体素内不相干运动成像技术诊断陈旧性心肌梗死的初步研究

相世峰，张学强，杨素君，高云云，张洪峰，石清磊，李 帅

心肌梗死是全球范围内致死和致残的主要疾病之一，在我国其发病率呈逐年增高趋势，陈旧性心肌梗死心肌纤维化是心室重构的决定因素，使心脏的机械活动和电活动发生改变，最终导致病人心力衰竭，严重可致死亡，所以心肌纤维化的检测对于临床制定治疗策略起着重要作用。近年来，心脏磁共振(cardiac magnetic resonance，CMR)延迟强化(late gadolinium enhancement，LGE)已成为评估心肌梗死后心肌纤维化的金标准[1-2]，然而有相当一部分病人由于造影剂过敏、肾纤维化等原因不能进行心脏增强扫描。

扩散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)是一种真正的定量检测方法，目前在临床上已广泛应用于全身各系统中，Le Bihan 等[3]提出体素内不相干运动成像(the intravoxel incoherent motion，IVIM)理论，利用双指数模型多b值扩散加权成像获得的定量参数，可以准确地评价活体组织的扩散及微血管灌注信息，而且不需要对比剂。目前已应用于头颈部、肝脏、椎体等病变[4]，但由于心脏的不间断运动，IVIM技术应用于心脏在实际操作中仍面临诸多挑战[5]。本研究尝试把IVIM技术用于人活体心肌成像，拟用IVIM技术测量陈旧性心肌梗死病人心肌纤维化及正常志愿者正常心肌间的扩散系数(D值)、灌注系数(D＊值)和灌注分数(f值)，对其定量值进行分析比较，为将来陈旧性心肌梗死研究提供参考指标。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选取2016年5月—2018年9月于邯郸市中心医院诊断为陈旧性心肌梗死的住院病人35例为病人组，男28例，女7例；年龄36～75岁，平均53.6岁。入选同期既往无心、肺、脑血管病史的健康志愿者12名为正常心肌组，男7名，女5名；年龄23～53岁，平均35.7 岁。陈旧性心肌梗死病人纳入标准：有明确的心肌梗死病史，梗死时间≥6个月；全部病例均行磁共振增强(contrast-enhanced magnetic resonance imaging，CE-MRI)检查。病人排除标准：有严重心律不齐或无法配合病人；无法行CE-MRI检查者(包括幽闭恐惧症、体内置入起搏器或除颤器等)。所有受试者均签署知情同意书。

1.2 扫描方法 采用SIEMENS SKYRA 3.0T磁共振扫描仪、相控阵表面线圈和心电门控技术。常规行两腔心、四腔心和一系列短轴位电影完成心脏形态学检查，所有受试者均行心肌灌注及心肌延迟增强序列。行心脏短轴的7个b值DWI序列扫描，扩散敏感梯度场参数b值分别为0 s/mm2、20 s/mm2、60 s/mm2、100 s/mm2、150 s/mm2、200 s/mm2、600 s/mm2。扫描参数如下：频率编码扫描野306 mm，相位编码扫描野为75%，重复时间为2 200 ms，回波时间67 ms，层厚为8 mm， 层间隔为1.5～3.5 mm，激励次数为8.00次，局部匀场，使用心电门控，呼气末屏气扫描。

1.3 图像分析 由两位从事心血管影像诊断的高年资主治医师判定陈旧性心肌梗死LGE阳性节段。IVIM参数图的计算采用该序列自带的后重建算法进行重建，在该实验中采用了大多数研究者通常采用的“分步式”进行参数计算。由于D＊效应明显大于D效应，所以当b值大于1/D＊时，灌注效应对信号强度的衰减就会变得非常小。因此，在较高的b值时候，双指数衰减模型变化为：Sb=S0(1-f)exp(-bD) 。在该实验中，首先利用大于170 s/mm2的b值简化单指数模型计算D值，并把该模型拟合出来的曲线进行延伸，其截距Sint与b值等于0时的信号强度S0公式：f=( S0-Sint)/ S0计算灌注分数f，最后利用计算出来的D和f部分约束非线性拟合(partially constrained nonlinear fit)方法计算D＊。之后把IVIM序列所得参数图传至Syngo.via工作站进行测量，参照短轴LGE阳性图像选取感兴趣区测量陈旧性心肌梗死病人心肌纤维化参数值，正常心肌组心肌测量部位为室间隔前部、后部及侧壁各选取1个感兴趣区，D值、D＊值和f值。

