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详谈T1 mapping定量技术在不同区域心肌的初步研究

作者:2015-08-06 15:20文章来源:未知

  0 前言

  目前,T1 mapping 技术是心脏磁共振(Cardiac MagneticResonance,CMR)领域的新技术之一,可通过定量测定增强前后T1 和细胞外体积分数(Extracellular Volume Fraction,ECV)值评价心肌损伤的程度和范围,被认为是常规CMR检查的重要补充。但由于细胞内水分的增加和各种细胞微环境的改变,均会引起心肌T1 值的改变,其正常阈值尚无统一标准,灵敏度、特异度、准确度及临床价值还需大规模临床试验研究。本试验拟初步探讨基于改进的Look-Locker 稳态自由进动饱和恢复(Modified Look-Locker FIESTA Imagingwith Saturation Recovery,MLLSR)序列增强前T1 mapping 技术应用于临床检查的可行性和可重复性,并评价左心室不同区域心肌的初始T1 值,为相关研究提供参考。

  1 材料与方法

  1.1 研究对象

  健康志愿者30 例,男21 例,女9 例,年龄23~66 岁,平均年龄42.7 岁,心率54~78 次/min,呼吸频率8~25 次/min,体重指数17.6~29.2 kg/m2,左室心肌质量(Left VentricularMyocardium Mass,LVM)44~128 g, 射血分数(EjectionFraction,EF)50%~69%, 每搏输出量(Stroke Volume,SV)37~97 mL。入组条件:① 无胸闷、心悸、心绞痛等常见心血管疾病的临床症状;② 心电图检查均正常;③ 既往无心肺脑疾病和肿瘤史;④ CMR Cine 电影和T2WI 序列扫描后未见心脏形态和功能异常[1]。排除条件:MR 禁忌症人群。所有健康志愿者均签署知情同意书。

  1.2 检查方法

  使用GE Healthcare MR750 3.0T 磁共振扫描机和心脏8通道专用线圈对30 例健康志愿者行CMR 检查。扫描前连接好呼吸门控和心电门控,扫描过程中使用并行采集系统加快扫描速度和局部匀场技术减少磁敏感伪影。先行CMR Cine 电影和T2WI 黑血压脂序列检查,分别扫描6 个层面短轴位和各1 个层面的四腔心、两腔心层面。然后,进行同一层面的T1 mapping 序列扫描。其中,T1 mapping 序列采用MLLSR 序列进行扫描,扫描参数如下:频率编码扫描野为34 cm×42 cm ;相位编码扫描野为70%~100% ;回波时间最小;反转角为45° ;层厚为8 mm ;预备时间为100 ms ;带宽为125 kHz ;触发时间窗为10%RR ;触发延迟时间为舒张中末期。完成一次扫描屏气时间约15~25 s,与心率有关。

  1.3 图像分析

  所有T1 mapping 的采集图像均使用GE AW4.5 工作站的CINE TOOL 软件进行后处理。该软件采用饱和恢复的标准模型对Look-Locker 方法采集的8 幅不同T1 加权的心肌图像进行拟合,计算T1 值,这8 幅原始图像对应的反转时间(InversionTime,TI)值分别为100、200、300、100 +心动周期(RR)、200 + 1RR、300 + 1RR、300 + 2RR、(300 + 3RR)ms。在后处理过程中添加伪彩,划定感兴趣区(Region of Interest,ROI)测量初始T1 值,并进行数据矫正。采用双盲法,由2位从事心血管诊断的放射科医生分别进行图像分析和数据测量,ROI 初始T1 值为两者测量值的平均值。扫描左室基底、中间、心尖部心肌各两层,并依据美国心脏病协会建议采用的心肌17 节段分析法划定ROI,不包含心腔血池和心外膜外脂肪组织。分别测量心肌每个层面各节段和平均初始的T1 值,计算基底、中间、心尖部各两层心肌各心肌节段和平均初始T1 值,心肌第17 节段取两腔心和四腔心层面心尖处的初始T1 平均值,表示方法为均值± 标准差。由于医学伦理学限制,未对健康志愿者行造影剂增强扫描,因此无法测量增强后T1 值和ECV 值。__根据出现磁敏感效应、心搏和呼吸等原因引起的伪影程度,确定图像分级标准如图2 所示:Ⅰ级,存在严重呼吸和心脏搏动伪影,图像不能进行测量;Ⅱ级,图像中出现呼吸和心脏搏动伪影或心肌内存在低信号磁敏感伪影,可能会影响此区域心肌参数值测量的准确度;Ⅲ级,图像中出现少许呼吸和心脏搏动伪影或心肌旁低信号磁敏感伪影,但不影响此区域心肌参数值测量的准确度;Ⅳ级,心肌信号均匀,轮廓清晰锐利,图像无伪影。

