2. 延迟—增强成像
正确区分心肌坏死和心肌顿抑对于选择再灌注疗法非常关键。最近开发出的CMRI技
术作为一种评价心肌活性的重要的临床工具而迅速得到普遍应用。尽管T2加权自旋回波(SE)成像、MR波谱成像以及23钠和39钾MR成像技术已被发现可用于心肌活性的体内评价,延迟—超增强成像却是临床最常用的诊断心肌梗塞的MRI方法。GD-DTPA对比剂静注体内后会扩散至心肌的梗塞组织和正常组织的间质内,15~ 30min后又从活组织内重吸收,从体内清除,而重吸收率在发生急性或慢性坏死的心肌组织内显著降低。用T1加权MRI法成像技术可发现坏死组织信号强度增高。图12显示了正常、缺血和梗塞区心肌的信号强度情况。首过成像与延迟—超增强成像合用可区分缺血区和坏死区。
3. 延迟—超增强MRI成像
分段T1加权FLASH序列是延迟—超增强MRI成像中最常用的技术。在采集相位编码线的每个片段前,应用翻转恢复(Inver-sion Recovery,IR)磁化准备法使活性心肌处于初始状态。如图13所示,这个采集过程经ECG门控采集每个心动周期的舒张期图像。为获得足够的T1弛豫时间,必须略去相位编码线相邻片段间的心跳时间。
延迟—超增强成像一般在静注GD-DTPA对比剂后10~30min内获得。通常情况下,在首过灌注期静注部分剂量的GD-DTPA (0.1mmol/kg),紧接其后立即注射剩余剂量(0.1mmol/kg)。
用于延迟—超增强MRI成像的屏气IR FLASH采集法常用参数为: 在12次心跳间的全部采集时间内: TI=200~300ms,140Hz/像素BW,138×256矩阵,23线/段,TR/TE= 8.0ms/4.0ms,翻转角20?30?M?4为采用此种采集方法获得的几个图像。注意心肌组织梗塞区与正常区相比,信号强度明显增高。
延迟—超增强成像一般是在屏气条件下件下,采用分段采集法获得。但是,某些病人无法达到要求的屏气时间,而且其所导致的心律不齐可能因为长度不等的心动周期间不一致的T1恢复时间严重影响IR FLASH的图像真实性。IR TrueFISP技术可缩短TR并提高SNR,因此能在每个心动周期采集更多的相位编码线,这就可能在每次屏气间采集多个心脏层面的影像。但是,IR TrueFISP技术在延迟—超增强MRI成像中的应用文献报道不多,临床上也未得到验证。目前来看,IR TrueFISP最重要的应用是在单次激励延迟—超增强成像,适用于屏气困难和心律不齐的病人。单次激励IR TrueFISP可在每个心动周期采集到一幅图像,其常用参数为: IR= 340ms,TR/TE=3.0ms/1.5ms,60度翻转角,975Hz/像素BW,256×100矩阵以及6mm层厚。
三 冠脉心血管MR成像
目前已有多种冠心病筛查手段,例如: 超声心动图、核医学技术、超声成像等。有大量接受检查的病人没有严重的冠状动脉疾病,这就需要有一种无创、经济和可靠的方法直接诊断高危人群中严重的功能性冠心病(管腔直径减少50%以上)。理想情况下,通过这种筛查方法,那些未发现异常的人群可以避免行常规心血管造影术带来的风险,也可节省高昂的检查费用。理想的检查手段应该提供心脏的解剖学和功能方面的信息,而且还可用于评价介入性治疗的效果。
MRI具有的无创性、无需电离辐射和碘对比剂、可提供血流动力学、血管形态学信息和心脏三维结构信息以及可能大大低于传统心血管造影术的检查费用等优点,决定了它是一个高效筛查冠心病的技术手段。磁共振血管造影术(Magnetic Resonance Angiography,MRA),这种广为人知的评价血管解剖形态的MR技术,已成为临床上用于头、颈、腹部和四肢的常规检测手段。但是,MRA在冠脉疾病的诊断应用尚待开发,许多因素制约了其进展,包括心动和呼吸周期中心脏的运动、冠状动脉直径很小和高度迂曲的形态、以及冠状动脉与心外膜脂肪组织、心耳冠状静脉和大血池紧邻,缺乏天然的组织间影像对比。每个心动周期和呼吸周期间冠状动脉的空间位移约为几厘米。正常人的冠状动脉近端直径在2~4mm,很少超过5mm; 而远端和分支血管的直径就更小了。因此,冠脉血管影像的获得需要如下条件: 在心动周期和呼吸周期内消除或明显减低运动伪影,感兴趣区的高分辨率容积扫描,背景噪声抑制,最佳影像处理及显示方法。
