多个低b值DWI技术在心脏成像中的初步研究

刘明熙1,张挽时1,张子衡2,孟利民1,龚万沣1,刘洁1,方红1,王萍1

1.空军总医院 CT、MR科室,北京100142;2.GE医疗北京磁共振研究中心,北京 100176

[摘 要]目的初步研究多个低b值DWI技术在心脏检查中的成像技术和成像特点。方法对符合入组和排除条件的已签署知情同意书的30例健康志愿者行3.0T CMR Cine电影、T2WI和多b值DWI序列扫描,探讨此序列临床应用的可行性,统计分析心肌在各节段、不同供血区、年龄和性别中有无差异,并讨论行DWI序列扫描时,选择何种b值能够更好地反映心肌血流灌注情况。结果b=20、60 s/mm2时,图像质量较好。健康志愿者各节段心肌ADC值不全相等(F=6.315,P<0.001)。左前降支供血区,右冠状动脉供血区和左旋支供血区ADC值有差异(F=27.804,P<0.001),分别为(0.01186±0.00422)mm2/s,(0.01032±0.00333)mm2/s和(0.00902±0.00248)mm2/s。从基底部到心尖部,心肌平均ADC值无差异。结论多个低b值DWI技术在CMR检查中具有较好的可行性和可重复性。健康志愿者各节段心肌ADC值存在节段性差异。当b=20,60 s/mm2(<100 s/mm2)时,图像质量较好,可能提示此DWI图像可更好地显示心肌血流灌注特点,为今后选择合理b值进行相关研究提供参考。

[关键词]心脏磁共振;弥散加权成像;健康志愿者

0 引言

随着磁共振技术的发展,多b值弥散加权成像技术(Diffusion Weighted Imaging,DWI)已逐步应用于心肌损伤的检查中,可定量测定心肌血流灌注和细胞组织内水分子的弥散情况,评价心肌损伤的程度和范围,在探测急性心肌梗死心肌水肿方面有一定的优势。但目前,此技术应用于临床仍面临诸多挑战,尚无判断其准确性的金标准,也无明确的阈值反映心肌灌注血流量减少和心肌水肿,且少有与首过灌注等评价心肌血流灌注量减少的序列进行比较的研究等。本研究通过描述性研究的方法,对心脏磁共振(Cardiac Magnetic Resonance,CMR)多个低b值DWI技术的临床应用进行初步探讨,评价不同b值时的图像质量,并测量相应心肌节段的表观弥散系数值(Apparent Diffusion Coefficient, ADC),为相关研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究对象

健康志愿者30例,男21例,女9例,年龄23~66岁,平均年龄42.7岁,心率为54~78次/min,呼吸为8~25次/min,体重指数17.6~29.2 kg/m2,心肌质量(Left Ventricular Myocardium Mass,LVM)为44~128 g,射血分数(Ejection Fraction,EF)为50%~69%,每搏输出量(Stroke Volume,SV)为37~97 mL。

入组条件:① 无胸闷、心悸、心绞痛等常见心血管疾病的临床症状;② 心电图检查均正常;③ 既往无心肺脑疾病和肿瘤史;④ CMR Cine电影和T2WI序列扫描后未见心脏形态和功能异常[1]。排除条件:MR禁忌症人群。所有健康志愿者均签署知情同意书。

1.2 检查方法

CMR检查使用GE Healthcare MR750 3.0T磁共振和8通道心脏专用线圈。扫描前连接好呼吸和心电门控,进行呼吸训练,扫描过程中使用局部匀场技术避免磁敏感伪影和并行采集技术加速扫描速度。

对30例健康志愿者先行Cine电影和T2WI黑血压脂序列,扫描6个短轴位层面覆盖左心室。然后,对其行同层面的多个低b值DWI序列扫描,扩散敏感梯度场参数b值分别为0、20、60、100、150、200 s/mm2。扫描参数如下:频率编码扫描野Freq. FOV 为34 cm×42 cm,相位编码扫描野Phase FOV为80%,重复时间TR为1425.0 ms,回波时间TE为最小值,反转角flip angle 为45°,层厚Slice Thickness为8 mm, 层间隔Spacing为1.5~3.5 mm,激励次数NEX 为2.00。

