0 引言

       心血管疾病主要包括冠心病（coronary artery disease, CAD）、心力衰竭（heart failure, HF）、先天性心脏病等多种疾病。其中CAD位居单病种死因首位^[1]。影像学是心血管疾病的主要诊断手段，主要包括冠状动脉造影、冠状动脉CT造影、心脏MRI、超声心动图等。定量磁敏感图（quantitative susceptibility mapping, QSM）是一种无创的MRI技术，它可以对磁化率空间分布进行精确定量^[2]，测量组织在外加磁场下的磁化率。QSM已被广泛用于检测脑组织中铁的分布，如帕金森病和阿尔茨海默病^[3]等。近年来，QSM开始被用于心血管系统疾病研究中，研究显示其可定量心血管系统疾病指标^[4]，如血氧水平和心肌铁含量。在心肌内出血（intramyocardial hemorrhage, IMH）等心血管疾病相关病理生理学变化的研究中，QSM展现出良好的应用前景^[5]。目前对IMH的诊断主要通过T1、T2和T2^*加权成像。T1、T2加权成像均可以检测IMH区的心肌水肿情况，但不能真实反映心肌铁沉积情况^{[6, 7]}。研究表明，IMH的铁沉积可以在心脏内长时间存留^[8]。目前对于心肌内铁沉积诊断最常用的MRI序列为T2^*加权成像^[9]，但T2^*加权成像容易受到水肿、脂肪等的影响^[10]。而QSM是利用相位图来获取场图的变化信息，且直接通过场图与磁化率之间的物理关系反演出磁化率分布图像，受水肿、脂肪等影响小，从而可以更好地进行铁沉积测量^{[11, 12]}。

       目前QSM大多还是用于观察铁沉积与神经系统疾病之间的关系，用于心血管疾病的研究较少。因此本文就QSM心脏成像的原理、图像质量影响因素、主要定量参数及其在心血管疾病中临床应用进行综述。QSM作为一种新的影像学方式，可以无创地去测量心室腔内血氧含量、心肌内铁沉积以及动脉粥样硬化斑块内成分，本文有望使相关研究者更全面地了解这一新的影像标志物，提高认识，更好地推动这一技术在临床研究及应用。

1 心脏QSM成像技术

1.1 心脏QSM成像原理

       常规的T2^*加权成像序列已应用于临床，它依靠脱氧血红蛋白和其他分解产物的顺磁效应来实现对间质和细胞内铁沉积的检测，用于检测出血及钙化^[13]，但其仅利用了幅度信息，忽略了相位信息，且由于分辨率较差和层面位置的偏移，敏感度较低。为了利用相位信息，磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging, SWI）快速发展起来。SWI是将相位信息后处理与T2^*加权成像后得到的幅值图融合，增加了T2^*加权图像的对比，但仍是定性诊断，只能表示磁化率存在异常^[14]。它不能区分正、负磁化率值，所以出血和钙化均表现为低信号，且SWI存在晕圈效应，造成诊断不准确等局限性。QSM是利用组织间固有的磁敏感差异来获得图像对比的成像方式^{[15, 16]}。QSM与SWI数据采集方式一致，后处理方式不一样，QSM鉴别顺磁性、逆磁性物质效果较于SWI更佳，与SWI相比，QSM可以显示脱氧血红蛋白、铁（铁蛋白）和含铁血黄素等顺磁性物质，同时也能显示卵磷脂、氧合血红蛋白和钙化等逆磁性物质的磁化率值^[17]。因此，QSM较容易区分钙化和出血，其磁化率值分别显示为负值和正值。磁敏感物质在外加磁场作用下的磁化程度可用磁化率表示，磁敏感物质使局部磁场发生改变引起质子失相位，给予一个足够长的回波时间，自旋频率不同的质子间将形成明显的相位差别，这样，磁化率不同的物质就可在相位图上区别出来。QSM为MRI提供了一种无创影像学方法来定量心肌内磁化率。

