李玉鑫　曹美娜　姜珊　梁爽　梁龍　任卓君　李為民

【摘要】 非對比增強冠狀動脈磁共振血管成像（non-contrast-enhanced coronary magnetic resonance angiography，NCE-CMRA）作為無創(chuàng)影像檢查方法之一，具有無電離輻射、無須對比劑的優(yōu)勢，在心血管疾病的篩查、診斷及隨訪中具有重要價值。近年來諸多NCE-CMRA新技術集中涌現(xiàn)，使其在掃描時間及成像質量方面均取得了進步，并在心血管疾病的研究中取得了新的進展。本文主要對NCE-CMRA近年來的研究進展進行綜述。

【關鍵詞】 磁共振成像 冠狀動脈 磁共振血管成像 心血管疾病

隨著我國人口老齡化加劇及居民生活方式發(fā)生變化，心血管疾病的患病率及死亡率呈逐年增長趨勢，成為威脅人們身體健康的首要問題[1]。冠狀動脈造影（CAG）是診斷冠狀動脈管腔狹窄或擴張的金標準，但其是一種侵入性的檢查方法，而且可能伴隨并發(fā)癥。冠狀動脈CT血管成像（CCTA）對于冠脈血管管腔的評估與CAG相當，且具有無創(chuàng)的優(yōu)勢，并能對斑塊的性質進行判斷，因此成為臨床診斷冠心病最為常用的檢查方法。然而CCTA仍具有輻射性，并且需要注射對比劑，這對于兒童、孕婦、碘對比劑過敏及腎功能不良的患者可能不是最佳選擇。非對比增強冠狀動脈磁共振血管成像（NCE-CMRA）具有無創(chuàng)、無輻射及無須使用對比劑的特點，在特殊的患者群體中具有更為突出的應用價值[2-3]，為冠狀動脈疾病的早期篩查及隨訪復查提供了一種新的影像檢查手段。本文對近年來NCE-CMRA的研究進展進行簡要綜述。

1 NCE-CMRA檢查技術

目前常用的掃描序列是穩(wěn)態(tài)自由進動（steady-state free precession，SSFP）序列及梯度回波（gradient echo，GRE）序列。SSFP序列在1.5T場強下可以較好地進行全心的冠狀動脈成像。與1.5T相比，3.0T NCE-CMRA檢查可以獲得更高的信噪比及圖像分辨率，但磁場的不均勻性也相對更高，而GRE序列對磁場不均勻性的敏感性低，在3.0T場強下比SSFP序列獲得的圖像質量更好[2，4]。掃描中需要使用心電門控及呼吸門控抑制運動偽影，通過脂肪抑制提升冠脈與周圍脂肪的對比，并施加T2預準備脈沖進一步提高冠脈血液與心肌的對比[5]。然而掃描時間長、圖像質量容易受到呼吸及心臟運動偽影干擾導致空間分辨率和信噪比低等因素限制了NCE-CMRA在臨床中的應用。近年來，隨著各種掃描及成像技術的不斷創(chuàng)新與突破，NCE-CMRA正在克服這些困難與挑戰(zhàn)。

1.1 加速采集技術

目前常用的加速技術包括并行成像（parallel imaging，PI）技術和壓縮感知（compressed sensing，CS）技術。并行采集技術是通過在相位編碼方向上進行相對規(guī)律的欠采樣和空間的敏感度信息的圖像重構來提高MRI成像速度的方法。使用并行采集時為了減少成像時間，只填充K空間的部分信息（減少相位編碼步級），K空間采集多少主要取決于并行采集的加速因子，然而加速因子增大會導致圖像的信噪比降低[6]。Zhang等[7]提出一種可變加速靈敏度編碼技術（variably-accelerated sensitivity encoding，vSENSE），它是利用非相干吸收和偽影抑制生成改進的靈敏度圖提高加速因子，在提供了更高加速因子的同時保證了圖像較高的信噪比，進一步擴展了并行采集技術的應用。

