BOLD-fMRI技术在心肌缺血中的研究进展

卢明明　彭　鹏　袁　飞

胸部放射学

BOLD-fMRI技术在心肌缺血中的研究进展

卢明明彭鹏袁飞*

血氧水平依赖功能MRI成像（BOLD-fMRI）技术已经成为心肌无创检查的重要方法之一。已有研究证实其评估心肌缺血具有较高的准确性和可靠性。随着MRI设备的发展及扫描序列的优化，BOLD-fMRI技术不仅实现了对心肌缺血的定量评估，而且可以对存活心肌进行无创检出。

心肌缺血；血氧水平依赖成像；磁共振成像；心肌活性

血氧水平依赖功能 MRI成像 （blood oxygen level-dependent functional MRI，BOLD-fMRI）是一种通过检测组织内血红蛋白含量来反映靶器官的缺血缺氧情况的MRI成像技术。随着高场强MRI设备的发展和成像技术的进步，BOLD-fMRI技术逐渐应用于心肌缺血的研究。因其不依赖于外源性对比剂且无电离辐射，在心肌功能检查中有着很好的前景。本文对BOLD-fMRI技术在心肌缺血中的研究进展及其临床应用予以综述。

1 BOLD-fMRI心肌成像原理

BOLD-fMRI是利用人体自身内部血氧浓度变化作为评价指标，不需要额外的对比剂即可了解组织的代谢情况，获得其他检查无法提供的信息［1］。心肌内血红蛋白包括氧合血红蛋白和去氧血红蛋白。氧合血红蛋白是抗磁性物质，对质子弛豫无影响。去氧血红蛋白是顺磁性物质，可缩短横向磁化弛豫时间，从而导致T2加权影像信号的降低。当心肌缺血缺氧时，其去氧血红蛋白比例增加，T2缩短效应加强，影像信号强度减低，以此定量评价心肌血氧含量的情况［2］。BOLD-fMRI是利用BOLD效应对心肌缺血缺氧成像的方法。Atalay等［3］最早在心脏模型中观察到BOLD效应引起的MR影像信号强度变化与心肌的血氧水平变化密切相关。Niemi等［4］在正常志愿者心肌注射潘生丁后行MR成像，也发现心肌的BOLD-fMRI信号强度随心肌血流量的增加而增加。随后BOLD-fMRI技术应用于动物及冠心病病人心肌成像研究中，BOLD-fMRI诊断冠心病和心肌缺血的能力也不断得以证实。

2 BOLD-fMRI技术可行性研究

Arnold等［5］分别以MR心肌灌注和冠状动脉造影为标准，证实BOLD-fMRI技术诊断心肌缺血和冠状动脉狭窄的准确度、敏感度和特异度分别达到84%、92%、72%和86%、92%、72%。由于心肌的灌注减少未必会导致心肌的缺氧改变，因此认为与心肌灌注技术相比，BOLD-fMRI技术能更准确地反映心肌缺血缺氧情况。Friedrich等［6］对比了BOLD-fMRI和单光子发射计算机体层成像（SPECT）心肌灌注对心肌供血情况的评估效果，发现BOLD-fMRI对同一冠状动脉供血区缺血心肌的检测与SPECT一致

*审校者性较好（r=0.22，P＜0.05）。另外，有研究者分别对不同的冠状动脉供血心肌节段进行BOLD-fMRI成像，证实缺血心肌中MR影像信号强度与微球体血流量［7］、冠状动脉血流储备［8］均呈正相关（r=0.79，r=0.86），说明BOLD-fMRI可以对心肌血流量进行准确评估。心肌的BOLD-fMRI成像虽未广泛应用于临床，但在动物和临床试验中，与心肌灌注、冠状动脉造影及微球体血流测试等技术相比，BOLD-fMRI技术评估心肌缺血表现出较高的准确性与可靠性。

