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*

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[11-14]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。

利益冲突：无。