心脏磁共振纵向弛豫时间定量成像技术进展

作者：殷亮，喻思思，龚良庚，南昌大学第二附属医院影像中心磁共振室

心脏磁共振（cardiac magnetic resonance, CMR）纵向弛豫时间定量成像（T1 mapping）技术是评估心肌组织特征的一种无创性影像检查方法，能够直接定量心肌组织的T1值，可以无创地评估心肌梗死、弥漫性心肌纤维化、心力衰竭、心肌淀粉样变等疾病。

CMR T1 mapping技术是近年来发展起来的一种新技术，它基于反转或饱和脉冲序列激发，在纵向磁化矢量恢复过程中的不同时间采集信号，再经过一系列的数据计算和后处理后得到心肌组织的T1值。笔者就CMR T1 mapping技术进展作一综述。

一、T1 mapping脉冲序列技术基本原理

以反转恢复准备的单次自旋回波技术为例说明T1mapping脉冲序列技术的基本原理。纵向磁化矢量在施加反转恢复脉冲（inversion recovery, IR）之后开始弛豫恢复，经过特定的反转时间（TI）单次采集自旋回波信号，然后在一系列的TI下重复这个序列，采集多点的反转恢复信号，最后通过单指数函数Mz（TI）=M0×[1-INV×EXP（-TI/T1）]来计算T1值。在大多数情况下，可以利用这种函数来描述血液和组织在反转脉冲后的纵向磁化矢量的恢复，其中Mz（TI）表示以TI为变量的函数的纵向磁化矢量，T1是函数的时间常数，M0代表平衡状态下的纵向磁化矢量，INV代表反转因子。

二、基于反转恢复准备的T1 mapping技术

T1 mapping技术最早应用的是反转恢复激发脉冲，可使纵向磁化矢量恢复的范围最大（即Mz=-M0~M0），原则上评估T1 值的错误的可能性最小。基于反转恢复准备的T1mapping技术是目前应用最广泛和最成熟的一类T1 mapping技术。

1.Look-Locker（LL）T1 mappping 技术：在标准的反转恢复准备的单次自旋回波技术中，在每2个反转脉冲之间，磁化矢量完全恢复到平衡状态大概需要4~5个T1时间，因此大大延长了T1成像的时间。Look和Locker首先提出了LL技术，即在每个反转脉冲之后利用多个TI值来采集多个纵向磁化矢量信号，从而能够克服这种局限性。

Look-Locker技术是在纵向磁化矢量反转之后，周期性地施加一系列低反转角（<20°）射频脉冲来产生梯度回波，在每个射频脉冲之后利用梯度回波读出MR信号，根据信号幅度的变化率来定量T1值。LL技术优点是在多个TI值下多次采集，与反转恢复准备的单次自旋回波技术相比成像速度更快。但缺点是利用梯度回波读出信号使得反转恢复曲线发生改变，可能会导致T1测量的不准确；而且在心脏搏动过程中连续的采集图像，导致心脏形态发生改变，因此不太适用于心脏。

2. 改良Look-Locker 反转恢复（modified Look-Lockerinversion recovery, MOLLI）T1 mapping技术：LL技术为CMRT1 mapping技术奠定了重要的基础，而Messroghli等提出的MOLLI技术则在推动CMR T1 mapping的进一步发展和应用中起到了重要作用。与LL技术相比，MOLLI有3点改进：

（1）利用平衡稳态自由进动（balanced steady state freeprecession，bSSFP）序列读出信号，可以减少反转恢复中磁化矢量的丢失，对纵向磁化矢量恢复曲线的影响更小，能获得更高的信噪比。

（2）利用心电门控，在舒张末期进行选择性图像采集，有效减少了心脏跳动对图像采集的影响。

（3）应用多个（通常是3个）不同反转时间（TIs）的LL序列产生一个数据集，增加了弛豫曲线的样本数，从而使得评估T1的准确性更高。MOLLI由3个连续的心电门控反转恢复准备LL序列（LL1、LL2、LL3）在1次闭气内（17个心动周期）扫描完成，这3个序列舒张末期分别进行3个、3个及5个单次采集，即LL1采集3次，间隔3个心动周期，再LL2采集3次，间隔3个心动周期，最后LL3采集5次。