在过去15年中,已开发出了许多冠脉MRA技术,目前最大的阻碍是心动周期和呼吸周期中产生的运动伪影的限制。为消除心脏运动伪影的影响,ECG触发技术已被用于确保在收缩中期获得图像信息; 为消除呼吸运动伪影,已经采用了屏气或导航—回波导引呼吸门控技术(Navigator-Echo Guided Respiratory Gating)和层面跟踪技术。另外一种前景较好的方法是实时成像,它需要极快的、近乎于将运动定格的数据获得速度。下面仅对以上技术作简要总结。
1. 基本成像方法
已有多种方法用于冠脉成像。大多数方法的相同之处是基本的序列结构和需要决定成像的最佳平面。我们将重点讨论两种主要的、经过初期临床试验的冠脉成像方法: 容积目标型(Volume-Targeted)屏气成像和基于导航—回波技术校正运动伪影的自由呼吸成像。冠脉成像方法中基本的技术是ECG触发和分段的三维方法,它通过触发信号的时间延迟确保舒张中期的数据收集。如果心脏在每次心跳后能准确复位,而且采集窗的长度短于舒张期,那么这种方法就可以有效地定格心脏运动。
采用三维技术用于冠脉成像所需的全部采集时间(Total Acquisition Time,TA)为:
TA=TR×N线×N部分(其中TR为收集一个线的数据所需的重复时间; N线为每个图像中线的数目; N部分为图像容积的分区数目)。例如: TR=4.0ms,N线=90和N部分=8时,全部采集时间需要2880ms,即如果每次心跳的采集窗长度为120ms(每次心动收集30个线),完成全部检测则需要24次心跳。将所有心跳时收集到的数据融合于k-空间,进行傅立叶变换来重建图像。这种方法被称作分段数据采集,其中一部分数据空间采集于每次心跳。
在每次心跳中采集数据前,有一个可选择性的磁化准备(Magnetization Preparation)阶段用来抑制心肌和心外膜的脂肪组织信号。已将T2准备(T2 Preparation)以及磁化转移饱和技术用于提高血液与心肌间的对比度。如果采用了自由呼吸方法,就可以收集每次心跳的导航回波数据。
2. 容积目标型三维屏气冠脉MRA成像
在容积目标成像(Volume-Targeted Imaging)中,薄层平板屏气扫描需要覆盖主要冠脉分支,需要重复多次扫描来覆盖冠脉—前降支(LAD)、回旋支(LCX)、左冠状动脉主干(LM)和右冠状动脉(RCA)。由于每次屏气扫描的容积覆盖范围有限,优化平面设置以获得最大的扫描覆盖范围很关键(见图15)。容积目标型成像法在将每次扫描的成像时间减低至最少的同时,还可以覆盖足够容积的主要冠脉分支,因此已成为冠脉成像中一种高效的实用手段。
3. 对比增强的FLASH
屏气法冠脉MRA需要短的TR在有限的成像时间内获得足够的空间分辨率。而高的接收信号带宽和血流信号饱和会降低SNR,而且延长的触发延迟时间导致血液和背景组织(如心肌)的大量纵向磁化恢复。因此,ECG触发的舒张期数据采集图像需要T1与质子密度加权获得有限的血流增强。结果是可变的血流背景CNR,导致心肌组织中的冠脉远端对比度降低。磁化转移预脉冲和T2准备已被用于抑制心肌信号。但是,这些磁化准备进一步降低了冠脉的SNR。
缩短T1的对比剂的应用为MRA的全身应用带来了新进展。MRA极显著地提高了血流SNR,并且容许在高性能梯度系统下采用短重复时间; 它还可用磁化准备方法抑制背景组织信号,可以不受周围背景组织干扰清晰地描绘冠脉血管的形态。另外,血流信号强度更多地受血流影响,这对于发现血液流速减慢和诊断血管疾病都有重要意义。
