在心房颤动患者中延迟强化核磁共振成像评估左房纤维化的方法和临床应用

吴艳芳 高鹏 方全

在心房颤动(简称房颤)患者中,心房纤维化是致心律失常和血栓栓塞发生的重要基质[1]。然而,在临床应用中很难通过心房组织活检进行心房纤维化的评估。以往多采用心内电解剖标测,随者核磁共振成像硬件和软件的提高,延迟强化核磁共振成像(delayed enhancement magnetic resonance imaging,DE-MRI)逐渐受到认可。笔者就DE-MRI评估心房纤维化的原理、方法和临床应用进行综述。

1 DE-MRI评估心房纤维化的原理

在DE-MRI中,影响图像中最终体素信号强度的主要组织参数包括局部的灌注、细胞外容积、血管间水交换速率、间质与细胞间隙以及对比剂的洗入和洗脱动力学[2]。心肌纤维化组织内由于细胞外容积增加以及毛细血管密度下降导致对比剂洗脱延迟,浓度增加。对比剂能缩短组织的T1弛豫时间,因此在T1加权像中纤维化组织比正常组织有更高的信号强度。DE-MRI常用钆作为对比剂,也称为钆延迟强化核磁共振成像(late gadolinium enhancement MRI,LGEMRI)。Mcgann等[3]证实了LGE-MRI识别的左房强化区域与左房外科活检标本中纤维化组织的相关性。其对比了9例房颤患者和1例非房颤患者的14个活检标本与相对应的LGE-MRI区域,结果发现纤维化组织与DE-MRI中左房强化区域相匹配,正常活检组织与左房非强化区域相对应。此外,DE-MRI的强化区与电解剖双极电压标测的左房低电压区也有较高的相关性。Spragg等[4]纳入10例房颤复发后进行二次消融的患者,消融术前行DE-MRI,术中行左房高密度电压标测(＞100点)。其将DE-MRI识别的瘢痕与电压电解剖标测图中的低电压区(定义为双极电压≤0.5 mV)进行对应。研究结果发现MRI延迟强化区域识别低电压区的敏感性和阳性预测值分别是0.84(95%CI 0.80～0.87)和0.68(95%CI 0.63～0.73)。Zghaib等[5]纳入26例行房颤导管消融的患者,消融术前行LGE-MRI,术中窦性心律(简称窦律)下行逐点标测(＞100点)和快速解剖标测(＞1 000 点),在LGE-MRI中用局部图像强度比(image intensity ratio,IIR)标化心肌信号强度。结果显示:局部IIR 每增加1个单位,双极电压降低57%(P＜0.0001);IIR＞0.74 与快速解剖标测时双极电压＜0.5 m V 相对应。

2 DE-MRI评估心房纤维化的方法

2.1 DE-MRI左房成像 成像设备可选取1.5T 或3.0T 的核磁扫描设备,高场强的扫描仪器可能获得更好的空间分辨率。为减少心脏运动伪影以及延长数据采集时间,图像采集通常在左房舒张期。采用心电触发门控,根据心率和节律调整获取兴趣窗的时间,将采集的时间控制在RR 间期的20%以内。相比于稳定RR 间期患者,心律不齐患者的左房成像存在一定的困难。对于这些患者,需要在扫描前进行电复律或使用药物复律以恢复窦律;或者控制心室率,在R 波之后的早期进行数据的采集,采集时间缩短至平均RR 间期的10%～20%[6]。在成像过程中,有心肺疾病的患者很难坚持长时间屏气,常规的屏气成像难以进行。因此,成像过程中常会采用呼吸导航以减少自由呼吸时呼吸运动产生的伪影。一般LGE-MRI左房成像在注射钆对比剂后的10～20 min进行。由于反转恢复序列具有强T1对比性,成像时可设定针对某一组织的T1值以饱和该组织产生具有特征性对比图像。相位敏感检测则通过降低组织T1 值改变的敏感性以实现多层成像时连续地较好的对比度;通过降低背景噪声,改善高信号区域(如血池和纤维化组织)和低信号区域(如正常心肌)的对比剂-噪声比[7]。因此,左房成像常用相位敏感反转恢复序列(phase sensitive inversion recovery,PSIR),以使纤维化心肌与正常心肌的对比度最大化。近年来,黑血PSIR 序列(如IR-T2PREP)也逐渐被应用于心脏纤维化成像中[8]。其通过额外的T2准备、选择性延迟和PSIR重建,提高了纤维化组织和血池的对比度,以便于更好地显示心内膜边界。

