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(yīng)用，但由于心臟較特殊的生理特性，DWI在心臟中的應(yīng)用仍處于起步階段，本文從實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)心肌病變的DWI研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

技術(shù)原理

在生理和病理?xiàng)l件下，水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)會(huì)受到細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)等因素的影響，而與純水的擴(kuò)散系數(shù)存在差異，這構(gòu)成了DWI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。DWI常通過雙極梯度序列完成，理想情況下，擴(kuò)散系數(shù)(D)與DWI的信號(hào)強(qiáng)度(S)的關(guān)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(kuò)散梯度的信號(hào)強(qiáng)度，b為擴(kuò)散敏感因子。實(shí)際操作中常采集多個(gè)不同b值的圖像來計(jì)算D，但由于在實(shí)際采集過程中信號(hào)強(qiáng)度會(huì)受到一些其它因素的影響，在計(jì)算結(jié)果中一般以表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)代替D。

近年來，還有一些新的技術(shù)在常規(guī)DWI的基礎(chǔ)上發(fā)展出來：①擴(kuò)散張量成像，即檢測(cè)水分子在不同方向上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(cè)病變等；②體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion,IVIM)，即利用低b值下毛細(xì)血管內(nèi)血液流向不一致可導(dǎo)致DWI信號(hào)減低的特點(diǎn)，采集更多不同b值的圖像來擬合出一系列反映毛細(xì)血管容量和血流灌注情況的參數(shù)。

與其它器官相比，DWI應(yīng)用于心臟存在一系列額外挑戰(zhàn)：①心臟處于時(shí)刻跳動(dòng)中，因此運(yùn)動(dòng)干擾明顯；②心臟距離膈面與胸廓過近，呼吸運(yùn)動(dòng)在直接引起運(yùn)動(dòng)偽影的同時(shí)還可能引起不同b值圖像位置的不匹配、干擾ADC計(jì)算；③心臟局部與肺相鄰，水、氣的磁化率差異導(dǎo)致磁場(chǎng)均勻度較差，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量、對(duì)當(dāng)DWI中常采用的EPI序列的干擾尤其嚴(yán)重。

針對(duì)以上問題，心臟DWI需要進(jìn)行一系列調(diào)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(shí)在空間分辨率上做出一定犧牲，以確保能夠在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的心臟相對(duì)靜止期(一般為舒張末期)完成圖像采集，以減輕心臟搏動(dòng)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(shí)長較短選擇憋氣采集，若時(shí)長較長則采用膈肌導(dǎo)航技術(shù)于呼氣末采集圖像；使用單層動(dòng)態(tài)勻場(chǎng)(integrated slice-specific dynamic shimming,iShim)等手段提高磁場(chǎng)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(huì)失敗，如李志偉等[1]報(bào)道在11例健康志愿者中有3例由于心肌信號(hào)丟失嚴(yán)重而無法進(jìn)行測(cè)量。而在實(shí)際臨床工作中，患者受自身基礎(chǔ)疾病影響、配合可能會(huì)更差。因此，提高圖像質(zhì)量、縮短成像時(shí)間仍是當(dāng)前DWI研究的重要方向。

DWI在診斷缺血性心臟病中的應(yīng)用

1.心肌灌注的評(píng)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(xì)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(yù)后相對(duì)較差。因此，使用心臟MRI評(píng)估缺血心肌微循環(huán)灌注情況對(duì)于預(yù)后評(píng)估具有重要意義。有研究人員嘗試?yán)肈WI技術(shù)來反映組織內(nèi)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(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者間具有較好的一致性，從而驗(yàn)證了利用擴(kuò)散信息來檢測(cè)血流灌注情況的可行性。An等[3]嘗試通過IVIM檢測(cè)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(yuǎn)側(cè)心肌及對(duì)照組，并證實(shí)了病變區(qū)域同時(shí)存在毛細(xì)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(jìn)一步討論了梗死后30天內(nèi)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(cè)量值有所回升，但仍顯著小于遠(yuǎn)側(cè)心肌及對(duì)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(duì)照[5]，其機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。

