體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)成像在心臟疾病中的應(yīng)用進(jìn)展

向曉睿，陳梓嫻，林晨，南江，莊辛，薛敬梅，雷軍強(qiáng)，郭順林*

體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intravoxel incoherent motion，IVIM)成像是基于擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)發(fā)展起來(lái)的以雙指數(shù)、多b值模型反映組織內(nèi)水分子擴(kuò)散參數(shù)的成像技術(shù)[1]。IVIM成像經(jīng)過(guò)近30年的不斷發(fā)展和實(shí)踐，對(duì)于反映活體組織的擴(kuò)散和灌注信息取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。結(jié)合心臟磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)多平面、多參數(shù)成像以綜合評(píng)估心臟結(jié)構(gòu)、功能、血流動(dòng)力學(xué)、微循環(huán)障礙及心肌纖維化等信息，彌補(bǔ)了常規(guī)超聲心動(dòng)圖和計(jì)算機(jī)斷層顯像的局限性，以輔助臨床診斷及決策[2-3]。IVIM成像作為反映心肌組織分子水平病理生理學(xué)特點(diǎn)的新技術(shù)，對(duì)心臟疾病的診療具有重要臨床意義，同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)。本文就IVIM成像在心臟疾病中的應(yīng)用及進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 IVIM成像技術(shù)原理

DWI是目前唯一能觀察活體組織內(nèi)水分子微觀運(yùn)動(dòng)的成像方法，研究表明，DWI基于單指數(shù)模型會(huì)受到血液微循環(huán)的影響，同時(shí)存在水分子運(yùn)動(dòng)和血流灌注信息，所得的ADC值往往偏高[4]，并不能真實(shí)反映組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散情況，存在一定局限。為了彌補(bǔ)DWI單指數(shù)模型的不足，Le Bihan等[5]于1986年首次提出IVIM技術(shù)。IVIM成像技術(shù)是基于雙指數(shù)模型、多b值采集圖像，分別反映水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及毛細(xì)血管灌注信息，從而獲得組織擴(kuò)散參數(shù)和微血管灌注參數(shù)。

IVIM理論的雙指數(shù)模型公式為：Sb/S0=(1-f)·exp (-bD)+f·exp [-b(D+D*)]。其中擴(kuò)散系數(shù)D反映體素內(nèi)純水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；灌注分?jǐn)?shù)f反映體素內(nèi)微循環(huán)灌注效應(yīng)占總體擴(kuò)散效應(yīng)的比重，可測(cè)定組織內(nèi)血容量；假擴(kuò)散系數(shù)D*反映體素內(nèi)微循環(huán)灌注相關(guān)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，可測(cè)定組織內(nèi)血流量；S0表示b為0，Sb表示b為其他值(如10、20、30 s/mm2)時(shí)的體素內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度[5-6]。因分子運(yùn)動(dòng)速度和空間分布不同，低b值參數(shù)信息主要反映微循環(huán)的灌注效應(yīng)；而較高b值的信號(hào)衰減主要反映擴(kuò)散效應(yīng)[5]。由此即可得出組織中水分子的擴(kuò)散參數(shù)，描述微循環(huán)引起的信號(hào)改變，更加直觀地獲得組織灌注的生理信息。

隨著磁共振軟硬件設(shè)備、呼吸導(dǎo)航技術(shù)及心電門控技術(shù)的發(fā)展，IVIM成像可定量測(cè)定心肌灌注和組織內(nèi)水分子擴(kuò)散，因此逐漸應(yīng)用于心臟疾病的檢查和診斷，開(kāi)辟了新的成像思路和方法[7-8]。

2 IVIM成像影響因素

心臟IVIM成像易受到呼吸運(yùn)動(dòng)及心臟搏動(dòng)的影響，圖像變形失真，心肌信號(hào)丟失嚴(yán)重[9-10]，因此其對(duì)于心臟疾病的應(yīng)用仍存在相應(yīng)困難和挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)心臟IVIM成像方法及其參數(shù)設(shè)置的重復(fù)性進(jìn)行了大量研究，通過(guò)穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)(steady-state free precession，SSFP)、單次自旋回波回波平面成像(spin-echo echo planar imaging，SE-EPI)序列、主元分析(principal component analysis，PCA)濾波技術(shù)、時(shí)間最大強(qiáng)度投影(temporal maximum intensity projection，TMIP)技術(shù)、貝葉斯收縮先驗(yàn)(bayesian shrinkage prior，BSP)分析法[11-14]等改進(jìn)了技術(shù)不足，并提高了準(zhǔn)確性和重復(fù)性，為沒(méi)有對(duì)比劑的灌注成像提供了新的視角。