  1.4 统计学分析

  使用SPSS 17.0 软件进行统计学分析,对初始T1 值进行分组研究,依据年龄、性别分组后初始T1 值行独立样本t 检验,其余组初始T1 值行One-way ANOVA 单因素方差分析和Tamhane’s 组间分析,对2 位放射科医生观察到的初始T1 值行Bland-Altman 一致性分析和Pearson’s 相关分析,初始T1 值表示为平均值± 标准差(x − ±s),P < 0.05为差异有统计学意义。

  2 结果

  2.1 MLLSR T1 mapping图像质量统计结果

  所有健康志愿者均顺利完成扫描,获得具有诊断价值的图像,检查后未出现不适症状。30 例健康志愿者心脏Cine 电影序列显示心脏形态、结构正常,各节段心肌运动功能正常,T2WI 序列未见明确心肌水肿,各瓣膜未见异常。在T1 mapping 序列中,每位健康志愿者分别扫描短轴位层面6 层,两腔心、四腔心层面各1 层,共扫描短轴位180 层,两腔心30 层,四腔心30 层。本试验研究的短轴位心肌节段510 节段,两腔心和四腔心层面分别为210 节段。MLLSR T1 mapping 序列图像质量统计结果如下:① 短轴位层面图像:Ⅰ级0(0%)层,Ⅱ级53(29.4%)层,Ⅲ级82(45.6%)层,Ⅳ级45(25.0%)层。Ⅲ、Ⅳ级图像共127 层(70.6%);② 两腔心层面图像:Ⅰ级0(0%)层,Ⅱ级4(13.3%)层,Ⅲ级19(63.3%)层,Ⅳ级7(23.3%)层。Ⅲ、Ⅳ级图像共26 层(86.6%);③ 四腔心层面图像:Ⅰ级0(0%)层,Ⅱ级4(13.3%)层,Ⅲ级19(63.3%)层,Ⅳ级7(23.3%)层。Ⅲ、Ⅳ级图像共26 层(86.6%)。

  2.2 初始T1值统计结果

  根据心肌短轴位、两腔心和四腔心层面测得的健康志愿者初始T1 值见表1~2。划定ROI 时排除了出现低或高信号伪影的心肌节段。17 节段心肌、四腔心和两腔心层面各节段心肌初始T1 值不全相等,差异具有统计学意义(F 值分别为34.271、27.323 和30.013,P < 0.001)。其中,第4、10 心肌节段初始T1 值略低,第13、14、17 节段心肌的初始T1 值较高。心肌从基底部到心尖部的平均初始T1 值和95%置信区间分别为:(717.6±100.6)ms,(680.1~755.2)ms ;(773.9±101.2)ms,(736.1~811.7)ms ;(955.4±191.1)ms,(884.0~1026.7)ms(图3)。其中,中间部和基底部心肌初始T1 值无统计学差异,心尖部和基底部、中间部初始T1 值间有统计学差异(F = 24.422,P < 0.001)。从基底部到心尖部血池的初始T1 值分别为(1208.9±224.2)ms、(1281.2±251.7)ms、(1829.6±584.8)ms,中间部与基底部血池初始T1 值无统计学差异,心尖部与中间、基底部间有统计学差异(F = 22.751,P < 0.001)。__健康志愿者中左前降支、右冠状动脉、左旋支供血区初始T1 值各不相等,差异有统计学意义(F =47.862,P < 0.001)。各供血区初始T1 值和95% 置信区间分别为:左前降支,(979.3±335.1)ms,(933.7~1024.9)ms ;右冠状动脉,(691.6±156.0)ms,(666.4~716.8)ms ;左旋支,(813.9±288.8)ms,(767.3~860.5)ms。按年龄将30 例健康志愿者分为20~40 岁组和> 40 岁组,每组15 例。除20~40 岁组的心尖部血池初始T1 值略小外(t = -2.177,P < 0.05),其余各节段心肌初始T1 值与年龄无关。按性别分组,女性组心尖部和中间部平均初始T1 值略高于男性组,心尖部前壁和间隔壁、中间部前间隔壁、前壁和前侧壁以及两腔心层面心尖部前壁初始T1 值也略高于男性组,差异均有统计学意义,其余层面各节段心肌初始T1 值无差别。左室心肌平均初始T1 值与LVM 和SV 的相关系数r 分别为-0.544 和-0.449。两位放射科医生分别测得的初始T1 值差值均数为-18.1 ms,差值标准差为123.1 ms,95% 一致性界限(差值±1.96× 差值标准差)为(-259.4,223.2)ms,除个别测量点外,其余各测量点均在95% 一致性界限范围内,其在观察者间具有较好的一致性(相关系数r = 0.918)。

