单次屏气TGRAPPA及TmSENSE技术对左右心功能测量的应用研究

张雅颖， 陈铟铟， 恽虹， 杨姗， 曾蒙苏， 金航

准确并可重复的测量左心室功能参数对冠脉综合征、原发性心肌病等的诊断、病情分级、治疗计划及预后有重要的参考价值。先天性心脏病、肺部疾病、肺血管疾病会引起肺动脉高压，造成心室功能及结构的改变，对于这类疾病来说，右心室功能的评估亦非常重要[1-2]，这也促使着许多影像技术在右心室功能上的不断进步。超声心动图是目前临床运用最广泛的心功能测量手段，二维超声测量评估心功能临床应用简易、便捷，但是由于心室形态的不规则性，尤其右心室指标的准确性通常受很大影响，心脏磁共振可以多平面成像，对左右心室的功能的测量更加准确，磁共振检查已成为无创心功能公认的金标准[3-4]，因其准确性高、重复性可靠，得到临床的认可，但由于心脏MR检查成像时间较长，临床应用受到一定限制，因此，心脏MR快速成像技术具有较高的研究价值以及广阔的临床应用前景。本研究探讨单次屏气时间调整全局自动校准部分并行采集(time-adaptive generalized autocalibrating partially parallel acquisition，TGRAPPA)和时间调整改良敏感性编码(time-adaptive modified sensitiving encoding，TmSENSE)技术在心功能评价中的应用价值，并与传统多次屏气逐层扫描(true fast imaging with steady state free procession，trueFISP)电影结合全局自动校准部分并行采集(generalized autocalibrating partially parallel acquisition，GRAPPA)技术进行对照分析。

材料与方法

1.研究对象

随机选取于本院放射科行心脏磁共振检查的患者37例，男17例，女20例，平均年龄(42±17)岁，包括16例无明显器质性心脏病的患者、5例扩张性心肌病、4例肥厚性心肌病、2例致心律失常性右心室心肌病、4例肺动脉高压、4例心肌梗死和2例心肌淀粉样变性。所有研究对象均无磁共振检查禁忌症，检查前进行屏气训练，签署知情同意书。

2.检查设备与方法

采用Siemens MAGNETOM Area 1.5T超导MR仪，梯度场强45 mT/m，梯度切换率200 mT/m·ms，成像线圈为脊柱线圈和18通道相控阵线圈，心电门控采用磁共振兼容的无线矢量心电门控板。采用头先进仰卧位扫描，先获取两腔心、四腔心及短轴图像，所有患者均行多次屏气true FISP电影结合GRAPPA技术、单次屏气 true FISP电影分别结合TGRAPPA及TmSENSE检查，3种序列的扫描时间差异有统计学意义(P=0.00)，TGRAPPA及TmSENSE检查能够明显缩短检查时间(表1)。不同受试者根据心脏大小调整扫描层数(6～10层)，均覆盖全心，同一病例均采用相同层厚及层数。在MR扫描过程中，发现患者存在心律不齐时，针对四腔心层面完成传统GRAPPA电影以及TGRAPPA和TmSENSE电影扫描，以初步分析优化实时并行采集(temporal parallel acquisition technique，TPAT)在心律失常患者中的应用。

3.图像分析

①心功能分析：所有左右心室短轴电影由心功能专用分析软件(Argus Syngo MR 2004V)进行分析，由2名影像科医师独立完成。经人工干预和软件自动相结合，确定舒张末期和收缩末期时相，再描绘出两期各层面心内膜边界，乳头肌属于心腔内结构，左室基底部包扩主动脉瓣以下的左室流出道部分，右室基底部包括肺动脉瓣以部分[5]。由软件自动计算左右室射血分数(election factor，EF)，舒张末期容积指数(end-diastolic volume index,EDVI)和收缩末期容积指数(end-systolic volume index,ESVI)和心脏搏出量(stroke volume,SV)。

②图像对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)：选择乳头肌层面，测量并计算各个序列图像的对比噪声比，CNR=(SIB-SIM)/SDnoise，SIB和SIM分别代表心腔和心肌的信号强度，SDnoise为背景噪声信号强度的标准差。

表1 序列参数

表2 左心功能各指标

③图像质量评分：2名影像科医师独立完成图像的质量评价，出现分歧时共同分析以取得一致意见，评分标准如下：4分，图像质量为优秀，无伪影；3分，图像质量为良好，轻微伪影；2分，图像质量为中等，中度伪影；1分，图像质量为差，严重伪影。

4.统计学分析

采用SPSS 22.0进行统计学分析，分别对同一个体3种方法所获得的左右心室EF、EDVI、ESVI、SV采用配伍组设计方差分析，以P<0.05为差异有统计学意义。对2位医师所测得的心功能指标进行组内相关系数(ICC)的检测，其值越接近1，2位医师的测量结果一致性越好。三种图像的CNR评价采用配伍组设计方差分析，以P<0.05为差异有统计学意义；多次屏气true FISP电影结合GRAPPA技术和单次屏气true FISP电影分别结合TGRAPPA及TmSENSE检查间等级数据资料的对比，采用friedman秩和检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.心功能测试结果