1.3 图像分析

所有图像均传入GE AW4.5工作站。多b值DWI序列选择FUNCTOOL ADC软件进行单指数拟合,生成ADC图,测量感兴趣区(Region of Interest,ROI)ADC值。由2位从事心血管诊断的放射科医生分别进行图像分析和数据测量,各ROI内ADC值取两者测量值的平均值。扫描时基底、中间、心尖部心肌各两层,并依据美国心脏病协会建议采用的心肌17节段分析法划定感兴趣区,不包含心腔血池和心外膜外脂肪组织,分别测量每个层面平均ADC值和各节段心肌ADC值,计算基底、中间、心尖部各两层心肌的平均ADC值,以及两层面中各节段心肌的平均ADC值,ADC值用平均值±标准差表示。由于医学伦理学限制,未对健康志愿者行造影剂增强扫描。

图像分级标准:I级,存在严重呼吸运动、心脏搏动和变形伪影,或心肌多于两个节段信号丢失,图像不能进行测量;II级,存在较严重呼吸运动、心脏搏动和变形伪影,或一个层面心肌小于两个节段信号丢失,可能会影响此区域心肌各种参数值测量;III级,心肌信号完整但欠均匀,轮廓较清晰,可存在少许呼吸运动、心脏搏动和变形伪影,尚不影响此区域心肌各种参数值测量;IV级,心肌信号完整且较均匀,轮廓清晰锐利,图像无呼吸运动、心脏搏动及变形等伪影[1]

1.4 统计学分析

使用SPSS 17.0统计软件进行分析,对ADC值进行分组研究,对各组数据行独立样本t检验、One-way ANOVA方差分析和Tamhane’s组间分析,并对部分数据行Bland-Altman分析和Pearson’s相关分析,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像质量评估

所有健康志愿者均顺利完成扫描,检查后未出现不适症状,获得了具有诊断价值的图像。30例健康志愿者Cine序列显示心脏形态、结构正常,各节段心肌运动功能正常,T2WI序列未见心肌水肿,各瓣膜未见异常,心功能参数未见异常。30例健康志愿者各扫描6个层面短轴位心肌图像,基底、中间、心尖部各2层,共扫描图像180层。

图像质量统计如下:

b=0 s/mm2:血池高信号影响图像质量,未做明确统计;②b=20 s/mm2:I级16层(8.9%),II级44层(24.4%),III级101层(56.1%),IV级19层(10.6%);③b=60 s/mm2:I级61层(33.9%),II级53层(29.4%),III级52层(28.9%),IV级14层(7.8%);④b=100 s/mm2:I级96层(53.3%),II级41层(22.8%),III级29层(16.1%),IV级14层(7.8%);⑤b=150 s/mm2:I级113层(62.8%),II级24层(13.3%),III级31层(17.2%),IV级12层(6.7%);⑥b=200 s/mm2:I级126层(70%),II级23层(12.8%),III级25层(13.9%),IV级6层(3.3%)。

在III、IV级图像中,b=20 s/mm2图像120层(39.6%),b=60 s/mm2图像67层(21.8%),b=100 s/mm2图像43层(14.2%),b=150 s/mm2图像43层(14.2%),b=200 s/mm2图像31层(10.2%),b值为20、60 s/mm2图像187层(61.4%)。30例健康志愿者中,有4例出现下壁、下侧壁心肌条片状高信号,有2例出现前壁、间隔壁心肌条片状高信号。

2.2 ADC值统计结果

根据心肌17节段分析法测得健康志愿者各节段心肌ADC值的平均值(x-)、标准差(s)及95%可信区间见表1,排除了因运动伪影严重,无法进行ADC值测量的三层基底部图像。但由于采用短轴位扫描,只能获得除心尖外其余16节段心肌ADC值。

表1 左室心肌16节段ADC值

统计结果显示,16节段心肌各节段心肌ADC值不全相等,差异具有统计学意义(F=6.315,P<0.001),见图1。其中,第2、8、14节段心肌ADC值较余心肌节段略高。从基底部到心尖部心肌的平均ADC值分别为:(0.01170±0.00733)mm2/s, (0.01016±0.00156)mm2/s和(0.01032±0.00147)mm2/s,差异无统计学意义(F=1.107,P=0.335)。

图1 30例健康志愿者16节段心肌ADC值箱式图

注:蓝色区域为左前降支供血区,黄色区域为右冠状动脉供血区,紫色区域为左旋支供血区。

左前降支、右冠状动脉、左旋支供血区ADC值不同,差异有统计学意义(F=27.804,P<0.001),见图2。各支冠状动脉供血区域ADC值和95%可信区间分别为:左前降支供血区,(0.01186±0.00422)mm2/s,(0.01124-0.01249)mm2/s;右冠状动脉供血区,(0.01032±0.00333)mm2/s,(0.00978~0.01085)mm2/s;左旋支供血区(0.00902±0.00248)mm2/s,(0.00862~0.00942)mm2/s。