  3 讨论

  T1 mapping 技术可显示早期纤维化的和缺血性、炎性损伤的心肌,定量评价心肌损伤的程度和范围,尤其在弥漫性心肌纤维化的诊断和缺血性心脏病心肌梗死的评估中价值较大。目前,心肌T1 值的测量尚缺乏统一标准,健康人心肌中初始T1 值特点尚不明确,尚不能确定正常人T1 值的95% 正常参考值范围,无法在无正常心肌作对比的前提下提示心肌损伤。

  3.1 MLLSR T1 mapping技术图像质量分析

  本试验T1 mapping 技术采用MLLSR 序列进行扫描,不同于常规的改良Look-Locker 反转恢复序列(ModifiedLook-Locker Inversion Recovery,MOLLI) 序列。MLLSR 采用的是饱和脉冲序列(Saturation Recovery Sequence,SR)而非反转脉冲序列(Inversion Recovery Sequence,IR),SR的使用可以避免磁场恢复过程中产生的虚拟心跳信号带来的影响,减少了磁化饱和恢复曲线上应取样的数据点个数,且不影响T1 值的测量。这个序列仍基于Look-Locker方法计算T1 值,其进行信号强度拟合时采用的计算公式为A-Bexp(-TI/T1*),其测量出的直接T1 值为T1* 值,再根据(B/A-1)T1* 公式计算组织的真实T1 值,T1* 值略低于组织真实T1 值。但MLLSR 序列得出的T1* 值更接近于组织真实T1 值,受扫描条件如环境、心率、反转角、重复时间、T2 值和血池T1 值等影响较小。检查前进行有效的呼吸训练,检查过程中心电门控技术和匀场技术的使用,可有效提高图像质量。另外,初始T1 值测量时多选用左室中间部心肌尤其是间隔壁作为感兴趣区,此时测量的心肌各节段和平均T1 值较为可靠,且应避免血池及心外膜外脂肪组织的影响,可用于试验结果间的比较。短轴位层面左室心肌侧壁、下壁外常出现条片状、小片状低信号磁敏感效应伪影,部分可累及心肌,其中,前侧壁共5(2.8%)层,下侧壁共20(11.1%)层,下壁共4(2.2%)层。四腔心层面心尖部游离缘侧壁旁和两腔心层面下壁旁偶尔出现此伪影,四腔心和两腔心层面中各1(3.3%)层。此伪影可能会影响T1 值测量的准确性,这或许由于此处心肌与肺、胃底及膈肌临近,信号强度易受影响。在T1 mapping 图像中,基底部心肌轮廓和边界的显示常较心尖部清晰.

  3.2 初始T1值初步观察研究

  本试验中左室心肌从基底部到心尖部的平均初始T1 值分别为(717.6±100.6)ms,(773.9±101.2)ms 和(955.4±191.1)ms,左室心尖部心肌初始T1 值高于基底部、中间部心肌,差异有统计学意义,与Von Knobelsdorff-Brenkenhoff 等相应的研究结果变化较一致。由于扫描技术、仪器、环境等不同,国外多篇文献报道的左室中间部初始T1 值不尽相同。

  我们测得的左室中间部心肌平均初始T1 值约为(773.9±101.2)ms。而Song 等使用1.5T 扫描机的MLLSR序列对健康志愿者和心肌梗死患者进行的研究中,正常心肌的初始T1 值约为(910±93)ms。另外,在使用MOLLI 序列进行的研究中,如在3.0T MR 扫描机上,Piechnick 等测得的心肌平均T1 值为(1166±60)ms,Kawel 等测得的约为(1286±59)ms,而Lee 等测得的约为(1315±39)ms,Dabir 等测得的约为(1052±23)ms,试验结果较相近,且高于1.5T MR 扫描机上的研究结果,如(950±21)ms、(966±48)ms和(939±24)ms。本试验结果均较上述文献报道值偏低。

