非对比增强冠状动脉磁共振血管成像的研究进展

李玉鑫　曹美娜　姜珊　梁爽　梁龙　任卓君　李为民

【摘要】 非对比增强冠状动脉磁共振血管成像（non-contrast-enhanced coronary magnetic resonance angiography，NCE-CMRA）作为无创影像检查方法之一，具有无电离辐射、无须对比剂的优势，在心血管疾病的筛查、诊断及随访中具有重要价值。近年来诸多NCE-CMRA新技术集中涌现，使其在扫描时间及成像质量方面均取得了进步，并在心血管疾病的研究中取得了新的进展。本文主要对NCE-CMRA近年来的研究进展进行综述。

【关键词】 磁共振成像 冠状动脉 磁共振血管成像 心血管疾病

随着我国人口老龄化加剧及居民生活方式发生变化，心血管疾病的患病率及死亡率呈逐年增长趋势，成为威胁人们身体健康的首要问题[1]。冠状动脉造影（CAG）是诊断冠状动脉管腔狭窄或扩张的金标准，但其是一种侵入性的检查方法，而且可能伴随并发症。冠状动脉CT血管成像（CCTA）对于冠脉血管管腔的评估与CAG相当，且具有无创的优势，并能对斑块的性质进行判断，因此成为临床诊断冠心病最为常用的检查方法。然而CCTA仍具有辐射性，并且需要注射对比剂，这对于儿童、孕妇、碘对比剂过敏及肾功能不良的患者可能不是最佳选择。非对比增强冠状动脉磁共振血管成像（NCE-CMRA）具有无创、无辐射及无须使用对比剂的特点，在特殊的患者群体中具有更为突出的应用价值[2-3]，为冠状动脉疾病的早期筛查及随访复查提供了一种新的影像检查手段。本文对近年来NCE-CMRA的研究进展进行简要综述。

1 NCE-CMRA检查技术

目前常用的扫描序列是稳态自由进动（steady-state free precession，SSFP）序列及梯度回波（gradient echo，GRE）序列。SSFP序列在1.5T场强下可以较好地进行全心的冠状动脉成像。与1.5T相比，3.0T NCE-CMRA检查可以获得更高的信噪比及图像分辨率，但磁场的不均匀性也相对更高，而GRE序列对磁场不均匀性的敏感性低，在3.0T场强下比SSFP序列获得的图像质量更好[2，4]。扫描中需要使用心电门控及呼吸门控抑制运动伪影，通过脂肪抑制提升冠脉与周围脂肪的对比，并施加T2预准备脉冲进一步提高冠脉血液与心肌的对比[5]。然而扫描时间长、图像质量容易受到呼吸及心脏运动伪影干扰导致空间分辨率和信噪比低等因素限制了NCE-CMRA在临床中的应用。近年来，随着各种扫描及成像技术的不断创新与突破，NCE-CMRA正在克服这些困难与挑战。

1.1 加速采集技术

目前常用的加速技术包括并行成像（parallel imaging，PI）技术和压缩感知（compressed sensing，CS）技术。并行采集技术是通过在相位编码方向上进行相对规律的欠采样和空间的敏感度信息的图像重构来提高MRI成像速度的方法。使用并行采集时为了减少成像时间，只填充K空间的部分信息（减少相位编码步级），K空间采集多少主要取决于并行采集的加速因子，然而加速因子增大会导致图像的信噪比降低[6]。Zhang等[7]提出一种可变加速灵敏度编码技术（variably-accelerated sensitivity encoding，vSENSE），它是利用非相干吸收和伪影抑制生成改进的灵敏度图提高加速因子，在提供了更高加速因子的同时保证了图像较高的信噪比，进一步扩展了并行采集技术的应用。

CS是目前最有应用前景的加速采集方式。带有稀疏采样和迭代重建的CS技术能从相对较少的测量数据中重建信号和图像，使NCE-CMRA可以在很大程度上缩短采集时间，并在3T下保持相对可接受的视觉效果[8]。有研究表明，CS可以在心肌延迟强化前完成全心CMRA成像，在保持图像质量的同时减少总体检查时间，这可能提供了一种更快的心脏磁共振扫描方案，减轻患者负担[8]。目前提出了一些将PI和CS两种加速技术相结合的方法，通过在重建过程中采用分步重建的方式，以实现非相干欠采样和并行成像欠采样的相结合，在减少欠采样伪影的同时提高了图像信噪比，保留了更多的图像细节。Lu等[9]的研究结果显示CS技术在NCE-CMRA中的应用使其对冠状动脉的细小分支显示更佳。这种新的结合方法有可能成为NCE-CMRA加速采集技术的一种潮流。

