心血管扩散加权成像：技术及临床应用进展

杨文静，赵世华，陆敏杰,2*

1.中国医学科学院北京协和医学院阜外医院磁共振影像科，北京 100037；2.中国医学科学院心血管影像重点实验室（培育），北京 100037；*通信作者 陆敏杰 coolkan@163.com

心血管磁共振（cardiovascular magnetic resonance，CMR）多参数、多序列可以实现一站式成像，多种成像技术可以评估心脏结构和功能以及心肌组织特征[1]。与结构、功能、灌注及延迟强化等常规技术相比，扩散加权成像（DWI）虽然在静止组织的体部MR（如中枢神经系统）已成熟应用[2-3]，但因其相对较高的技术难度，在时刻保持生理运动的心血管领域未推广应用。近年，随着MR软、硬件技术的不断进步，相关的技术困难已经逐步得到明显改善，并在缺血与非缺血心脏病的评估方面取得了重要进展。本文拟对心肌DWI的基本原理、技术特点和最新的临床应用进展进行较为全面的介绍。

1 基本原理

水分子的自由随机运动又称为布朗运动，在每个方向上扩散程度相同。对于水分子的扩散，心肌组织是高度异质的介质，存在各种不同的区域和不同扩散性的屏障，如心肌细胞和结缔组织等，水分子的自由流动扩散活动会受限，在不同扩散方向上具有不均匀性，位移分布不同，即扩散的各向异性。扩散系数是组织的内部特征，表示水分子扩散介质的黏度或位移的难易程度[4]。在常规MRI序列中加入扩散梯度突出扩散效应可行DWI，水分子的扩散引起MR信号强度的改变，因此可以检测组织中水分子的扩散行为，从而反映心肌微观的组织结构。

Stejskal等[5]于1965年研究出用于测量水分子扩散的自旋回波（spin echo，SE）序列，与经典SE序列相比，脉冲梯度SE序列包括2个附加的扩散梯度脉冲，扩散编码梯度脉冲使沿磁场梯度方向的自旋处于不同场强中。该序列中的第一个梯度脉冲引起相移取决于起始自旋所处的梯度强度。对于静止水分子，第一个梯度脉冲所致的相移会被第二个梯度脉冲再聚焦。但水分子扩散导致自旋在第二个梯度脉冲处于不同的位置，不能回到其初始状态，重聚失相位，从而导致所测量的MR信号强度降低。扩散位移距离越长，相移越大，信号下降越大。因此，在沿所施加的扩散梯度的方向上，扩散较大的区域显示出较低的信号强度[4-5]。信号强度由公式（1）测得。

其中，S0为不施加扩散梯度时的信号强度；D为扩散系数，表示水分子在单位时间内扩散的平均范围；b为扩散敏感因子，b=γ2G2δ2（Δ-δ/3），γ代表旋磁比，G、δ、Δ分别代表脉冲梯度的振幅、持续时间和间隔。随着b值增加，图像的扩散权重加大，病变组织和正常组织之间的对比度增加，提高了DWI的敏感性。但高b值会使图像信噪比降低[6-7]。

2 扫描序列与图像分析

DWI是最简单的扩散成像模式，单个梯度脉冲方向上的扩散图像虽然非常简单，但也可以提供有关的组织信息，其应用价值在急性脑卒中的常规评估中已得到体现。在心肌组织中DWI通过编码活体组织中水分子的扩散运动评估微观结构的完整性，在生物体内扩散系数D受多种因素影响，很难精确测量，DWI测量分子运动时，常用表观扩散系数（ADC）代替扩散系数D。ADC是能反映整体组织结构特征的扩散常数，ADC增大，代表水分子扩散增加，而DWI信号降低；反之亦然。然而，ADC非常依赖于扩散编码方向，因此通常在3个正交方向上应用扩散加权，取平均ADC值，对扩散系数有更好的估算[4]。ADC值是一个标量，仅代表扩散梯度磁场施加方向上水分子的扩散特点，尽管不足以提取有关微结构取向或各向异性的信息，但可以估计扩散张量的轨迹。

