呼吸導航門控三維延遲增強MR序列在梗死心肌成像中的應用價值

具海月

蔡祖龍 CAI Zulong

楊 立 YANG Li

程流泉 CHENG Liuquan

呼吸導航門控三維延遲增強MR序列在梗死心肌成像中的應用價值

具海月JU Haiyue

蔡祖龍CAI Zulong

楊 立YANG Li

程流泉CHENG Liuquan

目的以屏氣二維序列作為對照，探討相位排序自動門控窗選擇（PAWS）算法呼吸導航門控三維延遲增強（3DNAV DE）MR序列在梗死心肌成像中的應用價值及可行性。材料與方法 3只犬急性心肌梗死模型心臟DEMRI：分別行常規(guī)2DBH及PAWS算法3DNAV DE-MR序列掃描，采用半定性及定量方法對比評價兩個序列短軸位包含心肌梗死延遲強化灶的對應層面圖像質量。結果2位醫(yī)師評價3DNAV序列圖像質量一致性較好（Kappa=0.532,P＜0.05）；2位醫(yī)師對于兩個序列圖像的相對診斷可行性評分呈顯著正相關（r=0.609,P＜0.05），3DNAV序列圖像質量及相對診斷可信性好于2DBH序列；兩個序列圖像所測得梗死體積大小呈顯著正相關（r=0.998,P＜0.05）；3DNAV序列圖像梗死心肌信噪比SNR1（t=－5.691,P＜0.01）、活性心肌SNR0（t=－3.317,P＜0.01）及其梗死-活性心肌對比噪聲比CNR1-0（t=－6.005,P＜0.01）較2DBH序列明顯提高。結論與2DBH序列相比，PAWS算法呼吸導航門控3DNAV DE-MR序列在提高成像效率的前提下，可獲得更高的圖像質量及心肌梗死診斷可信性。

心肌梗死；磁共振成像；呼吸導航門控三維延遲增強MR序列；疾病模型，動物；狗

對比劑延遲增強MRI（delayed enhanced MRI,DE-MRI）對梗死心肌的檢出及其輪廓的準確勾畫具有良好的準確性，是識別心肌梗死以及判定缺血性心肌病患者存活心肌的無創(chuàng)性影像學診斷標準[1-4]。目

解放軍總醫(yī)院放射科 北京 100853

Department of Radiology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Address Correspondence to：CHENG LiuquanE-mail： cheng.liuquan@gmail.com

中國圖書資料分類法分類號R542.2+2

中國醫(yī)學影像學雜志2012年 第20卷 第12期：881-886

Chinese Journal of Medical Imaging 2012 Volume 20(12)： 881-886前，DE-MR成像多采用IR二維（2D）快速梯度回波（fast gradient echo, FGRE）序列。該序列在圖像采集過程中要求反復屏氣（BH），且在空間分辨率上具有局限性。因此，基于相位排序自動門控窗選擇（phase ordering with automatic window selection, PAWS）算法[5]的3D呼吸導航門控（navigator-gated, NAV）序列，不僅可以避免反復長時間屏氣，且可以三維采樣，具有廣闊的應用前景。本研究擬建立犬心肌梗死模型，以2DBH DE-MR序列作為對照，評價基于PAWS算法的呼吸導航門控3DNAV DE-MR序列在顯示梗死心肌方面的價值及其可行性，為實驗和臨床研究選擇更為合理的掃描序列奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗犬心肌梗死模型建立 健康雜種雄性實驗犬3只，體重約17～20kg，犬齡2～3歲（經檢驗符合實驗動物標準）。靜脈注射3%戊巴比妥鈉0.8～1.0ml/kg進行麻醉后，將犬右側位臥于V形手術臺上，左側胸部剃毛備皮。前肢靜脈穿刺置管并輸液，氣管插管，靜脈給予氯琥珀膽堿注射液1mg/kg后接麻醉機輔助呼吸。四肢局部剃毛后粘貼電極片連接心電圖儀，連續(xù)監(jiān)測心電變化。經左前胸第四肋間進胸，探查冠狀動脈走行，結扎通向預定梗死區(qū)的主要對角支血管，在第1、2對角支或第2、3對角支之間結扎前降支主干。結扎前給予鹽酸利多卡因2mg/kg靜脈推注，然后持續(xù)靜脈滴注1h[1mg/(kg·min)]。若無室顫或室速，充分膨肺后逐層關胸，經手術切口放置胸腔引流管，待2～3周后進行MR掃描。