1.2 心电门控技术

与冠状动脉CTA相同，通过使用前瞻性心电图门控在心脏周期的静止期（通常是舒张中期至晚期）获取数据，可以将心脏的运动伪影降至最低。根据患者心率情况选择特异性采集窗口，以提取冠状动脉相对静止时期的数据，数据采集之前，需利用平衡式超快速场回波心脏电影序列追踪右冠状动脉的“静止期”来确定最佳的触发延迟及采集窗，根据患者的心率情况选择在左心室舒张中末期（心率≤70次/min）或收缩末期（心率>70次/min）进行采集[10]。对于存在心律失常、心率变异等隐患的患者，可以选择在对其敏感度较低的收缩期进行图像采集，降低图像伪影的影响。但是可能会由于静止期较短（心率较快）而导致采集时间延长。

1.3 呼吸导航技术

呼吸运动校正对于CMRA成像具有重要作用。早期采用屏气法来抑制呼吸运动伪影来提高图像质量，但由于患者难以长时间维持屏气和膈顶漂移的影响，图像质量并不理想。因此，自由呼吸运动下的三维全心CMRA成为重点研究方向。

自由呼吸状态膈肌导航是NCE-CMRA成像常用的方法之一，将导航条放置于右侧膈肌膈顶对呼吸运动进行追踪，通过在预先设定的采集框内获取数据。可在一次成像中显示全心冠脉主干及分支，但其扫描时间较长，且与患者的呼吸方式相关[11]。王雪莹等[12]在膈肌导航触发扫描的基础上联合膈肌追踪定位的方法，优化了膈肌定位的准确性，在缩短了整体成像时间的同时明显提高了图像质量。然而，采集效率低且采集時间不可预知仍是其不足之处。

基于此提出的一维自导航技术（1D self-navigation）及图像导航器技术（image-navigation，iNAV）克服了其中的一些不利因素[13-14]，两者均可以实现100%的呼吸扫描效率。自导航可以减少扫描过程中不稳定的呼吸运动产生的伪影，并直接从获得的NCE-CMRA数据中估计心脏的一维头足和三维平移运动。但难以将运动的（如心脏）和静态的（如胸壁）组织分开，视场中静态组织产生的残留运动伪影可能影响运动估计的准确性，降低运动校正的性能，影响图像质量[15]。而使用iNAV进行的平移呼吸运动校正，是在高分辨率NCE-MRA采集前获得每次心脏跳动时的二维/三维低空间分辨率图像，从而将运动组织与静态组织分开[16]。并且能在满足100%的呼吸采集效率的同时获得可预测和更短的采集时间[14]。Henningsson等[16]在一项研究中，验证了三维全心CMRA序列结合iNAV与一维导航仪相比扫描时间明显缩短，且血管清晰度和视觉评分明显提高。通过将iNAV技术和K空间欠采样技术相结合，并加入压缩感知和运动校准的重建方式，可以极大地提高图像的质量，减少运动伪影[17]。

1.4 脂肪抑制技术

由于冠状动脉嵌入在心包脂肪中，如果脂肪抑制不理想，残留的脂质信号可能会妨碍冠状动脉血管的正确解剖可视化，因此NCE-CMRA需要有效的脂肪抑制，特别是在高磁场强度和场强不均匀性增加的区域[18]。目前NCE-CMRA抑脂技术主要采用T2预脉冲（T2-prep pulse）频率选择预饱和抑脂技术和水-脂肪分离（mDixon）技术。mDixon技术利用了水-脂肪共振频率差引起的相位移动生成只有水和脂肪的图像，对降低胸壁残留脂肪信号的运动伪影有帮助。Lu等[9]在基于58名冠心病患者的研究中表明，3.0T NCE-CMRA结合Dixon水脂分离技术与冠脉造影相比较具有高敏感性（96.4%）与阴性预测值（95.2%）。

除此之外，最近提出了一些新兴的抑脂技术，如脂质不敏感的二项式非共振射频激励法（lipid-insensitive binomial off-resonance excitation，LIBRE）和快速中断稳态（fast interrupted steady-state，FISS）序列。LIBRE对磁场不均匀有着很强的适应性，通过选择性地抑制脂肪并激发水信号，无须预脉冲就能有效抑制脂肪。并且其具有广泛的脂肪抑制带宽，适用于全心三维容积扫描[19]。在评估不同的脂肪抑制技术下获得的NCE-CMRA图像中，发现应用LIBRE得到的图像在血管清晰度、可检测的血管长度、图像信噪比方面都有着较高的评分[18]。而且LIBRE可以在抑制胸壁残留的脂肪信号的同时改善了对心脏血池的跟踪，这种改进的脂肪抑制可能有利于自由呼吸状态下自导航的运动校正[18]。FISS同样可以在有效抑制脂肪的同时获得高信噪比（SNR）和血液-心肌对比度噪声比（CNR），尤其对于心包脂肪具有很强的抑制作用，有利于提高嵌入心包脂肪的冠脉解剖结构的可视化[20]。并且在1.5T和3.0T自由呼吸状态下的全心非对比增强CMRA中，与无脂肪抑制时相比，扫描时间仅有小幅度增加[21]。

