楊文靜，趙世華，陸敏杰,2*

1.中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院阜外醫(yī)院磁共振影像科，北京 100037；2.中國醫(yī)學科學院心血管影像重點實驗室（培育），北京 100037；*通信作者 陸敏杰 coolkan@163.com

心血管磁共振（cardiovascular magnetic resonance，CMR）多參數、多序列可以實現一站式成像，多種成像技術可以評估心臟結構和功能以及心肌組織特征[1]。與結構、功能、灌注及延遲強化等常規(guī)技術相比，擴散加權成像（DWI）雖然在靜止組織的體部MR（如中樞神經系統(tǒng)）已成熟應用[2-3]，但因其相對較高的技術難度，在時刻保持生理運動的心血管領域未推廣應用。近年，隨著MR軟、硬件技術的不斷進步，相關的技術困難已經逐步得到明顯改善，并在缺血與非缺血心臟病的評估方面取得了重要進展。本文擬對心肌DWI的基本原理、技術特點和最新的臨床應用進展進行較為全面的介紹。

1 基本原理

水分子的自由隨機運動又稱為布朗運動，在每個方向上擴散程度相同。對于水分子的擴散，心肌組織是高度異質的介質，存在各種不同的區(qū)域和不同擴散性的屏障，如心肌細胞和結締組織等，水分子的自由流動擴散活動會受限，在不同擴散方向上具有不均勻性，位移分布不同，即擴散的各向異性。擴散系數是組織的內部特征，表示水分子擴散介質的黏度或位移的難易程度[4]。在常規(guī)MRI序列中加入擴散梯度突出擴散效應可行DWI，水分子的擴散引起MR信號強度的改變，因此可以檢測組織中水分子的擴散行為，從而反映心肌微觀的組織結構。

Stejskal等[5]于1965年研究出用于測量水分子擴散的自旋回波（spin echo，SE）序列，與經典SE序列相比，脈沖梯度SE序列包括2個附加的擴散梯度脈沖，擴散編碼梯度脈沖使沿磁場梯度方向的自旋處于不同場強中。該序列中的第一個梯度脈沖引起相移取決于起始自旋所處的梯度強度。對于靜止水分子，第一個梯度脈沖所致的相移會被第二個梯度脈沖再聚焦。但水分子擴散導致自旋在第二個梯度脈沖處于不同的位置，不能回到其初始狀態(tài)，重聚失相位，從而導致所測量的MR信號強度降低。擴散位移距離越長，相移越大，信號下降越大。因此，在沿所施加的擴散梯度的方向上，擴散較大的區(qū)域顯示出較低的信號強度[4-5]。信號強度由公式（1）測得。

其中，S0為不施加擴散梯度時的信號強度；D為擴散系數，表示水分子在單位時間內擴散的平均范圍；b為擴散敏感因子，b=γ2G2δ2（Δ-δ/3），γ代表旋磁比，G、δ、Δ分別代表脈沖梯度的振幅、持續(xù)時間和間隔。隨著b值增加，圖像的擴散權重加大，病變組織和正常組織之間的對比度增加，提高了DWI的敏感性。但高b值會使圖像信噪比降低[6-7]。

2 掃描序列與圖像分析

DWI是最簡單的擴散成像模式，單個梯度脈沖方向上的擴散圖像雖然非常簡單，但也可以提供有關的組織信息，其應用價值在急性腦卒中的常規(guī)評估中已得到體現。在心肌組織中DWI通過編碼活體組織中水分子的擴散運動評估微觀結構的完整性，在生物體內擴散系數D受多種因素影響，很難精確測量，DWI測量分子運動時，常用表觀擴散系數（ADC）代替擴散系數D。ADC是能反映整體組織結構特征的擴散常數，ADC增大，代表水分子擴散增加，而DWI信號降低；反之亦然。然而，ADC非常依賴于擴散編碼方向，因此通常在3個正交方向上應用擴散加權，取平均ADC值，對擴散系數有更好的估算[4]。ADC值是一個標量，僅代表擴散梯度磁場施加方向上水分子的擴散特點，盡管不足以提取有關微結構取向或各向異性的信息，但可以估計擴散張量的軌跡。