IVIM成像過(guò)程中b值的設(shè)定十分關(guān)鍵，但其數(shù)目和大小的設(shè)定尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定低b值時(shí)，灌注成分上升，此時(shí)采集的信號(hào)才能充分描述組織的灌注信息[15]。隨b值增大，圖像信噪比顯著降低，心肌信號(hào)衰減程度越大，其測(cè)量參數(shù)重復(fù)性、準(zhǔn)確性較差，多數(shù)心肌在b值大于600 s/mm2時(shí)觀察不到信號(hào)強(qiáng)度[16]。研究顯示當(dāng)b值在10～100 s/mm2時(shí)，血池信號(hào)能夠得到較好的抑制，心肌信號(hào)丟失率較低，圖像質(zhì)量較為穩(wěn)定，能更好地反映心肌血流灌注信息[17]。心臟成像過(guò)程中應(yīng)同時(shí)具備高低b值，以同時(shí)涵蓋組織內(nèi)水分子擴(kuò)散及心肌微循環(huán)灌注信息。雖然理論上b值數(shù)目越多，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果越準(zhǔn)確，得到的圖像質(zhì)量也越好，但多b值掃描延長(zhǎng)了圖像采集時(shí)間，患者可因不耐受而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，因此選擇過(guò)多b值并不適用于臨床應(yīng)用。

心臟IVIM掃描成功與否的另一關(guān)鍵因素是心電門控的觸發(fā)延遲時(shí)間(trigger time delay，TD)[10-11]，其主要通過(guò)確定心臟運(yùn)動(dòng)最小的時(shí)間窗來(lái)解決信號(hào)丟失問(wèn)題。TD的確定與心率有關(guān)，研究表明心率小于70次/min時(shí)圖像質(zhì)量會(huì)明顯提高，心率越慢采集圖像的時(shí)間窗越寬，采集成功率也越大。此外，心律不齊也會(huì)造成偽影及心肌信號(hào)不均。因此想要獲得良好的IVIM圖像就要把患者心率控制在一定范圍之內(nèi)。

3 IVIM成像在心臟疾病中的應(yīng)用

目前，IVIM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各系統(tǒng)和器官病變的診斷、鑒別、分級(jí)以及提供預(yù)后信息[18]。而心臟IVIM成像對(duì)患者一般情況、呼吸控制、心率快慢、心律整齊等都有一定限制，且對(duì)設(shè)備性能和后處理軟件也有較高要求，因此IVIM技術(shù)在心臟疾病中的研究和應(yīng)用較少。

Callot等[19]首先在動(dòng)物模型嘗試心臟IVIM成像，證實(shí)了該技術(shù)的可行性，且能定量反映心肌微循環(huán)灌注情況。緊接著國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸將IVIM技術(shù)用于健康人體心臟成像，可在無(wú)對(duì)比劑、心臟無(wú)負(fù)荷的情況下定量評(píng)估心肌微循環(huán)灌注狀態(tài)，且灌注參數(shù) f、D和D*值具有較高重復(fù)性及準(zhǔn)確性[17，20]。以上研究為心臟疾病的IVIM成像奠定了基礎(chǔ)，促使其在臨床應(yīng)用中的開(kāi)展。

3.1 心臟正常IVIM成像

正常心臟IVIM成像中，b=0 s/mm2時(shí)，心腔血池呈高信號(hào)，可影響心內(nèi)膜下心肌損傷的診斷，一般只作為參考圖像。b＞0 s/mm2時(shí)，心腔血池呈低信號(hào)或無(wú)信號(hào)，心肌呈中等信號(hào)，而隨b值增大心肌信號(hào)丟失加重，心臟輪廓顯示不清。心臟的IVIM掃描受周圍臟器影響，可出現(xiàn)高信號(hào)的條片狀偽影，應(yīng)與無(wú)信號(hào)衰減的高信號(hào)損傷心肌相鑒別，結(jié)合CMR常規(guī)序列進(jìn)行心臟的綜合分析和診斷[16-17]。