2 结 果

2.1 两组IVIM参数值D值、D＊值和f值比较 35例陈旧性心肌梗死病人和12名健康志愿者均得到左室短轴位7个b值DWI原始图像，b值为0 s/mm2时，心腔血流信号呈高信号，心肌信号呈稍高信号，随着b值增加，心腔血流信号减低逐渐变为无信号，心肌信号亦逐渐减低，b值为600 s/mm2时心肌信号最低。35例陈旧性心肌梗死病人中LGE阳性节段96个(典型病例见图1)，随着b值增加，梗死心肌信号增高，周围正常心肌信号减低形成明显对比(见图2)。两组梗死心肌与正常心肌的D值、D＊值和f 值伪彩图(见图3)，梗死心肌纤维化与正常心肌参数D值、D＊值和f 值组间比较差异有统计学意义(P<0.05)。详见表1。

图1 短轴位延迟强化图(箭头示LGE阳性区)

图2 IVIM短轴位图

图3 IVIM短轴位伪彩图

表1 两组IVIM-DWI参数值D值、D＊值和f值比较[M(QR)]

2.2 两组心肌参数值诊断效能比较 D值、D＊值和f值的中位值比较差异均有统计学意义(Z值分别为-5.028、-5.582、-5.257，P<0.05)。详见表1。D值、D＊值和f值曲线下面积分别为0.939、0.988和0.959，D值的敏感度和特异度分别为84.6%、88.9%，D＊值的敏感度和特异度分别为100.0%、94.4%，f值的敏感度和特异度分别为84.6%、93.1%。详见图4。

图4 两组心肌IVIM参数D值、D＊值和f值ROC曲线图

3 讨 论

3.1 IVIM技术评价心肌的应用原理 DWI是目前功能核磁共振成像(MRI)技术中一种比较重要的检查方法，但DWI通过MRI信号与b值之间单一的单指数关系计算出的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值不能完全体现组织生理学行为，并未对组织内水分子的不同运输模式加以区分。基于IVIM理论用双指数模型通过多个b值(4个以上)的DWI成像，能计算D值、D＊值和f值等相关参数，达到无创性反映组织内灌注情况的目的，能较准确反映心肌血流灌注和水分子扩散情况[6-8]。而且IVIM技术不需要注射对比剂，避免了对比剂过敏的风险及钆对比剂相关的肾源性系统纤维化。目前，IVIM技术在临床通常采用平面回波成像技术进行扫描，b值的选择非常重要。b值越高对水分子扩散运动越敏感，然而扩散梯度持续时间内水分子移位较大，导致信号丢失严重，b值越高信号丢失越明显，图像变形失真，影响测量的准确性[9-12]。随着磁共振软硬件技术的发展和呼吸导航技术、心电门控技术与DWI序列的兼容，这一难点正在逐渐被克服。本研究采用7个b值心脏短轴DWI成像，其中6个为0～200 s/mm2的低b值，1个最高b值为600 s/mm2，并且减小扫描视野及局部匀场，扫描图像质量较为稳定，感兴趣区的参数值测量较为可靠，最后筛选了35例陈旧性心肌梗死病人和12名健康志愿者的图像，心肌信号未见明显丢失，且心肌轮廓清晰，临床应用中可重复性和临床价值较高。