2.2 图像处理与分析 通过DE-MRI获得高分辨的左房成像后,还需要进行左房房壁的分割、纤维化心肌的判定和图像的可视化及定量计算。

在早期的研究中,左房的分割主要由有经验的放射科医师根据对左房及周围组织解剖结构的了解及认识,利用手动分割软件(如3D slicer、ITK-SNAP)勾勒出每层图像中左房房壁内膜、外膜的边界以及肺静脉口。手工分割是左房房壁分割的金标准,但整个过程耗时长,需要临床医师从不同层面、多个视角确定心房的边界,且容易受主观因素影响,这极大地限制了其在临床的推广应用。许多研究者逐渐探索并开发出了心房分割的半自动和全自动算法。大多左房分割算法依赖于提取血池来分割左房,但左房周围的解剖结构(如降主动脉、冠状静脉窦)因与血池有相似的信号强度,会经常误导图像驱动的算法。此外,不同个体肺静脉数目差异和左心耳形态及大小的变异限制了全统计模型算法的应用。Tobon-Gomez等[9]报告8种心房分割算法对30个MRI数据集分割结果,并评估了每种算法的优势和劣势。结果表明,将统计学模型和区域增长相结合的方法是最合适处理此MRI数据集的方法。随着深度学习神经网络和人工智能的发展,Xiong等[10]利用154例房颤患者的三维LGE-MRI图像,尝试从影像的不同尺度上充分挖掘图像信息,设计了双支神经网络进行心房内外膜的分割算法-Atrial Net。Atrial-Net可捕获局部心房组织的几何结构和左房的整体位置信息,通过高效的批量预测,可在1 min 内成功处理每一个LGE-MRI图像,被认为是目前左房分割的最稳固的方法。

左房房壁分割后需要设置阈值以区分健康心肌和纤维化心肌。不同医学研究中心对左房纤维化心肌的定义不同。犹他医学院根据钆强化的不同程度来区分健康心肌和纤维化心肌,正常心肌定义为其信号强度为左房房壁最大信号强度2%～40%间的心肌,纤维化心肌定义为信号强度高于正常心肌平均值2～4个标准差的心肌[11]。弥漫性心肌纤维化的患者由于缺乏正常心肌信号的参考,该种方法难以适用。另一些研究团队以左房血池信号作为参考来识别强化的左房房壁,以IIR 作为区分的指标。其将左房房壁分为20个节段,某一节段房壁的信号程度与血池的信号程度之比即为IIR[12]。IIR 的使用在一定程度上避免了观察者对钆强化程度的判断差异,提高了客观性和普遍性,然而,判定纤维化心肌的IIR 阈值尚未达成一致。约翰霍普金斯大学的研究团 定 义IIR ＞0.97 为LGE,定 义IIR ＞1.61 为 致 密LGE[12－13]。巴塞罗那大学的研究团队则推荐IIR＞1.32为消融后的致密瘢痕,IIR 1.2～1.32为间质纤维化,IIR＜1.2为健康心房肌[14]。IIR 阈值的差异可能是由于扫描仪器的场强不同、对比剂不同、对比剂注射后与LGE-MRI扫描间的时间间隔不同。

Peter等[15]利用Matlab软件通过设定瘢痕阈值识别出每一层图像中不同区域的瘢痕,分析并计算出瘢痕的总体积(图1);然后通过解剖标志和图像的坐标将三维的LGEMRI与增强的MRI血管图像进行配准,最终形成左房瘢痕的三维图像。DECAAF研究[16]使用Corview 进行图像处理和分析,该软件由犹他大学设计开发,可实现左房房壁的分割、纤维化的判定以及三维模型的输出。在左房纤维化的三维可视化中,健康组织用蓝色表示,LGE 组织用绿色和黄色表示。根据纤维化与左房壁体积的百分比,将LGE-MRI图像分为4 期:UtahI期＜10%;UtahII期10%～20%;Utah III期20%～30%;Utah IV 期≥30%。