DWI已经广泛应用于中枢神经系统疾病的诊断和疗效评估，缺血导致细胞肿胀，引起水分子扩散受限，最终图像显示为高信号，在急性期有很重要的提示意义，对脑卒中进行早期诊断。在心血管领域，由于心脏在不停地跳动，使扩散敏感梯度的应用面临着许多挑战。但随着技术的进步和成像序列的改进，在体心脏扩散成像成为可能并且迅速发展。目前用于心脏扩散成像序列主要有SE技术和受激回波采集模式（stimulated echo acquisition mode，STEAM）。在SE序列中，高阶运动补偿扩散编码会降低对心脏运动的敏感性，其中二阶运动补偿为最佳选择，可以实现自由呼吸采集和单心动周期内成像[8]。研究证实，在体DWI二阶运动补偿SE得到的扩散成像参数与离体成像具有很好的一致性，充分降低了心脏整体运动造成的干扰[9]。STEAM由Edelman等[10]提出，将180°脉冲分为2个90°脉冲，测量扩散的时间为RR间隔，通过2个心动周期获得DWI。因此在施加2个扩散梯度脉冲时，心脏处于同一位置，最大程度地减少了心脏整体运动的影响。STEAM序列的优势在于其在标准临床MR系统上的可行性，无需高性能梯度硬件，且不需进行运动补偿。但STEAM测量心肌扩散时间较长，受应力的影响更显著。STEAM双极梯度脉冲序列和sweet spots均使DWI准确地测量心肌扩散，降低心脏周期运动和应变造成的影响[7]。sweet spots即在心动周期中提前设定的时相，应力改变对心肌扩散测量的影响为零，可以准确地定义心肌纤维的结构。研究表明，STEAM在sweet spots和舒张期时更可靠，图像质量评分更高[11]。两种序列类型各有其临床应用优势和不足，以上两种特定于心脏的扩散加权序列均可以用于获取DWI数据[6]。

DWI通过水分子的随机运动提取微观的组织结构信息，但在人体组织中，水分子的运动还包括毛细血管的有序微循环。与传统的单指数模型DWI相比，体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）多b值双指数模型可以提供更准确的信息，包括单纯的水分子扩散（扩散）和毛细血管网内血液微循环（灌注），这为进一步探究心肌组织灌注和扩散情况提供了可能，可以在无需对比剂的情况下定量评价组织微循环灌注情况，其测量参数D*[快速扩散表观系数（fast apparent diffusion coefficient，ADCfast）]为灌注系数，更多地体现了毛细血管网内微循环灌注效应；D（ADCslow）为纯扩散系数，更多地倾向于组织内水分子的扩散情况；f是快速扩散成分所占比例，即微循环相关的灌注分数[12-13]。

3 临床应用

3.1 缺血性心肌病 同体部DWI用于超急性脑梗死，DWI已逐步应用于检查心肌急性损伤，包括急性心肌梗死。在急性缺血性心肌病中，DWI可以准确地测量心肌水肿区域，在下壁观察到水肿高信号比例高于T2WI[14]。Laissy等[15]研究发现，DWI诊断新发心肌梗死的敏感性很高，并且能够与慢性心肌梗死区别，绝对ADC值在两组间也有显著差异。DWI可以快速、准确地诊断急性心肌梗死，有望应用于非典型胸痛急诊患者的分诊，对于优化急性心肌梗死的治疗和改善预后至关重要。Moulin等[16]通过DWI对心肌梗死再灌注急性心肌损伤进行评估，与T1、T2相比，定量ADC maps显示梗死区域与远端心肌之间的差异更大，ADC可以更好地描述心肌水肿高信号，对检测再灌注急性心肌损伤更加敏感。

既往研究在慢性心肌梗死猪模型中行体外DWI，结果发现梗死区域的ADC升高，提示组织微观结构改变，由替代性心肌纤维化造成[17]。Nguyen等[18]对陈旧性心肌梗死动物模型进行在体DWI，同样发现陈旧性心肌梗死区域ADC显著升高，且ADC所得到的梗死体积和位置与钆对比剂延迟强化（late gadolinium enhancement，LGE）图像高度一致，DWI具有高敏感度和特异性。另外一项研究在心肌梗死的标本组织学检查发现边界区域，即存活心肌和梗死心肌共同存在[19]。通过DWI可以发现该区域的ADC高于正常心肌，并且低于致密瘢痕区域，DWI可以对其进行定性、定量识别和评估，与组织学检测具有很好的一致性[19]。An等[13]对经皮冠状动脉介入治疗后心肌梗死患者进行IVIM分析，发现心肌水肿和心肌灌注状态存在动态变化过程；再灌注后第3天T2值最高，ADCfast和快速扩散成分所占比例（f）均达到最低值，表明评估心肌灌注的最佳时间在第3天至第7天。T2与ADCfast呈显著负相关，揭示了心肌水肿和心肌灌注之间的联系，即T2所反映的心肌水肿和细胞肿胀随后压迫阻塞微血管循环。

