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在人类心脏中测量心室应变的概念进展Elliot McVeigh磁共振成像技术及硬件设备的改进磁共振成像(MRI)能够测量心肌的运动,主要由于心肌组织可以被标记并随着时间进行跟踪可以以饱和磁化的方式或者编码信号时相的方式进行标记;这两种方式可在数毫秒以内被应用于整个心肌方式变形的成像可以用各种标准方法进行目前在商品化的扫描器中可以获得的成像梯度转变速率加速已经导MRI致获取数据的效能极大提高,使心脏电影具有较高的瞬时分辨率并且成像时间较短同时,视野缩小的技术,或者变焦到单独的心脏区域周围,使获取数据的时间缩短到倍;已经在加速成像技术的标准下获得了这些技术24这些改进使得实时图像获取速度已经达到了每秒帧的图像同302X2X8mm时,如果大约个重复的心跳是完全相同的,可以被用来累积数据,从这些合成10数据得到的电影可达每秒帧以上如果需要更大的空间分辨率,对重复心跳200进行的数据累积可以被用来将该限度推进到代表心脏逐次跳动的位置具有可重复性的分辨率利用无线门控策略(通过测量原始数据的特性以推断在获取数据的瞬间心脏和呼吸时相)使与心电图同时相获取心脏数据的传统门控策略变得完善⑸这些技术目前是可行的,因为获取数据的速度可以很快足以支持部分图像重建且其质量足以评估数据是在心脏/呼吸周期中的哪一点获取的这是一个活跃的研究课题,可能在年内即可见到重要的进展5运动-编码策略本章调查了两种主要类型的运动编码心肌标记法()和脉myocardial tagging冲场梯度法(pulsedfieldgradient)心肌标记法在预定模式中(如一套平行图表)改变了图像象素的灰阶数值,并且随时间进展将模式的形变记录成像在脉冲场梯度法中,通过用一个短梯度脉冲诱发位置依赖时相而同步“标记”磁化位置稍后用一个反向的梯度脉冲来重新调焦磁化;然而,如果在这两个梯度脉冲之间的时间内组织发生了移动,磁化有剩余时相而与位移成比例心肌标记心肌标记运用的是一个简单的原理在成像区域内设置一个饱和模式,在一定的时间延迟后将该区域成像;在图像中的饱和模式形状的变化反映了包含饱和模式的基础主体形状的变化“标记的原则由和首先提出用于spins MorseSinger测量容积血流及其同事论论证了同一原则可以用于直观标明被标记磁化Zerhouni的组织以测量心脏更复杂的变形及后来提出一个有效的方案在整Axel Dougherty个成像区域内生成饱和平行层许多研究者已经提出对这些在二维(2D)和三维()图像中生成更复杂饱和模式的方法的修正和扩展,近期还出现标记与快速3D回声链成像及定常态自由进动成像联用已经通过投射重建成像方法达到了对标注栅格的高分辨率成像在过去的几年内,标记方法得到了持续的发展本文审视了空间和时间分辨率已经达到的极限高时空分辨率标记的磁共振成像获取高分辨率图像的直接方法是运用三维傅立叶编码技术在这种方法中,MR在分隔一薄层图像层时不使用层面选择脉冲;在层面选择方向使用时相编码这种三维傅立叶获取技术可以达到薄层成像,但需要一段延长的成像时间以得到所有的必需数据;因此,必须使用心脏及呼吸门控获取技术通过三维成像获得更薄层面可以使标记层之间的空间显著减少,因为在高通层面剪切应变过程中相邻的标记层面不会模糊在一起及其同事已经采用心脏/呼吸门控及简化数据获Ennis取技术以得到在整个心脏区域按时间分辨率及体素对标记心肌进行的三维容8ms积高分辨率方向指向垂直于水平标记层面,这样对标记位置的检测最精确标记层面可能紧密的排列在一起,穿过心壁共个标记层(图在短轴图像中这些5Do数据包含大约个单独的标记交点以追踪整个心肌组织的运动这种成像模式1500的缺陷是总获取时间长;因此,测量的运动必须在内逐跳可重复这种条