1.2 DE-MRI掃描 實驗犬麻醉確實后，將其左側臥位放置于掃描床上。采用GE 1.5T Signa Excite HD TwinSpeed MR掃描儀進行掃描。將8通道心臟專用相控陣線圈置于犬右側胸部。在左胸剃毛備皮處避開手術切口部位粘貼胸前導聯電極片，并于上腹部連接呼吸監(jiān)測裝置。

FIESTA實時成像序列，交互式實時成像方式（iDriveTM），用于心臟的快速搜索定位。

3DNAV DE-MR序列（由美國Cornell大學Thanh D. Nguyen博士設計編寫），在四腔心及左室兩腔心層面定位像上協同定位，沿垂直于左室心尖及二尖瓣中點連線的平面放置掃描定位框（圖1）。再在冠狀位定位像的右側膈肌頂部放置一個圓柱形導航回波定位框，用以監(jiān)測肺-肝界面的運動，形成呼吸導航回波，采用PAWS算法。主要成像參數：FGRE序列：TR=6.1ms，TE=2.5ms，FA=20°，激勵次數（NEX）=0.53，接收帶寬（BW）=±31.25kHz，分段k-空間數（views per segment,VPS）=36，視野（FOV）=24cm×19.2cm，相位FOV=0.8，重建矩陣=192×192，平面內分辨率1.3mm×1.0mm，層厚=4mm，層間隔=－2mm，觸發(fā)延遲時間（TD）為250～300ms，反轉時間（TI）為 200～350ms。經前肢靜脈套管針注入馬根維顯0.2mmol/kg，注入速度1.5～2.0ml/s。延遲5min后，沿左室短軸層面反復掃描測試，將心肌信號抑制為0時的TI加上10～20ms，作為最終3DNAV序列掃描的TI，開始采集圖像。

圖1 3DNAV序列掃描定位。定位框（白色框）方向沿垂直于心尖與二尖瓣中點連線（黑色虛線）方向放置，并在左室兩腔心（A）及四腔心（B）層面協同定位，以確保獲得與2DBH序列具有可比性的標準左室短軸位圖像，調整FOV大小，避免產生卷褶偽影，范圍覆蓋心尖部至二尖瓣附著處，較2DBH序列范圍可適度增大

2DBH DE-MR序列不必放置導航回波定位框，其余定位方法與3DNAV序列相同。主要成像參數：FGRE序列：TR=5.8ms，TE=2.7ms，FA=20°，BW=±31.25kHz，VPS＝24，FOV=24cm×24cm，相位FOV=1.0，重建矩陣=192×160，平面內分辨率＝1.3mm×1.5mm，層厚＝4mm，層間隔＝1mm。因實驗犬無法屏氣，掃描過程中增加激勵次數，選擇NEX=3或4。TD為325～355ms，TI為 310～350ms，注藥后延遲 10～25min開始采集圖像。

2DBH與3DNAV序列掃描順序隨機安排。掃描后1～2周處死實驗犬，觀察心臟大體標本及顯微鏡下預定梗死區(qū)心肌壞死情況。

1.3 圖像分析 記錄2DBH和3DNAV序列相同覆蓋范圍左室短軸位的圖像采集時間。包含延遲強化層面的圖像載入AW4.2后處理工作站進行圖像評價及數據測量分析。圖像評價參照文獻[6,7]中的方法，結合DE-MR序列成像要求和影響圖像質量的主要因素，分為半定性和定量分析。

1.3.1 半定性評價 由2位有經驗的心血管MR診斷醫(yī)師進行獨立評價。評價內容包括：對同2DBH序列層面對應的3DNAV DE-MR序列的圖像質量進行總體印象分級：0級無法診斷，Ⅰ級較差，Ⅱ級較好，Ⅲ級很好。根據下述4個評分項（表1），任何一項為0分，則定為0級，其余3項不再進行評價；4項均為1分定為Ⅰ級；3項1分，1項2分或2項1分，2項2分定為Ⅱ級；1項1分，3項2分或4項均為2分定為Ⅲ級。

根據上述圖像質量分級及評分方法，比較同一犬模型對應層面的2DBH序列和3DNAV序列的圖像質量，對其診斷相對可信性進行主觀評分：－1為2DBH質量更好，0為2DBH與3DNAV質量相同，1為3DNAV質量更好。分別計算2位醫(yī)師的平均主觀評分值。

表1 圖像質量分級的評分項及評分標準

1.3.2 定量分析 由2位有經驗的心血管MR診斷醫(yī)師共同分析。測量梗死面積并計算梗死體積，分別在2DBH和3DNAV圖像上逐層手動勾畫延遲強化病灶輪廓，測量面積并算出局部梗死灶體積：梗死灶體積＝累計梗死灶面積×（層厚＋層間隔）。