3.2 正常人体心肌IVIM研究 国际上首篇关于IVIM技术在心脏中应用的文章在2003年报道，Callot 等[13]在犬类动物的心脏中进行成像，证实了心脏IVIM成像技术的可行性。Delattre等[14]将IVIM模型用于活体心脏磁共振成像，测量了人体心脏IVIM各参数值，Moulin等[15]使用平面回波技术测量10名正常人心脏IVIM成像。这些研究结果显示，虽然参数值结果存在一定差异，但试验均提示左室17 节段心肌D值，D＊值和 f 值不全相等，与本研究结果相似。本研究中获得12名健康志愿者的正常心肌参数值，左室前间隔及下间隔心肌D值大于游离壁心肌D值，D＊值和 f 值则小于游离壁心肌D＊值和 f 值，参数值间差异均有统计学意义，结果表明前降支、右冠状动脉与回旋支的心肌灌注血流量不同。目前国际上通用左室“17个节段分析法”，左心室不同节段分别由左冠状动脉前降支、回旋支及右冠状动脉供血，大多数中国人以冠状动脉右优势型为主，所以左心室前壁、前室间隔主要由前降支供血，左心室下壁及下间隔主要由右冠状动脉供血，左心室侧壁主要由回旋支供血，而前降支、右冠状动脉血流量常大于左旋支血流量，因此，本试验中结果有其合理性。

3.3 陈旧性梗死心肌纤维化IVIM研究 Kociemba等[16]采用1.5T MRI扫描仪 b值选择了0 s/mm2、50 s/mm2、100 s/mm2、200 s/mm2DWI 序列进行心脏扫描，研究表明扩散加权成像检测到病人急性心肌梗死心肌区域具有高灵敏度和特异性。Laissy等[17]研究在1.5T MRI扫描仪 b值选择了 300 s/mm2左右，得到健康志愿者的心肌ADC值均高于不同时期心肌梗死区域的ADC 值，与本研究结果相似。本研究中35例陈旧性心肌梗死病人梗死心肌纤维化的D值和f值明显低于12名健康志愿者正常心肌的D值和f值，D＊值明显高于正常心肌组，差异均有统计学意义，推测可能与缺血性坏死、梗死心肌组织内血流减少而导致灌注减低有关；D值、D＊值和f值曲线下面积分别为0.939、0.988和0.959，诊断效能无明显差别。本研究双指数模型中35例陈旧性心肌梗死病人的心肌纤维化在DWI图上呈高信号，当b为0 s/mm2时，心腔血池信号高，容易影响心内膜下梗死心肌纤维化的显示，随着b值增加心腔血池变成低信号，b值越高梗死心肌纤维化与正常心肌对比越明显，对梗死心肌纤维化的诊断越容易。

3.4 IVIM技术对诊断心肌缺血或梗死的意义 对陈旧性心肌梗死纤维化进行定量检测是评估左心室功能损伤程度和发展到心力衰竭的一个重要参数[18]。目前延迟强化为诊断陈旧性心肌梗死纤维化的金标准，但检查需要注射对比剂、扫描时间较长，且不能得到定量指标，而IVIM技术可以在不使用含钆对比剂的情况下使心肌纤维化得以显示并进行定量检测，其精确度已经在实验中被部分研究所证实[19-20]。本研究结果表明，在对陈旧性心肌梗死的检查中，IVIM技术可以较容易诊断梗死心肌纤维化，D值、D＊值和 f值可定量评价梗死心肌纤维化的范围及程度。因此，IVIM技术对提示陈旧性梗死心肌纤维化的血流灌注和水分子扩散情况具有一定价值。

3.5 本研究的局限性 本研究样本量较小，今后应进一步扩大样本量，优化成像技术，提高图像质量，并对其他心肌纤维化病变进行对比分析，探讨心肌血流灌注和水分子扩散情况。

IVIM技术扫描无须使用对比剂，扫描时间明显缩短，能够提示心肌灌注与扩散信息，对心肌梗死的诊断具有重要价值。