1.2 图像质量影响因素

       心脏QSM图像采集受多种因素影响，主要归类为以下几种原因：（1）心脏和呼吸运动导致的运动伪影。运动导致的相位变化致使磁化率发生改变。常规使用二维屏气序列采集来避免呼吸运动的影响。但有研究^{[18, 19]}使用的是带有膈肌导航的三维梯度回波（three-dimensional gradient echo, 3D GRE）序列，这种方式比二维屏气序列效果更好，可以避免屏气导致的错层和非连续K空间采样^[19]，提高磁化率的精确量化。（2）心外膜脂肪的化学位移效应。因为脂肪逆磁性的，而铁是顺磁性的，这会导致测量时铁含量的低估。有研究^[20]使用一种新型算法将图像进行分割，将水和脂肪信号分离，提高磁化率空间的精确定量测量。最新的技术是基于Dixon的水脂分离方法，在重建过程中校正化学位移图^[21]，减少水、脂肪化学位移的影响，目前已成功应用于腹部或颈部QSM中的，并可能提高心脏QSM的优势^{[22, 23]}。（3）心肺交界处的易感性范围。有研究使用全场反演（total field inversion, TFI）对大的磁化率范围进行了预处理，这已被证明是优于弱磁化率源和强磁化率源之间的背景场去除方法，TFI算法在心脏QSM定量中更稳定^[24]。（4）由于短T2^*衰减及不同场强下B0场的不均匀性，QSM在不同场强下测出的磁化率数值不一致，研究采用多方向采样磁化率计算方法来解决这一问题^[25]。通过由磁化率分布导致的感应场变化进行多方向采样，然后计算出噪声和无信号区域，最终重建出磁化率图像。进行多方向采样，可以提高磁化率值的准确性，减少不同场强下B0场不均匀性导致的误差。（5）后处理方面，只有极少数工具可以直接对QSM图进行直接计算，大多数QSM应用程序仍然需要多个后处理步骤，这可能导致QSM容易出现重建伪影和测量区域磁化率值的误差^[26]。目前主流使用的工具包需要将QSM数据导出，再对其进行后处理，容易导致数据丢失，进而使QSM对病灶检出的敏感性降低^[27]。针对这一问题，可以采用深度学习等人工智能方法^[28]，直接从序列中获取信息，减少数据丢失导致的误差，提高敏感性。

1.3 主要定量参数

1.3.1 血氧水平

       动脉血氧饱和度（arterial oxygen saturation, SaO2）是多种心血管疾病的重要生物标志物，常用于识别和定量先天性心脏病的心内分流。该指标还提供了心力衰竭和肺动脉高压的全身氧输送和消耗指数。混合静脉血氧饱和度（mixed venous oxygen saturation, SvO2）反映了氧输送和消耗之间的平衡，在HF患者中，低SvO2与由于心输出量不足和/或SaO2降低而导致的血流动力学状态恶化和失代偿有关。尽管心输出量正常，但大量心力衰竭患者的SaO2仍会降低，SaO2已被证明可以预测急性心肌梗死和原发性肺动脉高压患者的不良结局^[29]。MRI中氧合对比的根本原因是逆磁氧血红蛋白和顺磁脱氧血红蛋白之间磁化率的差异，研究显示QSM可用于测量左心室内血氧合^[30]。

1.3.2 心肌铁定量

       铁元素在心脏正常代谢反应中必不可少，再灌注损伤导致大量的微血管阻塞或IMH时，心梗区显示存在铁沉积，组织学研究表明，慢性梗死区域内的铁沉积驱动了活跃的炎症状态^[31]。最近的研究表明，消耗梗死心肌内铁的治疗可以显著抑制梗死心肌的变化^[32]。QSM可以直接对心脏内铁含量进行测量，因此QSM在出血性心肌梗死患者的铁含量纵向监测中具有很大的潜力，可能有助于促进心肌梗死后铁沉积治疗方法的发展^[33]。

