心脏MR指纹成像技术及其研究进展

1、心脏MR指纹成像技术及其研究进展近年来，心脏MR（cardiac MR，CMR）常规参数定量技术，如T1mapping、T2mapping和脂肪分数（fat fraction，FF）等，已开始广泛应用于鉴别和评估不同心脏疾病的心肌病理组织特征变化，包括纤维化、出血、水肿、铁过载和异常物质沉积等，以期借助CMR拟病理学特征实现心肌疾病的病理影像化。当前，常规参数定量技术需对T1和T2值等进行单独采集，扫描时间长，易受场强、脉冲序列及生理指标等的影响。因此，寻求一种新的技术来实现心脏的单次、快速、准确、多参数和定量化采集成像具有重要临床意义。心脏MR指纹成像（cardiac MR fingerpr

2、inting，CMRF）技术具有容错率高、后处理方便及图像质量高等优势，是一种非常有潜在临床应用价值的MR技术。一、MR指纹成像（MR fingerprinting，MRF）概述2013年Ma等首次提出MRF参数定量新技术，经过最近几年的研究与发展，MRF技术的优势逐渐被发掘，成为当前的研究热点。MRF技术采用与常规参数定量成像技术完全不同的特殊时阈变化特征和（或）射频强度的脉冲序列，进行时空域采样编码，获得组织的多种敏感特征信号和时域信号时间演化曲线（指纹），实现多参数（T1、T2、B0和偏共振频率等）测量，克服了常规参数定量技术难以同时采集和精确估算组织不同生理参数的局限性。目前MRF的采

3、集和重建主要包括3个部分：（1）对感兴趣参数敏感的可变脉冲序列；（2）引入不相干图像伪影的高度欠采样采集；（3）基于字典生成的多参数图谱估计。同时，研究表明MRF具有诸多优势：（1）图像质量高，受场强、脉冲序列和生理稳定性等影响小；（2）扫描时间短，单次扫描即可提供量化的病理生理参数图，并通过指纹库匹配仿真合成不同组织任意对比度的MRI图像；（3）采用的模式识别非傅里叶变换的图像重建技术具有抗运动干扰、抗噪声等特点，可用于运动器官（如心脏和胸腹部）成像；（4）可重复性和可靠性高。目前，MRF技术已广泛应用于临床多个系统、多种疾病的研究，如胶质瘤、腹腔转移癌、前列腺癌等。且随着技术的成熟，MRF

4、技术开始用于心脏疾病的研究，如扩张型心肌病、肥厚型心肌病和心脏移植患者等。此外，因其非心率依赖特性使其也适用于心律失常患者。但是，MRF技术也存在图像分辨率稍低、三维重建困难和图形采集易受磁场不均性影响等。因此，采集数据过程中通过减少弛豫间隔来缩短扫描时间，以便在单位时间内获取更多“指纹”信息，重建分辨率高的三维图像；在数据后处理时，应用Low-Rank和Subspace Modeling重建方法来增加图像的准确度，减少重建时间；加用Bloch-Siegert技术，减小B1磁场的不均匀性，从而提高图像质量等方式弥补MRF技术的不足。二、CMRF技术CMRF技术使用特殊设计的脉冲序列采集数据，获

5、得不同组织特有的信号时间演化曲线，然后使用字典生成技术将每个像素的信号时间演化曲线与字典匹配获得该像素对应的T1和T2值。具体步骤为：首先，选取包含体内所有已知组织弛豫时间的T1和T2值构建一个离散集合，使用Bloch方程计算出每一对T1和T2值对应的信号时间演化曲线；然后，将计算得到的所有可能的信号时间演化曲线保存成一个字典；最后，将测得的某像素的信号时间演化曲线与字典匹配，字典中与之最匹配的条目所对应的T1和T2值就是该像素的弛豫时间。对ROI内每个像素重复此过程，即可得到显示每个像素T1和T2值的定量图谱。1.基于CMRF技术的组织特征成像：研究证实，MRF技术在静态器官（大脑、前列腺等