分別計算梗死心肌與有活性心肌的信噪比（SNR）及梗死心肌-有活性心肌對比噪聲比（CNR）。分別在兩個序列同一層面圖像的對應位置，放置相同形狀和大小的感興趣區(qū)（ROI），測量并記錄ROI內信號強度及其標準差（SD）。計算方法：SNR1＝S1/N，SNR0＝S0/N，CNR1-0=（S1－S0）/N，其中SNR1為梗死心肌SNR，SNR0為有活性心肌SNR，CNR1-0為梗死心肌-有活性心肌CNR，S1為梗死心肌信號強度，S0為有活性心肌信號強度，N為背景噪聲（胸前空氣信號強度的標準差）。1.4 統計學方法 采用SPSS 13.0軟件，計量資料數據以±s表示，2位醫(yī)師評價3DNAV圖像質量的一致性采用Kappa檢驗，2位醫(yī)師對2DBH序列與3DNAV序列圖像診斷相對可信性主觀評分的相關性采用Spearman等級相關，兩個序列之間心肌梗死體積的相關性評價采用Pearson線性相關分析，兩個序列SNR與CNR的差異行雙尾配對t檢驗，P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般情況 3只犬MRI圖像上均可見左室前壁延遲強化灶（在2DBH序列上共包含13個可供評價的圖像層面），經大體標本及鏡下病理結果證實有確切心肌梗死。2DBH掃描時增加NEX以替代屏氣，獲得圖像與屏氣掃描質量相似，可作為參照圖像，與3DNAV序列圖像具有可比性（圖2）。

圖2 對應層面3DNAV與2DBH DE-MR序列圖像對比。3DNAV（A）和2DBH DE-MRI（B）圖像層面匹配良好，左室前壁及室間隔形狀相似的延遲掃描明顯強化的梗死區(qū)域。兩種序列獲得圖像均較好，心肌梗死區(qū)輪廓清晰，與鄰近有活性心肌分界明顯，對比良好（該實驗犬呼吸緩慢平穩(wěn)）

2.2 半定性評價結果 2位醫(yī)師評價3DNAV序列圖像質量一致性較好（Kappa=0.532,P＜0.05）；2位醫(yī)師對于兩個序列圖像的相對診斷可行性評分呈顯著正相關（r=0.609,P＜0.05），3DNAV序列圖像質量及相對診斷可信性好于2DBH序列，見表2、3。2.3 定量分析結果 3DNAV序列較2DBH序列的掃描速度明顯加快（表4），效率明顯提高（3只實驗犬3DNAV序列掃描時間分別較2DBH序列縮短88.2%、62.4%和79.5%）。根據兩個序列圖像所測得梗死體積大小相似，兩者呈顯著正相關性（r=0.998,P＜0.05），3DNAV序列測得值均小于2DBH序列（表4）。在顯著提高掃描速度的前提下，3DNAV序列各層面圖像的SNR1、SNR0及CNR1-0均較2DBH序列明顯提高，差異有統計學意義（t=－5.691、－3.371、－6.005,P＜0.01）。3DNAV序列圖像細節(jié)顯示較好（圖3），且可進行左室長軸位圖像重建多角度觀察病變（圖4）。

表2 2名醫(yī)師對3DNAV序列延遲強化層面圖像質量分級結果

表3 2DBH與3DNAV序列圖像診斷的相對可信性評分比較

3 討論

冠心病急性心肌梗死患者壞死心肌的評價是一個重要的臨床問題，對于指導血運重建術以及準確評估患者預后意義重大。針對心肌梗死檢出和心肌活性評價的影像學檢查方法的探討成為國內外學者關注的熱點。DE-MRI將有活性心肌信號抑制為0，使梗死區(qū)呈現高信號，形成梗死區(qū)與非梗死區(qū)的良好對比。許多相關的實驗和臨床研究認為DE-MRI中的亮區(qū)代表非活性組織，病理上屬缺血損傷所致心肌纖維化，因此認為DE-MRI是識別心肌梗死以及判定缺血性心肌病患者存活心肌的無創(chuàng)性影像學診斷標準[3,4,8]，而就如何進一步改進和優(yōu)化這一有前景的檢查技術作出了有價值的探索[9]。