CS是目前最有應用前景的加速采集方式。帶有稀疏采樣和迭代重建的CS技術能從相對較少的測量數(shù)據(jù)中重建信號和圖像，使NCE-CMRA可以在很大程度上縮短采集時間，并在3T下保持相對可接受的視覺效果[8]。有研究表明，CS可以在心肌延遲強化前完成全心CMRA成像，在保持圖像質量的同時減少總體檢查時間，這可能提供了一種更快的心臟磁共振掃描方案，減輕患者負擔[8]。目前提出了一些將PI和CS兩種加速技術相結合的方法，通過在重建過程中采用分步重建的方式，以實現(xiàn)非相干欠采樣和并行成像欠采樣的相結合，在減少欠采樣偽影的同時提高了圖像信噪比，保留了更多的圖像細節(jié)。Lu等[9]的研究結果顯示CS技術在NCE-CMRA中的應用使其對冠狀動脈的細小分支顯示更佳。這種新的結合方法有可能成為NCE-CMRA加速采集技術的一種潮流。

1.2 心電門控技術

與冠狀動脈CTA相同，通過使用前瞻性心電圖門控在心臟周期的靜止期（通常是舒張中期至晚期）獲取數(shù)據(jù)，可以將心臟的運動偽影降至最低。根據(jù)患者心率情況選擇特異性采集窗口，以提取冠狀動脈相對靜止時期的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集之前，需利用平衡式超快速場回波心臟電影序列追蹤右冠狀動脈的“靜止期”來確定最佳的觸發(fā)延遲及采集窗，根據(jù)患者的心率情況選擇在左心室舒張中末期（心率≤70次/min）或收縮末期（心率>70次/min）進行采集[10]。對于存在心律失常、心率變異等隱患的患者，可以選擇在對其敏感度較低的收縮期進行圖像采集，降低圖像偽影的影響。但是可能會由于靜止期較短（心率較快）而導致采集時間延長。

1.3 呼吸導航技術

呼吸運動校正對于CMRA成像具有重要作用。早期采用屏氣法來抑制呼吸運動偽影來提高圖像質量，但由于患者難以長時間維持屏氣和膈頂漂移的影響，圖像質量并不理想。因此，自由呼吸運動下的三維全心CMRA成為重點研究方向。

自由呼吸狀態(tài)膈肌導航是NCE-CMRA成像常用的方法之一，將導航條放置于右側膈肌膈頂對呼吸運動進行追蹤，通過在預先設定的采集框內獲取數(shù)據(jù)?？稍谝淮纬上裰酗@示全心冠脈主干及分支，但其掃描時間較長，且與患者的呼吸方式相關[11]。王雪瑩等[12]在膈肌導航觸發(fā)掃描的基礎上聯(lián)合膈肌追蹤定位的方法，優(yōu)化了膈肌定位的準確性，在縮短了整體成像時間的同時明顯提高了圖像質量。然而，采集效率低且采集時間不可預知仍是其不足之處。

基于此提出的一維自導航技術（1D self-navigation）及圖像導航器技術（image-navigation，iNAV）克服了其中的一些不利因素[13-14]，兩者均可以實現(xiàn)100%的呼吸掃描效率。自導航可以減少掃描過程中不穩(wěn)定的呼吸運動產生的偽影，并直接從獲得的NCE-CMRA數(shù)據(jù)中估計心臟的一維頭足和三維平移運動。但難以將運動的（如心臟）和靜態(tài)的（如胸壁）組織分開，視場中靜態(tài)組織產生的殘留運動偽影可能影響運動估計的準確性，降低運動校正的性能，影響圖像質量[15]。而使用iNAV進行的平移呼吸運動校正，是在高分辨率NCE-MRA采集前獲得每次心臟跳動時的二維/三維低空間分辨率圖像，從而將運動組織與靜態(tài)組織分開[16]。并且能在滿足100%的呼吸采集效率的同時獲得可預測和更短的采集時間[14]。Henningsson等[16]在一項研究中，驗證了三維全心CMRA序列結合iNAV與一維導航儀相比掃描時間明顯縮短，且血管清晰度和視覺評分明顯提高。通過將iNAV技術和K空間欠采樣技術相結合，并加入壓縮感知和運動校準的重建方式，可以極大地提高圖像的質量，減少運動偽影[17]。

