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综述
体素内不相干运动成像在心脏疾病中的应用进展
向晓睿 陈梓娴 林晨 南江 庄辛 薛敬梅 雷军强 郭顺林

Cite this article as: Xiang XR, Chen ZX, Lin C, et al. Application progresses of intravoxel incoherent motion imaging in heart disease. Chin J Magn Reson Imaging, 2020, 11(10): 940-942.本文引用格式:向晓睿,陈梓娴,林晨,等.体素内不相干运动成像在心脏疾病中的应用进展.磁共振成像, 2020, 11(10): 940-942. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2020.10.027.


[摘要] 体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)成像技术出现以来,经过近30年的不断发展和实践,对于定量反映活体组织扩散和灌注信息取得了长足的进步,在人体各系统疾病中有广泛的应用,是当前研究的热点。其作为反映心肌组织分子水平病理生理学特点的新技术,对于心脏疾病的诊疗具有重要临床意义,同时也面临诸多挑战。笔者就IVIM成像在心脏疾病中的应用及进展进行综述。
[Abstract] Since the emergence of intravoxel incoherent motion (IVIM) technique, after nearly 30 years of continuous development and practice, considerable progress has been made in quantitatively reflecting the diffusion and perfusion information of living tissue. As a new technique reflecting the pathological and physiological characteristics of myocardial tissue at the molecular level, it has clinical significance for the diagnosis and treatment of heart disease, but also faces many challenges. The application progresses of IVIM in heart disease were reviewed in this article.
[关键词] 体素内不相干运动;磁共振成像;心脏疾病
[Keywords] intravoxel incoherent motion;magnetic resonance imaging;heart disease

向晓睿 兰州大学第一临床医学院,兰州 730000;兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

陈梓娴 兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

林晨 兰州大学第一临床医学院,兰州 730000;兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

南江 兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

庄辛 兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

薛敬梅 兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

雷军强 兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

郭顺林* 兰州大学第一医院放射科,兰州 730000

通信作者:郭顺林,E-mail:guoshl@lzu.edu.cn

利益冲突:无。


基金项目: 甘肃省青年科技基金计划 编号:18JR3RA364 兰州大学第一医院院内基金 编号:ldyyyn2015-06
收稿日期:2020-05-15
接受日期:2020-06-18
中图分类号:R445.2; R541 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2020.10.027
本文引用格式:向晓睿,陈梓娴,林晨,等.体素内不相干运动成像在心脏疾病中的应用进展.磁共振成像, 2020, 11(10): 940-942. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2020.10.027.

       体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)成像是基于扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)发展起来的以双指数、多b值模型反映组织内水分子扩散参数的成像技术[1]。IVIM成像经过近30年的不断发展和实践,对于反映活体组织的扩散和灌注信息取得了长足的进步,是当前研究的热点。结合心脏磁共振(cardiac magnetic resonance,CMR)多平面、多参数成像以综合评估心脏结构、功能、血流动力学、微循环障碍及心肌纤维化等信息,弥补了常规超声心动图和计算机断层显像的局限性,以辅助临床诊断及决策[2,3]。IVIM成像作为反映心肌组织分子水平病理生理学特点的新技术,对心脏疾病的诊疗具有重要临床意义,同时也面临诸多挑战。本文就IVIM成像在心脏疾病中的应用及进展进行综述。

1 IVIM成像技术原理

       DWI是目前唯一能观察活体组织内水分子微观运动的成像方法,研究表明,DWI基于单指数模型会受到血液微循环的影响,同时存在水分子运动和血流灌注信息,所得的ADC值往往偏高[4],并不能真实反映组织内水分子的扩散情况,存在一定局限。为了弥补DWI单指数模型的不足,Le Bihan等[5]于1986年首次提出IVIM技术。IVIM成像技术是基于双指数模型、多b值采集图像,分别反映水分子扩散运动及毛细血管灌注信息,从而获得组织扩散参数和微血管灌注参数。

       IVIM理论的双指数模型公式为:Sb/S0=(1-f)•exp(-bD)+f•exp [-b(D+D*)]。其中扩散系数D反映体素内纯水分子扩散运动;灌注分数f反映体素内微循环灌注效应占总体扩散效应的比重,可测定组织内血容量;假扩散系数D*反映体素内微循环灌注相关扩散运动,可测定组织内血流量;S0表示b为0,Sb表示b为其他值(如10、20、30 s/mm2)时的体素内信号强度[5,6]。因分子运动速度和空间分布不同,低b值参数信息主要反映微循环的灌注效应;而较高b值的信号衰减主要反映扩散效应[5]。由此即可得出组织中水分子的扩散参数,描述微循环引起的信号改变,更加直观地获得组织灌注的生理信息。

       随着磁共振软硬件设备、呼吸导航技术及心电门控技术的发展,IVIM成像可定量测定心肌灌注和组织内水分子扩散,因此逐渐应用于心脏疾病的检查和诊断,开辟了新的成像思路和方法[7,8]