1.3.3 心肌纤维化

       磁化率各向异性源于组织内具有逆磁性（例如钙）和顺磁性（例如铁）分子的有序空间排列，然后产生整体各向异性敏感性。研究报道髓鞘中磷脂的有序分布产生可测量的宏观磁化率各向异性^[34]。磁化率张量成像（susceptibility tensor imaging, STI）可以测量磁化率各向异性，STI使用具有不同B0取向的多个图像来计算磁化率张量。心肌肌原纤维由一系列重复的肌节单位组成，肌节是一种高度有序的结构，由与肌原纤维长轴平行的粗细肌丝排列组成^[35]。在心肌病、心肌梗死和先天性心脏病中，这种心肌微观结构会发生改变。在这些疾病中，心肌纤维排列紊乱会导致心肌应力增加，进而引发更多的纤维排列紊乱，并促使心脏发生不良重塑，最终导致心力衰竭或危及生命的室性心律失常，从而导致进一步的纤维错位并促进不利的心脏重塑，最终导致心力衰竭或危及生命的室性心律失常。因此，肌纤维组织显示可能是评估心脏功能异常的重要工具。在体外，STI能够通过利用肌丝中多肽腱的磁各向异性来捕获肌纤维走行，肌丝在QSM可测量的尺度上共同产生各向异性磁化率^[36]。垂直于B0的肌纤维是逆磁性的，而平行于B0平行的肌纤维相对于参考磁化率是顺磁性的。在健康的心脏中胶原对磁化率各向异性的作用很低，但在胶原化瘢痕中其作用显著^[37]。

2 QSM在心血管系统中的临床应用

2.1 心肌梗死

       QSM被应用于研究铁沉积与心肌梗死之间的关系。在ST段抬高型心肌梗死（ST-segment elevation myocardial infarction, STEMI）患者中，阻塞动脉再通可以挽救缺血心肌，但再灌注本身会造成心肌损伤（缺血/再灌注损伤），IMH是严重缺血再灌注损伤的标志，在接受经皮冠状动脉介入治疗的STEMI患者中约41%~50%会发生IMH^[38]。这种现象是由于冠状动脉微血管完整性丧失，导致红细胞外渗和血红蛋白分解，从而引起心肌中铁的积聚^[39]。研究^[40]证实，IMH是STEMI患者左心室重塑不良和不良临床结局的独立预测因子，这可能是由于活性氧的增加导致铁含量升高。这使得QSM可以通过铁浓度测量来识别IMH，成为检测缺血再灌注损伤的理想影像标志物。在出血性梗死猪模型中^[5]，与远端心肌区域相比，QSM显示梗死心肌中顺磁位移，反映了组织铁含量的升高，这一结果通过组织学、等离子光学发射光谱、电子顺磁共振光谱和铁代谢标志物RNA分析得到了验证。以往的研究^[41]发现，标准磁敏感序列（包括T2^*加权成像、T2^*或R2^*图）未能显示，但QSM与之相比发现铁沉积（QSM与T2^*相比，P=0.003），这说明QSM对病理性铁沉积的诊断准确性更高。原因在于，多种因素会对急性梗死心肌的T2^*弛豫时间产生影响，包括因铁而缩短，以及因水肿、脂肪和胶原沉积而延长，而QSM直接测量与铁浓度密切相关的局部磁化率。有研究^[42]表明在，出血性梗死的动物模型中，梗死区域的磁化率值显著高于远端心肌（P<0.001）。同样，在一项STEMI的研究^[43]中，患者心肌梗死相关动脉再通后3天（平均时间）接受心脏MRI检查，所有患者梗死心肌的磁化率显著高于远端心肌的磁化率（P=0.005）。

       虽然目前这些研究都表明QSM可以更好地发现IMH后生理病理学变化。然而，受呼吸和心脏运动的影响，可能无法检测到微小的IMH，这可能会降低该技术在低风险患者中的价值。在未来的研究中需要不断优化序列，与其他检测IMH的方法例如组织学进行对比验证，证实QSM在IMH中的临床价值。

2.2 HF

       QSM在研究HF方面具有潜在价值。多种心血管疾病的终末期是HF^[44]，心脏血氧合是治疗HF的重要指标，有研究采用QSM对健康人群以及HF和肺动脉高压的患者进行左心室血氧含量的测量^[30]，发现P值均<0.001。在评估HF患者心室腔内血氧含量时，可以直接通过QSM，避免了侵入性血氧测定。HF的发生和发展还与铁代谢的失衡密切相关。研究^[45]指出心肌内残余的铁不仅干扰巨噬细胞极化，而且持续性地驱动联级反应，将巨噬细胞从抗炎表型转至促炎表型，进而导致胶原细胞的破坏，最终导致心肌梗死区变薄，严重损害了射血分数降低HF的心室功能。同时还发现HF患者还存在着铁缺乏症^[46]。若能了解心肌内铁含量的变化，将会对HF患者的治疗有指导作用。有综述中提到了QSM在监测心脏内铁负荷具有很大前景^[47]。QSM为T2^*的衍生技术，但目前针对HF患者心肌内铁浓度的检测仍然以T2^*为主要方法^[48]。文献中报道，T2^*与HF患者的转铁蛋白饱和度（P=0.678）、铁蛋白（P=0.272）或血清铁（P=0.512）无相关性，表明血液铁代谢测试不能反映心肌内的铁含量^[49]。所以临床中更需要一种诊断方法能够准确地测量心肌内铁含量。