3 BOLD-fMRI成像技术及序列选择

BOLD-fMRI成像直接受到磁场强度及均匀性的影响，不均匀的磁场可以导致伪影的产生，高场强可以提高组织的BOLD效应。Dharmakumar等［9］研究发现3.0 T MR设备与1.5 T相比，检测心肌内血氧水平的敏感度提高了2.5倍，所以高场强MR设备的发展也促进了BOLD-fMRI在心肌成像中的应用。目前BOLD-fMRI用于心肌扫描的序列主要分为3类，分别为自旋回波序列、平面回波序列和梯度回波序列。首先，自旋回波序列的BOLD-fMRI空间分辨力较高，可以对心肌的精细结构进行评估，但其成像较慢，扫描时间较长，心率较快的病人在扫描过程中会产生运动伪影，影响影像质量。目前，自旋回波序列BOLD-fMRI主要应用于静态器官的缺血缺氧评估［10］。平面回波BOLD-fMRI与常用于脑功能检查，因其成像速度快，能够对于瞬息的血氧变化进行成像。但该序列空间分辨力较差，脑功能成像通常评估的是功能区激活的位置和范围，对解剖像要求不高，而心肌成像则需要对其解剖结构进行精细评估，所以平面回波序列在心肌成像方面应用较少［4，6］。心肌研究应用最多的BOLD-fMRI序列为梯度回波序列，它可以兼顾心肌的形态、功能和血氧信息，目前以稳态自由进动 （steady state free procession，SSFP）序列为主［11］，其在静息和压力负荷下均取得了良好的成像效果，它的亮血特点也有助于心肌病变的诊断。但由于SSFP序列成像质量直接依赖于重复时间（repetition time，TR），而提高对自身去氧血红蛋白变化敏感性的同时会产生更多的磁敏感伪影，所以选择恰当的TR，寻求对心肌内血氧变化敏感性和磁敏感伪影两者之间的平衡点是SSPF序列成像的关键。

4 BOLD-fMRI技术在心肌缺血研究中的应用

4.1BOLD-fMRI对心肌梗死的定量诊断目前BOLD-fMRI主要测量心肌梗死区域信号强度（signal intensity，SI）值的变化来评估梗死心肌。腺苷等药物可增加心肌的压力负荷，正常心肌在压力负荷下心肌需氧量明显增多，BOLD-fMRI影像上表现为心肌信号强度明显增加；而梗死心肌由于心肌结构的坏死与破坏，负荷压力下需氧量无增加或仅有轻度增加，信号强度不变或轻度增加，这样便可区分正常心肌与梗死心肌。Jahnke等［12］发现正常心肌节段腺苷压力下与静息态下ΔSI变化值为（7.1±0.3）%，而梗死心肌节段ΔSI变化值为（-1.9±0.8）%，两者之间差异有统计学意义，由此推测通过负荷前后ΔSI变化值可判定梗死心肌。另外，研究通过与冠状动脉成像比较发现，以ΔSI=2.7%为截断值，BOLD-fMRI诊断冠状动脉病变的敏感度、特异度、准确度也分别达到85.0%、80.5%、81.3%。除测量心肌SI值外，BOLD-fMRI还可以通过测量T2或T2*、表观横向弛豫率R2*（1/T2*）等［13-14］来对梗死心肌进行定量评估。当心肌缺血缺氧时，其去氧血红蛋白比例增加，T2或T2*缩短效应加强，可导致缺血心肌的T2或T2*值变小。Walcher等［15］对46例冠心病病人进行T2* BOLD扫描，发现静息态下梗死心肌T2*值［（26.7± 11.6）ms］明显低于正常心肌T2*［（31.9±11.9）ms］，负荷状态下T2*值＜33.8 ms的心肌被诊为冠心病的敏感度为78%，特异度为68%。心肌T2*值对缺血心肌较为敏感，但其未排除磁场不均匀性的影响［16］。与T2*值相比，T2值对静磁场的不均匀性不敏感，磁敏感及运动伪影较少，并且其影像信噪比较高［7］。Giri等［17］利用T2-SSPF序列测得正常志愿者心肌T2值为52.18 ms，而急性心肌梗死病人的梗死心肌T2值明显低于正常心肌，研究认为T2BOLD-fMRI成像信号较稳定，不易受线圈差异和心脏运动的影响。目前BOLD-fMRI技术对于心肌梗死的研究大多数是在腺苷或潘生丁等药物负荷下完成，而Tsaftaris等［18］在单纯静息状态下同样实现了对梗死心肌的定量评估，他利用舒张期与收缩期的心肌不同血氧量变化原理，计算BOLD-fMRI在心肌区域的收缩期信号强度与舒张期信号强度之比 （intensity at endsystolic/intensity at end-diastolic，S/D），发现梗死心肌区域S/D值较正常心肌区域明显减小，这样便可实现静息状态下的梗死心肌无对比剂检测。总之，无论使用什么方法，BOLD-fMRI均能够对梗死心肌进行定量评估，但正常心肌与梗死心肌的判定标准目前尚不统一，要实现BOLD-fMRI的临床应用，仍需要更多的临床研究和数据支持。

