1　定量成像技术

1.1　T1及T2 mapping

       T1和T2是组织的固有属性，在特定的场强下具有特定的数值。T1、T2 mapping可以直接对组织的T1、T2值进行定量测量，与常规的T1、T2加权序列相比，其应用可以减少传统定性评估的主观性，增加MRI评价的可重复性，并可纵向研究心脏病变的整个病理生理过程^[1]。

1.1.1　T1 mapping

       目前T1 mapping多采用MOLLI （modified Look and Locker inversion recovery sequence）序列^[2]，按照是否使用对比剂分为无对比剂或对比剂注射前T1 mapping （pre-contrast T1 mapping）及注射对比剂后T1 mapping (post-contrast T1 mapping)。前者T1值增高主要与细胞水肿及蛋白沉积有关，心肌急性损伤时，T1和T2值会和心肌水肿发展同步，T1和T2延长反映了缺血组织内自由水含量的增加。特别是缺血时间长，细胞损伤会导致细胞内容物释放到细胞间隙，致T1值进一步增加。无对比剂T1mapping能够准确识别急性心肌梗塞时受损心肌水肿范围，在缺血性或非缺血性心脏病时的心肌水肿评估方面可以作为T2WI的重要补充技术。此外，它可以鉴别心肌局部或弥漫性纤维化、心肌炎或淀粉样变，尤其是对于合并有肾病不能耐受钆对比剂的患者，无对比剂T1mapping可作为磁共振钆对比剂延迟强化（late gadolinium enhancement, LGE）的重要补充或替代^[3]。后者T1值增高主要与对比剂排空延迟有关，如纤维瘢痕或弥漫性纤维化。尽管T1 mapping的测量无需正常心肌信号的参照，但准确性会受到各种因素的影响，如磁场强度、对比剂生理特性、注射对比剂后的延迟时间、心动周期内图像采集的时相和部位等都会影响注射对比剂后的T1值。

       细胞外间质容积分数（extracellular volume fraction, ECVf,简称ECV）是指细胞外间质容积占整个心肌组织容积的百分比，是基于T1 mapping技术计算出的一种相对稳定的参数指标。ECV的计算通过分别获得心肌及血液在对比剂注射前后的T1值，并从血液标本中获得血细胞比容（hematocri HCT），当对比剂在血液和心肌细胞外间隙中的浓度达到平衡时，通过公式就可以来计算心肌ECV^{[1, 4, 5]}。计算公式为：

       ΔR1 =1/T1pre-1/T1post

       心肌ECV=(1-HCT) （心肌ΔR1/血液ΔR1）

       这种计算方法校正了各种技术因素（如场强、对比剂注射剂量及时间）对T1值的影响，并且在注射对比剂后达到平衡稳定的状态下进行。ECV反应的是心肌组织内在生理特性，只与心肌间质状态的改变尤其是胶原纤维比例增加相关。ECV增大是许多心脏病变的共同病理生理特征，无论是局限性的瘢痕组织、弥漫性的纤维化、淀粉样变性的沉积及心肌水肿都可以引起细胞外间隙的扩大即ECV值增大^[6]，因而在排除心肌浸润性病变、水肿或其他心肌间质成分固定情况下，ECV可视作为心肌纤维化的生物标志物，可作为LGE评估心肌纤维化尤其是弥漫性纤维化的重要补充。有研究指出，肥厚性心脏病及扩张性心脏病患者心肌对比剂注射后T1值显著降低，而ECV显著增大^[7]；在最新的一项大样本队列研究中，作者对LGE上无明显心肌梗死表现的心肌组织ECV进行前瞻性研究，共纳入793例患者和9例正常志愿者，患者的ECV范围从21.0％到45.8%，志愿者从21.7％到26.2%。该研究随访0.8年，共出现39例死亡以及43例综合终点包括死亡、心脏移植以及左室辅助装置植入，所测量的ECV对全因死亡率及复合终点的风险进行预测，结果显示，ECV每增加3%，风险比率分别为1.55和1.48，提示ECV的风险预测效能可与公认的独立预测因子左室射血分数相类比^[8]。

1.1.2　T2 mapping

       横向弛豫时间即T2值增大主要与心肌水肿或炎症有关，因此急性心梗、心肌炎、结节病及心脏移植免疫排斥反应过程均可导致T2值增大。有研究指出，急性心梗患者在心肌出现不可逆损伤之前即可出现心肌水肿，因此它可作为急性心梗的早期标志，利用心脏磁共振诊断是否出现心肌水肿对于早期发现早期治疗临床高度怀疑急性心梗的病人具有重要意义^[9]。目前临床上主要应用T2加权黑血序列（T2-weighted short tau inversion recovery, T2-STIR）来评估心肌水肿，但在实际操作中它面临几个挑战，包括对呼吸和心跳运动敏感，心腔内血流缓慢所致的心内膜下高信号伪影，以及体表线圈强度不均匀导致信号不稳定等。此外T2-STIR并不能对T2值进行定量，而只能半定量，并且这个半定量需要依据正常心肌的T2值作为参考来定义病变心肌，因此很难评估弥漫性心肌病^[10]。新近出现的T2 mapping技术则有效克服了上述缺陷，它采用的是单次激发稳态自由进动序列（steady-state free precession sequence, SSFP）序列。有研究指出，与传统的T2-STIR技术相比，T2 mapping鉴别心肌缺血性损伤的能力更高；对于非ST段抬高型心肌梗死患者，T2 mapping的心肌水肿检出率远高于T2-STIR，提示T2 mapping可作为T2-STIR的重要补充或替代，对于诊断心肌水肿、鉴别可逆性心肌损伤及早期诊断早期治疗急性心梗具有重要意义^[11]。

