多個低b值DWI技術在心臟成像中的初步研究

劉明熙，張挽時，張子衡，孟利民，龔萬灃，劉潔，方紅，王萍

1.空軍總醫院 CT、MR科室，北京100142；2.GE醫療北京磁共振研究中心，北京 100176

多個低b值DWI技術在心臟成像中的初步研究

劉明熙1，張挽時1，張子衡2，孟利民1，龔萬灃1，劉潔1，方紅1，王萍1

1.空軍總醫院 CT、MR科室，北京100142；2.GE醫療北京磁共振研究中心，北京 100176

目的初步研究多個低b值DWI技術在心臟檢查中的成像技術和成像特點。方法對符合入組和排除條件的已簽署知情同意書的30例健康志愿者行3.0T CMR Cine電影、T2WI和多b值DWI序列掃描，探討此序列臨床應用的可行性，統計分析心肌在各節段、不同供血區、年齡和性別中有無差異，并討論行DWI序列掃描時，選擇何種b值能夠更好地反映心肌血流灌注情況。結果當b=20、60 s/mm2時，圖像質量較好。健康志愿者各節段心肌ADC值不全相等（F=6.315，P＜0.001）。左前降支供血區，右冠狀動脈供血區和左旋支供血區ADC值有差異（F=27.804，P＜0.001），分別為（0.01186±0.00422）mm2/s，（0.01032±0.00333）mm2/s和（0.00902±0.00248）mm2/s。從基底部到心尖部，心肌平均ADC值無差異。結論多個低b值DWI技術在CMR檢查中具有較好的可行性和可重復性。健康志愿者各節段心肌ADC值存在節段性差異。當b=20，60 s/mm2（＜100 s/mm2）時，圖像質量較好，可能提示此DWI圖像可更好地顯示心肌血流灌注特點，為今后選擇合理b值進行相關研究提供參考。

心臟磁共振；彌散加權成像；健康志愿者

0 引言

隨著磁共振技術的發展，多b值彌散加權成像技術（Diffusion Weighted Imaging，DWI）已逐步應用于心肌損傷的檢查中，可定量測定心肌血流灌注和細胞組織內水分子的彌散情況，評價心肌損傷的程度和范圍，在探測急性心肌梗死心肌水腫方面有一定的優勢。但目前，此技術應用于臨床仍面臨諸多挑戰，尚無判斷其準確性的金標準，也無明確的閾值反映心肌灌注血流量減少和心肌水腫，且少有與首過灌注等評價心肌血流灌注量減少的序列進行比較的研究等。本研究通過描述性研究的方法，對心臟磁共振（Cardiac Magnetic Resonance，CMR）多個低b值DWI技術的臨床應用進行初步探討，評價不同b值時的圖像質量，并測量相應心肌節段的表觀彌散系數值（Apparent Diffusion Coefficient, ADC），為相關研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象

健康志愿者30例，男21例，女9例，年齡23～66歲，平均年齡42.7歲，心率為54～78次/min，呼吸為8～25次/min，體重指數17.6～29.2 kg/m2，心肌質量（Left Ventricular Myocardium Mass，LVM）為44～128 g，射血分數（Ejection Fraction，EF）為50%～69%，每搏輸出量（Stroke Volume，SV）為37～97 mL。

入組條件：① 無胸悶、心悸、心絞痛等常見心血管疾病的臨床癥狀；② 心電圖檢查均正常；③ 既往無心肺腦疾病和腫瘤史；④ CMR Cine電影和T2WI序列掃描后未見心臟形態和功能異常[1]。排除條件：MR禁忌癥人群。所有健康志愿者均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

CMR檢查使用GE Healthcare MR750 3.0T磁共振和8通道心臟專用線圈。掃描前連接好呼吸和心電門控，進行呼吸訓練，掃描過程中使用局部勻場技術避免磁敏感偽影和并行采集技術加速掃描速度。

對30例健康志愿者先行Cine電影和T2WI黑血壓脂序列，掃描6個短軸位層面覆蓋左心室。然后，對其行同層面的多個低b值DWI序列掃描，擴散敏感梯度場參數b值分別為0、20、60、100、150、200 s/mm2。掃描參數如下：頻率編碼掃描野Freq. FOV 為34 cm×42 cm，相位編碼掃描野Phase FOV為80%，重復時間TR為1425.0 ms，回波時間TE為最小值，反轉角flip angle 為45°，層厚Slice Thickness為8 mm, 層間隔Spacing為1.5～3.5 mm，激勵次數NEX 為2.00。