0.5〜2h件可以在健康的、通气的、被动起搏的动物中达到无线门控技术不断发展使得高分辨率成像技术可以用于在自由呼吸非起搏个体中标记磁共振成像的图像分析直接观察用标记模式获得的电影提供了评价心肌功能和局部缩短及松弛开始时间的一种优秀方法然而,如果需要对全部心肌定量测量心肌应变,心肌必须进行分割并建立标记层面的位置在过去的十年内这种图像分析任务已经经历了持续地发展;但是,在利用心肌标记进行定量分析中,其仍保持是频率限制步骤在心肌标记发展的早期,一次全面研究要包括近幅图像被分割;当前,用高200分辨率在时间和空间大小,共有幅图像需要进行分割因此,取决于获得的5000图像的数量,标记检测可能用很多小时甚至数天进行分析如果进行大型研究,对于研究者而言这简直是噩梦尽管从灰度标记图像直接计算运动场的一些早期工作已被报道,标记方向的问题已经成为研究者将注意力转移到不需要图像分割而进行定量分析(如在脉冲场梯度法中描述的方法)的主要动机图1A,用心脏/呼吸门控取得的高时空分辨率标记的三维标记磁共振成像的示例这组图显示了从一个55帧影像中筛选出的5帧;每帧间隔56ms注意经心壁标记较高数目B,在起搏的犬心脏收缩时两倍放大图像校准栏代表从标记形变计算出的在每个局部径向增浓的数量;浅灰代表增浓15%(校准栏的顶部),深灰代表变薄15%(校准栏的底部)左图为收缩初始;右图为40ms后注意在前间隔(左室12点处)观察到跨壁梯度增浓现象这种早期收缩可能由于起搏的心房激动传导到间隔从标记磁共振成像计算应变在标记电影中,标记模式应用后以不同时间间隔在空间中形成一个单一MRI层面成像在整个心动周期中,心脏移进或移出这单一层面;因此,必须应用插值(interpolation)在心动周期中从多次的成像中抽样计算心肌某个位置的轨道插值(时间和空间)的本质是在用于运动跟踪的不同方法之间差异一旦在座标系统(即配属心脏的座标系统)中将位移场计算出来,就可以通过Lagrangian计算位移场的空间导数而得到心肌的应变及其同事对四种技术进行了比Declerck较,结果显示心肌位移场的四维样条模型看似为计算应变场的最佳的全面性方B法脉冲场梯度法调和相成像法在调和相(HarmonicPhase,HARP)成像法中,对心肌采用一个简单的正弦曲线标记模型这些标记由一种被称为空间调制磁化(SPAtialModulation Magnetization,)的方法提供如果图像是采用集中在傅立叶空间中的这条正弦曲线的频SPAMM率周围的原始数据重建的,巨大的图像会以低分辨率评估正弦曲线模式中的信号数量图像的时相将会显示一种随心肌运动而变形的结合模式在图像的HARP电影画面之间的相对运动可以从不同帧之间的时相差异计算出来;因此,能够不用监测基础标记的位置而对运动进行测量其缺陷是由于用于重建图像的HARP原始数据窗口较小图像对形变场表现的分辨率相对较低然而,仅需要一个小范围的原始数据意味着成像可以快速进行当在短轴平面成像时,相同的编码原则可以被用于测量纵向应变受激回波位移编码受激回波位移编码(DENSE)成像技术[4刀采用图像象素的时相来编码一块组织的随时间的净位移横向磁化通过一个短梯度脉冲进行位置编码,在“混合时间”(指示)过程中贮存为纵向磁化,然后在图像数据获取之前通过一个解码TM梯度脉冲重新聚焦解码梯度脉冲引起横向磁化以一个时相角度来重新聚焦与在混合时间内发生的位移成线性比例不幸的是,仅有一半的初始横向磁化被恢复然而,成像通过与图像象素栅格相同的空间刻度评估位移,位移的评估不DENSE需要分割图像图显示的是用技术获取的对心肌位移的高分辨率评估示2DENSE例这些特性使得成为一项具有吸引力的定量评估应变和位移的