胎儿心脏MRI 新技术及对心血管系统的量化评估

刘可 董素贞*

先天性心脏病（congenital heart disease,CHD）简称先心病，是最常见的胎儿先天畸形，在活产婴儿中发生率为0.6%～1.2%[1]。CHD 可以引起心脏及大血管的局部解剖结构异常，还可以引起血流动力学和心功能的异常。产前准确评估血流动力学和心功能对于CHD 胎儿治疗方式的选择和预后的改善至关重要。

超声心动图是目前产前评估CHD 胎儿血流动力学和心功能的最主要方法，但是超声心动图受羊水过少、孕周过大、胎儿体位、胎儿肋骨钙化、多胎和母体情况（如母体肥胖、合并子宫肌瘤等）的影响[2-3]。这些影响因素导致超声心动图不能清晰显示和评估胎儿心血管解剖结构、血流动力学和心功能。MRI 对胎儿无损伤和副作用[4]，而且MRI 能够显示在超声心动图上显示不清的CHD 胎儿[5]。但是，由于胎儿心脏体积和结构较小，加之不断运动和心率较快会产生运动伪影，以及缺乏满意的心电门控技术等，限制了MRI 产前评估CHD 胎儿的血流动力学和心功能[5]。

本文就目前可以应用的胎儿心电门控技术和心脏 MRI 新技术如 4D 血流 MRI（4D FLOW MRI）、相位对比MRI（phase-contrast MRI,PC MRI）等在胎儿心血管结构与CHD 评估方面取得的进展进行综述，并阐述心脏MRI 新技术在胎儿心血管系统结构和功能中的量化评估作用。

1 心电门控技术

目前研究报道可以应用的心电门控技术有度量优化门控（metric optimized gating,MOG）、自门控、多普勒超声（doppler ultrasound, DUS）门控等[4，6-7]。MOG 是通过合成触发器获取k 空间数据，采集胎儿心率。Bidhult 等[8]通过血流模型获取了血流偏差值和变异率，表明MOG 门控技术与常规门控技术之间具有良好的一致性，而且MOG PC MRI 对一定范围内的胎儿血流进行测量具有可行性，利于临床医生更好地监测胎儿的血流动力学信息。但是，数据采集与重建比较复杂，且需要较长的运算时间。Han等[9]提出了一种新的心脏运动自门控方法，即在不使用传统心电图（echocardiography,ECG）门控的情况下，采用自门控电影序列精准地检测出心脏触发信号，从而获得高质量的电影影像并有望替代传统ECG 门控。自门控是使用各种k 空间轨迹进行数据采集，通过多途径来获取胎儿心脏周期，但其触发信号的获取会受到环境噪声的影响，无法在检查期间获取胎儿心脏影像。Haris 等[10]使用DUS 门控对胎儿运动进行加速数据采集，成功地在孕妇自由呼吸的情况下获取胎儿动态电影影像，DUS 是直接通过血流和室壁的运动反映心脏的生理活动，因此能够获取更加准确实时的胎儿心脏运动信息。

2 心脏MRI 新技术

2.1 结构成像序列 单次激发快速自旋回波（singleshot fast spin-echo, SSFSE） 序列和稳态自由进动(steady-state free precession,SSFP) 序列是目前应用于胎儿心脏MRI 的最主要序列。SSFSE 序列是射频脉冲和回波脉冲依次交替激发进行重建图像，可以在2 s 内生成与血管和周围组织结构具有较好对比度的高分辨力影像[11]。其中，血流呈现黑色低信号，周围组织呈现明亮的高信号。有研究[12]采用SSFSE序列数据进行三维重建，实现了CHD 心外血管的可视化。SSFP 序列是以梯度回波为基础，经过多次快速激发后，重聚横向剩余磁化矢量，获得较少运动伪影的胎儿心脏影像[13]。SSFP 采集数据时间非常短，并且能在心肌和血液之间形成良好的对比度，获得显示心内外解剖结构的最佳白血序列。该序列既可以得到静态影像，又可以得到动态心脏影像。电影SSFP 是以SSFP 序列为基础，通过使用ECG 门控，实现高时间分辨率和空间分辨率的心脏动态电影成像[11]。与静态成像重建相比，压缩传感和k-t 敏感度编码技术用于重建可获得更高时间和空间分辨率的实时心脏影像[6]。此外，在自由呼吸的情况下，采用运动校正数据处理方法可以获得呼吸或者运动伪影较少的图像，实现多方向采集整个胎儿心脏数据[6]。