2 IVIM成像影响因素

       心脏IVIM成像易受到呼吸运动及心脏搏动的影响,图像变形失真,心肌信号丢失严重[9,10],因此其对于心脏疾病的应用仍存在相应困难和挑战。国内外学者对心脏IVIM成像方法及其参数设置的重复性进行了大量研究,通过稳态自由进动(steady-state free precession,SSFP)、单次自旋回波回波平面成像(spin-echo echo planar imaging,SE-EPI)序列、主元分析(principal component analysis,PCA)滤波技术、时间最大强度投影(temporal maximum intensity projection,TMIP)技术、贝叶斯收缩先验(bayesian shrinkage prior,BSP)分析法[11,12,13,14]等改进了技术不足,并提高了准确性和重复性,为没有对比剂的灌注成像提供了新的视角。

       IVIM成像过程中b值的设定十分关键,但其数目和大小的设定尚无统一标准。设定低b值时,灌注成分上升,此时采集的信号才能充分描述组织的灌注信息[15]。随b值增大,图像信噪比显著降低,心肌信号衰减程度越大,其测量参数重复性、准确性较差,多数心肌在b值大于600 s/mm2时观察不到信号强度[16]。研究显示当b值在10~100 s/mm2时,血池信号能够得到较好的抑制,心肌信号丢失率较低,图像质量较为稳定,能更好地反映心肌血流灌注信息[17]。心脏成像过程中应同时具备高低b值,以同时涵盖组织内水分子扩散及心肌微循环灌注信息。虽然理论上b值数目越多,数据拟合结果越准确,得到的图像质量也越好,但多b值扫描延长了图像采集时间,患者可因不耐受而产生运动伪影,因此选择过多b值并不适用于临床应用。

       心脏IVIM扫描成功与否的另一关键因素是心电门控的触发延迟时间(trigger time delay,TD)[10,11],其主要通过确定心脏运动最小的时间窗来解决信号丢失问题。TD的确定与心率有关,研究表明心率小于70次/min时图像质量会明显提高,心率越慢采集图像的时间窗越宽,采集成功率也越大。此外,心律不齐也会造成伪影及心肌信号不均。因此想要获得良好的IVIM图像就要把患者心率控制在一定范围之内。

3 IVIM成像在心脏疾病中的应用

       目前,IVIM技术已广泛应用于各系统和器官病变的诊断、鉴别、分级以及提供预后信息[18]。而心脏IVIM成像对患者一般情况、呼吸控制、心率快慢、心律整齐等都有一定限制,且对设备性能和后处理软件也有较高要求,因此IVIM技术在心脏疾病中的研究和应用较少。

       Callot等[19]首先在动物模型尝试心脏IVIM成像,证实了该技术的可行性,且能定量反映心肌微循环灌注情况。紧接着国内外学者逐渐将IVIM技术用于健康人体心脏成像,可在无对比剂、心脏无负荷的情况下定量评估心肌微循环灌注状态,且灌注参数f、D和D*值具有较高重复性及准确性[17,20]。以上研究为心脏疾病的IVIM成像奠定了基础,促使其在临床应用中的开展。

3.1 心脏正常IVIM成像

       正常心脏IVIM成像中,b=0 s/mm2时,心腔血池呈高信号,可影响心内膜下心肌损伤的诊断,一般只作为参考图像。b>0 s/mm2时,心腔血池呈低信号或无信号,心肌呈中等信号,而随b值增大心肌信号丢失加重,心脏轮廓显示不清。心脏的IVIM扫描受周围脏器影响,可出现高信号的条片状伪影,应与无信号衰减的高信号损伤心肌相鉴别,结合CMR常规序列进行心脏的综合分析和诊断[16,17]

       冠状动脉不同供血区的心肌IVIM灌注参数也不同。研究显示,对比分析不同冠脉供血节段心肌的灌注参数,发现前降支、右冠状动脉供血区D值高于左旋支,D*值和f值则低于左旋支,可能与前降支、右冠状动脉血流量较大有关,该结果与多数国人右优势型冠脉供血的情况相符合[16,17]。由于心尖部运动幅度稍大,受呼吸运动、胃肠道蠕动等影响也略重,目前还没有关于心尖部心肌IVIM参数的报道。虽然以上研究的样本量较小,仍说明IVIM灌注参数可以提示心肌不同血供及血流量。

3.2 心脏疾病IVIM成像

       心肌微循环灌注状态与心脏疾病发生密切相关,定性、定量评价心肌微循环灌注情况具有重要意义。常规CMR对于区分缺血性和各种非缺血性心肌损伤具有独特帮助,可确定残留的心肌活性、心肌顿抑和微血管损伤,IVIM成像的出现进一步补充了心肌微循环灌注信息,助于多模态CMR一站式无创评估各类心脏疾病。