6、）中具有很好的临床价值，但在运动器官如心脏的成像中仍存在挑战。与常规MRF技术中的连续脉冲序列不同，目前CMRF技术采用基于舒张末期触发的单次屏气心电门控采集技术来减少心脏跳动和呼吸运动的干扰，故CMRF的信号编码和数据采集是间断的。同时，因“静默时间”的存在，具有相似T1和T2值的组织信号时间演化曲线难以区分，CMRF技术需应用更多的预备模块来编码组织的T1和T2信息。但由于受心率和屏气时间等的影响，每次间断的脉冲序列数据采集结果均不尽相同，均需生成具有不同信号时间演化曲线的CMRF字典。因此，需尽可能多地采集信号来区分不同特性的组织。此外，CMRF技术通常仅对可定量的组织特征敏感，对其他生

7、理或系统特征并不敏感。2.脉冲序列：MRF脉冲序列具有多参数采集的优势，可用于区分不同组织的信号特征；同时，在纠正混杂因素（B0、B1磁化转移）的影响后，该序列具有高灵敏度和可重复性。CMRF脉冲序列多基于非射频相位循环的稳态自由进动快速成像序列采集数据，在采集平面上运用非平衡扰流梯度，可明显降低偏共振效应。此外，由于脉冲序列的信号时间演化曲线的获得受组织特征和受试者体征等因素的主要影响，需考虑剔除这些因素的影响以获得更准确的参数值。因此，CMRF脉冲序列通过加快心肌T1和T2采集速度及采用舒张末期（120250 ms）屏气扫描来减少这些因素的影响。CMRF技术常规采用16个心动周期屏气扫描，

8、分4段进行，每段覆盖4个心动周期，均执行磁化预备脉冲模式以提高序列T1和T2采集的灵敏度。每段扫描时，在第1个心动周期中施加非选择性反转脉冲，第2个心动周期中不使用预备脉冲，第3、4个心动周期中施加不同TE时间的T2预备脉冲。其他3段重复此过程，同时根据不同的心率等设置调整TI、TR时间和连续反转角大小。之后，随着CMRF技术的发展，出现了分3段进行的15个心动周期序列采集技术，其每段覆盖5个心动周期，于每段第3、4和5个心动周期加不同TE时间的T2预备脉冲。研究表明两种采集方式下心脏T1和T2测量一致性较高。此外，也有其他类型的脉冲序列，但均需结合受试者的生理特征进行参数设定。尽管有研究表明

9、CMRF预备脉冲时间和数量的微小变化并不影响采集，但因受多种因素的影响，T1mapping和T2mapping在体模和活体实验中测得的参数值并不十分准确。3.字典生成：字典是MRF技术的核心，是由特定脉冲序列采集生成的一组特定信号时间演化曲线的集合，根据已知组织的T1和T2值，使用Bloch方程计算得出每个像素的信号时间演化曲线。T1和T2值范围和良好的分辨率决定了MRF字典的大小，其中T1范围505000 ms、分辨率510 ms，T2范围6500 ms、分辨率25 ms，用于字典的存储和使用。同时，常剔除T2T1值的组合，以缩减字典大小。此外，结合时间维度或组织特征等方面信息采用不同的方法

10、压缩字典，即在数据采集后需要借助相对高性能的计算机基于特定的研发算法进行字典生成，特别是低秩逼近法（如随机奇异值分解和字典拟合法），可显著减小字典内存并提高分辨率。在静态器官的MRF采集中，脉冲序列时间相对固定，字典只需计算1次即可用于后续扫描。但对于时刻运动的心脏，由于心动周期持续时间并不固定，即使心率发生细微改变，同一脉冲序列下相同组织的采集时间亦可改变，得到不同的信号时间演化曲线，因此，每次扫描后均需准确的序列采集时间来计算信号时间演化曲线并生成不同的字典。此外，在字典生成中需矫正各种混杂因素（包括扫描层面选择、预备脉冲效率和B1+错误等）以提高CMRF图谱的准确度。同时，精准的字典生成