2.2 血流成像序列 PC MRI 和4D FLOW MRI 是目前应用于心脏血流成像最重要的序列。PC MRI是利用血液流动中质子产生的相位变化来测量血流速度，不仅能显示血管解剖结构，又能提供血流方向、流量及流速等血流动力学信息。4D FLOW MRI 是以PC MRI 为基础，该技术将3D 空间编码与3D 速度编码相位对比MRI 相结合，进一步实现复杂血流模式演变过程的3D 可视化和量化。但是，4D FLOW 序列扫描时间较长，且依赖于强大的图像后处理技术，在血管解剖的空间分辨力方面不如CT血管成像和增强MR 血管成像[14]。

2.3 功能成像序列 T1mapping 和T2mapping 序列是目前应用于胎儿心脏MRI 功能成像的主要序列。T1mapping 和T2mapping 均可直接测量心肌组织T1、T2值，计算心肌细胞外间质容积分数，定量评估心肌纤维化、出血及心肌水肿的程度和范围，但是由于目前缺乏合适的T1和T2值的参考范围，其临床价值有待进一步研究。目前T1mapping 和T2mapping 成像序列仍未广泛应用于临床。

3 心脏MRI 技术对胎儿心血管系统的量化

3.1 心血管结构的定量评估 心脏MRI 可以测量主动脉弓直径、心室壁厚度、左右心腔大小等心血管结构，但目前用于胎儿心血管结构方面的量化研究还较少。Toemen 等[15]前瞻性使用MRI 测量心脏右心室舒张末期容积、右心室射血分数、左心室舒张末期容积、左心室射血分数、左心室容积等，研究胎儿时期、婴儿时期与儿童时期生长发育的相关性，发现胎儿时期和儿童时期的生长发育很可能与儿童时期的心脏大小相关。Lloyd 等[12]采用心脏MRI和二维超声心动图分别对51 例胎儿的降主动脉、上腔静脉、横主动脉弓直径进行测量，发现两者测得数据之间具有良好的一致性（组内相关系数为0.78，95%CI 为 0.68～0.84）。Tavares 等[16]利用 DUSMRI 对正常胎儿和CHD 胎儿的心脏进行四腔切面成像，测量出心室直径、二尖瓣和三尖瓣的瓣口直径、心肌壁的厚度和心脏横径等，结果发现DUSMRI 与超声心动图之间存在高度一致性，对于更好地监测胎儿心脏运动具有重要的临床意义。

3.2 心血管血流的定量评估 胎儿循环的主要特点是来自脐静脉的富氧血经过静脉导管流入右心房，再由卵圆孔进入左心房，供应胎儿生长发育。来自右心室的乏氧血通过动脉导管、降主动脉和脐动脉输送回胎盘，在肺循环中其相对较低的含氧量保持了胎儿循环典型的高肺血管阻力[17]。PC MRI 可以对胎儿升主动脉、动脉导管、降主动脉、上腔静脉等大血管进行血流量以及血流速度的定量测量。Tsai-Goodman 等[18]通过使用3.0 T MRI 测量出了胎儿主肺动脉、上腔静脉、动脉导管、升主动脉和降主动脉的血流量，所获数据与1.5 T 下所测数据具有很好的相关性，为准确监测胎儿各血管血流量的变化提供了一种新的方法。Schrauben 等[19]通过使用4D FLOW MRI 测量胎羊升主动脉、肺动脉、动脉导管、降主动脉、上腔静脉、静脉导管等血管血流量，从而评估胎羊心血管血流的循环分布。Schoennagel 等[20]使用PC MRI 测量了胎羊降主动脉血流的峰值速度、平均速度、最大平均速度和平均流量，表明MRI对评估胎儿循环血流动力学具有很大的潜在应用价值。