2.水腫的檢出

目前常用T2WI檢測(cè)急性心肌梗死后的心肌水腫，并在采集過程中使用反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列等技術(shù)來抑制血液信號(hào)，以避免其對(duì)心內(nèi)膜下病灶產(chǎn)生干擾。但T2WI的敏感性較低，同時(shí)當(dāng)心內(nèi)膜下血液流速較慢時(shí)常出現(xiàn)血液信號(hào)抑制失敗，使內(nèi)膜下呈高信號(hào)，而可能與水腫的心肌相混淆。而DWI的TE較長，圖像帶有T2權(quán)重，同時(shí)在低b值下血液信號(hào)衰減較心肌明顯，從而可抑制心內(nèi)膜下血液信號(hào)，因此有不少研究人員嘗試使用DWI來檢測(cè)心肌水腫。早在2007年有研究者在一例急性心梗患者中對(duì)比了DWI與T2WI質(zhì)量，結(jié)果顯示DWI的對(duì)比噪聲比更高[6]。之后，Deux等[7]對(duì)12例心?；颊叩难芯拷Y(jié)果顯示，DWI抑制血池信號(hào)的得分高于STIR-T2WI(3.9±0.3 vs. 3.0±0.7)，且心肌高信號(hào)區(qū)的顯示率更高(100% vs. 67%)。Kociemba等[8]對(duì)91例心?；颊叩难芯恐蝎@得了類似的結(jié)果：與T2WI相比，DWI具有更高的敏感度和陰性預(yù)測(cè)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(hào)抑制效果更好(100% vs. 70%)，運(yùn)動(dòng)偽影發(fā)生率更低(3% vs. 24%)，顯示的水腫區(qū)與延遲增強(qiáng)圖像上梗死區(qū)域大小的相關(guān)性更高(r：0.61 vs. 0.39；P<0.001)。Jin等[9]采用經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入術(shù)誘導(dǎo)建立急性心肌梗死動(dòng)物模型，對(duì)比DWI與T2WI，發(fā)現(xiàn)在梗死后4h以內(nèi)DWI檢出水腫的敏感度更高，對(duì)比噪聲比和相對(duì)信號(hào)指數(shù)更大，且對(duì)血液信號(hào)的抑制能力更強(qiáng)(評(píng)分：3.29±0.76 vs. 2.14±0.9；P=0.047)，驗(yàn)證了DWI對(duì)梗死后心肌水腫的早期檢測(cè)能力。

3.梗死心肌的檢測(cè)

目前常采用釓劑延遲增強(qiáng)掃描(late gadolinium enhancement,LGE)來檢測(cè)心肌梗死區(qū)域，但系統(tǒng)性腎源性纖維化這一不良反應(yīng)的存在限制了其在腎功能不全患者中的應(yīng)用。Pop等[10]在以豬為樣本的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)，ADC圖上梗死區(qū)域的面積與組織學(xué)結(jié)果間具有良好的一致性，且不亞于LGE。Nguyen等[11]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，梗死后8周LGE顯示信號(hào)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(shí)別透壁性梗死節(jié)段上兩者的診斷一致率達(dá)100%。Moulin等[12]對(duì)34例急性心肌梗死患者的DWI(b=0和200ms/mm2)研究結(jié)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(jié)果完全相反，筆者推測(cè)可能與該研究中采用了相對(duì)更高b值(b值為250～500 ms/mm2，以50 ms/mm2為間隔)DWI來計(jì)算ADC值有關(guān)。該研究中同時(shí)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(yuǎn)側(cè)心肌，這樣的變化導(dǎo)致通過ADC值檢測(cè)梗死區(qū)域的敏感度隨時(shí)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(shí)還應(yīng)注意時(shí)間上的適用范圍。

DWI在診斷非缺血性心臟病中的應(yīng)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(cè)心肌纖維化的敏感性不高。因此一般采用細(xì)胞外容積(extracellular volume，ECV)來檢測(cè)心肌纖維化。有研究中采用Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示肥厚性心肌病患者的ADC與ECV高度相關(guān)(R2=0.72)，2個(gè)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(guān)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(yīng)用于肥厚性心肌病的診斷，其結(jié)果顯示ADC值鑒別肥厚性心肌病與正常對(duì)照的AUC為0.93，與ECV(0.94)相近。而隨后開展的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中利用IVIM模型進(jìn)行了進(jìn)一步探索，發(fā)現(xiàn)ECV增大的心肌節(jié)段中，實(shí)際擴(kuò)散系數(shù)D值增大，而偽擴(kuò)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(guān)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(biāo)志物cTnI和左心室收縮功能之間具有相關(guān)性[15,18]，但這項(xiàng)研究中并沒有探討其關(guān)聯(lián)性是否獨(dú)立于ECV。