图2 左室不同供血区心肌ADC值箱式图

依年龄将健康志愿者分为20~40岁组和>40岁组,每组15例。除了在左室心尖部整体、前壁、下壁和侧壁,以及中间部下壁中,20~40岁组健康志愿者者的心肌ADC值较>40岁组略低,差异有统计学意义,余心肌节段ADC值无差异。按性别分组,男女两组健康志愿者各节段心肌及心肌平均ADC值差异不明显,只在中间部的下壁、下侧壁及心尖部前壁存在微小差异。ADC值与每搏输出量(Stroke Volume,SV)和心肌质量(Left Ventricular Myocardium mass,LVM)线性相关关系不显著,r值分别为-0.056和-0.133。

两位放射科医生分别测得的ADC值差值均数为-6.22×10-5mm2/s,差值标准差为0.00155 mm2/s,95%一致性界限(差值±1.96×差值标准差)为(-0.00311,0.00298)mm2/s,除个别测量点外余测量点均在95%一致性界限范围内,其在观察者间具有良好的一致性(相关系数r=0.814)。

3 讨论

3.1 图像质量分析和合理b值选择

b值DWI技术通常采用平面回波成像技术进行扫描。本试验中,因心率不同50~80次/min,屏气12~20 s,采集每例健康志愿者6层心肌短轴位图像,每层图像包括6张不同b值的图像(图3)。但多b值DWI序列尚不稳定,受呼吸运动、心脏搏动影响较大,易产生变形伪影,另外,磁敏感效应和梯度场变换也可造成心肌信号不均匀。适当减小扫描视野及局部匀场、多个饱和带的使用,可以一定程度上减少伪影、提高图像质量。

图3 多个低b值DWI序列扫描图像

注:健康志愿者,男,35岁。a~f. 分别为b值为多b值DWI扫描图像,心肌下壁与胃腔间见条状高信号伪影(如较大箭头所示)。a. 图中左室心腔内血池呈高信号(如较小箭头);b、c. 图中,左室部分前间壁、前壁心肌内条片状高信号伪影(如较小箭头);d、f. 图中,心肌信号丢失明显;e. 图中对心肌显示较好,部分前间壁、前壁条片状高信号不如b、c图中明显,但心肌边缘稍模糊。

b=0 s/mm2时,心腔血池信号高,易影响心内膜下心肌损伤的诊断,通常只作为诊断时的参考图像。当b>0 s/mm2时,心腔内血池信号抑制较好,心肌轮廓清晰。随着b值增大,III、IV级图像发生率逐渐降低,心肌信号丢失发生率逐渐升高。研究中发现当b=20、60 s/mm2时,正常心肌信号随b值增大有所衰减,血池信号能够得到较好的抑制,且受心脏搏动影响较小,心肌丢失发生率较低,扫描图像质量较为稳定,较适合心肌损伤的定性诊断和感兴趣区的参数测量,如本试验中当b=20 s/mm2时,III、IV级图像发生率达66.7%。试验中仅1例健康志愿者的1层心肌层面6幅不同b值图像中心肌信号未见丢失,且心肌轮廓清晰,未见伪影。

30例健康志愿者中,受到胃腔影响,有4例出现左室下壁、下侧壁条片状高信号伪影,因此,检查前应嘱咐其禁食水,减少此种伪影;另2人出现左室部分前壁、间隔壁心肌条片状高信号,需与此序列中呈高信号且无信号衰减的真正损伤的心肌相鉴别,应结合其他常规序列综合分析。

图像质量评价指标包括噪声、信噪比、对比度、分辨力和伪影等。一般情况下,随着b值减小,DWI图像的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)和对比噪声比(Contrast to Noise Ratio,CNR)有所提高,而对水分子弥散运动的敏感度有所下降[2-3]。在本试验中当b=20、60 s/mm2时,图像质量较好,且受到水分子弥散情况的影响较小,这可能提示着当b<100 s/mm2时的DWI图像能够更好地显示心肌血流灌注特点,临床应用中可重复性和临床价值更高,可为今后选择合理b值进行相关研究提供参考,但这仍需要结合图像SNR、CNR和ADC值等参数值进行深入研究。