3.3 心功能定量评估 CHD 胎儿心功能会影响胎儿的生长发育、器官发育和出生后的结局，因此胎儿心功能定量评估对于CHD 胎儿的干预具有重要价值。由于产前难以准确获得血管面积以及评估穿过血管腔的血流速度的变化，限制了超声对胎儿血流以及心功能的评估[21]。目前，心脏MRI 可以通过动态测量胎儿心室射血分数、心室输出量等参数对心功能进行评估。Seed 等[22]首次通过心脏MRI 测量出胎儿心室输出量以及主肺动脉、升主动脉、上腔静脉、动脉导管、降主动脉、脐静脉和肺血流量，表明MRI 对胎儿心血管的血液循环分布以及心功能评估具有可行性。此外，为更好地改善CHD 胎儿的临床预后及降低其死亡率，尚需对CHD 胎儿进行心功能评估。Tsuritani 等[23]应用超声和MRI 分别对CHD 胎儿和正常胎儿心脏射血分数、降主动脉血流量进行测量的对照研究表明，MRI 可以比超声更加准确地评估正常胎儿的心功能，也可以评估CHD 胎儿的心功能。Al Nafisi 等[21]测量了CHD 胎儿的心室输出量以及肺血流量、上腔静脉血流量，研究了胎儿血流动力学与肺和脑发育的关系，进一步证实MRI 评估CHD 胎儿心功能的可行性，加深对胎儿循环病理生理的理解。

3.4 胎儿循环血氧饱和度与血细胞容量定量评估 胎儿缺氧是胎儿生长受限的关键原因，胎儿缺氧程度可以用血细胞容量和血氧饱和度进行评估。目前临床上主要是通过超声检测侧支血流的变化来评估胎儿缺氧程度，但是因为血流不断变化而无法获得准确的结果[24]。T1mapping、T2mapping 成像序列可以无创评估血细胞容量和血氧饱和度，有助于提高胎儿缺氧产前诊断的准确率，实现早期干预，改善CHD 胎儿的预后。Portnoy 等[25]通过将T1和T2值进行代数转换测得脐血标本的血氧饱和度和血细胞容量与血气分析得到的正常值进行比较发现，MRI 所测值与正常值之间具有很好的一致性，表明MRI 可用于血氧饱和度和血细胞容量的定量测量，对胎儿宫内生长受限和胎儿贫血的监测具有重要的临床意义。Portnoy 等[24]通过建立模型和相关参数获得胎儿脐带血磁化率、弛豫时间与血氧饱和度和血细胞容量之间的函数关系，有望成为无创测量胎儿血氧饱和度和血细胞容量的又一新方法，将有助于临床上进一步评估胎儿的氧气输送、消耗的生理情况。

尽管有研究表明心脏MRI 可以用于测量主动脉直径、心腔大小、血管血流量、心室射血分数以及血氧饱和度等，但未见进一步应用于临床的研究报道。随着研究的不断深入和技术发展，心脏MRI 在胎儿心血管系统量化评估方面的应用将会快速推广到临床。

4 小结与展望

近年来，胎儿心脏MRI 技术已经取得较大进展，有望成为胎儿超声心动图之外的又一种非常有前景的辅助手段；但技术发展的过程中，仍然存在一些需要进一步改进的地方。首先，由于胎儿心脏解剖结构较小以及母体呼吸运动，心脏MRI 需要优化特定序列参数、缩短数据重建时间、提高影像信噪比以及减轻母体呼吸运动的影响，以提高数据重建的稳定性和优化影像质量。其次，复杂性CHD 有时合并心外异常，有必要综合应用各种检查方法提高胎儿复杂性CHD 诊断准确率。最后，未来对新技术应用的研究需要扩大临床样本量以进一步验证。

当今，人工智能正在逐步应用于影像医学，它可以应用于MRI 对心脏进行体积分析，通过自动分割右、左心室可以计算左心室和右心室的质量和体积，快速获取心室发育情况，有极大潜力提供精确、快速的心脏结构和功能的生物标志物[26-27]。相信在不久的未来，人工智能自动图像识别软件与医学成像技术的快速发展与交集会在胎儿心血管评估方面取得更大进展。