产前MRI对先天性心脏病胎儿心血管异常和脑发育的量化评估

张霞 董素贞

先天性心脏病(congenital heart disease,CHD)是胎儿期最常见的先天性出生缺陷，发病率在活产婴儿中为0.6%～1.2%，在胎儿期更高[1]。CHD胎儿可伴有不同程度的脑发育异常，产前准确量化评估CHD胎儿心血管异常和脑发育情况对孕妇管理和CHD胎儿治疗至关重要。超声一直是评估胎儿心血管系统和脑发育的首选方法，但当受到孕周过大、母体肥胖、羊水过少、胎儿肋骨钙化、颅骨骨化、胎儿体位等因素影响时，其成像质量会有所降低。而MRI不受上述因素影响，对于一些超声显示不清的胎儿心血管系统异常及脑异常，MRI能提供有用的补充信息[2]。本文就CHD胎儿的心血管异常和脑发育的相关性，以及MRI对CHD胎儿心血管异常和脑发育量化评估的临床应用进行综述。

1 胎儿CHD及与脑发育的关系

有研究[3]报道孤立性CHD胎儿脑部结构异常的发生率为28%，其中最常见的脑部结构异常是脑室扩张，8.6%的CHD胎儿可出现脑室扩张。CHD胎儿较正常胎儿更易出现脑体积减小、发育迟缓和脑循环改变[3]。Marino等[4]研究发现CHD新生儿的严重程度与神经发育异常的发生率和严重程度呈正相关，轻度C HD（如房间隔缺损或室间隔缺损、孤立性半月瓣疾病）神经发育障碍的发生率较低，而严重双心室或缓和性单心室CHD（如大动脉转位等）患儿大多存在神经发育异常。与遗传性疾病/综合征（如唐氏综合征等）和多种先天畸形（如Charge综合征）相关的CHD新生儿几乎均伴有神经发育受损[4]。

CHD胎儿脑发育异常受多种因素影响，包括胎儿异常的血液循环、胎盘功能不全、基因遗传因素、胎儿母亲的心理因素等。许多CHD胎儿血液循环会发生改变，从而使大脑中氧和营养物质的输送减少。Sun等[5]对30例单、双心室CHD胎儿的研究发现，CHD胎儿大脑中氧供给量平均减少15%，氧消耗量减少32%，这与胎儿脑体积减少13%有关，说明CHD胎儿脑氧合降低与脑发育受损之间可能存在直接联系。此外，异常的血液循环不仅直接使胎儿大脑氧的输送减少，还可能造成脑血管床发育不良、脑血管自我调节受损，无法通过降低脑血管阻力和改善脑血流来抵消大脑氧供应的减少，进一步加重了胎儿脑损伤[6]。胎盘功能不全也可导致胎儿脑发育异常，有研究[7]发现胎盘的质量和CHD胎儿的总体生长和脑发育呈正相关，而CHD胎儿的胎盘平均质量较低。Schlatterer等[8]发现57%的CHD新生儿存在胎盘病理异常，在脑MRI出现异常的CHD新生儿中，胎盘异常者的脑损伤趋势更严重。多基因遗传异常和表观遗传调节受损也可导致CHD胎儿脑发育迟缓，CHD胎儿的心脏和大脑中的高表达基因可以发生突变，染色质修饰途径存在异常[9]。Russell等[10]则发现血管生成正调控相关基因变异可能是胎儿心脏、大脑和胎盘发育异常的共同原因。CHD胎儿母亲心理上易产生压力、焦虑、抑郁，由此可能会导致孕晚期CHD胎儿小脑和海马体积减少，顶叶和枕骨旁区域以及左侧小脑叶的前上部发育受损[11]。

