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心血管磁共振成像机遇与挑战——中国十年来发展成果及展望
冯长静 杨旗

Cite this article as: Feng CJ, Yang Q. Opportunities and challenges of cardiovascular magnetic resonance imaging: Achievements and prospects over the past decade in China[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(10): 66-70, 78.本文引用格式:冯长静, 杨旗. 心血管磁共振成像机遇与挑战——中国十年来发展成果及展望[J]. 磁共振成像, 2022, 13(10): 66-70, 78. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.10.009.


[摘要] 近十年来,心血管磁共振(cardiovascular magnetic resonance, CMR)成像技术作为一种无创性评估心脏结构与功能的“金标准”,已在国内心血管疾病临床诊疗领域发挥了重要作用。伴随着组织学特征成像、特征追踪技术、扩散加权成像、影像组学和人工智能等新技术的出现,CMR为心血管系统疾病精准诊疗提供了新的机遇。国内许多医院已经采用CMR对缺血性心脏病、非缺血性心脏病、大血管疾病等进行精准评估,取得了系列研究成果。相信未来CMR将在组织学特征成像、影像组学和人工智能、分子成像以及疾病的早期诊断、危险分层、预后评估等方面取得更大的研究成果。本文对十年来国内CMR领域临床和科研进展进行总结,并展望未来发展方向,以期为CMR技术研究与临床研究提供相关参考。
[Abstract] In the past decade, cardiovascular magnetic resonance (CMR) imaging, as a gold standard for noninvasive assessment of cardiac structure and function, has played an important role in the clinical diagnosis and treatment of cardiovascular diseases in China. With the advent of new techniques such astissue characterization imaging, feature tracking technology, diffusion-weighted imaging, radiomics and artificial intelligence, CMR provides new opportunities for precise diagnosis and treatment of cardiovascular system diseases. Several domestic hospitals have used CMR to accurately evaluate ischemic heart disease, non-ischemic heart disease, macrovascular disease, etc., and have obtained a series of research results. We believe that CMR will achieve greater research results in tissue characterization imaging, radiomics and artificial intelligence, molecular imagingas well as early diagnosis, risk stratification, and prognostic evaluation of the disease in the future. We summarized the clinical and scientific research progress in the field of CMR in China in the past ten years, and looks forward to the future development direction in this paper, in order to provide relevant reference for the research of CMR technology and clinical research.
[关键词] 缺血性心脏病;非缺血性心脏病;心肌病;冠状动脉粥样硬化;大血管疾病;心血管磁共振成像;磁共振血管造影;钆对比剂延迟强化;心脏磁共振特征追踪;扩散加权成像;影像组学;人工智能;预后;疗效评价
[Keywords] ischemic heart disease;non-ischemic heart disease;cardiomyopathy;coronary atherosclerosis;macrovascular disease;cardiovascular magnetic resonance imaging;magnetic resonance angiography;late gadolinium enhancement;cardiac magnetic resonance feature tracking;diffusion-weighted imaging;radiomics;artificial intelligence;prognosis;efficacy evaluation

冯长静    杨旗 *  

首都医科大学附属北京朝阳医院放射介入影像中心,北京 100020

杨旗,E-mail:yangyangqiqi@gmail.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


        
        杨旗,首都医科大学附属北京朝阳医院放射介入影像中心主任,主任医师、教授、博导,兼任心血管疾病医学工程教育部重点实验室常务副主任。“国家杰出青年科学基金”“国家自然科学基金委优秀青年科学基金”获得者、医学影像学专业首位“百篇优博”。入选国家高层次人才计划、教育部新世纪优秀人才、青年北京学者、北京市医管局“登峰”计划。从事心脑血管疾病研究20余年,主持国自然科学基金重点国际合作项目、重大研究计划项目、科技部“十三五”国家重点研发计划、北京市自然科学基金重点项目等20余项课题;系列研究成果发表在《JACC: Journal of the American College of Cardiology》《Advanced Science》《Annals of Surgery》《Stroke》等权威期刊;获得国家发明专利7项。曾获教育部科技进步二等奖、中国产学研合作创新奖、英国皇家医学会牛顿高级学者、国际血管成像联盟青年研究奖等奖项。受邀国际会议专题报告20余次,牵头全脑血管壁成像国际多中心研究项目、牵头撰写多部卫生行业标准/专家共识。现担任中华医学会放射学分会心胸学组副组长、国际心血管磁共振学会委员及教育委员会委员、国际医学磁共振学会青年委员等职务。担任《Neuroradiology Journal》副主编、《Eur J Radiol》等多本英文期刊编委。

