3.0T磁共振无对比剂冠状动脉血管成像的可行性

代静文，曹 剑，林 路，李 潇，王怡宁，金征宇

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院放射科，北京 100730

近20年来，冠状动脉磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)技术得到了较快的发展[1]。相较于冠状动脉造影的有创性、冠状动脉CT血管成像(computed tomography angiography，CTA)的辐射性，MRA具有无创、无辐射、不受高钙化伪影干扰等优势。此外，冠状动脉MRA可以通过组织自身信号对比成像，不依赖磁共振对比剂的使用[2]。无对比剂MRA亦为肾功能不全及对比剂过敏患者提供了新的可供选择的检查模态。目前，无对比剂MRA在冠心病冠状动脉狭窄的研究多在1.5T场强磁共振进行[3]。而3.0T磁共振相较于1.5T具有较高的信噪比、对比噪声比及空间分辨率，但同时由于场强升高导致的磁场不均匀性及射频沉积效应的增加，使得图像质量受运动影响更大[4]，目前，3.0T无对比剂冠状动脉MRA在冠状动脉成像的可行性尚不明确。本研究评估3.0T无对比剂MRA的图像质量及其影响因素，以期为今后的临床应用提供参考。

对象和方法

对象选取2016年11月至2018年10月在北京协和医院就诊的可疑冠心病患者24例及36名志愿者。其中男41例、女19例，平均年龄(50.0±14.5)岁(26～79岁)。平均体质量指数(body mass index,BMI)(25.7±3.7)kg/m2。健康志愿者入选标准：既往无心血管系统、呼吸系统等对本项检查有潜在影响的疾病史。冠心病患者入选标准：临床疑诊或确诊冠心病，签署知情同意书拟行心脏磁共振成像检查的患者。排除标准：(1)既往行介入支架置入术；(2)冠状动脉旁路移植术后；(3)严重心律不齐；(4)存在磁共振检查相关禁忌证，包括体内有不兼容的起搏器、埋藏式心律转复除颤器及金属植入物，严重幽闭恐惧症。本研究经北京协和医院伦理委员会批准，所有患者扫描前均签署知情同意书。

方法采用西门子3.0T 磁共振 (MAGNETOM Skyra，Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)进行冠状动脉MRA检查：患者取仰卧位，于胸前壁粘贴心电图电极片，连接R波触发心电门控。于患者中腹部环绕腹带，并嘱患者在检查过程中配合呼吸指令。扫描步骤：采用2D 稳态自由进动序列获得覆盖胸部及上腹部连续轴位及冠状位图像，采用2D 平衡式稳态自由进动序列屏气获得四腔心层面电影。冠状动脉MRA成像采用心电及呼吸门控技术全心冠状动脉MRA序列，在膈肌最高点设置导航条，每个呼气末采集，呼吸门控采集窗为5 mm。西门子3.0T 磁共振扫描参数如下：重复时间=3.3 ms，回波时间=1.48 ms，T2脉冲准备时间=50 ms，翻转角=20°，带宽610 Hz/像素，重建分辨率=0.6 mm×0.6 mm×1.0 mm。

图像后处理图像分析在 SyngoMMPW VE40A工作站进行，对MRA图像进行曲面重建、最大密度投影等后处理，并结合原始轴位图像进行评估。

图像质量评价根据美国心脏协会推荐的冠状动脉分段标准[5]。由2名经验丰富的高年资医师根据管腔锐利程度及伪影影响程度对图像质量进行评分，评分不一致时，两者协商获得一致结论。图像质量评分分为1～4分，具体为：(1)4分：优，血管显示清晰，管腔边界锐利；(2)3分：良，血管显示较充分，管腔边界轻度模糊；(3)2分：中，血管可见，管腔边界较模糊，影响管腔评估；(4)1分，差，伪影严重，管腔模糊或不可见。图像质量评分≥3分认为该节段图像质量具有诊断价值。研究对象存在≥5个冠状动脉节段评分3～4分者定义为图像质量合格；图像质量评分3～4分<5个节段者定义为图像质量不合格。根据膈肌导航连续记录自由呼吸状态下膈肌位置，呼气末膈肌位移为采集过程中在呼气末膈肌位置坐标最大差值，自由呼吸膈肌运动幅度为采集过程中吸气末与呼气末膈肌位置坐标最大差值。

统计学处理采用SPSS 20.0软件，计数资料采用频率或构成比(%)表示，计量资料采用均数±标准差表示。两组间年龄、心率、BMI等基本参数数据，符合正态分布的计量资料组间比较采用t检验，不符合正态分布的计量资料组间比较采用秩和检验。冠状动脉图像质量评分数据比较，采用多组等级资料Friedman秩和检验，并用Bonferroni方法校正两两比较结果。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

一般情况59例志愿者及患者完成冠状动脉MRA检查，1例志愿者因幽闭恐惧未完成检查，受试者平均心率为(69.24±10.93)次/min，MRA平均扫描时间为(10.05±3.48) min。

