心脏磁共振指纹技术研究进展

邓炜 李小虎

心脏磁共振（cardiac magnetic resonance，CMR）成像是心肌组织定量成像的重要技术，可无创性对心血管疾病进行诊断与鉴别，并反映疾病的进展与潜在的病理机制。CMR 定量参数包括T1、T2、T2*弛豫时间和细胞外容积（extracellular volume，ECV）等，对多种心脏病变（如心肌水肿、心肌梗死、心肌纤维化以及心肌铁过载相关性心肌病等）具有较高的敏感性[1]。因此，CMR 在临床心血管疾病的诊断中发挥着重要作用。

磁共振指纹（magnetic resonance fingerprinting，MRF）技术将参数映射进行了统一，能够通过单次扫描同时获得T1、T2、T2*、质子密度（proton density，PD）、ECV、脂肪分数(fat fraction，FF)等多个定量参数信息[2-4]，这不仅大幅缩短了成像时间，且有助于简化CMR 扫描流程，提高病人依从性[5-6]。本文就心脏MRF（cardiac MRF，cMRF）技术的成像原理、创新点及发展前景进行综述。

1 cMRF 成像原理

1.1 成像序列 cMRF 序列旨在针对不同组织的特性进行混合编码采集数据。组织的特性包括不同的T1和T2弛豫时间，因此也具有其独特的时间信号演变或称“指纹”。cMRF 常采用快速成像稳态自由进动（fast imaging with steady state precession，FISP）序列，在整个扫描过程中，翻转角（FA）和重复时间（TR）会不断发生改变。同时，为控制心脏运动，避免呼吸运动的影响，通常采用心电触发和屏气的方式在每次心动周期的舒张末期（采集时间窗通常为240～280 ms）进行信号采集[7-8]。每个心动周期可获得48 幅图像，采集时间窗约为250 ms，总扫描时间约为16 s[8]。采集完整数据需要16 个心动周期，第1 个心动周期内施加非选择性反转恢复脉冲，第2个心动周期内不进行磁化准备，在第3 个和第4 个心动周期内分别施加40 ms 和80 ms 回波时间的T2预脉冲，后续12 个心动周期重复上述扫描模式[3]。由于cMRF 需要在短时间内获取尽可能多的组织信号演变数据，因而采用非均匀螺旋轨迹对k 空间数据进行稀疏采样，这种采集方式具有较好的采样效率且有利于后续模式匹配[9]。最后将全部数据拟合，从而获得不同组织特有的信号演变过程即不同组织的“指纹”，后续用于指纹库中进行模式匹配，获取不同心肌组织的定量特征信息[2，10]。

1.2 字典生成“指纹字典”是cMRF 技术的核心组成部分，包括成像序列中影响不同组织信号演变的所有参数。利用Bloch 方程与计算机仿真技术模拟不同心肌组织所有可能的MRI 参数（如T1、T2等）与实际扫描参数组合下的信号演变曲线，进而形成字典。常规部位（如脑、骨骼肌、前列腺等）的字典只需要计算一次，就可以应用于后续所有扫描。但在cMRF 中，由于受试者心率在扫描过程中可能会发生变化，因此一个采集窗结束和下一个采集窗首次射频激发之间会有一个可变的时间间隔。此间隔在Bloch 方程中是根据不同脉冲的激发时间来进行计算的，也正因如此每次扫描都会生成一个新的字典，延长了cMRF 整体成像时间。通常，每次cMRF扫描得到的新字典需要使用MATLAB Mex 代码生成，在一台台式电脑（Dell XPS 8500，3.40 GHz，Intel i7 Core，16 GB RAM）上计算平均需要12.1 s[8]。此外，字典的生成时间也受其他因素的影响。例如，用于计算信号演变曲线的T1和T2信号采集时间间隔决定了cMRF 字典的大小；若字典内数据量较大，字典的分辨率则较高，但会增加字典的生成时间[7]。

1.3 匹配 字典生成后，将采集的信号与字典词条进行比较以找到最佳匹配。早期的cMRF 是采用简单相关的算法来执行匹配过程，通过计算所获取的像素信号演变数据与字典所有词条的相关性来选择最佳匹配，将具有最高相关性的字典词条选为最佳匹配，并索引到其对应的量化生理参数，从而实现心肌组织的参数定量。近年，不断有新的算法涌现，从整体上进一步减少了cMRF 的成像时间。例如，采用FISP 序列采集数据时，通过使用奇异值分解来压缩MRF 字典的时间域可使匹配加速约40 倍[11-13]。

2 cMRF 成像技术的创新

2.1 3D自由呼吸cMRF 常规CMR 定量成像耗时较长，经常出现由于病人屏气不佳而导致影像质量下降的情况，进而影响诊断的准确性，因此如何降低病人屏气时间一直是临床所关注的问题。Cruz等[14]提出了一种可在自由呼吸下进行全心心肌定量成像的呼吸运动补偿三维（3D）cMRF 技术，在标准体模与10 名健康受试者中进行测试。其结果显示，体模中使用3D cMRF 与常规CMR 定量成像测得的T1、T2值具有良好的一致性；而在健康受试者中，2 种技术测得的T1、T2值存在一定差异，即3D cMRF 所测T1值高于改良Look-Locker 反转恢复（modified Look-Locker inversion recovery，MOLLI）序列所测T1值（平均偏差为38 ms），低于饱和恢复单次激发采集（saturation recovery single shot acquisition，SASHA）序列所测T1值（平均偏差为55 ms）；3D cMRF 所测T2值低于梯度-自旋回波（gradient and spin echo，GraSE）序列所测T2值（平均偏差为7.3 ms）。这种偏差在2D cMRF 的相关研究[8]中也有观察到，考虑为一些成像过程中的混杂因素所致，如部分容积效应、磁化传递效应等[15-16]。相较于常规CMR 定量成像方式，3D cMRF 在自由呼吸的状态下约7 min 即可完成全心的T1与T2定量成像，故有望解决因屏气配合度较差而造成检查失败的问题。这对于临床CMR快速定量成像与提高检查成功率具有重要意义。