基金项目: 国家杰出青年科学基金 82025018
收稿日期:2022-10-12
接受日期:2022-10-14
中图分类号:R445.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.10.009
本文引用格式:冯长静, 杨旗. 心血管磁共振成像机遇与挑战——中国十年来发展成果及展望[J]. 磁共振成像, 2022, 13(10): 66-70, 78. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.10.009

      

       心血管磁共振(cardiovascular magnetic resonance, CMR)是一种无创的影像学检查方法,是评估心脏形态及功能的“金标准”,多参数和多序列成像使得CMR成为“一站式”检查工具[1]。近十年来,随着CMR技术的不断发展,组织学特征成像、心脏磁共振特征追踪(cardiac magnetic resonance feature tracking, CMR-FT)、扩散加权成像(diffusion-weighted imaging, DWI)等技术在多种心血管疾病诊疗领域均发挥了至关重要的作用。本文将从技术研究及其临床应用领域入手,阐述十年来中国大陆CMR的代表性发展成果及其未来发展方向,为CMR的进一步研究与临床应用提供参考。

1 CMR技术

1.1 组织学特征成像

       组织学特征成像包括钆对比剂延迟强化(late gadolinium enhancement, LGE)、T1、T2、T2* mapping、细胞外间质容积(extracellular volume, ECV)等。2012年,万俊义等[2]对LGE在缺血性心脏病、非缺血性心肌病和炎症性心脏病等心血管疾病中的诊断、治疗和预后判断方面进行了综述,肯定了LGE在其中的价值。然而,由于LGE的评估依赖于心肌纤维化和正常心肌信号强度之间的差异,故受限于心肌弥漫性病变以及心肌早期病变的评估。T1、T2、T2* mapping、ECV等参数定量成像根据心肌弛豫时间的变化定量反映心肌组织学特征,可以早期识别亚临床病变及弥漫性病变,进而弥补LGE的不足。2013年,Lu等[3]发现T1 mapping检测肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy, HCM)患者左室心肌纤维化的价值优于LGE成像。心肌淀粉样变患者往往因合并肾功能衰竭而限制对比剂的使用,2016年,程召平等[4]发现初始心肌T1 mapping在诊断和量化心肌淀粉样变患者方面有着潜在的价值,此项研究成果为这些对比剂禁忌的患者带来机会。2017年,Wang等[5]发现高血压患者ECV的增高与其左室射血分数和左室肥厚有着强相关性,且研究还证实了ECV可以在LGE出现之前早期识别左室心肌异常。2018年,Guo等[6]发现初始心肌T1 mapping和ECV可成为心肌纤维化和功能失代偿前心肌损伤的早期检测标志物。2020年,Xu等[7]发现参数定量成像可以识别HCM LGE阴性患者的心肌纤维化,其T1 mapping及ECV的异常还与猝死的发生有关。同年,我国疫情形势严峻,Huang等[8]借助参数定量成像发现部分新冠肺炎痊愈的患者存在心肌炎性损伤,揭示了新冠病毒对心肌持续的影响,可对患者的后续诊疗进行有效的评估。

1.2 特征追踪技术

       CMR-FT技术基于CMR无创测量的心肌应变参数,应变参数代表了心肌纤维的变形程度,可在亚临床阶段诊断心血管疾病,并评估患者的临床风险[9]。2016年,刘红等[10]提供了我国健康的汉族人群左室心肌应变的参考值范围,并揭示了性别及年龄对心肌应变的影响。2017年,李志伟等[11]采用CMR-FT技术评估分析了房颤患者左房应变的变化,其结果表明了房颤患者左心房储存、管道、助力泵功能等均有损伤,而持续性房颤的患者较阵发性房颤的患者左心房功能受损则更为严重。2019年,张臣等[12]研究发现心肌梗死合并慢性中重度二尖瓣反流患者左心室心肌应变受损明显。2020年,陈秀玉等[13]通过CMR-FT技术定量评估了高血压患者早期左房功能障碍,结果显示该技术可在患者左房增大之前定量评估高血压患者的左房功能障碍。2021年,Chen等[14]通过CMR-FT比较了单次激发压缩感知电影与传统分段电影成像定量评估左室功能的异同。2022年,Liu等[15]发现基于CMR-FT的左室和左房应变参数可以早期检测左室射血分数保留的特发性炎性肌病(idiopathic inflammatory myopathy, IIM)患者的心脏受累情况。