3.2 肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy，HCM）DWI还可以评估弥漫性心肌纤维化，Nguyen等[20]研究发现，DWI在不使用对比剂的情况下可以准确地识别HCM患者的心肌纤维化，包括弥漫性纤维化，与细胞外体积（extracellular volume，ECV）测量有很好的一致性。此外，DWI具有描述纤维化程度的潜力，反映患者的心肌组织学特征。Wu等[21]的研究得到类似的结论，在HCM中DWI也可以作为识别心肌纤维化的一种选择，区分正常和纤维化心肌的曲线下面积为0.93，与native T1mapping和ECV具有同等效力。同时，在HCM患者中行LGE亚组分析，发现HCM LGE＋的ECV和ADC显著高于LGE－组，ADC与ECV显著相关，能够定量评估心肌纤维化程度。另外一项研究发现，在HCM中ADC值不仅与LGE有关，而且与高T2范围相关[22]。高T2和LGE共存节段中的平均ADC值高于仅具有LGE的节段（P＜0.05）。多变量回归表明，节段高T2和LGE均是影响ADC值的因素。这项关于HCM的研究证实，ADC作为分子扩散参数反映了心肌的替代纤维化，还揭示了水肿程度及其与血清心肌肌钙蛋白I的关系，反映ECV也无法显示的HCM心肌损伤[22]。

Wu等[23]应用IVIM可以准确地诊断HCM患者的心肌纤维化，测量所得参数与ECV和LGE有很好的相关性，D*和f具有评估HCM患者纤维化区域灌注状态的潜在价值。应用3.0T CMR-IVIM技术可以无创、定量评估HCM的微循环功能障碍，提示无肥厚及无强化节段局部心肌节段早期的微循环功能异常改变，且发现微循环灌注损伤的严重程度与心肌肥厚程度有关。其中D*值更为敏感，可以用于监测和预测心肌微循环灌注的改变情况。DWI为HCM的临床诊断、危险分层、预后分析及诊疗计划提供一定的理论依据[24]。

3.3 急性心肌炎 DWI序列对心肌中的水含量增加敏感，可以用作标准T2WI序列的替代方法，在急性心肌炎中的诊断价值已得到充分体现。Potet等[25]研究证实，在急性心肌炎中DWI可以准确地识别局部和整体心肌水肿，敏感性和诊断效能优于T2WI成像。约75%的急性心肌炎表现为心肌梗死症状，IVIM-DWI可以发现急性心肌梗死和急性心肌炎心肌灌注的改变，并加以区分。An等[26]研究发现，在心肌水肿和坏死区域，IVIM相关参数显著降低，ADCfast和f减低可以从以下3个方面解释，包括微血管结构异常、在损伤心肌中毛细血管输送氧气和代谢产物的能力下降、心肌水肿导致的细胞外容积分数降低。此外，该研究中急性心肌梗死和急性心肌炎患者体现为不同程度的心肌灌注模式。与梗死样心肌炎相比，急性心肌梗死的ADCslow、ADCfast和f显著降低，表现为较低的心肌灌注状态。以上研究结果与不同的病理过程一致，因为心肌梗死中主要引起血管性水肿，而心肌炎在急性损伤后导致细胞毒性水肿。IVIM参数降低与心肌应变受损显著相关，提示心肌坏死区域氧供不足与心肌功能受损相关。

3.4 其他 对糖尿病患者心肌微循环状态的精准评价将非常有助于其心血管风险的监测与预后评估。李世兰等[27]应用IVIM对糖尿病患者进行研究，患者ADCfast与正常对照相比显著降低，表明IVIM能够比常规MR结构功能参数更早地反映心肌微循环变化情况，这也可能为糖尿病心肌微循环的定量评价提供一个早期定量指标。

在心血管领域，除对心脏进行扫描外，还可以应用DWI对下肢感兴趣区进行扫描。Wu等[28]研究发现，急性深静脉血栓平均ADC显著高于非急性深静脉血栓[（0.56±0.17）×10-3mm2/s比（0.22±0.12）×10-3mm2/s，P＜0.001]，ADC值区别急性和非急性深静脉血栓具有很高的敏感性和特异性，有助于确定血栓的状态，从而指导患者分诊质量。

综上所述，DWI在急性心肌损伤、心肌梗死和HCM等心血管疾病中可以早期发现微观病理结构改变，较常规CMR更具有优势。尽管DWI在心血管领域尚未常规开展临床应用，但对于其评估心肌组织的价值已有充分的认识。随着技术不断地改进，更复杂的心肌扩散成像技术已不断开展研究，对心肌结构功能改变之间的联系有更深一步的探究。面临着诸多技术上的挑战，DWI基于水分子扩散提供心肌细微结构变化及完整性的信息，具有不可比拟的发展空间和临床应用前景。