冠狀動(dòng)脈不同供血區(qū)的心肌IVIM灌注參數(shù)也不同。研究顯示，對(duì)比分析不同冠脈供血節(jié)段心肌的灌注參數(shù)，發(fā)現(xiàn)前降支、右冠狀動(dòng)脈供血區(qū)D值高于左旋支，D*值和f值則低于左旋支，可能與前降支、右冠狀動(dòng)脈血流量較大有關(guān)，該結(jié)果與多數(shù)國(guó)人右優(yōu)勢(shì)型冠脈供血的情況相符合[16-17]。由于心尖部運(yùn)動(dòng)幅度稍大，受呼吸運(yùn)動(dòng)、胃腸道蠕動(dòng)等影響也略重，目前還沒(méi)有關(guān)于心尖部心肌IVIM參數(shù)的報(bào)道。雖然以上研究的樣本量較小，仍說(shuō)明IVIM灌注參數(shù)可以提示心肌不同血供及血流量。

3.2 心臟疾病IVIM成像

心肌微循環(huán)灌注狀態(tài)與心臟疾病發(fā)生密切相關(guān)，定性、定量評(píng)價(jià)心肌微循環(huán)灌注情況具有重要意義。常規(guī)CMR對(duì)于區(qū)分缺血性和各種非缺血性心肌損傷具有獨(dú)特幫助，可確定殘留的心肌活性、心肌頓抑和微血管損傷，IVIM成像的出現(xiàn)進(jìn)一步補(bǔ)充了心肌微循環(huán)灌注信息，助于多模態(tài)CMR一站式無(wú)創(chuàng)評(píng)估各類心臟疾病。

3.2.1 缺血性心臟病

IVIM技術(shù)可提供心肌擴(kuò)散狀態(tài)及血流灌注信息，對(duì)不耐受對(duì)比劑的心肌梗死(myocardial infarction，MI)患者有較大診斷價(jià)值。Laissy等[21]探討了b值在300 s/mm2左右的DWI序列檢測(cè)急性MI并與亞急性和慢性MI的區(qū)分鑒別，結(jié)果顯示多b值序列評(píng)估MI的敏感性為97%、特異性為61%，不同時(shí)期梗死區(qū)域小于正常心肌的灌注參數(shù)，表明多b值掃描是診斷急性MI的敏感技術(shù)且能幫助區(qū)分慢性MI，有望用于非典型性胸痛的急診患者的分類。An等[22]使用IVIM成像對(duì)急性MI和梗死樣心肌炎患者進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)急性MI患者的D值、D*值和f值均小于梗死樣心肌炎患者和正常對(duì)照組，此外，心肌延遲強(qiáng)化段顯示出明顯更低灌注參數(shù)，表明IVIM成像可以作為評(píng)估和鑒別急性MI和梗死樣心肌炎不同心肌灌注方式的可靠序列。還有學(xué)者用IVIM檢測(cè)MI后心肌損傷，發(fā)現(xiàn)梗死心肌低于正常心肌的灌注參數(shù)，可能與心肌重構(gòu)、水腫、血流灌注減低、缺血壞死等有關(guān)[23]。

此外，An等[24]用IVIM成像評(píng)估了MI患者經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(percutaneous coronary intervention，PCI)術(shù)后的心肌灌注損傷及嚴(yán)重程度，并調(diào)查了心肌灌注的動(dòng)態(tài)生物學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)缺血心肌中的D*和f值顯著低于遠(yuǎn)端心肌，且術(shù)后第3～7天能更有效評(píng)估灌注水平，表明IVIM可以充分反映PCI術(shù)后患者心肌水腫和心肌灌注狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此，IVIM成像可用于MI的早期定量檢查以及PCI術(shù)后的無(wú)創(chuàng)評(píng)估，提示較低心肌灌注狀態(tài)并為臨床診療提供可靠信息。