2 MRI对CHD胎儿心血管异常的评估

2.1 评估心血管结构 胎儿心血管结构细小，且成像易受到孕妇呼吸和胎儿运动的干扰。MRI结合心电门控、运动校正等技术可有效减轻运动伪影干扰，详细准确地量化胎儿心脏、血管结构。Tavares等[12]采用多普勒超声门控的动态心脏MRI与超声心动图测量CHD胎儿和正常胎儿的左、右心室，二尖瓣、三尖瓣的大小及心肌壁厚度，结果表明多普勒超声门控的动态心脏MRI可以更好地评估胎儿心血管解剖结构，并可准确诊断CHD胎儿心血管结构异常。在超声心动图显示结构不清时，MRI可提供补充诊断信息。结合运动校正算法，Lloyd等[13]使用三维MRI重建CHD胎儿的心脏大血管连接，测量降主动脉、上腔静脉、主动脉弓峡部直径，三维MRI可以更详细直观地观察胎儿心血管结构及各部分之间的关系。

2.2 评估血流 胎儿的血流量分布会影响胎儿生长和器官发育，MRI量化评估血流有助于对胎儿循环病理生理的深入理解。相位对比MRI（phasecontrast MRI，PC MRI）可以无创评估胎儿血管血流量、速度、方向[14]。Al Nafisi等[15]使用PC MRI测量了孕晚期CHD胎儿和正常胎儿的心输出量、肺血流量、脑血流量、上腔静脉和升主动脉血流量，与产前及出生后超声心动图结果对照发现，PC MRI可以准确量化评估孕晚期CHD胎儿血液循环分布，并根据胎儿血液循环与器官体积之间的关系评价胎儿血流动力学与肺和大脑发育之间的联系。MRI评估胎儿血流量也有助于了解胎儿心功能情况。Tsuritani等[16]采用PC MRI量化评估了CHD胎儿和正常对照组胎儿的心输出量、射血分数、左室短轴缩短率及降主动脉的血流量，与超声心动图检查结果进行对照，发现MRI能够更精准地量化评估胎儿循环动力学。

2.3 评估血氧饱和度 脐静脉含氧丰富的血液经静脉导管穿过卵圆孔流至升主动脉，右心室流出的乏氧血液经动脉导管、降主动脉和脐动脉返回胎盘。胎儿这种特殊的血液循环方式使其主要血管血氧饱和度呈现出不同于新生儿的特点。在MRI上，血液弛豫时间的变化与红细胞压积和氧合血红蛋白存在一定的函数关系，根据T2值可无创评估胎儿血氧饱和度[17]。Saini等[18]使用MRI测量孕晚期正常胎儿和胎羊的脐静脉、静脉导管、升主动脉、下腔静脉、主肺动脉、动脉导管、降主动脉的氧饱和度，通过不同大血管之间血氧饱和度的变化显示了正常胎儿和胎羊血液循环方式。通过血氧饱和度变化还可直接评估CHD胎儿缺氧程度变化。Porayette等[19]采用MRI测量正常胎儿和孕晚期CHD胎儿升主动脉、主肺动脉、左右肺动脉、上腔静脉、降主动脉、动脉导管、脐静脉血流量及脐静脉的T2值，发现基线状态下CHD胎儿脐静脉氧饱和度低于正常水平，而在治疗期间CHD胎儿脐静脉T2值增加，血氧饱和度有所改善。

3 MRI对CHD胎儿脑发育的评估

3.1 评估大脑三维容积 胎儿脑结构定量评估对于早期准确诊断胎儿脑异常并监测其进展至关重要。MRI通过量化胎儿大脑三维容积，可分析CHD胎儿脑发育迟缓发生的时间、不同类型CHD胎儿脑发育迟缓的程度，有助于理解CHD胎儿脑发育的病生理改变。Jarvis等[20]使用三维容积MRI测量正常胎儿脑部二维径线（双顶径和枕额径）和三维颅内容积（脑室容积、脑实质容积、脑外间隙容积和颅内总容积），测得了胎儿颅内结构的标准量化数据，较超声二维测量更加全面地反映了胎儿大脑动态发育变化。胎儿大脑生长迅速，目前MRI在妊娠早中期即可很好地检测出CHD胎儿大脑结构发育的变化[21]。Ren等[21]通过三维容积MRI量化孕龄26周CHD胎儿灰质、皮质下脑组织、颅内体积、侧脑室、小脑、脑干、脑室外脑脊液体积，发现与健康胎儿相比，CHD胎儿的灰质、皮质下脑组织体积、小脑和脑干体积显著减少。Masoller等[22]采用MRI进一步研究CHD胎儿脑发育异常的原因，通过对不同脑血氧含量的CHD胎儿的脑体积的测量发现，与脑血氧含量接近正常的CHD胎儿相比，脑血氧含量严重减少的CHD胎儿脑体积减小更为显著。