37例患者均完成各种序列的检查，各序列测得的心功能数据见表2、3。

经统计学分析，多次屏气true FISP电影结合GRAPPA技术和单次屏气true FISP电影分别结合TGRAPPA及TmSENSE技术测得的左、右心功能指标间差异均无统计学意义(P>0.05)，测量的结果具有较好的一致性。2位放射科医师所测得左右心功能指标相关性高(ICC接近1)。

2.图像CNR比较

CNR在各组间的差异具有统计学意义(P<0.01)，其中多次屏气true FISP电影结合GRAPPA技术的CNR最高，为188.8±55.2，单次屏气true FISP电影分别结合TGRAPPA及TmSENSE技术的CNR有所下降，分别是111.7±28.7及77.3±19.7，两两比较后true FISP电影结合TmSENSE技术的CNR较TGRAPPA下降更加明显。

3.图像质量评分

三种成像序列所得的图像，心内膜均清晰可辨。多次屏气true FISP电影结合GRAPPA的评分为3.9±0.4、单次屏气true FISP电影结合TGRAPPA为3.7±0.7及TmSENSE的评分为3.0±1.0，评分的差异具有统计学意义(P<0.01)，两两比较后发现，单次屏气TGRAPPA的图像质量与多次屏气true FISP电影结合GRAPPA无明显差异(P>0.05)；单次屏气TmSENSE技术的图像质量次于单次屏气TGRAPPA及多次屏气GRAPPA电影(P值=0.02)，见图1、2。在心率失常患者的检查中，多次屏气true FISP电影结合GRAPPA技术所获得的图像伪影较多，图像质量差，TGRAPPA所获得的图像质量较好(图3)。

图1 三种成像方法图像质量评分情况。

图2 a) 多次屏气true FISP电影结合GRAPPA技术的心脏收缩末期短轴图像，心内膜清晰可辨，图像质量佳； b) 单次屏气 true FISP电影结合TGRAPPA技术的心脏收缩末期短轴图像，图像质量稍下降，但与GRAPPA接近； c) 单次屏气 true FISP电影结合TGRAPPA技术的心脏收缩末期短轴图像的图像伪影明显增多，图像质量下降较明显。 图3 心率失常患者。a) 传统GRAPPA 的四腔心图像可见心律不齐导致的伪影，心内膜显示欠清； b) TGRAPPA技术所得的图像，伪影较少，心内膜清晰可辨。

讨 论

心脏MR有着出色的时间及空间分辨力，MR是当前公认测量心功能的金标准。临床常用单层真实稳态自由进动采集电影成像序列，需多次屏气逐层扫描才能完成心功能的分析，应用GRAPPA并行采集技术可以缩短检查时间，但是时间缩短有限，仍然不能达到一次屏气完成全心的扫描的要求，需要多次屏气，这会造成因频繁屏气引起的层面偏差及屏气疲劳所致的呼吸伪影，特别是老年人及危重患者[6]，本文旨在探寻一种更高效、更快捷的心功能成像方法。

提高MR的成像速度，以前主要依靠提高场强梯度及切换率，但是由于硬件及生理上的限制，发展的空间有限，因此，并行采集技术具有广阔的应用前景，也是目前的研究热点。MRI并行采集图像重建算法主要分为2类：一类是基于图像域的重建方法，如敏感性编码(sensitivity encoding，SENSE)和PILS，这类方法对先对各个线圈的k-空间数据分别进行快速傅里叶反变换 (fast fourier transform inverse，IFFT)，得到各个线圈有卷褶伪影的图像，再利用不同方法对卷褶的图像进行展开，以得到一副全FOV无卷褶图像，SENSE提高了MRI的采集速度，但是以牺牲图像的信噪比为代价[7]，改良敏感性编码(modified sensitivity encoding，mSENSE)为自动矫正的SENSE算法，运用了自动校正线圈敏感度估计方法，它无需进行预扫描；另一类是基于k-空间重建方法，如GRAPPA，这类方法首先利用多个线圈的欠采样数据，对k-空间未采集的数据进行恢复，得到完整空间数据后，再进行IFFT重建得到图像。GRAPPA同样运用了自动校正线圈敏感度估计方法，它可以解决基于K空间重建算法的相位错误，信噪比降低等问题[8]。动态线圈敏感度校正法首先运用于去除傅立叶编码在时间上的重叠(unaliasing by fourier-encoding the overlaps in the temporal dimension，UNFOLD)技术，后运用于TGRAPPA[9]及TmSENSE[10]，进一步提高了图像的时间分辨力，尤其适用于需动态采集的检查，例如心脏MR，TmSENSE是mSENSE的改进型。TPAT技术具有以下优点：①和自动校正线圈敏感度校正相比，动态线圈敏感度校正法不需要额外扫描时间；②线圈位置的移动对线圈敏感值的估计影响比较小。有学者[11]将GRAPPA和mSENSE技术的图像质量进行比较，发现GRAPPA技术的图像质量优于mSENSE，本研究发现TGRAPPA的图像质量好于TmSENSE，可能与两种技术的重建方式有关。采用TPAT技术以后，可在一次屏气周期中快速准确完成心功能分析所需的6～10层心室短轴切面的扫描，极大的减少了检查时间，降低患者频繁屏气所致的层面偏移和屏气疲劳所致的呼吸伪影，提高了成像的效率和图像的质量，这与先前的报道相符[12-14]。