3.2.1 缺血性心脏病

       IVIM技术可提供心肌扩散状态及血流灌注信息,对不耐受对比剂的心肌梗死(myocardial infarction,MI)患者有较大诊断价值。Laissy等[21]探讨了b值在300 s/mm2左右的DWI序列检测急性MI并与亚急性和慢性MI的区分鉴别,结果显示多b值序列评估MI的敏感性为97%、特异性为61%,不同时期梗死区域小于正常心肌的灌注参数,表明多b值扫描是诊断急性MI的敏感技术且能帮助区分慢性MI,有望用于非典型性胸痛的急诊患者的分类。An等[22]使用IVIM成像对急性MI和梗死样心肌炎患者进行对比研究,发现急性MI患者的D值、D*值和f值均小于梗死样心肌炎患者和正常对照组,此外,心肌延迟强化段显示出明显更低灌注参数,表明IVIM成像可以作为评估和鉴别急性MI和梗死样心肌炎不同心肌灌注方式的可靠序列。还有学者用IVIM检测MI后心肌损伤,发现梗死心肌低于正常心肌的灌注参数,可能与心肌重构、水肿、血流灌注减低、缺血坏死等有关[23]

       此外,An等[24]用IVIM成像评估了MI患者经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention,PCI)术后的心肌灌注损伤及严重程度,并调查了心肌灌注的动态生物学现象,发现缺血心肌中的D*和f值显著低于远端心肌,且术后第3~7天能更有效评估灌注水平,表明IVIM可以充分反映PCI术后患者心肌水肿和心肌灌注状态的动态过程。因此,IVIM成像可用于MI的早期定量检查以及PCI术后的无创评估,提示较低心肌灌注状态并为临床诊疗提供可靠信息。

3.2.2 非缺血性心脏病

       肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)是最常见的遗传性心肌病,其冠脉微循环障碍所致心肌低灌注是组织重构、功能障碍、心力衰竭等不良预后的有效预测因子[25]。Mou等[26]发现HCM患者左室心肌明显低于正常人左室心肌的D*值,表明HCM患者心肌存在低灌注损伤,提示IVIM成像有助于心肌微循环状态的预测及监测。Wei等[27]发现HCM患者无肥厚或无强化节段的心肌也存在局部微循环障碍,其中D*具有较高的敏感性,表明IVIM技术可早期提示心肌微循环障碍。随着更多大样本量研究进一步优化和统一扫描方案,IVIM技术可实现HCM微循环障碍的无创、定量评估,为HCM患者的治疗及预后提供有力证据。

       此外,Potet等[28]用低b值(b=50 s/mm2)扫描评估急性心肌炎患者中的局部和弥漫性心肌水肿,发现心肌炎患者的整体心肌信号强度显著高于对照组,指出低b值序列可替代常规序列评估心肌水肿。Wu等[29]使用IVIM技术对高血压性心脏病患者进行研究,发现左室肥厚型高血压患者灌注参数高于非肥厚型,其增高与收缩压峰值降低有关,提示IVIM可有效反映高血压心脏病的纤维化程度。Mou等[26]还对高血压性和糖尿病性心脏病患者进行对比研究,发现患者组的左室心肌D*值显著低于健康志愿者,也说明IVIM可评估心肌微循环障碍。Terrier等[30]对系统性硬化症所致的心肌受累进行前瞻性研究,通过IVIM成像评估心肌微血管和间质损伤,发现f值减低与组织灌注减少相关,且与较少使用血管扩张剂和频繁使用糖皮质激素有关,该研究表明IVIM成像还能评估其他疾病所致的心肌受累情况。

       总之,心脏IVIM成像的临床研究还处于初始阶段,对其他非缺血性心肌病如扩张型心肌病、限制型心肌病、左心室致密不全、心律失常性心肌病等都暂无研究报道,会是今后IVIM成像在各类心脏疾病中更加多元和细致的研究方向。

4 总结与展望

       IVIM成像作为反映心肌组织分子水平病理生理学特点的新技术,对于心脏疾病成像具有独特优势:双指数、多b值模型较传统DWI更加真实地反映心肌组织内水分子扩散情况;能准确定量评估心肌灌注及微循环,对心脏疾病的临床诊疗提供重要参考信息;结合CMR多序列、多参数扫描,可实现一站式评估心脏结构、功能、灌注等信息;无需注射示踪剂及对比剂,利于过敏体质或肾功能不全患者的心脏检查。

       综上,IVIM成像对心脏疾病的诊断、鉴别诊断、疗效评价等方面有重要价值,但也有不足之处:心脏IVIM成像易受呼吸运动及胃肠蠕动等影响,重复性及稳定性有待提高;多b值扫描时间较长,扫描条件仍需改进;b值大小和数目尚无统一标准,仍需探索及完善;缺乏大样本量研究,需多中心进一步验证。相信随着技术不断更新,扫描参数及图像后处理技术的不断优化,IVIM成像将对心脏疾病的诊疗发挥更加重要的作用。

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