1.3 DWI技术

       DWI技术在多脏器尤其中枢神经系统已得到广泛应用,然而在心血管领域仍处于起步阶段。体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion, IVIM)在DWI的基础上采集更多不同b值得图像以得到更准确的信息,随着CMR技术的不断进步,近十年来我国在心血管疾病的评估方面也取得了一定进展。2013年,李志伟等[16]对CMR多b值DWI的可行性进行了初步探讨,其结果可观,且观察者间一致性良好。2016年,Wu等[17]研究结果表明DWI是T1 mapping和ECV识别HCM患者心肌纤维化的可行替代方法,且DWI和ECV可定量表征HCM患者的心肌纤维化范围。2018年,Wu等[18]研究结果表明HCM的收缩功能障碍主要与表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)相关,ADC是ECV和LGE检测心肌纤维化的可行替代方法。2020年,An等[19]的发现证明IVIM-DWI可作为评价急性心梗和梗死样心肌炎两种不同心肌灌注模式的可靠序列,急性心梗较梗死样心肌炎表现出更低的心肌灌注状态。

2 基于CMR的影像组学和人工智能

       近几年,影像组学和人工智能已成为心血管疾病领域的研究热点,CMR成像技术与其相结合可以从原始CMR数据集中提取大量肉眼看不到的定量信息,这有可能进一步加深我们对心血管疾病的理解,并提供更精确的诊断和预测。然而,由于CMR成像扫描层面多、序列复杂,而且难以完全排除心脏搏动的影响,建模需要耗费大量的时间和精力。综上种种原因导致现阶段心血管影像人工智能仍处于起步阶段[20]。2018年,Cheng等[21]研究结果显示应用LGE的纹理特征可预测HCM患者发生心血管事件的风险。2020年,Wang等[22]应用T1 mapping的组学特征区分了不同基因型HCM。2021年,郭家錾等[23]探讨了基于深度学习的1.5 T心脏磁共振电影序列自动量化不同心肌病左心室功能的性能,结果显示在HCM中,左室功能的性能最高。同年,伍希等[24]研究结果显示CMR纹理分析可以鉴别无延迟强化的淀粉样变心肌与健康心肌,而且纹理分析在预测心肌淀粉样变患者心肌是否存在延迟强化中具有较高的诊断效能。

       尽管影像组学和人工智能在心血管领域的应用尚未成熟,随着未来大量数据的不断验证及算法的不断更新,我相信基于影像组学和人工智能的CMR影像分析技术可以变得不断成熟,从而帮助广大医师减轻负担、做出更好的临床决策,最终使广大患者获益,这很可能成为未来的发展趋势。

3 CMR临床应用

3.1 缺血性心脏病

       缺血性心脏病是指冠状动脉粥样硬化使血管管腔狭窄或阻塞,或因冠状动脉痉挛导致心肌缺血、缺氧或坏死而引起的心脏病。冠状动脉疾病是发病和死亡的最常见原因之一,诊断的“金标准”为有创性冠状动脉造影,对于无创评估,冠状动脉CT血管造影(coronary CT angiography, CCTA)已被广泛应用,然而由于电离辐射、部分患者因肾功能衰竭等碘对比剂禁忌证而不适合CCTA检查。近十年来,冠状动脉磁共振血管造影(coronary magnetic resonance angiography, CMRA)已成为检测冠状动脉狭窄的一种安全、无创、无辐射和无碘对比剂的潜在替代方法[25, 26, 27]。2009年,Yang等[25]前瞻性评价了3.0 T全心CMRA在疑似冠心病患者中的诊断性能。其结果显示3.0 T的全心CMRA可准确检测冠状动脉狭窄,敏感性较高。2014年,Yun等[26]评价了3.0 T全心CRMA在疑似冠心病患者中的显著狭窄(≥50%)诊断和心肌梗死的检测。2016年,He等[27]以传统有创性冠状动脉造影为参考“金标准”,评价了全心CMRA的诊断性能,肯定了其是一种有前景的检测技术。2018年,Liu等[28]以组织病理学为参考,证实了冠状动脉粥样硬化T1加权像检测到的冠状动脉高信号斑块与斑块内出血相关,肯定了其在冠状动脉粥样硬化在体评价的潜在作用。2022年,Lu等[29]发现在硝酸甘油辅助下,基于Dixon水脂分离敏感度编码、压缩感知技术的3.0 T全心CMRA是无创性诊断冠状动脉狭窄的有效方法,可简单且无创地评价冠状动脉血管舒张功能。

