗氧量增加，加之肥厚心肌微血管相對密度降低，故靜息態T2*降低；非肥厚心肌雖未表現出形態學異常，但心肌耗氧量仍然有所增加，故T2*也降低。

2.6 心衰

Nagao 等[22]比較了吸入純氧后和常規室內氧濃度環境下心衰(heart failure，HF)患者心肌氧合水平信號(T2*)，結果顯示兩種不同氧濃度環境下ΔT2*與心肺運動實驗峰值耗氧量(Peak VO2)和氧脈沖(O2Pulse)均有一定相關性，BOLD-MR檢查過程更簡便、更安全，可作為傳統心肺運動實驗的替代方案輔助診斷HF。此外，在上述兩種不同氧濃度環境下，HF 患者T2*差 異 較 大[T2*-oxy：(29.9±7.3) ms vs T2*-air：(26.7±6.0) ms；P＜0.05]，對此，研究人員推測HF 患者由于心肌細胞數量減少以及間質纖維化，心肌微血管密度相對增加，吸入純氧后，血中氧合血紅蛋白增加，但存活的心肌由于能量代謝障礙，無法攝取更多的氧，心肌微環境脫氧血紅蛋白并未顯著增加，因此T2*反而增高。

2.7 心瓣膜病

主動脈瓣狹窄(aortic valve stenosis，AS)是最常見的心瓣膜病，主要由風濕性心臟病、老年退行性改變或先天結構異常所致。Mahmod 等[23]發現AS 患者ΔSI、圓周應力、磷酸肌酸/ATP 比值均不同程度降低。AS 患者SI 與PCr/ATP 比值正相關(r=0.47)，與圓周應力負相關(r=-0.51)，表明肥厚心肌運動功能受損的同時，伴有氧代謝和能量代謝障礙。在接受主動脈瓣置換后8 個月，這些患者ΔSI 較前增高[(5.1±8.9)% vs (15.6±7.0)%；P＜0.05]，表明AS 解除后心肌后負荷得以緩解、微循環狀態改善，故心肌氧合水平增高。由此可見，BOLD-MR可為AS患者手術效果提供評價依據。

2.8 糖尿病心肌病

糖尿病心肌病是指有明確糖尿病史的同時伴發心臟結構或功能異常，并排除缺血性心肌病等可引起心肌病變的原發心臟疾病[24]。Levelt等[25]納入了病程約7年且血糖控制良好的糖尿病患者，通過與正常對照者的對比研究發現，盡管糖尿病患者病情控制良好，負荷態ΔSI 仍然降低[(17.1±7.2)% vs(7.3±7.8)%；P＞0.05]，PCr/ATP 比值下降，二者之間呈正相關(r=0.32)，表明糖尿病患者氧代謝與能量代謝同時出現異常，這與前述DCM的表現不同，故以BOLD技術為代表的MR技術不僅有利于發現亞臨床階段心肌代謝的異常，更有利于闡明不同病理生理狀態下心肌代謝的差異。

2.9 心臟X綜合征

心臟X 綜合征(cardiac syndrome X，CSX)是一類少見的心臟病，患者通常表現有類似心絞痛的臨床癥狀，但冠狀動脈造影未見明顯狹窄，其發病可能與心肌微循環功能障礙有關[26]。Karamitsos 等[27]的研究顯示患者與正常對照組相比心肌SI 并無明顯差異。由于CSX 的確切發病機制仍不清楚，CSX是否會引起心肌缺血以及氧代謝異常尚需進一步明確。

2.10 慢性腎功能衰竭

慢性腎功能衰竭(chronic renal failure，CRF)由于腎單位進行性破壞導致機體內環境紊亂，代謝廢物、毒物潴留加之腎臟內分泌功能障礙，心肌亦不同程度受到損害。Parnham等[28]研究發現CRF 患者BOLD-SI 較健康對照者降低，BOLD-SI降低與腎小球濾過率高低有顯著相關性(β=0.16，P＜0.001)。另一項研究對CRF 患者的隨訪結果顯示，負荷態BOLD-MR 心肌氧代謝信號降低的患者預后較差(HR=3.09，P=0.05)[29]。

3 應用前景

BOLD-MR 使用血管擴張藥物(雙嘧達莫或腺苷等)可能引起受檢者頭痛、眩暈、顏面潮紅、胸痛等表現，嚴重時可誘發惡性心律失常甚至心源性猝死[30]。

BOLD 信號主要受冠狀動脈微循環血流量、血氧飽和度和組織攝氧程度等因素決定。血管擴張藥物主要使微循環血流量增加以改變氧合水平信號。CO2作為機體的內源性代謝產物，在冠狀動脈血循環中起著重要的作用：生理狀態血中CO2增多時，冠狀動脈將反射性擴張以維持心肌血供與養分，保障心肌收縮的正常功能。Guensch 等[31]研究發現，屏氣一定時間心肌SI 與血中PCO2呈正相關，而與PO2無相關性。若屏氣前配合快速通氣，則可顯著縮短屏氣時間，其原因在于人體在快速呼吸時處于過度換氣狀態，血中CO2降低導致冠狀動脈相對收縮，脫氧血紅蛋白增加導致SI 降低，此時屏氣冠狀動脈血氧水平上升會更加顯著。Guensch 等[32]的研究中受試者先過度通氣60 s，隨后再屏氣15 s后即可獲得與負荷態接近的效果[ΔSI：(7.6±5.7)% vs (3.9±6.5)%；P＞0.05]，從而提高了該檢查的可耐受性。

目前屏氣后BOLD-MR 已在缺血性心肌病中得到初步應用。Fischer 等[33]的試驗表明，若屏氣前過度通氣再行BOLD-MR 掃描，缺血心肌ΔSI 較正常心肌更為顯著，并與FFR呈正相關。最近的研究顯示，過度通氣時正常心肌SI 變化明顯高于缺血心肌[(-9.6±6.8)% vs (-3.1±6.5)%；P＜0.05]，提示缺血心肌耗氧量減少；而屏氣時正常心肌SI 變化同樣高于缺血心肌[(11.3±6.1)% vs (2.1±4.4)%；P＜0.05]，得到與負荷態掃描類似的BOLD 信號表現[34]。Yang等[35]利用計算機后處理技術融合圖像有助于減少圖像噪聲，進而捕捉到心肌氧代謝信號的細微變化。由此可見，基于屏氣掃描的BOLD-MR 氧代謝評價在將來有望應用于更多心血管疾病。

綜上所述，BOLD-MR 是一種無創的心肌氧代謝評價手段，其最大的優勢在于不依賴外源性對比劑。與傳統的MR 技術相比，BOLD-MR 有利于早期發現心肌代謝異常，以進一步解釋心血管疾病的病理生理改變，從而為臨床診斷治療提供更多依據。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。