       目前，对于心肌内铁含量，尽管可以用T2^*进行检测，但T2^*敏感度较低，但目前只有少量文献报道了采用QSM去评估HF的血氧合，且缺乏采用QSM去评估HF患者心肌内铁含量的相关研究。因此在未来研究中，可以用QSM去综合评估HF患者血氧合、心肌内铁含量，用于HF患者的个体化治疗和疗效监测，QSM有望在HF的诊疗中发挥比T2^*更大的价值。

2.3 动脉粥样硬化斑块

       在心血管疾病中，QSM不仅可以应用于心脏相关的疾病，还可以用于研究动脉粥样硬化斑块。报道显示QSM可以用于颈动脉粥样硬化斑块研究^[50]。动脉粥样硬化易损斑块的特征是存在富含脂质的坏死核心、斑块内出血、薄的破裂纤维帽，以及较小的钙化^[51]。对于动脉粥样硬化的检查方法，常规为T1加权、T2或T2^*加权。新鲜斑块内出血在T1加权图像上可表现为斑块内高信号，而慢性斑块内血肿在T1加权、T2或T2^*加权和时间飞跃法血管图像上显示为明显低信号^[52]。但慢性斑块内出血和斑块钙化的鉴别较难，两者在图像上均显示为低信号。相反，QSM可以区分逆磁性钙化和顺磁性斑块内出血，并与接受颈动脉内膜切除术患者的组织学表现出较好的一致性。有文献报道^[53]，钙化斑块磁化率为负值（≤-1 ppm），而斑块内出血的磁化率为正值，新鲜斑块内出血的磁化率值约0.5 ppm，慢性斑块内出血的磁化率值约1.5~2 ppm。QSM既可以测量磁化率值，还能帮助分析斑块内成分。这篇文章中报道了超小型超顺磁性氧化铁对比剂越来越多地用于测量巨噬细胞浸润。静脉注射后，该化合物通过其渗漏内皮进入斑块，并被巨噬细胞内化。比较超小型超顺磁性氧化铁前后的磁敏感序列，如T2^*加权或R2^*图，可以量化动脉粥样硬化斑块的炎症成分。最近的研究表明^[54]，使用水-脂肪分离实现的QSM可以同时识别多个高危斑块特征（钙化、斑块内出血、富含脂质的坏死核心和超小型超顺磁性氧化铁摄取）。

       虽然，目前有研究报道，QSM相较于常规的T1、T1、T2^*可以更好地区分急慢性斑块内出血和钙化。但目前的研究较少，主要挑战是由于空气、脂肪、骨骼和颈部区域的血流而导致磁化率图中的伪影。在未来的研究中应该优化QSM参数，减少伪影，更准确地识别动脉粥样硬化斑块内的高危特征，使QSM转化为常规成像检查。

3 小结与展望

       本研究探讨了QSM在心血管疾病中的研究进展，QSM作为一种MRI技术可以无创地评估心血管系统中的血氧含量、铁沉积和心肌纤维化，有助于深入探索心肌梗死、HF和动脉粥样硬化等疾病发生及发展的病理生理学机制，为相关疾病的诊断和治疗提供新思路。然而目前的研究还存在一些局限性，首先是大多数研究样本量较少，统计结果可能存在偏差，第二是成像质量方面还存在着挑战。未来的研究方向应聚焦：（1）多中心，大样本量研究，在HF和CAD患者中不断探索铁是如何影响心血管疾病的发生发展，同时还可以对斑块成分进行分析，有利于临床的后续诊疗（2）围绕成像技术、后处理方面，不断减少图像伪影，使QSM的诊断率进一步提高。随着技术的发展，QSM有望更敏感地发现心血管疾病的早期病变，在心血管疾病的诊疗中显示出良好的应用前景。