1.3 圖像分析

所有圖像均傳入GE AW4.5工作站。多b值DWI序列選擇FUNCTOOL ADC軟件進行單指數擬合，生成ADC圖，測量感興趣區（Region of Interest，ROI）ADC值。由2位從事心血管診斷的放射科醫生分別進行圖像分析和數據測量，各ROI內ADC值取兩者測量值的平均值。掃描時基底、中間、心尖部心肌各兩層，并依據美國心臟病協會建議采用的心肌17節段分析法劃定感興趣區，不包含心腔血池和心外膜外脂肪組織，分別測量每個層面平均ADC值和各節段心肌ADC值，計算基底、中間、心尖部各兩層心肌的平均ADC值，以及兩層面中各節段心肌的平均ADC值，ADC值用平均值±標準差表示。由于醫學倫理學限制，未對健康志愿者行造影劑增強掃描。

圖像分級標準：I級，存在嚴重呼吸運動、心臟搏動和變形偽影，或心肌多于兩個節段信號丟失，圖像不能進行測量；II級，存在較嚴重呼吸運動、心臟搏動和變形偽影，或一個層面心肌小于兩個節段信號丟失，可能會影響此區域心肌各種參數值測量；III級，心肌信號完整但欠均勻，輪廓較清晰，可存在少許呼吸運動、心臟搏動和變形偽影，尚不影響此區域心肌各種參數值測量；IV級，心肌信號完整且較均勻，輪廓清晰銳利，圖像無呼吸運動、心臟搏動及變形等偽影[1]。

1.4 統計學分析

使用SPSS 17.0統計軟件進行分析，對ADC值進行分組研究，對各組數據行獨立樣本t檢驗、One-way ANOVA方差分析和Tamhane’s組間分析，并對部分數據行Bland-Altman分析和Pearson’s相關分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 圖像質量評估

所有健康志愿者均順利完成掃描，檢查后未出現不適癥狀，獲得了具有診斷價值的圖像。30例健康志愿者Cine序列顯示心臟形態、結構正常，各節段心肌運動功能正常，T2WI序列未見心肌水腫，各瓣膜未見異常，心功能參數未見異常。30例健康志愿者各掃描6個層面短軸位心肌圖像，基底、中間、心尖部各2層，共掃描圖像180層。

圖像質量統計如下：

①b=0 s/mm2：血池高信號影響圖像質量，未做明確統計；②b=20 s/mm2：I級16層（8.9%），II級44層（24.4%），III級101層（56.1%），IV級19層（10.6%）；③b=60 s/mm2：I級61層（33.9%），II級53層（29.4%），III級52層（28.9%），IV級14層（7.8%）；④b=100 s/mm2：I級96層（53.3%），II級41層（22.8%），III級29層（16.1%），IV級14層（7.8%）；⑤b=150 s/mm2：I級113層（62.8%），II級24層（13.3%），III級31層（17.2%），IV級12層（6.7%）；⑥b=200 s/mm2：I級126層（70%），II級23層（12.8%），III級25層（13.9%），IV級6層（3.3%）。

在III、IV級圖像中，b=20 s/mm2圖像120層（39.6%），b=60 s/mm2圖像67層（21.8%），b=100 s/mm2圖像43層（14.2%），b=150 s/mm2圖像43層（14.2%），b=200 s/mm2圖像31層（10.2%），b值為20、60 s/mm2圖像187層（61.4%）。30例健康志愿者中，有4例出現下壁、下側壁心肌條片狀高信號，有2例出現前壁、間隔壁心肌條片狀高信號。

2.2 ADC值統計結果

根據心肌17節段分析法測得健康志愿者各節段心肌ADC值的平均值（x-）、標準差（s）及95%可信區間見表1，排除了因運動偽影嚴重，無法進行ADC值測量的三層基底部圖像。但由于采用短軸位掃描，只能獲得除心尖外其余16節段心肌ADC值。

表1 左室心肌16節段ADC值

統計結果顯示，16節段心肌各節段心肌ADC值不全相等，差異具有統計學意義（F=6.315，P＜0.001），見圖1。其中，第2、8、14節段心肌ADC值較余心肌節段略高。從基底部到心尖部心肌的平均ADC值分別為：（0.01170±0.00733）mm2/s， （0.01016±0.00156）mm2/s和（0.01032±0.00147）mm2/s，差異無統計學意義（F=1.107，P=0.335）。