2.急性心肌炎

與急性心肌梗死后心肌水腫的檢測(cè)類似，Potet等[19]嘗試通過低b值DWI代替T2WI來檢測(cè)急性心肌炎患者心肌水腫情況，結(jié)果顯示兩組圖像上血液信號(hào)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(duì)信號(hào)強(qiáng)度(心肌信號(hào)強(qiáng)度/骨骼肌信號(hào)強(qiáng)度)顯著高于正常對(duì)照組(2.2±0.4 vs. 1.1±0.4)，當(dāng)采用1.9作為閾值時(shí)，對(duì)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(shí)上述指標(biāo)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(jié)果顯示：心肌炎組的ADCslow、ADCfast和f值均較對(duì)照組降低，但顯著高于心肌梗死組[3]。

3.心衰

有研究者對(duì)原發(fā)性擴(kuò)張型心肌病所致終末期心衰患者的離體心肌樣本進(jìn)行了DTI檢查并與健康志愿者進(jìn)行比較，結(jié)果顯示心衰患者心肌的各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)下降22%，平均擴(kuò)散速率(mean diffusivity,MD)升高，擴(kuò)散矩陣的3個(gè)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(yàn)證DTI檢測(cè)彌漫性心肌纖維化的可行性[20]。值得注意的是，該研究?jī)H在離體樣本上進(jìn)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(gòu)會(huì)影響DTI參數(shù)的測(cè)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(jìn)一步驗(yàn)證。

4.先天性心臟病

先天性心臟病常常伴有心肌微結(jié)構(gòu)的改變。Tous等[21]對(duì)多種不同類型的先天性心臟病離體標(biāo)本進(jìn)行掃描，初步證明了DTI技術(shù)檢測(cè)心肌微結(jié)構(gòu)的可行性。研究中認(rèn)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(nèi)外膜之間的變化率稱為螺旋角梯度。在大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位患者的標(biāo)本中，有室間隔缺損標(biāo)本的每1%室壁厚度范圍內(nèi)室間隔螺旋角梯度變化與無室間隔缺損標(biāo)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(huì)影響心臟在長軸方向上的收縮；這一結(jié)果與既往形態(tài)學(xué)分析結(jié)果一致，且該方法可進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用潛力。

技術(shù)進(jìn)展

1.T2W和ADC同時(shí)成像

Aliotta等[22]對(duì)常規(guī)SE-DWI序列進(jìn)行了改進(jìn)，在多次采集中使用不同的TE，從而使DWI在生成ADCmap時(shí)還能夠生成T2map。該序列的優(yōu)勢(shì)：在不增加DWI采集時(shí)間的前提下可額外得到T2map；采集高b值圖像時(shí)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(yùn)動(dòng)校正以減輕心臟運(yùn)動(dòng)的干擾，并使用了膈肌導(dǎo)航技術(shù)使圖像采集過程中無需患者憋氣，使其可以應(yīng)用于無法配合呼吸的患者。在體模試驗(yàn)中顯示該序列獲得的ADC值與常規(guī)DWI相當(dāng)，獲得的T2值較常用的T2準(zhǔn)備脈沖-穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)方法更接近金標(biāo)準(zhǔn)，并在一例急性心肌梗死患者中成功檢測(cè)到梗死心肌的ADC和T2值較遠(yuǎn)側(cè)心肌升高。

2.DTI檢測(cè)心肌纖維束走向的算法改進(jìn)

DTI應(yīng)用于檢測(cè)在體心肌纖維束走向時(shí)會(huì)受到運(yùn)動(dòng)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(jì)(maximum likehood fiber estimator,MLFE)的算法，可通過DWI圖像灰度值計(jì)算心肌纖維束的自由度和擴(kuò)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(jìn)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(shí)DTI圖像中，MLFE對(duì)纖維走行的重建均更準(zhǔn)確，且受運(yùn)動(dòng)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(yán)重的纖維走行方向的計(jì)算錯(cuò)誤，而MLEF的計(jì)算仍較準(zhǔn)確。因此，這一算法有應(yīng)用于在體心肌DTI的潛力。

3.梯度波形改進(jìn)

目前的研究初步顯示了DWI在各種心肌病變中的應(yīng)用價(jià)值，但樣本量都不大，且偶有研究結(jié)果相沖突的情況。期待能有更多高質(zhì)量研究對(duì)這些研究進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步拓展心肌DWI的臨床應(yīng)用領(lǐng)域。