DWI已經廣泛應用于中樞神經系統(tǒng)疾病的診斷和療效評估，缺血導致細胞腫脹，引起水分子擴散受限，最終圖像顯示為高信號，在急性期有很重要的提示意義，對腦卒中進行早期診斷。在心血管領域，由于心臟在不停地跳動，使擴散敏感梯度的應用面臨著許多挑戰(zhàn)。但隨著技術的進步和成像序列的改進，在體心臟擴散成像成為可能并且迅速發(fā)展。目前用于心臟擴散成像序列主要有SE技術和受激回波采集模式（stimulated echo acquisition mode，STEAM）。在SE序列中，高階運動補償擴散編碼會降低對心臟運動的敏感性，其中二階運動補償為最佳選擇，可以實現自由呼吸采集和單心動周期內成像[8]。研究證實，在體DWI二階運動補償SE得到的擴散成像參數與離體成像具有很好的一致性，充分降低了心臟整體運動造成的干擾[9]。STEAM由Edelman等[10]提出，將180°脈沖分為2個90°脈沖，測量擴散的時間為RR間隔，通過2個心動周期獲得DWI。因此在施加2個擴散梯度脈沖時，心臟處于同一位置，最大程度地減少了心臟整體運動的影響。STEAM序列的優(yōu)勢在于其在標準臨床MR系統(tǒng)上的可行性，無需高性能梯度硬件，且不需進行運動補償。但STEAM測量心肌擴散時間較長，受應力的影響更顯著。STEAM雙極梯度脈沖序列和sweet spots均使DWI準確地測量心肌擴散，降低心臟周期運動和應變造成的影響[7]。sweet spots即在心動周期中提前設定的時相，應力改變對心肌擴散測量的影響為零，可以準確地定義心肌纖維的結構。研究表明，STEAM在sweet spots和舒張期時更可靠，圖像質量評分更高[11]。兩種序列類型各有其臨床應用優(yōu)勢和不足，以上兩種特定于心臟的擴散加權序列均可以用于獲取DWI數據[6]。

DWI通過水分子的隨機運動提取微觀的組織結構信息，但在人體組織中，水分子的運動還包括毛細血管的有序微循環(huán)。與傳統(tǒng)的單指數模型DWI相比，體素內不相干運動（intravoxel incoherent motion，IVIM）多b值雙指數模型可以提供更準確的信息，包括單純的水分子擴散（擴散）和毛細血管網內血液微循環(huán)（灌注），這為進一步探究心肌組織灌注和擴散情況提供了可能，可以在無需對比劑的情況下定量評價組織微循環(huán)灌注情況，其測量參數D*[快速擴散表觀系數（fast apparent diffusion coefficient，ADCfast）]為灌注系數，更多地體現了毛細血管網內微循環(huán)灌注效應；D（ADCslow）為純擴散系數，更多地傾向于組織內水分子的擴散情況；f是快速擴散成分所占比例，即微循環(huán)相關的灌注分數[12-13]。

3 臨床應用

3.1 缺血性心肌病 同體部DWI用于超急性腦梗死，DWI已逐步應用于檢查心肌急性損傷，包括急性心肌梗死。在急性缺血性心肌病中，DWI可以準確地測量心肌水腫區(qū)域，在下壁觀察到水腫高信號比例高于T2WI[14]。Laissy等[15]研究發(fā)現，DWI診斷新發(fā)心肌梗死的敏感性很高，并且能夠與慢性心肌梗死區(qū)別，絕對ADC值在兩組間也有顯著差異。DWI可以快速、準確地診斷急性心肌梗死，有望應用于非典型胸痛急診患者的分診，對于優(yōu)化急性心肌梗死的治療和改善預后至關重要。Moulin等[16]通過DWI對心肌梗死再灌注急性心肌損傷進行評估，與T1、T2相比，定量ADC maps顯示梗死區(qū)域與遠端心肌之間的差異更大，ADC可以更好地描述心肌水腫高信號，對檢測再灌注急性心肌損傷更加敏感。

既往研究在慢性心肌梗死豬模型中行體外DWI，結果發(fā)現梗死區(qū)域的ADC升高，提示組織微觀結構改變，由替代性心肌纖維化造成[17]。Nguyen等[18]對陳舊性心肌梗死動物模型進行在體DWI，同樣發(fā)現陳舊性心肌梗死區(qū)域ADC顯著升高，且ADC所得到的梗死體積和位置與釓對比劑延遲強化（late gadolinium enhancement，LGE）圖像高度一致，DWI具有高敏感度和特異性。另外一項研究在心肌梗死的標本組織學檢查發(fā)現邊界區(qū)域，即存活心肌和梗死心肌共同存在[19]。通過DWI可以發(fā)現該區(qū)域的ADC高于正常心肌，并且低于致密瘢痕區(qū)域，DWI可以對其進行定性、定量識別和評估，與組織學檢測具有很好的一致性[19]。An等[13]對經皮冠狀動脈介入治療后心肌梗死患者進行IVIM分析，發(fā)現心肌水腫和心肌灌注狀態(tài)存在動態(tài)變化過程；再灌注后第3天T2值最高，ADCfast和快速擴散成分所占比例（f）均達到最低值，表明評估心肌灌注的最佳時間在第3天至第7天。T2與ADCfast呈顯著負相關，揭示了心肌水腫和心肌灌注之間的聯(lián)系，即T2所反映的心肌水腫和細胞腫脹隨后壓迫阻塞微血管循環(huán)。