在每2个LL序列之间间隔3个无数据采集的心动周期，以使纵向磁化矢量完全恢复平衡。每个LL序列的初始TI时间为施加反转脉冲到采集k空间第1幅图像的时间。有效TI时间为初始TI加上从第1幅图像采集开始后的心动周期的时间长度，图像后处理时，根据有效TI时间重新排列拟合出T1弛豫曲线，使得图像类似于一次采集获得的。

利用MOLLI技术可在1次屏气过程中采集心脏单层T1 mapping数据，每次舒张末期数据采集时间<200 ms，运动伪影较少，而且具有较高的准确性、可重复性和空间分辨率，是目前心脏T1 mapping中最常用的技术，近年来绝大多数新技术都是基于MOLLI上发展和改进的。但MOLLI缺点是要在17个心动周期内完成1幅图像的采集，屏气时间较长，具有心率依赖性，不利于患者耐受；而且存在T2依赖性、磁化传递、反转效率以及磁化矢量丢失等因素的影响，因此容易低估心肌T1值，需要对T1值进行校正。

3. 短MOLLI（shortened MOLLI, ShMOLLI）T1 mapping 技术：由于MOLLI技术采集1幅图像所需的屏气时间较长，具有明显的心率依赖性，而且其中有6个心动周期无数据采集，对不能坚持屏气的患者（如严重心肺功能不全患者或心率较低的患者）很难应用。Piechnik 等提出ShMOLLI 技术，采集1幅T1图像只需9个心动周期，减少患者屏气时间，从而使得T1 mapping应用更加广泛。ShMOLLI是对MOLLI的进一步改良。在MOLLI中3个LL序列中分别进行3、3、5次采集方式。而ShMOLLI序列采用相似的LL 序列和有效TI 计算原则，仅进行5、1、1 次采集，每2个LL序列之间仅有1个无数据采集的心动周期。

由于组织T1值各异，纵向弛豫恢复时间不同，经过第1个LL序列采集后可能并未完全恢复平衡状态，因此需根据线性估计来判断T1弛豫恢复情况，若已恢复平衡，则认为第2、3个LL序列中获得的数据有效，3个LL序列中采集的数据均可以用来做T1值的计算；反之，则认为第2、3个LL序列采集的数据不准确，只有应用第1个LL序列采集的数据用来做T1值的计算。

与MOLLI相比，ShMOLLI优点是不需要等待纵向磁化矢量完全恢复，采集1幅图像仅需9个心动周期，对心率的依赖性更小，所以屏气时间更短，更利于受检者耐受。ShMOLLI技术在近几年得到了广泛应用，目前主要用于检测扩张型心肌病和肥厚型心肌病、心肌淀粉样变等疾病心肌T1 值的改变。但也有研究显示在T1<800 ms 时，ShMOLLI 的测量结果与MOLLI 有较好的相关性，而在T1>800 ms时，其精确度低于MOLLI；而且同样存在和MOLLI技术中容易低估心肌T1值的缺点，需要对T1值进行校正。

三、基于饱和恢复准备的T1 mapping技术

除了IR 激发脉冲之外，饱和恢复（saturation recovery,SR）激发脉冲也可以应用于T1 mapping成像。SR激发时虽然纵向磁化矢量恢复的范围只有IR的一半（即Mz=0~M0），但是在施加准备脉冲之前不需要等待纵向磁化矢量恢复到平衡，每个心动周期均有数据采集，使得成像效率增加到100%。基于饱和恢复准备的T1 mapping技术在近年来得到越来越多的发展和关注，为CMR T1 mappping技术提供了更多的选择和进一步补充。

1. 饱和恢复单次采集（saturation recovery single shot acquisition, SASHA）T1 mappping技术：基于反转恢复激发的T1 mappping序列存在纵向磁化矢量丢失，容易低估T1值，因此需要对T1值进行校正。而Chow等提出的SASHA采用饱和恢复技术，不存在低估T1值的影响，使成像效率更高，而且单次采集没有心率依赖性。与MOLLI 相同的是，SASHA也利用bSSFP序列读出信号从而产生良好的信噪比和血液-组织比。SASHA技术采用bSSFP序列在每个心动周期的舒张末期均进行单次采集，获取心脏单层T1 mapping图像需10个心动周期。