3.1 PAWS算法3DNAV DE-MR序列特點及比較優(yōu)勢作為DE-MRI標準參照序列，2DBH FGRE序列掃描操作過程費時，需要患者反復屏氣；此外許多患者屏氣時常出現膈肌漂移可導致成像質量下降。另外，由于每次屏氣時膈肌位置發(fā)生變化，可導致層面校準不良。單次屏氣3D DE-MR掃描序列很大程度上消除了層面校準不良的問題，但是該序列空間分辨率不高，且仍需要長時間屏氣[10]，所以適用范圍有限。

表4 2DBH與3DNAV序列掃描時間、圖像測得梗死體積、SNR及CNR比較

圖3 3DNAV與2DBH DE-MR序列圖像質量比較。A和C為不同層面3DNAV序列圖像，B和D為分別與A和C相對應層面的2DBH序列圖像，均可見左室前壁及室間隔以內膜下為主的線條狀延遲強化梗死區(qū)域（箭下方的白色區(qū)域）。A、C示梗死區(qū)外膜為無延遲強化的非梗死區(qū)，呈連續(xù)細線狀低信號（箭），邊緣光滑銳利，境界清楚，細節(jié)顯示良好；B、D示外膜線狀低信號有中斷（箭），邊緣模糊，境界欠清，且圖像SNR明顯低于3DNAV序列。3DNAV序列優(yōu)勢明顯（該實驗犬掃描時呼吸快而不均，幅度變化也較大）

圖4 3DNAV DE-MR序列左心室長軸位重建圖像。3DNAV DE-MR序列左心室短軸位采集原始圖像，經多平面重組獲得左室長軸位圖像。A示近似左心室長軸位兩腔心層面；B為近似四腔心層面，可見左心室前壁（箭）近室間隔處延遲強化的心肌梗死區(qū)

呼吸導航技術由于克服了屏氣帶來的種種弊端，其優(yōu)勢引人關注。心血管MR成像中，呼吸導航技術在冠狀動脈成像序列的應用較多，技術較成熟[11-13]，而在DE-MR序列應用方面研究較少，尚缺乏公認的高效成熟的技術。以往呼吸導航2D和3D DE-MR序列的接受/拒絕導航門控算法[14]，需要采用固定門控窗技術，所以也因膈肌漂移而影響數據采集效率。PAWS算法[5,15]允許在最常出現的膈肌位置自動選擇門控窗，在最短的時間內有效抑制了運動偽影。當膈肌位置移動到門控窗外時，接受/拒絕算法會去除采集的數據[9]，但是PAWS算法會采集所有膈肌位置的數據，進行分類并聚集到不同的數據框內。對于每一個數據框，根據其位置和成像次序進行k-空間填充，只要任意相鄰的數據框中的數據能夠組成一個完整的k-空間，就完成了高效快速的數據采集。

由于實驗犬無法進行屏氣配合，在2DBH掃描時采用多次平均，增加NEX，最大程度地保證該序列得以順利完成，基本可以模擬屏氣的效果，從而獲得與屏氣掃描相似質量的圖像，滿足作為參照序列的條件。

本研究采用半定性評價與定量分析進行圖像質量評價的方法，與傳統定性評價方式或單純定量分析方式相比具有明顯優(yōu)勢，不僅考慮到不同研究者之間的可重復性，也考慮到研究序列的成像要求以及影響圖像質量的主要因素，因此更實用、更可信。根據該圖像質量評價方法，與2DBH序列對比結果顯示，自由呼吸狀態(tài)下基于PAWS算法的3DNAV序列，在顯著提高圖像SNR與CNR、擴大掃描范圍、提高掃描速度以及提高數據采集效率方面均顯示出明顯優(yōu)勢。同時，由于SNR的顯著提高和無間隔的掃描范圍，提高了相對診斷可信性。在圖像細節(jié)顯示方面，3DNAV序列由于消除了呼吸偽影的影響，其優(yōu)勢在呼吸狀態(tài)欠佳的實驗犬掃描過程中更顯著。

另外，3DNAV與2DBH DE-MR序列測得的梗死心肌體積具有良好的相關性。3只實驗犬經3DNAV序列掃描測得的梗死心肌體積均較2D序列小，可能與3DNAV序列采用連續(xù)的掃描范圍覆蓋以及更高的平面內分辨率、梗死輪廓勾畫時細節(jié)描述更精確有關。該差別是否具有普遍性有待于進一步擴大樣本量證實，但至少可以設想，由于3DNAV序列的內在優(yōu)勢，勢必會使得測量結果較2DBH序列更具有準確量化梗死心肌體積的潛力。