圖1 30例健康志愿者16節段心肌ADC值箱式圖

左前降支、右冠狀動脈、左旋支供血區ADC值不同，差異有統計學意義（F=27.804，P＜0.001），見圖2。各支冠狀動脈供血區域ADC值和95%可信區間分別為：左前降支供血區，（0.01186±0.00422）mm2/s，（0.01124-0.01249）mm2/s；右冠狀動脈供血區，（0.01032±0.00333）mm2/s，（0.00978～0.01085）mm2/s；左旋支供血區（0.00902±0.00248）mm2/s，(0.00862～0.00942）mm2/s。

圖2 左室不同供血區心肌ADC值箱式圖

依年齡將健康志愿者分為20～40歲組和＞40歲組，每組15例。除了在左室心尖部整體、前壁、下壁和側壁，以及中間部下壁中，20～40歲組健康志愿者者的心肌ADC值較＞40歲組略低，差異有統計學意義，余心肌節段ADC值無差異。按性別分組，男女兩組健康志愿者各節段心肌及心肌平均ADC值差異不明顯，只在中間部的下壁、下側壁及心尖部前壁存在微小差異。ADC值與每搏輸出量（Stroke Volume，SV）和心肌質量（Left Ventricular Myocardium mass，LVM）線性相關關系不顯著，r值分別為-0.056和-0.133。

兩位放射科醫生分別測得的ADC值差值均數為-6.22×10-5mm2/s，差值標準差為0.00155 mm2/s，95%一致性界限（差值±1.96×差值標準差）為（-0.00311，0.00298）mm2/s，除個別測量點外余測量點均在95%一致性界限范圍內，其在觀察者間具有良好的一致性（相關系數r=0.814）。

3 討論

3.1 圖像質量分析和合理b值選擇

多b值DWI技術通常采用平面回波成像技術進行掃描。本試驗中，因心率不同50～80次/min，屏氣12～20 s，采集每例健康志愿者6層心肌短軸位圖像，每層圖像包括6張不同b值的圖像（圖3）。但多b值DWI序列尚不穩定，受呼吸運動、心臟搏動影響較大，易產生變形偽影，另外，磁敏感效應和梯度場變換也可造成心肌信號不均勻。適當減小掃描視野及局部勻場、多個飽和帶的使用，可以一定程度上減少偽影、提高圖像質量。

圖3 多個低b值DWI序列掃描圖像

當b=0 s/mm2時，心腔血池信號高，易影響心內膜下心肌損傷的診斷，通常只作為診斷時的參考圖像。當b＞0 s/mm2時，心腔內血池信號抑制較好，心肌輪廓清晰。隨著b值增大，III、IV級圖像發生率逐漸降低，心肌信號丟失發生率逐漸升高。研究中發現當b=20、60 s/mm2時，正常心肌信號隨b值增大有所衰減，血池信號能夠得到較好的抑制，且受心臟搏動影響較小，心肌丟失發生率較低，掃描圖像質量較為穩定，較適合心肌損傷的定性診斷和感興趣區的參數測量，如本試驗中當b=20 s/mm2時，III、IV級圖像發生率達66.7%。試驗中僅1例健康志愿者的1層心肌層面6幅不同b值圖像中心肌信號未見丟失，且心肌輪廓清晰，未見偽影。

30例健康志愿者中，受到胃腔影響，有4例出現左室下壁、下側壁條片狀高信號偽影，因此，檢查前應囑咐其禁食水，減少此種偽影；另2人出現左室部分前壁、間隔壁心肌條片狀高信號，需與此序列中呈高信號且無信號衰減的真正損傷的心肌相鑒別，應結合其他常規序列綜合分析。

圖像質量評價指標包括噪聲、信噪比、對比度、分辨力和偽影等。一般情況下，隨著b值減小，DWI圖像的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）有所提高，而對水分子彌散運動的敏感度有所下降[2-3]。在本試驗中當b=20、60 s/mm2時，圖像質量較好，且受到水分子彌散情況的影響較小，這可能提示著當b＜100 s/mm2時的DWI圖像能夠更好地顯示心肌血流灌注特點，臨床應用中可重復性和臨床價值更高，可為今后選擇合理b值進行相關研究提供參考，但這仍需要結合圖像SNR、CNR和ADC值等參數值進行深入研究。