3.2 左室心肌ADC值特征初探

在多b值DWI序列的临床试验研究中,通常将b≤200 s/mm2称为低b值,b>200 s/mm2称为高b[4-5]。低b值DWI序列扫描时,已包含足够的心肌血流灌注信息。但因心肌组织有其独特性,当b=10~100 s/ mm2时,DWI图像可能能够更好地反映出心肌血流灌注信息,细胞组织内水分子的弥散作用影响更小[1,4-7]。但罕有文献报道,当选择范围内的何种b值作为体素内不相干运动(Intravoxel Incoherent Motion,IVIM)理论双指数拟合研究的阈值,才能准确反映心肌血流灌注和水分子弥散情况的信息。因此,本试验尚采用单指数拟合方法计算ADC值。通过应用IVIM理论进行试验研究并得出上述阈值,将是笔者日后研究的方向。试验中左室心肌基底、中间及心尖部平均ADC值分别为(0.01170±0.00733)mm2/s、(0.01016±0.00156)mm2/s和(0.01032±0.00147)mm2/s,心肌平均ADC值约(0.01073±0.00441)mm2/s。在1.5T MR 扫描机下,b值选取0、50、100 s/mm2时,健康志愿者基底部心肌平均ADC值约0.00920 mm2/s,心尖部心肌平均ADC值约0.00990 mm2/s,左室心肌平均ADC值更接近于心尖部心肌的平均值[8]。两个试验的结果相近。但本试验测得的心肌平均ADC值稍高,猜测是由于采用3.0T MR 扫描机进行扫描且扫描参数和环境略有不同,或因人群心肌和冠状动脉组成结构的微小差异等原因所致。

试验中获得的左室16节段心肌ADC值不全相等,部分心肌间存在统计学差异,其中以左室基底、中间部前间隔壁和心尖部间隔壁ADC值较高,其值分别为(0.01251±0.00220)mm2/s,(0.01336±0.00304)mm2/s和(0.01353±0.00839)mm2/s。按供血区域划分,左前降支供血区、右冠状动脉供血区和左旋支供血区的ADC值为(0.01186±0.00422)mm2/s,(0.01032±0.00333)mm2/s和(0.00902±0.00248)mm2/s,存在较明显差异。由此可知,本试验中多个低b值DWI序列下获得的ADC值可能与心肌灌注血流量有关。已有研究表明左冠状动脉血流量一般大于右冠状动脉,且左前降支血流量最大,优势型对其影响不大,但因正常人中冠状动脉优势型不同,回旋支和右冠状动脉血流量大小不定[9]。研究结果恰与其相近,左前降支供血区ADC值较高。而大多数国人以右优势型多见,右冠状动脉血流量常大于左旋支血流量,因此,试验中右冠状动脉供血区ADC值高于左旋支,此结果有其合理性。但由于医学伦理学限制,未对每个健康志愿者行冠脉造影或冠脉CT血管成像方面研究,且如磁场不均匀性等原因也可能引起左室心肌的节段性差异,故本试验结果仍需进一步探讨验证。另外,从文献报道可知,在动物试验中,此技术的基本原理IVIM方法可提供关于心肌微循环情况,甚至提供如毛细血管分布不均匀性等与毛细血管分布相关的数据[1,10-11]。若日后用此技术来评价微循环血流的分布、速率和方向,可加深对心脏疾病病理生理学特点的理解。

目前,部分研究集中于使用多b值DWI序列研究心肌梗死后的心肌损伤,发现梗死区域心肌ADC值低于正常区域心肌,这可能主要与心肌水肿、梗死心肌血流灌注减少、缺血性坏死、梗死后心肌重构等有关[7,12]。在Laissy等[7]的研究中,b值选择了300 s/ mm2左右,因这些b值能够综合反映心肌细胞水分子弥散和心肌血流灌注情况,得到的心肌梗死患者中远隔正常心肌的ADC值为(0.00895±0.00019)mm2/s,健康志愿者的心肌ADC值为(0.00782-0.00956)mm2/s,均高于不同时期心肌梗死区域的ADC值(图4)。而在Rapacchi等[8]的研究中,远隔正常心肌区域ADC值为(0.0083± 0.0060) mm2/s,同样高于心肌梗死区域和梗死核心区域的ADC值。两项研究结果差异不大,且文献中健康志愿者和心肌梗死患者远隔正常心肌测得的ADC值与本试验结果相近,Callot等[10]采用的是高b值DWI序列进行扫描得到的ADC值,而Rapacchi等[8]和本研究中只采用了低b值DWI序列。但有文献报道低b值与高b值ADC值存在一定的差别,两者可能没有明显的相关性。因此,究竟高b值与低b值下的ADC值有何区别和联系,分别受到心肌细胞内水分子弥散和心肌血流灌注影响的比例有多大,尚不明确。正如脑部多b值DWI序列的研究一样,此技术应用于心肌中也较难分辨出两者的具体情况[8,13-15]