方法虽DENSE然目前尚无法获得对心肌变形的直视方法,但可以通过已经测定的基础的心脏上人工标记的位移进行测量技术已经发展了许多变量来提高位移评估的信DENSE号-噪音比的一个弊端是它是一项以时相为基础的技术在环绕着心脏的DENSE图像象素中有许多原因可导致时相误差,例如磁场的不均一性、化学迁移(在不同化学种类共振中频率迁移)、血液的流动、以及呼吸运动等不幸的是,当一个象素的时相值为运动评估时,其评估容易受到这些许多来源的误差的影响图2应用受激回波位移编码(DENSE)技术获得的犬心脏从开始收缩到收缩中期的两帧图像注意位移数目评估为左室壁和右室壁应变生成了极好的数据利用这项技术可以标测心肌应变的跨壁模式心肌标记法的临床应用在本章中先前描述的所有方法近期都可用于人类的临床应用,因为广泛MRI可供使用而且实际上不会带来风险心肌标记可以被用于产生一个对局部心壁运动和应变的直观评价方法,使医生更容易的发现在缺血组织中的非同步性或运动功能减退目前这些方法不经常使用,是因为对于心脏病学家而言,扫描仪MRI并不能广泛可用于其患者中正如先前所阐明的,在临床中广泛应用这些技术来定量评价运动和应变的一个重要阻碍是需要大量工作来分割心脏壁的边界标记模式对应变和电活动的同步测量为评价电激动与机械收缩起始之间的关系,已经在对被麻醉的健康犬进行异位起搏过程中进行标记实验当通过右心房起搏激发收缩期收缩时,左心室通MR过正常的浦肯野系统途径被激动,而发现机械活动作为位置的函数的模式是相同的然而,当从心室部位起搏心脏时,则观察到收缩具有明显的不同步和空间异质性,反映了电激动的基础延迟新近,人们利用一个-或-心外膜电极套128256列阵(electrodesockarray)以获取在心肌标记研究前后即刻的电学标测,并且利用电极套列阵外部的标志记录这两组数据令人意外的是利用处于适当的位置心外膜套所获取的这种被标记的成像具有良好的质量这种实验性设置目前赋予MR我们在活体内研究在心肌收缩和舒张过程中电学和机械功能短时间内的动力学关系,正如图中的结果所显示在同一心脏内采用高分辨率、配准的3()>纤维角绘图也使得研究这个功能的基础结构基质成为可能coregistered图3在一只左束支阻滞的犬心脏中,采用心肌标记和128-电极套列阵获取的被配准的机械收缩数据与电学激动数据在其表面所提供的灰阶水平代表左室(LV)和右室(RV)的心外膜在电学激动数据(上幅)中深灰色区域显示在右室起搏后表面上被激动的局灶点在环形应变的机械图(下幅)中亮灰色区域显示的是在100ms时左室游离壁的预牵张,其后跟随着收缩(深灰色)可以利用实验准备来获取心肌的机械状态与电活动之间关系的基础模型关于机械-电反馈可以提出许多悬而未决的疑问例如,已经观察到波出现的时间似U乎依赖于机械活动事件当波终束与第二心音之间的关系发生改变时,波紧跟T U着第二心音而不是波这种精确的一过性关系可以在心脏的环层心室肌和心内T膜成分松弛过程中通过波与牵张开始的间隔来测量人们假定心内膜成分牵张U发生于环层之后;现在这个假说可以被实验证实在心肌梗死模型中,可以准确测量梗死周围的机械预牵张,而且可以标测出机械异常与出现局灶异位搏动和稳定折返的倾向之间的任何关联在空间记录应变图之外,生成高反差、高分辨率、梗死形态学三维图像的性能,使其成为研MRI究梗死心脏行为的优先选择的方法总结尽管在心脏收缩过程中心肌应变对其产生的力量仅呈现出一个未完成的图像,目前它是能够在研究局部现象时对整个心脏采用无创方法进行测量的最重要参数理论上,进一步研究将会产生更多的提炼基本参数的方法,如局部收缩和舒张开始的时间,并且这些参数将会被用于个体化患者中来评估致死性事件的风险,指导介入治疗以及监测治疗后的恢复情况(王立群郭继鸿译)。