3.2 左室心肌ADC值特征初探

在多b值DWI序列的臨床試驗研究中，通常將b≤200 s/mm2稱為低b值，b＞200 s/mm2稱為高b值[4-5]。低b值DWI序列掃描時，已包含足夠的心肌血流灌注信息。但因心肌組織有其獨特性，當b=10～100 s/ mm2時，DWI圖像可能能夠更好地反映出心肌血流灌注信息，細胞組織內水分子的彌散作用影響更小[1,4-7]。但罕有文獻報道，當選擇范圍內的何種b值作為體素內不相干運動（Intravoxel Incoherent Motion，IVIM）理論雙指數擬合研究的閾值，才能準確反映心肌血流灌注和水分子彌散情況的信息。因此，本試驗尚采用單指數擬合方法計算ADC值。通過應用IVIM理論進行試驗研究并得出上述閾值，將是筆者日后研究的方向。試驗中左室心肌基底、中間及心尖部平均ADC值分別為（0.01170±0.00733）mm2/s、（0.01016±0.00156）mm2/s和（0.01032±0.00147）mm2/s，心肌平均ADC值約（0.01073±0.00441）mm2/s。在1.5T MR 掃描機下，b值選取0、50、100 s/mm2時，健康志愿者基底部心肌平均ADC值約0.00920 mm2/s，心尖部心肌平均ADC值約0.00990 mm2/s，左室心肌平均ADC值更接近于心尖部心肌的平均值[8]。兩個試驗的結果相近。但本試驗測得的心肌平均ADC值稍高，猜測是由于采用3.0T MR 掃描機進行掃描且掃描參數和環境略有不同，或因人群心肌和冠狀動脈組成結構的微小差異等原因所致。

試驗中獲得的左室16節段心肌ADC值不全相等，部分心肌間存在統計學差異，其中以左室基底、中間部前間隔壁和心尖部間隔壁ADC值較高，其值分別為（0.01251±0.00220）mm2/s，（0.01336±0.00304）mm2/s和（0.01353±0.00839）mm2/s。按供血區域劃分，左前降支供血區、右冠狀動脈供血區和左旋支供血區的ADC值為（0.01186±0.00422）mm2/s，（0.01032±0.00333）mm2/s和（0.00902±0.00248）mm2/s，存在較明顯差異。由此可知，本試驗中多個低b值DWI序列下獲得的ADC值可能與心肌灌注血流量有關。已有研究表明左冠狀動脈血流量一般大于右冠狀動脈，且左前降支血流量最大，優勢型對其影響不大，但因正常人中冠狀動脈優勢型不同，回旋支和右冠狀動脈血流量大小不定[9]。研究結果恰與其相近，左前降支供血區ADC值較高。而大多數國人以右優勢型多見，右冠狀動脈血流量常大于左旋支血流量，因此，試驗中右冠狀動脈供血區ADC值高于左旋支，此結果有其合理性。但由于醫學倫理學限制，未對每個健康志愿者行冠脈造影或冠脈CT血管成像方面研究，且如磁場不均勻性等原因也可能引起左室心肌的節段性差異，故本試驗結果仍需進一步探討驗證。另外，從文獻報道可知，在動物試驗中，此技術的基本原理IVIM方法可提供關于心肌微循環情況，甚至提供如毛細血管分布不均勻性等與毛細血管分布相關的數據[1,10-11]。若日后用此技術來評價微循環血流的分布、速率和方向，可加深對心臟疾病病理生理學特點的理解。

目前，部分研究集中于使用多b值DWI序列研究心肌梗死后的心肌損傷，發現梗死區域心肌ADC值低于正常區域心肌，這可能主要與心肌水腫、梗死心肌血流灌注減少、缺血性壞死、梗死后心肌重構等有關[7,12]。在Laissy等[7]的研究中，b值選擇了300 s/ mm2左右，因這些b值能夠綜合反映心肌細胞水分子彌散和心肌血流灌注情況，得到的心肌梗死患者中遠隔正常心肌的ADC值為（0.00895±0.00019）mm2/s，健康志愿者的心肌ADC值為（0.00782-0.00956）mm2/s，均高于不同時期心肌梗死區域的ADC值（圖4）。而在Rapacchi等[8]的研究中，遠隔正常心肌區域ADC值為（0.0083± 0.0060） mm2/s，同樣高于心肌梗死區域和梗死核心區域的ADC值。兩項研究結果差異不大，且文獻中健康志愿者和心肌梗死患者遠隔正常心肌測得的ADC值與本試驗結果相近，Callot等[10]采用的是高b值DWI序列進行掃描得到的ADC值，而Rapacchi等[8]和本研究中只采用了低b值DWI序列。但有文獻報道低b值與高b值ADC值存在一定的差別，兩者可能沒有明顯的相關性。因此，究竟高b值與低b值下的ADC值有何區別和聯系，分別受到心肌細胞內水分子彌散和心肌血流灌注影響的比例有多大，尚不明確。正如腦部多b值DWI序列的研究一樣，此技術應用于心肌中也較難分辨出兩者的具體情況[8,13-15]。