图4 健康志愿者

注:男,63岁。a~c、d~f. 图中分别为b=20 s/mm2时DWI图像、ADC参数图和信号强度曲线(随b值增大呈逐渐减低趋势)。a~c. 图中ROI1测定此层面心肌平均ADC值(0.0104 mm2/s)和信号强度曲线;d~f. 图中分别测定各感兴趣区ADC值:心肌前壁ROI1(0.0129 mm2/s)、前间壁ROI2(0.0159 mm2/s)、下间壁ROI3(0.00944 mm2/s)、下壁ROI4(0.00842 mm2/s)、下侧壁ROI5(0.00972 mm2/s)和前侧壁ROI6(0.00833 mm2/s),以及每个ROI区域的信号强度曲线。ROI面积约80~100 mm2。ADC图伪彩为0~0.02 mm2/s。

3.3 本研究局限性

第一,本研究样本量较小,性别比例欠均衡,尚需大规模临床试验研究明确。第二,入组健康志愿者无胸痛、胸闷、心悸等心血管疾病临床症状,心电图正常,无心肺脑疾病和肿瘤病史,CMR检查过程中Cine电影和T2WI序列检查未见心脏结构和功能的异常,但因医学伦理学和经济学考虑,均未行心血管方面的全面检查,属于相对健康志愿者。第三,由于扫描软件和后处理软件的限制,扫描过程中可能会出现微小差异。另外,目前本试验尚未对健康志愿者和心脏疾病患者行对照研究,且未对低b值和高b值DWI技术进行对比研究,这将是今后研究的重点。

4 结论

本研究证实此技术在CMR检查中具有较好的可行性和可重复性,尤其当b=20、60 s/mm2b<100 s/mm2)时,图像质量较好,可能提示此DWI图像应用于临床试验研究中可更好的显示心肌血流灌注特点,其b值的选择和测得的心肌各节段ADC值可为心肌缺血和水肿等心肌损伤相关研究提供参考。左室各节段心肌ADC值存在节段性差异,其原因和可能的影响因素仍需进一步研究探讨。

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A Preliminary Study of the Cardiac Magnetic Resonance Multi-low-b DWI Technology

LIU Ming-xi1, ZHANG Wan-shi1, ZHANG Zi-heng2, MENG Li-min1, GONG Wan-feng1, LIU Jie1, FANG Hong1, WANG Ping1
1.Department of CT and MRI, AirForce General Hospital, Beijing 100142, China; 2.General Electric Medical Beijing Magnetic Resonance Center, Beijing 100176, China

Abstract:ObjectiveTo investigate the imaging technology and characteristics of cardiac magnetic resonance (CMR) multi-low-bDWI technology.MethodsWith a 3.0T magnetic resonance imaging (MRI) system, cardiovascular magnetic imaging, including MR Cine, T2WI and multi-low-bDWI technology, was performed in 30 healthy volunteers who had given written informed consent to investigate the clinical feasibility of multi-low-bDWI technology and to explore whether ADC values in different segmental myocardium, different blood supply areas, different age-groups and gender were similar or not. A discussion was made on whichbvalue should be selected to better reflect the perfusion of myocardium when using DWI technology to scan cardiac structure.ResultsThe image quality of multi-low-bDWI technology was better when thebvalues were 20, 60 s/mm2(b<100 s/mm2). The study showed ADC values of some myocardial segments in healthy volunteers were different (F=6.315,P<0.001). ADC values of different blood supply areas were different (F=27.804,P<0.001) as below: the ADC value of the left anterior descending branch was (0.01186±0.00422) mm2/s; the ADC value of the right coronary artery was (0.01032±0.00333) mm2/s; the ADC value of the left circumflex was (0.00902±0.00248) mm2/s. Besides, myocardial ADC values were not different from base to apex.ConclusionThe CMR multilow-bDWI technology is feasible and repeatable. Myocardial ADC values have regional variation. The image quality is better when thebvalues are 20, 60 s/mm2(b<100 s/mm2) which indicates the images obtained through DWI technology can better reflect myocardial perfusion. The research provides relevant reference for choosing the appropriatebvalues in the future studies.

Key words:cardiac magnetic resonance; diffusion magnetic resonance imaging; healthy volunteers

[中图分类号]TP391.41

[文献标志码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.008

[文章编号]1674-1633(2016)03-0042-06

收稿日期:2015-04-23

通讯作者:张挽时,1944年10月,辽宁辽阳人,主任医师、教授、空军级专家。