1.2　4D Flow

       4D磁共振血流成像（简称4D Flow）是一种无创的可以对心脏及大血管血流情况进行定性和定量分析的新技术。与传统的2D Flow相比，4D Flow同时对三个相互垂直的维度进行编码并获得相位流速编码电影，不仅可以动态三维显示心腔和大中动脉的血流动力学特征，并能准确测量扫描范围内各个位置血流的方向、速度、剪切力等重要参数，对更好的认识和解读正常心血管血流动力学特征及心血管疾病所致血流异常具有潜在应用价值^[12]。需要指出的是，4D Flow中的时间维度并非真正意义上的实时，而是获取的一段心动周期，因此该技术又定义为3D Flow cine。

       已经有研究提示4D Flow可以更好的评估瓣膜性心脏病、先天性心脏病及肺动脉高压的血流动力学改变，尤其对复杂心血管结构的血流动力学评估有有重要意义，有助于指导临床诊断和治疗^[13]。然而耗时长是目前4D Flow面临的主要难题，其中扫描时间过长还可能会导致某些数据采集的不准确，例如面对不能耐受及心跳或呼吸不规律的病人^[14]。如何改进序列，减少扫描时间是将4D Flow技术推广到临床亟待解决的难题。

1.3　DTI

       弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）可以活体显示心肌纤维束的走行及完整性，并可通过测量水分子扩散各向异性特征的改变来反映组织的病理生理过程，以往较多应用于神经系统中^{[15, 16]}。该技术多采用双门控单次激发回波平面成像（echo planar imaging, EPI），主要有两个重要参数：表观弥散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）及各向异性分数（fractional anisotropy, FA）。ADC反映水分子的平均弥散率，随细胞内外容积的改变而改变，ADC越大，提示组织内所含的自由水分子越多；FA反映水分子在不同方向上的弥散率，FA值降低提示组织完整性受损。成人左室心肌纤维呈螺旋状排列，中层心肌呈环形，从心尖到基底部心外膜下心肌纤维以左手螺旋的方式向中层心肌过渡，而心内膜下心肌纤维则以右手螺旋的方式过渡到中层心肌，这种独特的结构与左室收缩及舒张功能密切相关^[17]。当这种完整性被破坏如心肌梗死后左室心肌纤维的走行及结构随即发生调整即心室重塑，随之引起心脏舒缩功能的一系列改变，理解这一过程对于其机制研究有重要意义，而传统的病理学研究显然不符合临床的需要，DTI则可以活体动态监测这一过程，为临床提供了新的证据。有研究表明，急性心梗后梗死区心肌ADC值与远离梗死区的正常心肌相比显著增高而FA值显著降低，多因素回归分析结果提示梗死区左手螺旋纤维的比例与心梗面积及左室射血分数显著相关；进一步的研究还发现急性心梗后随着时间的延续（平均间隔191天）梗死周边区ADC值较远离梗死区的正常心肌相比明显增高，FA值显著降低，并且梗死周边区室壁代偿性增厚与之显著相关^[18]。这些研究结果均提示DTI作为一种新的无创的心脏磁共振技术在临床动态评估左室结构的潜在应用价值，然而由于心脏跳动的影响，DTI技术仍处于实验研究阶段，需要进一步的开发与推广。

2　非对比剂增强CMR

       非对比剂增强CMR技术无需注射对比剂并可多次重复，可作为对比剂增强CMR的重要补充，特别是在后者扫描失败或有严重伪影的情况下；此外对有肾功能损伤的病人非对比剂增强CMR可成为非常重要的替代方案。

2.1　非对比剂增强全心磁共振冠脉成像（whole-heart MR coronary angiography, WH-MRCA）

       冠状动脉疾病（coronary artery disease, CAD）是发达国家最常见的死因，目前临床诊断CAD的金标准是冠状动脉造影（coronary angiography, CAG），该操作具有一定的创伤性和潜在风险，且费用较高；此外，有相当一部分患者进行CAG检查后并未找到CAD证据。CT冠状动脉成像作为CAG的重要替代方案是目前临床应用较普遍的CAD排查方法，优点是成像时间快，成功率高且无创，缺点是需要碘对比剂注射和射线曝光。