  除此之外,我们还在研究中发现各节段心肌的初始T1值不全相等。其中,基底部下间壁和下壁的初始T1 值较相同层面心肌略低;中间部前间壁心肌初始T1 值高于相同层面余心肌节段,而下壁心肌其值略低,均较明显;心尖部下壁心肌初始T1 值较相同层面心肌略低;而心尖初始T1值的变异率较大,T1 值测量的准确度不如其他心肌节段。此结果与西方国家关于心肌初始T1 值区域性差异的报道略有不同,如Von 等研究发现心肌前壁初始T1 值低于其他心肌节段;而Dabir 等研究认为,心肌中间部下间隔壁初始T1 值最高,而前侧壁最低。

  多项研究推测这种心肌节段性差异以及初始T1 值的差异一般不太可能是由于心肌组成不同而引起的,而是由不同解剖部位的磁场均匀性、磁场强度、梯度场线性、磁敏感性伪影、线圈敏感性伪影、部分容积效应、心肌厚度不同等原因造成的,抑或与扫描仪器、序列、参数和环境的不同有一定的关系,图像后处理方法不同,也可引起上述差异,但这仍需扩大样本量并进行多中心研究进一步明确。研究提示使用初始T1 值鉴别损伤心肌时,要考虑到这种心肌节段性差异的影响。研究中将17 节段心肌按不同供血区域划分,发现初始T1 值有明显的统计学差异。左前降支供血区初始T1 值(979.3±335.1)ms 大于左旋支供血区的(813.9±288.8)ms,且大于右冠状动脉供血区得(691.6±156.0)ms。冠状动脉血流量与冠状动脉内径大小和心率有关。已有研究表明左冠状动脉血流量一般大于右冠状动脉。但由于正常人中冠状动脉优势型不同,在各分支供血量上还存在一些争议,尚没有较大样本量的正常值指标,但一般认为左前降支血流量最大,优势型对其影响不大,而回旋支和右冠状动脉血流量大小不定。大多数国人常为冠状动脉右优势型,右冠状动脉血流量常大于左旋支,而在本试验研究中,左前降支供血区初始T1 值较高,左旋支初始T1 值大于右冠状动脉。因此,可以看出其值不一定与血流灌注有明显的相关性,尤其是与冠状动脉优势型的相关性不大,这可能是血流灌注、扫描过程中各种磁场不均匀性等共同作用的结果。

  本试验中初始T1 值不随健康志愿者年龄的增大而发生改变, 与Dabir 等的研究结果较一致,但在vonKnobelsdorff-Brenkenhoff 等的研究中,20~39 岁和40~59岁年龄组中初始T1 值存在微小差异,在大于60 岁年龄组的人群中初始T1 值减低。另外,在心肌病患者中初始T1值会随着年龄的增加而增大。因此,初始T1 值与年龄之间的关系可能较为复杂,需要确定一定的研究标准。文献中指出,初始T1 值可与性别无明显相关性,也可在女性中略高于男性,尤其是老年女性;心肌初始T1值可能在一些亚临床或临床疾病中存在一些年龄和性别上的差异,而在健康志愿者中差异不明显。本试验中女性组部分心肌节段初始T1 值略高于男性,其余心肌节段初始T1 值在两组中无统计学差异。

  4 结论

  本试验证实3.0T CMR 检查中基于MLLSR 序列的T1mapping 定量技术具有较好的可行性和可重复性,并得到了中国健康志愿者不同心肌区域左室心肌初始T1 值的参考值范围,为相关临床试验研究提供参考。研究中发现左室心肌初始T1 值存在节段性差异,与磁场不均匀性、部分容积效应、心率和心肌厚度等多种因素有关,但这仍需扩大样本量并进行多中心试验研究进一步明确,更应根据扫描技术自身特点进行技术优化。建议鉴别损伤心肌时,应考虑到左室心肌初始T1 值的节段性差异。初始T1 值与血流灌注相关性不大,与年龄相关性不大,与性别相关性尚不明确。

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