2.2 水脂分离cMRF FF 在诊断心肌肌纤维脂肪浸润方面具有极高的敏感度，对心血管疾病的诊断与评估具有重要作用[17]。FF 定量成像中，水和脂肪的部分容积效应是已知的误差来源，因此完善现有CMR 定量成像技术以提高FF 定量成像的精确度至关重要。为此，Jaubert 等[17-18]提出了一种可从一次屏气扫描中同时获得心肌组织T1、T2和FF 定量信息的水脂分离CMR 指纹成像（Dixon cMRF）技术。在体模与健康受试者中进行测试发现，Dixon cMRF 所测得的T1、T2、FF 值与常规CMR 定量成像方式保持良好的一致性，且可潜在地减小因水-脂肪部分容积效应引起的T1、T2与FF 的测量误差，有助于提高心肌FF 定量成像的速度与精确度[19]。

2.3 化学交换cMRF ECV 可提供有关间质扩张程度的重要病理信息，是诊断弥漫性心肌纤维化的重要指标[20]。常规CMR 定量成像需通过初始T1值和注入钆对比剂后的T1值计算得出ECV，因此钆对比剂禁忌者无法进行该项检查[21]。Hamilton 等[20]提出了一种化学交换MRF（MRF with chemical exchange，MRF-X）技术，无需注入钆对比剂，通过Bloch-McConnell 方程 (将两室交换模型合并到Bloch 方程中) 来测量每个细胞膜内的T1值及ECV值。该研究使用MRF-X 技术对一组已知的细胞膜内及细胞膜外T1信号演变进行模拟，结果表明虽然相对误差仍然存在，但MRF-X 技术对ECV、细胞内T1值和细胞外T1值表现出良好的敏感性，继续进行序列优化可提高参数拟合的准确性。目前，尚未有基于MRF-X 技术的CMR 临床试验，其临床可行性亟待研究。由于该技术无需注入钆对比剂，其作为CMR 定量成像的潜在发展方向，尤其对钆对比剂禁忌的病人具有重要意义。

2.4 同步多层面cMRF 早期cMRF 单层覆盖范围有限，可能导致局灶性病变的遗漏，因此提高cMRF单次扫描层面覆盖范围对于病灶的检出与检查成功率的提高具有重要意义。Hamilton 等[22]提出了同步多层cMRF（simultaneous multislice cMRF，SMScMRF）技术，可在16 个心动周期的屏气扫描期间同时测得心肌3 个层面的T1、T2和PD 值。在体模与10 名健康受试者中进行测试发现，SMS-cMRF 与早期cMRF 所测得的T1、T2和PD 值具有良好一致性，SMS-cMRF 还可同时在多个心脏层面上生成T1、T2和PD 定量参数影像，有助于提高层面覆盖率并降低成像时间，具有良好的临床应用前景。

2.5 自由运行cMRF 常规CMR 定量成像依赖心电门控触发扫描，易受病人心率及心率变异影响。Jaubert 等[23]开发了一种非心电门控触发的自由运行cMRF 序列，依靠心电信号重建MRI 影像，可同时进行心肌T1和T2定量成像和心脏电影成像。在对体模和10 名健康受试者的研究中发现，自由运行cMRF 与常规CMR 成像所测得的心脏射血分数、T1及T2值具有良好的一致性。但基于自由运行cMRF所生成的电影影像分辨率较低，序列有待进一步优化。初步研究表明，自由运行cMRF 可为临床CMR成像提供整个心脏覆盖范围内的定量参数信息和心功能信息，有助于简化CMR 检查的工作流程[23]。

3 小结与展望

cMRF 是具有极高临床应用价值与潜力的CMR 新技术。它可以在单次扫描中同时获得心肌组织多参数定量信息。在受检者与体模中的初步研究表明，cMRF 具有与常规CMR 定量成像相当的成像质量，有助于减少病人受检时间、简化扫描流程，且利于提高病人依从性。但cMRF 技术尚不完善，其层面覆盖范围、屏气时间、部分容积效应、字典生成时间、字典容量、匹配优化、磁化传递效应和成像混杂因素的校正等都有待改善。此外，仍需进一步深入探讨cMRF 技术在心肌疾病的诊断与鉴别、心功能的测量、灌注异常与心脏移植病人的评估以及减少钆对比剂的使用等方面的应用价值目前，cMRF 的临床研究数量较少，需进一步临床验证以评估该技术的可重复性及其取代常规CMR 成像方式的能力。同时，将cMRF 与压缩感知技术结合可进一步加快cMRF 的成像速度以及将其他CMR 相关序列（如磁敏感加权成像、扩散加权成像、灌注加权成像等）融入进cMRF 的成像框架都可能是未来CMR 成像的潜在发展方向。