       近年来，全心磁共振冠脉成像（whole-heart MR coronary angiography, WH-MRCA）技术进入新的发展阶段。该技术采用自由呼吸下三维稳态自由进动序列（steady-state free precession sequence, SSFP），无需注射对比剂，而依靠组织T2/T1弛豫时间比率的差别、脂肪抑制及T2预脉冲来分辨冠脉内血液、心肌和心包脂肪，获取具有较高空间分辨率及信噪比的冠脉图像^[19]。为了减少运动伪影，该序列需要在心脏与呼吸运动相对最小的有限时间窗内采集，因此扫描时间相对较长^[20]。一项多中心研究对来自7家医院的138名可疑CAD患者进行了WH-MRCA检测，平均扫描时间为9.5 min。结果显示WH-MRCA诊断CAD的敏感性、特殊性、阳性和阴性预测值及准确性分别为88%，72%，71%，88％和79%，其中88％的阴性预测值提示WH-MRCA能够作为排查CAD的一种无创性方法^[21]。另有学者将CT冠脉造影与WH-MRCA进行了对比，结果提示CT冠脉成像的成像质量优于WH-MRCA，扫描时间较短且成功率较高；两种方法诊断CAD的敏感性接近，但WH-MRCA的特殊性和准确性均明显低于CT冠脉成像，提示WHMRCA技术仍然需要进一步改进^[19]。

2.2　血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent, BOLD）的CMR

       Linus Pauling首次描述了氧合血红蛋白含量改变对磁场性质的作用^[22]；去氧血红蛋白是顺磁性物质，可以加速横向磁场的衰减而缩短自旋-自旋弛豫时间，因而具有缩短T2和T2^*的作用，这种现象称为BOLD效应，利用这一效应的磁共振成像可以用来检测组织氧化状态的改变从而对组织代谢及功能进行评估。目前BOLD-MRI多应用于脑功能成像，脑区激活时，局部脑血流量和耗氧量均增加，但前者增加多于后者，这种差异导致活动区去氧血红蛋白相对减少，缩短T2的作用也随之减少，同静息状态相比，局部脑区的T2或T2^*相对延长，因而在T2或T2^*加权的功能MRI图像上表现为信号相对增强^{[23, 24]}。

       随着MRI软硬件水平的进步，BOLD-CMR已经从基础研究进入临床试验阶段，采用SSFP序列可以同时获得包含心脏结构、功能及氧合状态的信息。Friedrich等人利用1.5 T MRI分别采用BOLD-T2^*CMR及SPECT对25名心绞痛患者的静息及腺苷负荷下氧合水平改变进行评估，评估层面均为心室短轴中部，结果显示，以CAG为金标准，两种方法评估CAD的ROC曲线下面积相近，分别为0.66和0.73，提示BOLD-CMR对于诊断CAD具有潜在价值，同时他们也提出这项技术仍需要进一步改进以扩大空间覆盖面积、提高信号对比度及减少伪影^[25]。随后Manka等人^[26]采用3 T MRI对46名CAD或可疑CAD患者行T2^*BOLD-CMR检测，结果显示静息状态下缺血心肌T2^*值明显低于正常心肌(27±12 ms vs. 32±1 ms, P<0.0001)；腺苷负荷后仅正常心肌节段的T2^*值明显升高(37±15 ms; P<0.0001)，而缺血节段无明显改变(27±12 ms; P=0.06)；以33.8 ms为临界值诊断CAD（血管狭窄程度>50%）的敏感性和特异性在静息和负荷状态下分别为78%，21％和78%，68%。Karamitsos等人^[27]对22名单支或2支病变CAD患者及10名志愿者分别行BOLD-CMR及PET成像，结果显示两种方法对18/22患者及10/10志愿者评估有无缺血的结果一致，然而PET成像中40％负荷血流降低的节段（<2.45 ml/min/g）在BOLD-CMR检测中并未出现去氧合改变，而大部分灌注正常的节段其氧合检测也正常，因此研究者提出局部心肌灌注与氧合状态可能并无相关性，提示CAD患者心肌低灌注并不一定会导致缺血和去氧合改变。随后Arnold等人^[28]证实了这一观点，他们对60例可疑CAD患者分别行3T磁共振T2预脉冲BOLD和首过灌注CMR，结果显示以灌注成像为标准BOLD成像评估心肌缺血的准确性、敏感性和特异性分别为84%，92％和72%；以CAG为标准BOLD成像评估冠脉狭窄的准确性、敏感性和特异性分别为86%，92％和72%；节段性氧合与灌注及CAG均无明显相关性，相关系数分别为-0.26和-0.20。这些结果提示心肌血流灌注及氧合状态改变可以早于CAD诊断，BOLD-CMR的应用可以提高我们评估功能性冠脉狭窄的能力，有助于更好的理解心肌微血管病变的病理生理学机制。此外与传统心肌灌注CMR相比，BOLD成像无需注射对比剂，对于合并有肾功能损伤的病人具有重要意义。值得注意的是，随着磁场强度增大，BOLD-CMR的信噪比也明显提高，与此同时由于磁场不均匀导致的伪影也明显增多；此外心脏大静脉及心肺交界也会在左室下外侧壁形成伪影^[25]。