4.2BOLD-fMRI技术对于存活心肌的检出评估存活心肌的成像方法主要为SPECT心肌灌注［19］、心脏超声造影［20-21］、MRI心肌灌注等。SPECT心肌灌注可以通过压力负荷扫描实现存活心肌的检出；心脏超声造影依靠心肌的室壁运动和强化程度判定心肌存活状况；MRI心肌灌注通过延迟强化可检出存活心肌，上述方法多为定性或半定量检出［22］，且依赖外源性对比剂。BOLD-MRI技术以内源性去氧血红蛋白作为对比剂，且可对存活心肌进行定量检测。Manka等［23］测量冠心病病人和正常人心肌T2*值发现，在静息状态下存活心肌（31.2 ms）和正常心肌（31.9 ms）与梗死心肌（26.7 ms）的T2*值差异明显，静息状态下无法区分存活心肌与正常心肌，腺苷负荷后正常心肌T2*值明显增加，而存活心肌和梗死心肌变化不明显，从而区分存活心肌、正常心肌和梗死心肌。Egred等［24］通过观察急性心肌梗死病人负荷前后心肌BOLD-fMRI信号强度变化程度发现，存活心肌负荷压力后较静息态心肌信号强度变化大（-9.53%），而梗死心肌变化小，甚至无变化（-2.15%），以此便可区分两者。BOLD-fMRI检测存活心肌必须依赖于负荷压力扫描，梗死心肌与存活心肌在负荷压力前后存在不同的信号强度变化或不同的T2/T2*值变化，是区分正常心肌、存活心肌和梗死心肌的关键所在。除腺苷等药物负荷外，最近研究［25］发现使用高碳酸刺激较药物负荷心肌BOLD-fMRI信号的变化更为明显［（14±24）%∶（17±14）%］，这样可以更容易地区分存活心肌与梗死心肌。相对于常规MR心肌灌注技术，BOLD-fMRI技术可以定量评价信号有细微差别的存活心肌与梗死心肌，确定不同心肌的范围及临界区，从而实现存活心肌的精准评估。

5 BOLD-fMRI存在问题及展望

5.1伪影问题和较低的信噪比BOLD-fMRI影像质量较前有了明显提升，但磁敏感伪影和运动伪影问题仍然存在，部分伪影会导致假阳性的诊断［12］。BOLD-fMRI扫描仍然以获得定量信息为主，解剖信息显示欠清晰。追求尽可能小的磁敏感伪影与尽可能高的BOLD诊断敏感性是一大难点，序列的优化、兴趣区的选择和更多测量方法的提出可能会解决这个问题［6］。

5.2扫描范围的局限性因为时间分辨力的原因，大多数研究选取BOLD-fMRI短轴位单层面扫描，或选择心脏基底部、中间部和心尖部进行多层扫描［26］，采取这种心肌局部评估可能会导致缺血心肌的漏诊［27］，且无法实现后期的重建处理，这需要全心容积MRI扫描技术的进一步发展。

5.3诊断标准问题对于BOLD-fMRI心肌成像，不同研究采用不同的成像方法和评价指标，缺乏统一的诊断标准限制了BOLD-fMRI在心肌缺血中的进一步发展和应用，需要更多的研究和数据来达成BOLD-fMRI诊断心肌缺血的共识。

总之，BOLD-fMRI作为一种不依赖外源性对比剂、无创的、定量的影像检查技术，在评价心肌缺血、检测存活心肌等方面有着较好的临床应用前景。随着MRI设备的发展、扫描序列的优化及诊断标准的统一，BOLD-fMRI技术将会在心肌缺血的诊疗中发挥更大的作用。

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（收稿2015-04-24）

Advances of blood oxygen level-dependent functional MRI assessing myocardial ischemia

LU Mingming，PENG Peng，YUAN Fei.MRI Division，Department of Radiology，Affiliated Hospital of Logistics University of Chinese People's Armed Police Forces，Tianjin 300162，China

BOLD-fMRI has been an important approach of evaluating the status of myocardial ischemia noninvasively.The accuracy and reliability of evaluating myocardial ischemia using BOLD-fMRI have also been certified by previous studies.As the development of MR devices and sequences，BOLD-fMRI not only had the ability to diagnose the ischemia of myocardium quanlificationally，but also could detect viable myocardium noninvasively.

Myocardial ischemic；Blood oxygen level-dependent；Magnetic resonance imaging；Myocardial viability Int J Med Radiol，2016，39（1）：27-30

10.3874/j.issn.1674-1897.2016.01.Z3615

武警后勤学院附属医院磁共振科，天津 300162

袁飞，E-mail：yuanfei99@126.com