11、可导致计算时间延长，如不矫正混杂因素情况下简化字典的生成只需约12 s；而矫正混杂因素时，精准字典的生成需约60 min。4.模式匹配：数据采集和字典生成后，将获取的信号与字典条目比较并进行最佳匹配。目前随着CMRF技术的发展，已出现多种匹配算法，如相关性计算匹配、稀疏矩阵迭代或低秩矩阵重建等，使得扫描时间更短、精准度更高。在相关性计算匹配中，通过计算获取像素的信号时间演化曲线，并与字典条目进行相似度（相关性）对比以获得最佳匹配。鉴于字典中时间进程和测量值缩放比例不同，需进行标准化，质子密度值可作为测量值与字典条目间标准化的比例因子；然后选择相关性最高的字典条目作为最佳匹配，并将此T1和T2值

12、定为像素值；重复此过程获得图像的所有像素值，生成定量图。尽管此方法快捷，易实现，但是大字典模式匹配非常耗时。字典压缩法可缩小字典范围并加快模式匹配速度，同时采用更为先进的匹配算法（如低秩矩阵重建算法）可提供更加完善的mapping图，具有更广阔的应用前景。三、CMRF的临床研究进展1.评估健康志愿者：CMRF技术最先用于检测健康志愿者的心肌组织，以验证与常规参数定量技术获得T1和T2值的一致性。Hamilton等对11名健康志愿者分别采用心电门控触发的CMRF技术与常规的改进Look-Locker反转恢复序列（modified Look-Locker inversion recovery，MO

13、LLI）、T2准备平衡稳态自由进动序列采集图像，发现CMRF技术测得的心肌弛豫时间与常规参数定量技术测量值基本一致，且与多项研究获得的T1和T2值基本一致。Jaubert等应用基于水脂分离技术的CMRF扫描方案，对10名健康志愿者进行单次屏气（15个心动周期）数据采集，将获得的心肌T1、T2和FF值与常规参数定量扫描结果对比，发现两者T1值具有很高的一致性，T2值较常规参数定量测量值略低；另外，与常规质子密度脂肪分数（proton density fat fraction，PDFF）定量相比，Dixon-CMRF FF与PDFF一致性很高，表明Dixon-CMRF除可检测T1和T2组织特性值外

14、，在检测被试者心肌脂肪浸润、心包内脂肪及心外膜脂肪含量等方面具有重要的临床应用前景。2.评估缺血性心脏病：急性心肌梗死是指心肌的急性缺血坏死，多数患者在冠状动脉狭窄或梗死等病变基础上发生冠状动脉急性血流减少甚至中断，导致心肌持久而严重的缺血缺氧性改变，其主要病理改变为心肌缺血水肿、出血及纤维化等。多项研究表明常规参数定量技术在急慢性心肌梗死及急性期心肌水肿的鉴别、心肌纤维化程度的评估、疾病的危险分层和临床治疗的指导及预后评估方面具有重要临床价值和意义，且CMRF技术无需对比剂即可快速采集mapping数据，并结合后处理重建技术对心肌组织特征进行评估，能尽早发现心肌缺血性改变。Jaubert等采

15、用Dixon-CMRF脉冲序列对4例缺血性心脏病患者的研究发现，与正常心肌组织相比，瘢痕区心肌T2值变化不显著，post T1值降低，无脂肪浸润；且与常规定量序列相比，其T1和T2值具有较高的一致性且图像质量和诊断准确度更高等。由于该研究的患者中并未出现心肌脂肪浸润，因此基于Dixon-CMRF序列评估心肌梗死患者FF的一致性及心肌脂肪浸润的发病率和疾病预后等，需要更大队列的进一步研究。3.评估非缺血性心肌病：心肌病是一组由各种原因（缺血、代谢、感染和遗传等）引起的多样性心肌病变伴机械和/或电功能障碍，常显示心肌肥厚或心室扩张，亦可正常。非缺血性心肌病主要分为原发性和继发性两类，原发性心肌病包