采用三维屏气MR成像可将磁化准备、对比增强和容积目标型的方法优化以提高SNR、CNR空间覆盖和血管形态的描述。每次心跳中,因被检对象心率的不同,可采集到25或31个共面相位编码步数。TR为3.8ms时,每次心跳的数据获得时间分别为95或118ms。需要3次心跳以交错的方式覆盖三维K-空间的每个Kx-Ky平面。其它成像参数包括: TE=1.9ms、22???恰⒐裁娣直媛饰?1.4~2.0)mm×(1.0~1.2)mm、平板厚24~32mm、分区数8、层厚3~ 4mm,成像时间: 24次心跳的长度为250~300ms的翻转恢复时间(Inversion Recovery Time,TI)用于抑制心肌组织,同时容许血流信号几乎完全恢复。在相位编码方向以中心序列和在分区编码方向以线性序列采集数据。
分别静注20mL的对比剂两次,每次注射后行扫描一次。两次扫描分别覆盖左、右冠脉。对比剂均采用Spectris MR注射器,注射时间20s以上,注射速率1mL/s。为测定对比剂注射与数据采集开始间的延迟时间,可以注射小剂量的试验性团块对比剂,对主动脉根部动态扫描以评估对比剂注射与血流信号增强达峰值间的时间延迟,然后应用这个延迟时间作为全剂量对比剂注射与冠脉MRA数据采集开始的延迟时间。每次扫描时对比剂注射时间与数据采集时间相同。
图16所示为同一个对象的两次目标扫描,左右冠脉轮廓描述更加清晰。在注射对比剂前的影像中,因为血流SNR较低并且血流与周围组织间的对比度也较低,冠脉血管几乎辨认不清。而注射对比剂后,血流信号提高、心肌信号被抑制,因此冠脉血管轮廓清晰且与周围相邻心室分界清晰。重新处理三维影像可以获得更全面的冠脉图像(见图17)。
对比增强的FLASH序列成像的主要优点是: 明显抑制背景组织信号,同时在血流T1足够短时增强血流信号,因此较其他磁化准备方法获得更高的对比度。提高CNR对左冠脉和右冠脉的远端成像尤为重要,因为它们与心肌和肝脏等背景组织紧密相邻。
然而,这种技术也有不足之处: 受对比剂剂量的限制,每次成像过程的扫描次数有限; 易受对比剂注射和数据采集间计时误差的影响,可能影响图像质量。因此,如果某次扫描由于任何原因不甚理想,重复扫描的机会很有限。近来在血池对比剂研究中的进展可能减少这些潜在缺陷的影响。
4. 三维屏气容积目标型TrueFISP
自上个世纪90年代末期先进的MR成像系统开始应用以来,由于其容许短TR(如少于4ms)并且提高了静磁场均匀性,TrueFISP已成为心血管成像的一种方法。图18为三维屏气TrueFISP冠脉成像的示例,其成像参数为: TR/TE=3.5ms/1.4ms、70度翻转角、FOV= (180~250)mm×(380~400)mm,采集矩阵: (160~175)×512,每个心动周期的线数: 35~43(取决于心率),读出带宽: 650Hz/像素,平板厚度: 18mm,分区数: 6(12个插值),共面分辨率: (1.0~ 1.6)mm×(0.74~0.78)mm,扫描时间: 深吸气后屏气时,24~30次心跳。MRI检查为1.5T的全身扫描,高效的梯度子系统(最大梯度值: 40mT/m,最大梯度斜率: 200mT/m/ms)。
TrueFISP MRA不需要应用对比剂增强,因此,如果由于任何原因导致的图像扫描质量不满意,可以在同一扫描中重复进行。采用TrueFISP技术行冠脉成像时的主要问题是与静磁场不均匀性相关的伪影。精细的场强调整有帮助,但是由于在心肺交界处存在运动、血流和灵敏度方面的变化,场强调整不一定完全保证感兴趣区的最佳磁场设置。减少非共振作用效果的方法包括不对称采样缩短TR,可变翻转角准备和频率搜索扫描。T2准备法也被应用于提高冠脉和心肌间的对比度。
5. 自由呼吸和实时层面校正的冠脉造影