MRA主观图像质量主观图像质量优为112个(21.1%)节段(近段为66个节段、中段为27个节段、远段为19个节段)、良为198个(37.3%)节段(近段为111个节段、中段为47个节段、远段为40个节段)、中为132个(24.9%)节段(近段为37个节段、中段为28个节段、远段为67个节段)、差为89个(16.8%)节段(近段为22个节段、中段为16个节段、远段为51个节段)。冠状动脉血管节段图像质量比较显示同一冠状动脉不同节段间图像质量评分差异有统计学意义(P均=0.000)。随后，进一步对同一冠状动脉不同节段进行两两比较显示前降支近中段图像质量高于其远段(P=0.000)，回旋支近段图像质量高于其远段(P=0.000)，右冠状动脉近段图像质量高于其远段(P=0.001)。

图像质量影响因素59例志愿者及患者中图像质量合格为38例(64.4%)，图像质量不合格为21例(35.6%)。图像质量合格组的BMI、心率均低于不合格组(P均=0.002)，图像质量合格组的呼吸末膈肌和自由呼吸膈肌运动幅度均低于不合格组(P=0.013，P=0.012)(表1，图1、2)。

表1 图像质量合格与不合格组相关因素的比较Table 1 Comparisons of relevant factors between good and poor image quality groups

BMI：体质量指数；LAD：左前降支；MIP：最大密度投影；LCX：左回旋支；RCA：右冠状动脉
BMI：body mass index；LAD：left anterior descending coronary artery；MIP：maximum intensity projection；LCX：left circumflex coronary artery；RCA：right coronary artery
A. LAD MIP图像；B. LCX MIP图像；C. RCA MIP图像；D. RCA远段MIP图像
A. LAD in MIP；B. LCX in MIP；C. RCA in MIP；D. RCA distal segment in MIP
图1患者，女，60岁，BMI为22.8 kg/m2，扫描时心率52次/min，呼气末膈肌位移为3 mm，自由呼吸膈肌运动幅度为14 mm，图像质量合格
Fig1A 60-year old female patient in the good image quality group,she had BMI of 22.8 kg/m2，heart rate of 52 beat/min，end-expiratory diaphragm displacement of 3 mm，and diaphragm respiratory motion amplitude of 14 mm

A. LAD MIP图像；B. LCX MIP图像；C. RCA MIP图像；D. RCA远段MIP图像
A. LAD in MIP；B. LCX in MIP；C. RCA in MIP；D. RCA distal segment in MIP
图2志愿者，男，50岁，BMI为32.9 kg/m2，扫描时心率81次/min，呼气末膈肌位移为5 mm，自由呼吸膈肌运动幅度为21 mm，图像质量不合格
Fig2A 50-year old male volunteer in the poor image quality group,he had a BMI of 32.9 kg/m2，heart rate of 81 beat/min，end-expiratory diaphragm displacement of 5 mm，and diaphragm respiratory motion amplitude of 21 mm

讨 论

冠状动脉MRA图像质量是限制其广泛应用于临床的主要因素之一。目前，冠状动脉MRA成像的主要成像难点之一即为呼吸运动和心脏搏动产生的双重运动伪影，加之冠状动脉管腔细小，空间解剖结构较复杂，对图像分辨率及图像质量要求较高[6]。

以往冠状动脉MRA研究多在1.5T磁共振上进行，采用稳态自由进动序列(steady state free procession，SSFP)无需使用对比剂即可获得较满意的图像对比度。而相对于1.5T，虽然3.0T设备场强的提升理论上可以增加图像信噪比，但是同时由于场强不均匀性增加、射频脉冲的沉积效应及偏共振效应的增加，导致在实际操作中，图像信噪比的提高并不能有效地转化为图像质量的提升。本研究采用梯度回波序列，相较于SSFP能够更好地减少3.0T设备导致的磁场不均匀性增加的不良影响，提高图像质量。本研究结果显示冠状动脉3支近中段主观图像质量评分均在2分以上，提示3.0T磁共振MRA在显示冠状动脉近中段方面具有较好的可行性，而左前降支(left anterior descending coronary artery，LAD)及左回旋支(left circumflex coronary artery，LCX)远段图像质量较差。这与以往1.5T无对比剂冠脉MRA研究结果相似[7]，可能由于冠脉远段管腔细小，对图像分辨率及图像质量要求较高，且LAD及LCX在心动周期内相对静止不动的时间较右冠状动脉(right coronary artery，RCA)短[8]，其受心脏搏动伪影的影响更大，进一步降低了图像质量。