1.4 脂肪抑制技術

由于冠狀動脈嵌入在心包脂肪中，如果脂肪抑制不理想，殘留的脂質信號可能會妨礙冠狀動脈血管的正確解剖可視化，因此NCE-CMRA需要有效的脂肪抑制，特別是在高磁場強度和場強不均勻性增加的區(qū)域[18]。目前NCE-CMRA抑脂技術主要采用T2預脈沖（T2-prep pulse）頻率選擇預飽和抑脂技術和水-脂肪分離（mDixon）技術。mDixon技術利用了水-脂肪共振頻率差引起的相位移動生成只有水和脂肪的圖像，對降低胸壁殘留脂肪信號的運動偽影有幫助。Lu等[9]在基于58名冠心病患者的研究中表明，3.0T NCE-CMRA結合Dixon水脂分離技術與冠脈造影相比較具有高敏感性（96.4%）與陰性預測值（95.2%）。

除此之外，最近提出了一些新興的抑脂技術，如脂質不敏感的二項式非共振射頻激勵法（lipid-insensitive binomial off-resonance excitation，LIBRE）和快速中斷穩(wěn)態(tài)（fast interrupted steady-state，F(xiàn)ISS）序列。LIBRE對磁場不均勻有著很強的適應性，通過選擇性地抑制脂肪并激發(fā)水信號，無須預脈沖就能有效抑制脂肪。并且其具有廣泛的脂肪抑制帶寬，適用于全心三維容積掃描[19]。在評估不同的脂肪抑制技術下獲得的NCE-CMRA圖像中，發(fā)現(xiàn)應用LIBRE得到的圖像在血管清晰度、可檢測的血管長度、圖像信噪比方面都有著較高的評分[18]。而且LIBRE可以在抑制胸壁殘留的脂肪信號的同時改善了對心臟血池的跟蹤，這種改進的脂肪抑制可能有利于自由呼吸狀態(tài)下自導航的運動校正[18]。FISS同樣可以在有效抑制脂肪的同時獲得高信噪比（SNR）和血液-心肌對比度噪聲比（CNR），尤其對于心包脂肪具有很強的抑制作用，有利于提高嵌入心包脂肪的冠脈解剖結構的可視化[20]。并且在1.5T和3.0T自由呼吸狀態(tài)下的全心非對比增強CMRA中，與無脂肪抑制時相比，掃描時間僅有小幅度增加[21]。

1.5 圖像重建技術

盡管自導航和iNAV框架提供100%的采集效率，但獲取一個完全采樣的高分辨率（≈1 mm的各向同性）全心三維冠狀動脈磁共振血管成像可能仍需要30 min[22]。將圖像加速技術（欠采樣采集、平行成像、迭代非線性重建）與一維導航器（膈肌導航或自導航）相結合可以在臨床可行的采集時間內實現(xiàn)高空間分辨率NCE-CMRA[23]。這種方法允許100%的呼吸掃描效率，與單獨的呼吸門控相比，采集時間大大縮短并且圖像質量相當。Bustin等[22]調整了一個高度欠采樣的基于補丁的心臟磁共振重建框架，提出了基于補丁的三維低秩（PROST）重建，實現(xiàn)了空間分辨率小于1 mm3的自由呼吸全心三維NCE-CMRA，采集效率100%，并且可預測采集時間小于10 min。在一個健康受試者的驗證隊列中，圖像質量與完全采樣采集相當，與迭代SENSE和壓縮感知重建方法相比，圖像質量有明顯改善。然而高度欠采樣的采集很容易受到混疊偽影的影響，使傳統(tǒng)的圖像加速方法的擴展受到了限制。