屏气冠脉成像的主要问题是受成像时间所限,SNR和空间分辨率较低。一种解决方法是在自由呼吸期间采集数据。通过在实时成像时改变薄层位置来校正对k空间不同部分数据采集中的呼吸运动导致的冠脉位移,因此可以在同一薄层位置采集到全部的K空间数据,克服了呼吸运动造成的位移问题。可以通过收集沿横膈顶部头—尾方向的导航回波,获得在数据采集过程中的冠脉位移的参考值(图19)。对横膈的位移进行监控(图20)并以0.6的校正因子将其转换为冠脉运动位移。图21所示为应用此种技术获得的冠脉影像。一项有7个研究机构和109个受试者参与的多中心研究对疑似冠心病的病人进行了导航—回波导引的冠脉MRA精确度的评估。结果发现: 冠脉MRA可以确诊(或排除)LM或三支血管病变,该研究还发现: MRA的阳性预测值较低,意味着存在大量的假阳性结果,这就需要改进技术提高空间分辨率和减少伪影来降低假阳性率。
自由呼吸和实时层面校正的冠脉造影与屏气成像相比,延长了成像时间,提高了SNR和空间分辨率。但是,这种技术易受不完全运动补偿或延长的成像时间导致的呼吸型态或横膈位移的不连续性的影响。另外还有基于横膈位移变化选择成像层面校正因子的问题。采用磁化准备和SENSE因子为2的自由呼吸TrueFISP技术进行了全心冠脉MRA。图22为影像示例。
新近开发的血池对比剂为提高冠脉MRA的SNR和空间分辨率带来了希望。与目前临床上常用的细胞外对比剂相比,这些新的对比剂在血池的停留时间更长,T1弛豫时间更长。目前,有几种冠脉成像用血池对比剂正处于不同的临床试验阶段; 这些新开发的对比剂具有更长的、更显著的T1缩短效应,而且在成像时间约为10min的自由呼吸期间增强血流信号,便于采集数据(图23)。这些对比剂可以在一次自由呼吸扫描中覆盖全心。图24为采用容积再现方法对所有重要的冠脉血管以及它们与心室的关系进行了描述。
在提高场强条件下的成像可以改善目前1.5T时冠脉MRA在SNR和空间分辨率上的不足。理论上讲,SNR与静场的场强直接相关。近来3.0T系统已获准临床应用,有可能提高SNR和分辨率。尽管3.0T冠脉MRA在技术上还有许多待改进之处,但是0.5T条件下,应用这种技术已获得有前景意义的结果(图25)。
6. 讨论
过去10年中,在冠脉MRA的技术上和首期临床试验中均已取得重要进展。目前的MR技术已可连贯地为健康志愿者和冠心病病人描绘冠脉主干近端和中部的血管轮廓,空间分辨率可达1.5mm3。心血管MR成像阴性预测值较高,可能对拟行传统心血管成像检查的病人排除冠脉近端(LM或三支血管病)的严重病变有用; 极适用于发现冠脉异常。尽管临床研究结果令人鼓舞(灵敏度68%~94%,特异性57%~97%),但是单独应用MRA还不能完成常规的冠脉疾病诊断。其主要问题是: 较低的空间分辨率,无法对狭窄情况量化,无法连贯地描述冠脉远端和分支血管,影像质量受设备、操作者和病人配合情况影响,存在某些技术上的不足以及较低的阳性预测值。
多层CT作为一种替代性的微创冠脉成像方法,已经显现出前景性的结果。多层CT优于MRI之处在于速度快、分辨率高; 但是,多层CT需要应用电离辐射和碘对比剂。如果存在高密度的钙化灶,诊断管腔狭窄就会出现困难。在心动周期的次佳时间重建影像可能导致伪影与狭窄混淆。MRI的主要优点是在同一设置条件下,获得冠脉病变的全面信息,如形态学、功能、血流动力学以及代谢方面的信息。冠脉MRA技术上的改进将使其成为这种获得全面检查信息的一种重要手段。
冠脉心血管MR成像的目的是检查严重的临床意义的管腔狭窄,但是,急性缺血性冠脉血管病征常由轻—中度的狭窄性冠脉斑块破裂引起,进而形成栓塞,所以在脆性斑块造成严重后果前及时检测很重要。近来在利用MRI描述动脉血管壁形态和评价斑块形成方面已有较大进展。早期的研究主要集中于颈动脉和主动脉。需要获得质子密度加权,T1加权和T2加权成像来精确测定斑块的多种成分。图26为一个示例。近来发现有可能利用MRI检测冠脉斑块。主要的障碍同样是需要克服心脏运动和呼吸运动造成的伪影问题。冠脉血管壁成像主要采用二维ECG触发黑血快速自旋回波序列技术。Fayad和Botnar等人最先发现了可用MRI描述冠脉壁形态、检测冠脉斑块。采用屏气或导航—回波方法来消除呼吸运动伪影。典型的共面分辨率为0.5~1.0mm,层厚为2~5mm。