1.5 图像重建技术

尽管自导航和iNAV框架提供100%的采集效率，但获取一个完全采样的高分辨率（≈1 mm的各向同性）全心三维冠状动脉磁共振血管成像可能仍需要30 min[22]。将图像加速技术（欠采样采集、平行成像、迭代非线性重建）与一维导航器（膈肌导航或自导航）相结合可以在临床可行的采集时间内实现高空间分辨率NCE-CMRA[23]。这种方法允许100%的呼吸扫描效率，与单独的呼吸门控相比，采集时间大大缩短并且图像质量相当。Bustin等[22]调整了一个高度欠采样的基于补丁的心脏磁共振重建框架，提出了基于补丁的三维低秩（PROST）重建，实现了空间分辨率小于1 mm3的自由呼吸全心三维NCE-CMRA，采集效率100%，并且可预测采集时间小于10 min。在一个健康受试者的验证队列中，图像质量与完全采样采集相当，与迭代SENSE和压缩感知重建方法相比，图像质量有明显改善。然而高度欠采样的采集很容易受到混叠伪影的影响，使传统的图像加速方法的扩展受到了限制。

Fuin等[24]提出了基于深度学习（deep learning，DL）的图像重建来解决其中的一些缺陷。深度神经网络可以回顾性地识别先前重建的数据样本，然后在几秒钟内重建获得图像。虽然该方案解决了耗时的图像重建过程，但它仍然依赖于前瞻性获得的高空间分辨率CMRA图像。最近提出一项基于深度学习的超级分辨率方案来克服这一缺点[25]。其中，低空间分辨率的图像被前瞻性地获取，通常具有低到中等的加速因子，从而大大缩短了扫描时间，同时采用深度神经网络在几秒钟内重建使其具有更高的空间分辨率[26]。这些深度学习方案具有很大的潜在应用价值，但仍需进一步的临床验证。

2 4D/5D全心成像

3D心脏磁共振（MRI）成像作为传统2D图像的替代品，简化了扫描计划，提供了更全面的信息，允许对心血管系统进行多方面的评估，同时也提高了信噪比和空间覆盖率。但扫描时间较长，并且即使采用心脏和呼吸运动补偿策略减少了运动伪影，然而使用心电图（ECG）相关的导联安置、呼吸导航仪和一系列规划使工作流程更为复杂化。

在过去十年中，各种4D心脏MRI成像技術被提出，允许对心脏的运动补偿重建并且无须设置心电触发延迟时间扫描[27]，然而呼吸运动仍然是一个挑战。解决4D成像呼吸运动的策略主要分为两种：第一种为使用呼吸门控，如自导航仪，其优点为实施简单、性能强大。但该方法存在扫描效率降低的问题，因为只有在特定时间窗口（如呼气结束）获得的部分数据被用于重建最终图像[28]；第二种方案旨在提高扫描效率，通过使用图像配准算法对呼吸过程中的心脏运动假设建模（如平移、仿射或非刚性变换），然后将不同呼吸阶段的图像结合进行校正。最近有人提出了一种不同的处理呼吸运动的方法，称为外维黄金角径向稀疏平行（extra-dimensional golden-angle radial sparse parallel，XD-GRASP）技术[29]。XD-GRASP不是对运动进行去除或校正，而是将获得的数据分类为多个未采样的运动状态后重建出具有完整信息的多维图像序列。这种方法保持了较高的扫描效率，并能获得具有潜在临床价值的额外生理学信息。XD-GRASP已经成功应用于全心CMRA[30]及心脏磁共振电影成像（cardiac cine MRI）[29]。

基于XD-GRASP应用于4D全心成像的理念开发了一种5D全心稀疏磁共振框架。这个框架包括三个空间维度（x-y-z）和两个不同的时间维度，分别代表心脏和呼吸运动维度[31]。5D成像方法结合了连续的三维黄金角度径向采样方案和多维压缩感知技术，以高空间分辨率（1.15 mm各向异性）和时间分辨率（每个心动期40～50 ms）重建分离心脏和呼吸运动维度，不需要在图像采集和重建期间进行运动校正。允许在任意方向上评估心肌功能，并能在多个心动周期实现高分辨率冠状动脉的可视化。这个成像框架有可能使心脏MRI工作流程简化，并提高检查的利用率和效率[31]。

3 总结与展望

综上所述，非对比增强CMRA能够在无创、无电离辐射且无须对比剂的条件下评估冠状动脉血管病变，然而扫描时间长、空间分辨率低、图像质量易受运动伪影影响仍是限制其广泛应用于临床的主要因素。近年来随着加速技术、运动校正、脂肪抑制、图像重建及4D/5D全心成像的不断发展与应用，实现了屏气靶容积成像到自由呼吸全心冠脉成像，扫描时间更短且达到了100%呼吸采集效率，并通过结合深度学习使得重建后的图像分辨率进一步提升。同时联合多参数心脏磁共振成像可以对冠状动脉疾病患者完成从血管病变到心脏结构功能、心肌组织活性和血流的“一站式”影像评估，未来在心血管疾病的研究领域中一定会取得更为丰富的成果。

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