       冠状动脉长期存在严重狭窄或闭塞时会引起缺血性心肌病[30, 31],2019年,李小路等[30]分析了CMR成像在缺血性心肌病诊断中的临床价值,结果表明CMR对缺血性心肌病患者的评估具有极大优势。2021年,王秋玲等[31]研究表明CMR可以定量评价缺血性心肌病患者心肌梗死的面积。同年,Yang等[32]应用CMR-FT技术评估了患者左心室变形情况,结果表明该技术可无创、定量评估慢性心肌梗死后患者整体和局部心肌应变,且节段性心肌应变参数在区分心肌梗死亚型方面具有潜在的临床价值。

       综上所述,尽管CMRA是无创性评估冠脉狭窄的有效方法,但由于其空间分辨率有限,评估冠状动脉横截面积微小变化的精度受到一定限制,相信随着技术的不断进步,其评估效果可以越来越精准。此外,CMR可以对缺血性心脏病的心肌灌注、心肌梗死面积、心肌应力变化进行详细评估,但其广泛应用还需进一步的临床疗效和成本效益证据,相信未来这些技术的临床实用性会得到更多的强有力的数据支持,可以对缺血性心肌病的治疗疗效及预后进行精准评估。近年来,CMR分子成像可以从细胞和分子层面进行心脏成像,而且组织分辨率以及空间分辨率较高,相信未来其可为缺血性心脏病的发病机制、治疗疗效等提供更加全面、精准的信息。

3.2 非缺血性心脏病

       非缺血性心脏病主要包括扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy, DCM)、HCM和限制型心肌病等。2013年,Lu等[33]通过脂水分离成像前瞻性研究了脂肪沉积在特发性DCM患者中的患病率,发现脂肪沉积是DCM的常见现象,且与纤维化体积、左室功能等DCM特征有关。同年,Chao等[34]评价了儿童特发性HCM的心血管磁共振特征,发现儿童HCM患者中LGE的患病率和范围与成人相似,且伴有LGE的儿童更易导致不良事件的发生。2016年,Lu等[35]研究表明CMR较超声心动图能更为准确地预测梗阻性HCM患者酒精室间隔消融术疗效,且梗阻性HCM患者室间隔显著增厚可能与术后不良结局相关。2017年,An等[36]比较了心尖HCM与不对称室间隔HCM在排除年龄、性别和流出道梗阻等干扰因素后的远期疗效,结果表明,后者比前者预后更差,心血管死亡率和发病率的发生率更高。2019年,宋燕燕等[37]探讨了HCM伴左心室心尖部室壁瘤患者的CMR成像特征及临床预后,结果显示HCM伴左心室心尖部室壁瘤患者延迟强化量明显增多且临床预后较差。2021年,Zhou等[38]通过使用深度学习算法提取CMR形态学特征对HCM的突变风险进行预测,结果显示在检测HCM突变方面产生了显著的诊断性能。仲影等[39]在2021年探讨了非缺血性DCM患者左心功能、左室应变以及应变对DCM心肌纤维化的诊断价值。杨馨尧等[40]在2022年评估了心肌应变在HCM诊断及鉴别诊断中的应用研究。