圖4 健康志愿者

3.3 本研究局限性

第一，本研究樣本量較小，性別比例欠均衡，尚需大規模臨床試驗研究明確。第二，入組健康志愿者無胸痛、胸悶、心悸等心血管疾病臨床癥狀，心電圖正常，無心肺腦疾病和腫瘤病史，CMR檢查過程中Cine電影和T2WI序列檢查未見心臟結構和功能的異常，但因醫學倫理學和經濟學考慮，均未行心血管方面的全面檢查，屬于相對健康志愿者。第三，由于掃描軟件和后處理軟件的限制，掃描過程中可能會出現微小差異。另外，目前本試驗尚未對健康志愿者和心臟疾病患者行對照研究，且未對低b值和高b值DWI技術進行對比研究，這將是今后研究的重點。

4 結論

本研究證實此技術在CMR檢查中具有較好的可行性和可重復性，尤其當b=20、60 s/mm2（b＜100 s/mm2）時，圖像質量較好，可能提示此DWI圖像應用于臨床試驗研究中可更好的顯示心肌血流灌注特點，其b值的選擇和測得的心肌各節段ADC值可為心肌缺血和水腫等心肌損傷相關研究提供參考。左室各節段心肌ADC值存在節段性差異，其原因和可能的影響因素仍需進一步研究探討。

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A Preliminary Study of the Cardiac Magnetic Resonance Multi-low-b DWI Technology

LIU Ming-xi1, ZHANG Wan-shi1, ZHANG Zi-heng2, MENG Li-min1, GONG Wan-feng1, LIU Jie1, FANG Hong1, WANG Ping1
1.Department of CT and MRI, AirForce General Hospital, Beijing 100142, China; 2.General Electric Medical Beijing Magnetic Resonance Center, Beijing 100176, China

ObjectiveTo investigate the imaging technology and characteristics of cardiac magnetic resonance (CMR) multi-low-bDWI technology.MethodsWith a 3.0T magnetic resonance imaging (MRI) system, cardiovascular magnetic imaging, including MR Cine, T2WI and multi-low-bDWI technology, was performed in 30 healthy volunteers who had given written informed consent to investigate the clinical feasibility of multi-low-bDWI technology and to explore whether ADC values in different segmental myocardium, different blood supply areas, different age-groups and gender were similar or not. A discussion was made on whichbvalue should be selected to better reflect the perfusion of myocardium when using DWI technology to scan cardiac structure.ResultsThe image quality of multi-low-bDWI technology was better when thebvalues were 20, 60 s/mm2(b＜100 s/mm2). The study showed ADC values of some myocardial segments in healthy volunteers were different (F=6.315，P＜0.001). ADC values of different blood supply areas were different (F=27.804，P＜0.001) as below: the ADC value of the left anterior descending branch was (0.01186±0.00422) mm2/s; the ADC value of the right coronary artery was (0.01032±0.00333) mm2/s; the ADC value of the left circumflex was (0.00902±0.00248) mm2/s. Besides, myocardial ADC values were not different from base to apex.ConclusionThe CMR multilow-bDWI technology is feasible and repeatable. Myocardial ADC values have regional variation. The image quality is better when thebvalues are 20, 60 s/mm2(b＜100 s/mm2) which indicates the images obtained through DWI technology can better reflect myocardial perfusion. The research provides relevant reference for choosing the appropriatebvalues in the future studies.

cardiac magnetic resonance; diffusion magnetic resonance imaging; healthy volunteers

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.008

1674-1633(2016)03-0042-06

2015-04-23

張挽時，1944年10月，遼寧遼陽人，主任醫師、教授、空軍級專家。

通訊作者郵箱：cjr.zhangwanshi@vip.163.com