3.2 TI時間選擇及對延遲增強圖像質量的影響 TI時間合理選擇是確保掃描成功和保證圖像質量的決定因素。2DBH和3DNAV序列正式掃描之前，都需反復進行測試掃描，觀察有活性心肌的信號抑制最佳時所對應的TI值，并根據經驗適當增加10～30ms作為最終TI值，啟動正式掃描。其實，這種方法只能獲得相對最佳TI值，容易出現偏差。采用相位敏感反轉恢復（phase sensitive inversion recovery, PSIR）[16]技術進行圖像采集時，一次屏氣中反轉恢復圖像和相位參照圖像間插采集，然后將反轉恢復圖像與相位參考圖像經過匹配重建，以此提高圖像的SNR和CNR。與常規(guī)DE序列相比，PSIR技術最突出的優(yōu)勢在于對TI時間不敏感，可以避免反復測試尋找最佳TI時間。但目前PSIR技術在3D呼吸導航序列[17]中的應用范圍仍有限。

對比劑注入后30min內開始數據采集，心肌梗死范圍的測量值就不依賴于掃描時間[18]。因此，研究設計未考慮2DBH及3DNAV序列掃描先后順序，對于對比劑注入時間、掃描持續(xù)時間與梗死心肌強化范圍是否存在某種關系也未作考慮。但是，由于對比劑流入流出的動力學不同，隨之導致在不同的成像時間，心肌與血液TI有所不同所致，兩種掃描序列圖像中SNR和CNR結果可能會受影響[19]。至于不同掃描順序究竟可造成SNR與CNR結果多大程度的偏倚，有待進一步深入探討。

3.3 空間分辨率的制約 為提高序列之間的可比性，3DNAV與2DBH DE-MR序列的層厚設置相同，均為4mm，所以3DNAV的空間分辨率為1.3mm×1.0mm×4.0mm，基本可以進行左心室長軸位圖像重建，從多個角度觀察梗死心肌的形態(tài)和范圍。若要顯示更小的梗死灶，可設置更薄的層厚，進一步提高空間分辨率，但必須延長掃描時間。掃描時間過長，由于掃描過程中所設置的TI值不可變，則難以確保最佳的有活性心肌抑制效果。以犧牲有活性心肌抑制效果和降低CNR為代價來獲得更高的分辨率是不可取的。

因研究納入的動物模型較少，為獲得更為具體和確切的結論尚需進一步研究，但是至少研究結果已顯示出了該序列的可行性。今后不僅可從結合并行成像技術、高效的k-空間采樣方式等方面進行探索，以進一步提高掃描效率，最大限度地減少掃描時間，也可在此基礎上將高效的3DNAV與PSIR技術結合，進一步優(yōu)化DE-MR序列。

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Application Value of Respiratory Navigator-gated Three-dimensional Delayed-enhancement MR Sequence in Infarcted Myocardium Imaging

PurposeTo explore the application value and feasibility of respiratory navigator-gated three-dimensional (3DNAV) delayed-enhancement MR (DE-MR)sequence using PAWS algorithm for infarcted myocardium imaging compared with standard breath hold two-dimensional (2DBH) DE-MR sequence.Materials and MethodsThree myocardium infarction dog-models underwent 2DBH and 3DNAV DE-MRI. The image quality of the two sequences were compared and evaluated by using semiqualitative and quantitative analysis.ResultsGood consistency(Kappa=0.532,P＜0.05) of the two radiologist' evaluation of 3DNAV image quality was obtained and the correlation of their relatively diagnostic reliability score was statistically significant (r=0.609,P＜0.05). The means of relatively diagnostic reliability score of the two radiologists were both beyond 0. And infarct volume measurements obtained based on the two sequences was significantly correlated(r=0.998,P＜0.05). Signal-to-noise ratio of infarcted myocardium (SNR1,t= －5.691,P＜0.01), SNR of variable myocardium (SNR0,t=－3.317,P＜0.01) and their contrast-to-noise ratio (CNR1-0,t= －6.005,P＜0.01) of 3DNAV sequence markedly improved than those of 2DBH sequence and their differences were statistically signi fi cant.ConclusionPAWS algorithm 3DNAV DE-MRI of infarcted myocardium provides less scan time, higher imaging efficiency, improved image quality and improved myocardial infarction diagnosis and evaluation con fi dence compared with 2DBH DE-MRI.

Myocardial infarction; Magnetic resonance imaging; Respiratory navigator-gated three-dimensional delayed-enhancement MR sequence; Disease models, animal; Dog

10.3969/j.issn.1005-5185.2012.12.001

程流泉

國家自然科學基金面上項目（309970772）。

2012-07-27

2012-09-14

（責任編輯 張春輝）