3.2.2 非缺血性心臟病

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)是最常見(jiàn)的遺傳性心肌病，其冠脈微循環(huán)障礙所致心肌低灌注是組織重構(gòu)、功能障礙、心力衰竭等不良預(yù)后的有效預(yù)測(cè)因子[25]。Mou等[26]發(fā)現(xiàn)HCM患者左室心肌明顯低于正常人左室心肌的D*值，表明HCM患者心肌存在低灌注損傷，提示IVIM成像有助于心肌微循環(huán)狀態(tài)的預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)。Wei等[27]發(fā)現(xiàn)HCM患者無(wú)肥厚或無(wú)強(qiáng)化節(jié)段的心肌也存在局部微循環(huán)障礙，其中D*具有較高的敏感性，表明IVIM技術(shù)可早期提示心肌微循環(huán)障礙。隨著更多大樣本量研究進(jìn)一步優(yōu)化和統(tǒng)一掃描方案，IVIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)HCM微循環(huán)障礙的無(wú)創(chuàng)、定量評(píng)估，為HCM患者的治療及預(yù)后提供有力證據(jù)。

此外，Potet等[28]用低b值(b=50 s/mm2)掃描評(píng)估急性心肌炎患者中的局部和彌漫性心肌水腫，發(fā)現(xiàn)心肌炎患者的整體心肌信號(hào)強(qiáng)度顯著高于對(duì)照組，指出低b值序列可替代常規(guī)序列評(píng)估心肌水腫。Wu等[29]使用IVIM技術(shù)對(duì)高血壓性心臟病患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)左室肥厚型高血壓患者灌注參數(shù)高于非肥厚型，其增高與收縮壓峰值降低有關(guān)，提示IVIM可有效反映高血壓心臟病的纖維化程度。Mou等[26]還對(duì)高血壓性和糖尿病性心臟病患者進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)患者組的左室心肌D*值顯著低于健康志愿者，也說(shuō)明IVIM可評(píng)估心肌微循環(huán)障礙。Terrier等[30]對(duì)系統(tǒng)性硬化癥所致的心肌受累進(jìn)行前瞻性研究，通過(guò)IVIM成像評(píng)估心肌微血管和間質(zhì)損傷，發(fā)現(xiàn)f值減低與組織灌注減少相關(guān)，且與較少使用血管擴(kuò)張劑和頻繁使用糖皮質(zhì)激素有關(guān)，該研究表明IVIM成像還能評(píng)估其他疾病所致的心肌受累情況。

總之，心臟IVIM成像的臨床研究還處于初始階段，對(duì)其他非缺血性心肌病如擴(kuò)張型心肌病、限制型心肌病、左心室致密不全、心律失常性心肌病等都暫無(wú)研究報(bào)道，會(huì)是今后IVIM成像在各類心臟疾病中更加多元和細(xì)致的研究方向。

4 總結(jié)與展望

IVIM成像作為反映心肌組織分子水平病理生理學(xué)特點(diǎn)的新技術(shù)，對(duì)于心臟疾病成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：雙指數(shù)、多b值模型較傳統(tǒng)DWI更加真實(shí)地反映心肌組織內(nèi)水分子擴(kuò)散情況；能準(zhǔn)確定量評(píng)估心肌灌注及微循環(huán)，對(duì)心臟疾病的臨床診療提供重要參考信息；結(jié)合CMR多序列、多參數(shù)掃描，可實(shí)現(xiàn)一站式評(píng)估心臟結(jié)構(gòu)、功能、灌注等信息；無(wú)需注射示蹤劑及對(duì)比劑，利于過(guò)敏體質(zhì)或腎功能不全患者的心臟檢查。

綜上，IVIM成像對(duì)心臟疾病的診斷、鑒別診斷、療效評(píng)價(jià)等方面有重要價(jià)值，但也有不足之處：心臟IVIM成像易受呼吸運(yùn)動(dòng)及胃腸蠕動(dòng)等影響，重復(fù)性及穩(wěn)定性有待提高；多b值掃描時(shí)間較長(zhǎng)，掃描條件仍需改進(jìn)；b值大小和數(shù)目尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，仍需探索及完善；缺乏大樣本量研究，需多中心進(jìn)一步驗(yàn)證。相信隨著技術(shù)不斷更新，掃描參數(shù)及圖像后處理技術(shù)的不斷優(yōu)化，IVIM成像將對(duì)心臟疾病的診療發(fā)揮更加重要的作用。

利益沖突：無(wú)。