目前心脏MR尚难以临床广泛开展的原因之一为成像时间长，因此快速成像技术具有不可估量的潜在应用价值。本研究中使用TPAT技术能在短短十几秒内获得全心的图像，并能准确得到心功能数据，比传统电影节约了大量时间成本，相较于心超的耗时也毫不逊色，并且测量结果更加准确。特别是大型的综合医院，心脏MR的成像时间长与庞大的患者数量形成了突出的矛盾，急需一种解决方案。虽然TPAT技术对磁共振仪器以及配套软件有一定的要求，但是一般的大型综合医院基本可以满足，对于小型医院，如果磁共振性能和配套软件能够满足要求，也是能够使患者和医院同时受益的。所以联合TPAT技术能够在单次屏气内完成覆盖全心的短轴位电影扫描，对于临床应用来说，特别是患者较大的综合性医院来说，是十分有利的。本研究发现传统稳态自由进动采集的电影成像方法，在患者心律整齐、能很好屏住呼吸的情况下，毋容置疑，可获得非常出色的总体图像质量以及心肌/血池图像对比，但是多次屏气操作繁琐，对患者依从性要求高，对于不能耐受多次屏气的患者，图像质量会受影响，此外，如果患者出现频发的心律不齐，将严重干扰传统的采用回顾性心电门控的电影成像序列。联合TPAT技术后，虽然CNR有所下降，但是心内膜还是清晰可辨的，本组实验中具体测得的心功能参数EF、EDVI、ESVI及SV在各组序列间无明显差异， TPAT技术单次屏气心功能结果与标准的多次屏气序列的一致性良好。理论上来说，联合应用TPAT技术后，患者可以在自由呼吸状态下完成心功能电影扫描，有文献[15]报道自由呼吸下TSENSE技术获得的图像具有诊断意义，但是考虑到自由呼吸状态下，心房心室的容积可能与屏气状态有所差异，因此本研究采用屏气状态，尽量与传统的成像序列保持一致，增加可比性。本研究还观察到，在心率不齐的患者中，发现TGRAPPA的图像质量明显高于标准多次屏气序列，伪影较少，还可以观察到期前收缩，这可能与采用前瞻性心电门控，空间敏感性信息按帧实时自动纠正有关，所以TPAT技术适用于不能耐受屏气，严重心率不齐的患者，可以提高图像质量，更好的评估心功能。本研究发现，从主观评分来说，TmSENSE图像的伪影比较多，TGRAPPA的图像质量比TmSENSE更胜一筹，临床工作中选择TPAT模式时，推荐使用TGRAPPA。

在左心功能的指标中，有报道[16]认为标准多次屏气序列所测得的部分指标有可能较单次屏气TPAT序列的值大，可能是标准序列采用的是回顾性心电门控，信号采集窗覆盖整个心动周期。然而，TPAT并行采集序列运用的是前瞻性心电门控，信号采集窗覆盖心动周期的80%～90%，可会对心功能指标产生影响，使相应指标变低。在本研究中，心室功能指标中没有观察到相应现象(P>0.05)，推测单次屏气TPAT电影成像中，大部分患者的舒张末期和收缩末期已经涵盖在数据采集中，也有可能这种差异本身较小，本研究的样本量不够大，还不能检测出来。由于前瞻性门控可能存在上述的问题，后期需要扩大样本量，根据患者心率等情况进一步分组，深入研究在何种情况下，前瞻性门控单次屏气成像心功能分析的指标会偏小。 本研究旨在寻找适合临床应用的高效电影扫描序列，三种序列都应用了平行采集，在分析CNR时，难以估算线圈几何因子的影响，这会使测量值与真实值之间可能存在一定偏差，但是在图像主观评价时，也能够观察到TPAT对图像CNR的影响，与本研究中CNR客观数据比较结果一致。 TGRAPPA及TmSENSE技术除了在心功能评价方面发展空间较大，在心肌首过灌注血管对比增强动态扫描、主要实质脏器，如肺、肝、肾及心血管介入方面也有很大的价值[17]，值得进一步发展及挖掘。

总之，TPAT技术可大幅度提高心脏MR的成像效率，应用TGRAPPA及TmSENSE均可在单次屏气过程中完成左右心功能的评价，获得相应数据，TGRAPPA图像质量优于TmSENSE，TPAT技术有望克服心脏MR成像时间长的缺点，达到快速扫描的目的，促进心脏MR成像的普及，使之能在临床得到更广泛的应用，更好的服务于临床使更多患者受益。