       此外,近年来针对淀粉样变心肌病、IIM等的研究也不断涌现。2018年,Wan等[41]研究表明基于CMR电影成像的应变参数可用于评价心脏淀粉样蛋白浸润的程度,并可为轻链淀粉样变性患者的全因死亡率提供独立的预后信息。同年,Yu等[42]对IIM进行了评估,发现T1 mapping对检测患者亚临床心肌受累有早期价值,且初始T1和ECV均可作为IIM心肌损害的早期影像学标志。2022年,Feng等[43]同样观察到射血分数保留的IIM患者存在心肌受累,且对患者心肌受累程度进行了进一步评估。

       综上所述,CMR组织学特征成像、影像组学和人工智能等技术在非缺血性心脏病中的应用极其广泛,有助于明确病因、监测疾病进展和转归等情况。但在疾病危险分层的评估中目前研究并不充分,相信未来在这一方面会有更多的研究,以便实现非缺血性心脏病的精准诊断、预后评估并指导治疗。此外,CMR分子成像可以从细胞和分子层面对非缺血性心脏病进行心脏成像,相信未来同样可以为非缺血性心脏病的发病机制、治疗疗效等提供更加全面、精准的信息。

3.3 大血管疾病

       心脏大血管疾病主要包括大动脉炎、主动脉缩窄、肺动脉高压(pulmonary artery hypertension, PAH)等,其中以PAH最为常见。PAH以远端肺动脉重构为特征,导致肺血管阻力增加、顺应性降低和肺动脉压升高,未经治疗的PAH具有较高的发病率和死亡率,因此,对该病的早期诊断、早期治疗及预后评估非常重要。2012年,彭刚等[44]在CMR对PAH患者肺动脉形态和右心室功能方面进行了评估,肯定了CMR在PAH中的应用价值。2014年,Guo等[45]发现CMR评价近端肺动脉和腔静脉的血流与右心导管插入术的血流动力学参数相关,可用于无创评价慢性血栓栓塞性肺动脉高压的严重程度,并可对治疗反应进行随访。2017年,Li等[46]研究探讨了CMR参数在特发性PAH患者中的预后价值,结果显示峰值射血速率可反映右室收缩早期功能,并可能是其预后的预测指标。同年,Chen等[47]探讨了毛细血管前PAH患者中,心室插入部T1时间、血流动力学指标与双心室功能的关系。2018年,Wang[48]等指出PAH右室插入部的初始T1值较重度主动脉瓣狭窄者有着明显的升高,结合T1和T2 mapping有助于更好地表征压力超负荷心肌成分的变化。2022年,梁妍等[49]研究了CMR对左向右分流型先天性心脏病合并PAH患者的诊断效能及对患者右心室功能的评价作用,结果表明CMR对该类患者具有中等强度的诊断价值,并可早期全面监测患者右心室功能变化。

       综上所述,虽然CMR不是诊断大血管疾病的“金标准”,并且由于其价格昂贵、检查时间长,要求技术相对较高,使得CMR评估大血管疾病在国内尚未大规模开展。但由于心脏结构和功能的改变是反映患者严重程度、预后及治疗效果的核心,而CMR是评估心脏解剖功能的“金标准”,并且可以同时评估血管血流动力学变化、心肌运动及损伤情况,其必将成为心脏大血管疾病早期诊断、预后评估及检测其治疗效果的一站式检查工具。

4 小结与展望

       近十年来,随着CMR成像技术不断进步,使得其在缺血性心脏病、非缺血性心脏病、大血管疾病等多种心血管疾病中的临床诊断和预后评估方面取得了丰富的研究成果。毋庸置疑,这十年是我国CMR事业发展迅猛的十年,无论是研究方向还是高质量的文章都有了突飞猛进的进步,此外,尚有很多优秀的研究限于本文篇幅而未能一一列举。相信未来CMR在在组织学特征成像、影像组学和人工智能、分子成像等技术上将会取得更大的突破,使得其在疾病的早期诊断、危险分层、预后评估等方面取得更多的研究成果。党的二十大召开在即,我国政府对医学事业发展的重视大家有目共睹,这必将促使我国CMR事业蒸蒸日上,必将更好地造福于广大人民群众。因此,即使有些技术如影像组学和人工智能、分子成像等还未在CMR领域广泛应用,但我坚信未来中国CMR的发展一定会取得更大成就,一定可以为保障人民群众健康至上作出巨大贡献。

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