3.2 肥厚型心肌?。╤ypertrophic cardiomyopathy，HCM）DWI還可以評估彌漫性心肌纖維化，Nguyen等[20]研究發(fā)現，DWI在不使用對比劑的情況下可以準確地識別HCM患者的心肌纖維化，包括彌漫性纖維化，與細胞外體積（extracellular volume，ECV）測量有很好的一致性。此外，DWI具有描述纖維化程度的潛力，反映患者的心肌組織學特征。Wu等[21]的研究得到類似的結論，在HCM中DWI也可以作為識別心肌纖維化的一種選擇，區(qū)分正常和纖維化心肌的曲線下面積為0.93，與native T1mapping和ECV具有同等效力。同時，在HCM患者中行LGE亞組分析，發(fā)現HCM LGE＋的ECV和ADC顯著高于LGE－組，ADC與ECV顯著相關，能夠定量評估心肌纖維化程度。另外一項研究發(fā)現，在HCM中ADC值不僅與LGE有關，而且與高T2范圍相關[22]。高T2和LGE共存節(jié)段中的平均ADC值高于僅具有LGE的節(jié)段（P＜0.05）。多變量回歸表明，節(jié)段高T2和LGE均是影響ADC值的因素。這項關于HCM的研究證實，ADC作為分子擴散參數反映了心肌的替代纖維化，還揭示了水腫程度及其與血清心肌肌鈣蛋白I的關系，反映ECV也無法顯示的HCM心肌損傷[22]。

Wu等[23]應用IVIM可以準確地診斷HCM患者的心肌纖維化，測量所得參數與ECV和LGE有很好的相關性，D*和f具有評估HCM患者纖維化區(qū)域灌注狀態(tài)的潛在價值。應用3.0T CMR-IVIM技術可以無創(chuàng)、定量評估HCM的微循環(huán)功能障礙，提示無肥厚及無強化節(jié)段局部心肌節(jié)段早期的微循環(huán)功能異常改變，且發(fā)現微循環(huán)灌注損傷的嚴重程度與心肌肥厚程度有關。其中D*值更為敏感，可以用于監(jiān)測和預測心肌微循環(huán)灌注的改變情況。DWI為HCM的臨床診斷、危險分層、預后分析及診療計劃提供一定的理論依據[24]。

3.3 急性心肌炎 DWI序列對心肌中的水含量增加敏感，可以用作標準T2WI序列的替代方法，在急性心肌炎中的診斷價值已得到充分體現。Potet等[25]研究證實，在急性心肌炎中DWI可以準確地識別局部和整體心肌水腫，敏感性和診斷效能優(yōu)于T2WI成像。約75%的急性心肌炎表現為心肌梗死癥狀，IVIM-DWI可以發(fā)現急性心肌梗死和急性心肌炎心肌灌注的改變，并加以區(qū)分。An等[26]研究發(fā)現，在心肌水腫和壞死區(qū)域，IVIM相關參數顯著降低，ADCfast和f減低可以從以下3個方面解釋，包括微血管結構異常、在損傷心肌中毛細血管輸送氧氣和代謝產物的能力下降、心肌水腫導致的細胞外容積分數降低。此外，該研究中急性心肌梗死和急性心肌炎患者體現為不同程度的心肌灌注模式。與梗死樣心肌炎相比，急性心肌梗死的ADCslow、ADCfast和f顯著降低，表現為較低的心肌灌注狀態(tài)。以上研究結果與不同的病理過程一致，因為心肌梗死中主要引起血管性水腫，而心肌炎在急性損傷后導致細胞毒性水腫。IVIM參數降低與心肌應變受損顯著相關，提示心肌壞死區(qū)域氧供不足與心肌功能受損相關。

3.4 其他 對糖尿病患者心肌微循環(huán)狀態(tài)的精準評價將非常有助于其心血管風險的監(jiān)測與預后評估。李世蘭等[27]應用IVIM對糖尿病患者進行研究，患者ADCfast與正常對照相比顯著降低，表明IVIM能夠比常規(guī)MR結構功能參數更早地反映心肌微循環(huán)變化情況，這也可能為糖尿病心肌微循環(huán)的定量評價提供一個早期定量指標。

在心血管領域，除對心臟進行掃描外，還可以應用DWI對下肢感興趣區(qū)進行掃描。Wu等[28]研究發(fā)現，急性深靜脈血栓平均ADC顯著高于非急性深靜脈血栓[（0.56±0.17）×10-3mm2/s比（0.22±0.12）×10-3mm2/s，P＜0.001]，ADC值區(qū)別急性和非急性深靜脈血栓具有很高的敏感性和特異性，有助于確定血栓的狀態(tài)，從而指導患者分診質量。

綜上所述，DWI在急性心肌損傷、心肌梗死和HCM等心血管疾病中可以早期發(fā)現微觀病理結構改變，較常規(guī)CMR更具有優(yōu)勢。盡管DWI在心血管領域尚未常規(guī)開展臨床應用，但對于其評估心肌組織的價值已有充分的認識。隨著技術不斷地改進，更復雜的心肌擴散成像技術已不斷開展研究，對心肌結構功能改變之間的聯(lián)系有更深一步的探究。面臨著諸多技術上的挑戰(zhàn)，DWI基于水分子擴散提供心肌細微結構變化及完整性的信息，具有不可比擬的發(fā)展空間和臨床應用前景。