Fuin等[24]提出了基于深度學習（deep learning，DL）的圖像重建來解決其中的一些缺陷。深度神經網(wǎng)絡可以回顧性地識別先前重建的數(shù)據(jù)樣本，然后在幾秒鐘內重建獲得圖像。雖然該方案解決了耗時的圖像重建過程，但它仍然依賴于前瞻性獲得的高空間分辨率CMRA圖像。最近提出一項基于深度學習的超級分辨率方案來克服這一缺點[25]。其中，低空間分辨率的圖像被前瞻性地獲取，通常具有低到中等的加速因子，從而大大縮短了掃描時間，同時采用深度神經網(wǎng)絡在幾秒鐘內重建使其具有更高的空間分辨率[26]。這些深度學習方案具有很大的潛在應用價值，但仍需進一步的臨床驗證。

2 4D/5D全心成像

3D心臟磁共振（MRI）成像作為傳統(tǒng)2D圖像的替代品，簡化了掃描計劃，提供了更全面的信息，允許對心血管系統(tǒng)進行多方面的評估，同時也提高了信噪比和空間覆蓋率。但掃描時間較長，并且即使采用心臟和呼吸運動補償策略減少了運動偽影，然而使用心電圖（ECG）相關的導聯(lián)安置、呼吸導航儀和一系列規(guī)劃使工作流程更為復雜化。

在過去十年中，各種4D心臟MRI成像技術被提出，允許對心臟的運動補償重建并且無須設置心電觸發(fā)延遲時間掃描[27]，然而呼吸運動仍然是一個挑戰(zhàn)。解決4D成像呼吸運動的策略主要分為兩種：第一種為使用呼吸門控，如自導航儀，其優(yōu)點為實施簡單、性能強大。但該方法存在掃描效率降低的問題，因為只有在特定時間窗口（如呼氣結束）獲得的部分數(shù)據(jù)被用于重建最終圖像[28]；第二種方案旨在提高掃描效率，通過使用圖像配準算法對呼吸過程中的心臟運動假設建模（如平移、仿射或非剛性變換），然后將不同呼吸階段的圖像結合進行校正。最近有人提出了一種不同的處理呼吸運動的方法，稱為外維黃金角徑向稀疏平行（extra-dimensional golden-angle radial sparse parallel，XD-GRASP）技術[29]。XD-GRASP不是對運動進行去除或校正，而是將獲得的數(shù)據(jù)分類為多個未采樣的運動狀態(tài)后重建出具有完整信息的多維圖像序列。這種方法保持了較高的掃描效率，并能獲得具有潛在臨床價值的額外生理學信息。XD-GRASP已經成功應用于全心CMRA[30]及心臟磁共振電影成像（cardiac cine MRI）[29]。

基于XD-GRASP應用于4D全心成像的理念開發(fā)了一種5D全心稀疏磁共振框架。這個框架包括三個空間維度（x-y-z）和兩個不同的時間維度，分別代表心臟和呼吸運動維度[31]。5D成像方法結合了連續(xù)的三維黃金角度徑向采樣方案和多維壓縮感知技術，以高空間分辨率（1.15 mm各向異性）和時間分辨率（每個心動期40～50 ms）重建分離心臟和呼吸運動維度，不需要在圖像采集和重建期間進行運動校正。允許在任意方向上評估心肌功能，并能在多個心動周期實現(xiàn)高分辨率冠狀動脈的可視化。這個成像框架有可能使心臟MRI工作流程簡化，并提高檢查的利用率和效率[31]。

3 總結與展望

綜上所述，非對比增強CMRA能夠在無創(chuàng)、無電離輻射且無須對比劑的條件下評估冠狀動脈血管病變，然而掃描時間長、空間分辨率低、圖像質量易受運動偽影影響仍是限制其廣泛應用于臨床的主要因素。近年來隨著加速技術、運動校正、脂肪抑制、圖像重建及4D/5D全心成像的不斷發(fā)展與應用，實現(xiàn)了屏氣靶容積成像到自由呼吸全心冠脈成像，掃描時間更短且達到了100%呼吸采集效率，并通過結合深度學習使得重建后的圖像分辨率進一步提升。同時聯(lián)合多參數(shù)心臟磁共振成像可以對冠狀動脈疾病患者完成從血管病變到心臟結構功能、心肌組織活性和血流的“一站式”影像評估，未來在心血管疾病的研究領域中一定會取得更為豐富的成果。

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