图1 瘢痕体积的测定方法

3 DE-MRI评估心房纤维化的临床应用

3.1 房颤消融术前评估 消融前DE-MRI对心房纤维化的评估可以判断预后,指导选择合适的房颤患者进行导管消融。何蓉等[17]提出房颤患者消融术前常规进行LGE-MRI检查评估左房纤维化程度,可以帮助临床医师科学筛选消融患者以及决定消融策略。DECAAF研究[16]纳入260例首次导管消融的房颤患者,消融前用LGE-MRI对左房纤维化进行定量评估,依据上述LGE-MRI图像的分期将患者分为4组,平均随访213天,观察消融后房颤的复发。结果显示,左房纤维化比例每增加1%,术后房颤复发的风险增加6%(3%～8%)。Higuchi等[18]推荐基于DE-MRI Utah分期对房颤患者进行个体化的治疗。Utah I期(＞5%)、UtahII期(5%～20%)和局限性纤维化的Utah III期(20%～35%)适合消融治疗;而弥漫纤维化的Utah III期和Utah IV 期(≥35%)只适合药物治疗。此外,房颤消融术前评估有助于术中制定合适的消融策略。刘俊君等[19]提出环肺静脉电隔离联合纤维化的基质改良策略有望进一步提高非阵发性房颤的消融成功率。

3.2 房颤消融术后评估与随访 对于消融中行左房基质改良的患者,通过在消融前后行DE-MRI评估左房纤维化,计算左房残存纤维化,进而预测术后房颤的复发。Akoum等[20]纳入DECAAF研究中的177例房颤患者,于消融前和术后90天行DE-MRI检查,将术后左房纤维化减去术前基线纤维化得到消融瘢痕,然后再以基线的纤维化减去消融瘢痕得到左房残存纤维化。随访325天,35%的患者出现房颤的复发,分析发现残余纤维化每增加1%,房颤复发风险增加8%(P＜0.01)。此外,通过对房颤患者定期行DE-MRI检查,评估左房纤维化的进展,可以预测消融后未来心律失常复发的风险。

3.3 提高对血栓栓塞风险人群的识别 目前推荐房颤患者血栓栓塞风险的评估采用CHA2DS2-VASc评分方法,但该评分方法仍有一定的局限性,部分低评分患者仍有发生血栓栓塞的风险。研究表明,DE-MRI中较高的左房纤维化百分比与既往卒中和左心耳血栓有明显的相关性。Daccarett等[21]入组387例行DE-MRI的房颤患者,其中有卒中史的患者36例,对比有卒中史和无卒中史患者的左房纤维化百分比。结果显示,有卒中史的患者有更高的左房纤维化百分比(24.4%±12.4%vs 16.2%±9.9%,P ＜0.01)。Akoum等[22]入组178例房颤患者,消融或转复前行LGE-MRI和经食管超声心动图(transesophageal echocardiography,TEE)检查,分析DE-MRI中左房纤维化百分比和TEE异常(左心耳血栓或血流自显影)的关系。该研究通过TEE 发现12例患者有左心耳血栓,19例有血流自显影。研究表明:相较于无血栓者,有血栓者有更高的左房纤维化百分比(26.9%±17.4%vs 16.7%±10.5%,P＜0.01);相较于无血流自显影者,有血流自显影者有更高的纤维化百分比(26.3%±13.7%vs 16.7%±10.8%,P＝0.01);结合房颤类型、高纤维化百分比和CHA2DS2-VASc的TEE异常预测模型的曲线下面积高于单独的CHA2DS2-VASc预测模型(0.73 vs 0.65)。因此,将CHA2DS2-VASc评分与DE-MRI左房纤维化评估相结合后,对左心耳血栓及未来卒中事件预测的敏感性可能会更高。

4 总结

心房纤维化与房颤的维持、复发及心房内血栓的形成密切相关。随着DE-MRI左房成像及图像后处理技术的发展,DE-MRI越来越多地应用于左房纤维化评估的临床研究中。DE-MRI作为无创性、可重复的影像技术,可以用于筛选适合导管消融的房颤患者,预测导管消融的效果,帮助识别高血栓风险患者。将来,DE-MRI可能作为协助临床医师进行房颤患者管理的重要工具。