16、括肥厚型心肌病、扩张型心肌病、致心律失常性右室心肌病和心肌炎等，继发性心肌病包括心脏淀粉样变性、糖尿病性心肌病和酒精性心肌病等。CMR可通过心脏电影、延迟强化和参数定量技术等全面评估心脏的形态结构、运动功能及组织特征等，可用于疑似非缺血性心肌病的首诊评估及作为指导临床诊疗和长期随访的重要工具。一项基于9例非扩张型心肌病的研究表明，通过CMRF序列和MOLLI序列获得的native T1和细胞外容积分数（extracellular volume fraction，ECV）值均明显高于对照组，且与MOLLI序列相比，CMRF获得的native T1值略低，而ECV值略高。另一项有关非对称性室间隔肥

17、厚型心肌病的研究表明，CMRF序列和MOLLI序列测得的左心室前间隔壁的T1值基本一致。且基于心肌淀粉样变性的研究也表明Dixon-CMRF和MOLLI序列获取的左心室native T1值和ECV值差异均无统计学意义。此外，CMRF技术克服常规参数定量技术的心率依赖性、测量偏倚等固有限制，采用基于非心率依赖的字典生成技术，可用于重复测量非缺血性心肌病的多种组织特征，可用于疾病鉴别和预后评估，应用前景广泛。4.评估心脏移植患者：CMRF的组织特征定量技术可用于监测心脏移植患者的状态。对于疑诊心脏移植排斥反应的患者，CMRF技术的应用可降低心肌活检的需求。Miller等发现，与无排斥反应的心脏移植

18、患者相比，有排斥反应患者的心肌T1、T2和ECV值均升高，同时T2值升高与不良预后密切相关；T2和ECV值改变可能预示着移植患者心肌潜在的炎症和纤维化改变。此外，对13例心脏移植患者的研究表明，采用CMRF序列和MOLLI序列获得的T1值间具有良好一致性。因此，通过CMRF定量技术动态监测心脏移植患者的心脏组织特征，可对疑诊移植排斥反应的患者进行及时临床管理和预后评估，具有良好的临床应用价值。5.其他潜在应用：由于每个受试者可生成包含心率变化的特殊字典，因此CMRF定量技术可用于心律失常患者的心脏评估。同时，CMRF定量技术可在较大范围内测量组织特性值，并准确定量心肌组织参数值，还可反映不同生

19、理状态下心肌组织特征的细微变化（如运动负荷或药物负荷下心率和血流动力学改变）以及衰老或疾病（如糖尿病、高血压和心力衰竭等）状态下心肌组织特征的早期改变。最后，CMRF技术可缩短扫描时间，提供定量参数的精确匹配，简化疾病诊断过程并可结合计算机高级后处理技术（机器学习等）快速评估患者的疾病状态及进程。四、CMRF的前景与展望随着MRF技术的不断发展，CMRF技术可为心脏疾病的临床诊疗带来诸多便利。快速3D自由呼吸CMRF序列不仅能对心肌组织特征参数进行重复定量，而且可实现对心脏整体结构、功能的评估。同时，MR指纹血流成像技术（flow MRF）可同时量化3个方向的速度分量，结合T1、T2定量成像可提供管壁和管周组织的定量信息（斑块特征等）。总之，CMRF技术的临床应用前景广泛，优势主要体现在以下几个方面。首先，增加扫描覆盖范围和缩短扫描时间。多层采集的CMRF序列可实现单次屏气覆盖更大的解剖范围，评估心脏整体（药物负荷或运动负荷下）变化，其中T1、T2值的变化具有很高的临床价值。此外，随着新技术开发，CMRF单次扫描即可获得多种组织特征信息（如T1、T2、T2*、T1和FF等），有助于详细了解疾病的病理