3.2 评估大脑成熟度 胎儿脑发育过程中，随着白质的发育、髓鞘的形成，在扩散张量成像（diffusion tensor imaging,DTI）上呈现各向异性分数（FA）值逐渐升高，故可在微观角度上通过神经纤维走行特征监测胎儿脑发育情况。Khan等[23]利用DTI测量正常胎儿在不同孕周的脑组织不同区域的FA值和平均扩散率变化，创建首个描绘胎儿大脑时空发育特性的DTI图谱，为研究胎儿脑发育变化提供了参考。胼胝体连接左右两侧大脑半球，是全脑最大的白质纤维束，可很好地反映胎儿脑发育成熟情况，Khan等[24]比较CHD胎儿和正常胎儿胼胝体的FA值和平均扩散率，发现在28周CHD胎儿就已经存在白质发育迟缓。

3.3 评估大脑代谢 CHD胎儿脑内生化代谢物浓度异常变化可能提示其神经发育障碍，利用MR波谱（MRS）可反映胎儿大脑局部组织代谢产物的相对含量及含量变化，无创评估胎儿大脑代谢状态，从而为研究CHD胎儿神经发育异常的病因及发病机制提供帮助。Pradhan等[25]分析了219名正常胎儿的1H-MRS影像，描绘了胎儿大脑正常代谢轨迹，有助于对比研究CHD胎儿脑生化代谢异常。Limperopoulos等[26]发现孕晚期CHD胎儿大脑N-乙酰天冬氨酸与胆碱的比值较正常胎儿显著降低，部分CHD胎儿脑中存在过多的乳酸，这一代谢异常可能是由血流动力学改变所引起。

3.4 评估大脑氧合 大脑氧合情况是影响胎儿脑发育的关键因素。通过测量胎儿上腔静脉及升主动脉的血流量和T2值可估算胎儿大脑氧饱和度及氧的供给量与消耗量，进而评估大脑氧合水平。Lauridsen等[27]测量并比较CHD胎儿和正常胎儿的大脑T2值，发现CHD胎儿大脑平均T2值明显低于正常胎儿的水平，说明大脑氧合水平较差可能是导致CHD胎儿脑发育异常的潜在原因。Sun等[5]测量孕晚期CHD胎儿和正常胎儿的大脑体积、氧饱和度和主要血管的血流量发现，CHD大脑体积减小与升主动脉氧饱和度和脑耗氧量降低相关。血氧水平依赖功能MRI可用于定量研究组织血氧含量改变。You等[28]利用该技术研究发现，母体高氧治疗状态下特定CHD亚型胎儿的大脑血氧含量增加，为临床应用母体氧疗法改善CHD胎儿大脑发育提供了支持。

4 小结与展望

在量化评估CHD胎儿心血管异常及脑发育方面，除超声心动图外，胎儿MRI也已成为一种极具前景的辅助手段。产前MRI对CHD胎儿心脑功能的评估不断深入，即从CHD胎儿心血管结构到血流动力学变化，从脑宏观结构到发育代谢等微观改变，且逐步走向自动化和量化。随着人工智能、机器学习与医学影像的交叉融合，当前已经可实现自动分割左右心室及脑组织各区域，快速准确地量化胎儿心脑体积，从而避免人为主观因素的影响。由于胎儿心血管及大脑结构细小，加之胎儿身体、心脏及母体呼吸等的运动影响，故仍需进一步提高后处理技术以优化影像质量。此外，当前研究的样本量普遍较小，大部分研究没有细分CHD具体类型，研究对象多处于晚孕期，未来应扩大研究规模，开展多中心研究，建立基于CHD胎儿MRI研究的心脑量化数据标准。相信未来随着产前MRI新技术的发展，CHD胎儿的血流动力学、心功能以及脑功能研究将日渐成熟。