冠状动脉MRA扫描过程中将数据采集窗精确地设置在心动周期中冠状动脉相对不动的时相内，可以有效地抑制心脏搏动的伪影，而在一个R-R间期内，冠状动脉静止不动的时相与心率密切相关，心率≤70 次/min时，冠状动脉最佳采集窗位于舒张中末期。心率增加，R-R间期缩短，此时舒张期缩短幅度远大于收缩期，心率>70 次/min时，最佳采集窗位于收缩末期[9]。在1.5T磁共振中，不同心率组冠脉MRA图像质量无差异[7]。本研究图像质量合格组平均心率明显低于不合格组。这可能由于3.0T场强增加导致其对运动更敏感，而心率较低患者冠状动脉运动状态较为稳定，冠脉静止时相相对较长。此外，随着心率的增加，冠脉最佳采集窗缩短，扫描时间延长，在扫描过程中出现心率波动及呼吸不稳定的可能性增大，进一步降低图像质量。Gharib等[10]在3.0T磁共振的研究显示，在舒张期及收缩末期分别采集获得的冠脉MRA，其图像质量无差异，但该研究仅评估了RCA的图像质量，未评估LAD及LCX，而LAD及LCX在R-R周期中相对不动的时相与RCA不尽相同，且时长短于RCA。此外，在常规扫描中MRA采集窗通常为50～150 ms，该研究采集窗设置较短，尤其是收缩期(35 ms)，缩短采集窗可以提高图像质量，从而可能导致收缩期与舒张期图像质量差异的减小。

自由呼吸冠状动脉MRA多采用呼吸导航技术在呼气末采集信号，根据膈肌位置进行运动校正从而最大限度抑制呼吸运动伪影。不同人群呼吸幅度、方式及呼吸频率也不尽相同，更好地进行扫描前呼吸训练一直是提高图像质量、缩短扫描时间的有效方法之一[11]。而目前关于冠脉MRA扫描最优化的呼吸方式尚不明确。本研究显示图像质量合格组的膈肌运动幅度及呼气末膈肌位移更小，提示较浅且规律的呼吸更有利于图像质量的提高。Ishida等[12]研究显示，腹带的运用可以通过限制呼吸运动幅度、提高呼吸频率达到提升图像质量的目的，而本研究结果显示在运用腹带的基础上，较浅的呼吸幅度可以进一步地优化图像质量，提示未来腹带及浅快呼吸模式训练的双重呼吸管理方式可以最大化地减少图像呼吸伪影、优化图像质量。此外，传统的呼吸导航技术导航条仅在上下方向进行呼吸运动的矫正，而无法评估呼吸运动膈肌在其他方向上的位移，He等[13]和Ginami等[14]采用自动呼吸导航仿射变换技术回顾性地进行呼吸矫正，更好地减少呼吸伪影，在冠状动脉MRA成像及冠心病诊断方面表现出了较好的可行性。

关于BMI对冠状动脉MRA图像质量的影响，国内外文献报道较少。但在腹部磁共振成像检查中，由于肥胖导致的射频脉冲衰减及射频干扰相关伪影会降低图像质量。本研究BMI低的患者其图像质量较好，可能是由于BMI较高的患者体脂肪较多，采集区域到表面线圈的距离增加导致图像信噪比下降[15]。此外，由于胸壁脂肪较厚，其呼吸运动所产生的伪影信号更明显，进一步减低了图像质量。未来高性能线圈及心脏线圈的开发及应用，有望解决这一问题[16]。

本研究显示冠状动脉MRA在显示冠状动脉近中段方面效果较好，但是对于冠状动脉远段及细小分支评估价值有限。心脏磁共振具有多序列多参数的特点，研究显示心肌应变[17]、心肌组织T1值[18]、负荷灌注ΔT1[19]等定量参数可以在无对比剂情况下评估心肌缺血，将来有望与冠状动脉MRA技术结合开发“一站式”无对比剂冠心病心脏磁共振评估体系，弥补冠状动脉MRA评估远段血管的缺陷，力求在一次检查中完成包括心脏结构功能、冠状动脉形态及心肌定量评估的“一站式”全面影像评价。此外，与冠状动脉CTA因钙化伪影导致的对高钙化冠脉狭窄程度过高估计不同，磁共振对钙化不敏感，研究显示对重度钙化积分的冠心病患者，MRA可以更准确地评估冠状动脉的狭窄程度，与CTA对比，MRA与冠状动脉造影具有更好的一致性[20]。

本研究主要不足在于：(1)样本量较少；(2)仅评估冠状动脉主要3支血管，没有对冠状动脉细小分支进行评估；(3)仅评估冠状动脉MRA图像质量，在评估冠状动脉MRA对冠心病诊断价值方面，缺少冠状动脉造影“金标准”的对照；(4)图像质量评估为主观评分，存在偏倚。

综上，本研究显示3.0T磁共振无对比剂冠状动脉MRA各节段图像质量评分均在2分以上，提示3.0T磁共振无对比剂MRA可适用于冠状动脉血管成像。心率及呼吸是影响3.0T磁共振无对比剂冠状动脉MRA成像质量的关键因素，未来可以通过控制心率及呼吸因素进一步优化图像质量。