第1次采集不施加饱和脉冲，获得平衡状态下的信号强度（即M0），而余下的9次采集分别在不同的触发延迟时间下施加饱和脉冲，经过一定的饱和恢复时间采集图像（饱和恢复时间定义为施加饱和脉冲后到填充k空间中心线的时间），由于每次采集饱和恢复时间不同，从而产生不同T1权重的对比。每次采集均在舒张末期，触发延迟时间和饱和恢复时间之和保持一致，所以图像中心脏的相位相同，没有心脏运动的干扰。SASHA是一种非常有应用前景的T1 mapping技术，体模研究表明它有很高的准确性和心率非依赖性，而且没有磁化矢量的丢失，对T2依赖性、磁化传递、反转效率等影响不敏感，不需对T1 值进行校正，因此准确性较MOLLI 和shMOLLI高。

目前文献报道的SASHA应用较少，有报道其应用于鉴别和评估法布里病以及蒽环类药物副作用所致的心室重构。SASHA的缺点是在不完全的饱和准备以及低信噪比的情况下可能会导致T1值的高估和变异性较大，但仍然需要进一步的研究和验证。

2. 改良Look-Locker 饱和恢复（modified Look-Lockeracquisition with saturation recovery, MLLSR）T1 mapping技术：与SASHA相同，Song等[15]提出的MLLSR也采用饱和恢复准备脉冲，但是图像采集应用类似于MOLLI中的LL技术进行采集。与MOLLI相比，无须等待纵向弛豫恢复平衡，提高了成像效率，而且可以通过较灵活地调整TI数目来满足特殊的临床需求。

实际上，MLLSR属于MOLLI的一种变体，在1次闭气内完成饱和恢复准备的LL序列扫描。MLLSR有2+2+4和1+3 2种采集模式。2+2+4模式是3个LL序列在舒张末期分别进行2、2 和4 个单次采集，该模式有效TIs 大多分布在1 000 ms左右，而增强前心肌T1值大概在900~1 000 ms，所以一般用于增强前T1成像；1+3模式是2个LL序列在舒张末期分别进行1和3个单次采集，该模式有效TIs大多分布在500 ms左右，增强后心肌T1值明显缩短，一般<500 ms，故一般应用于增强后T1成像，所以，尽管简化的1+3模式与2+2+4模式相比在曲线拟合时只有一半的数据，而且TI覆盖范围也更小，但增强后2种采集模式对T1值的测量结果相似，因此对于不能屏气的患者增强后采用1+3模式更容易耐受。

研究表明MLLSR与单次采集反转自旋回波（T1测量的金标准）相比，两者在体模上的T1测量结果具有高度一致性，并且MLLSR具有良好的时间和空间分辨率，心率非依赖性，组织适用范围广泛，是CMR T1 mapping技术的另一种补充，具有很大的潜力。但在目前应用很少，有文献报道利用MLLSR测量的早期2型糖尿病患者心肌T1值和舒张功能障碍之间的关系。但由于应用了类似MOLLI的单次激发多次采集方式，仍存在磁化矢量丢失，所以同样会对T1值产生低估效应。

3.饱和脉冲准备的心率非依赖性反转恢复（saturation pulse prepared heart-rate-independent inversion recovery,SAPPHIRE）T1 mapping技术：SAPPHIRE是一种结合饱和及反转脉冲的技术。在MOLLI序列中，数据的采集点在恢复曲线的前期分布的较少，而后期分布较多，但后期阶段大部分的纵向磁化矢量已恢复平衡，因此采集数据不均衡导致估计T1值欠敏感。

SAPPHIRE T1 mapping在每个饱和准备脉冲之后单次采集图像，因此在评估T1值时没有心率依赖性，而且可以灵活地选择反转时间（Tinv）以便在T1弛豫曲线恢复前期阶段采集更多的数据，使评估T1值更加敏感。SAPPHIRE成像在第1次采集无磁化准备脉冲，采集平衡状态下的信号强度（即M0）。而后在每个心动周期中，在相同的时间点施加1个饱和脉冲，然后在不同的时间点施加1个反转脉冲，之后均在舒张末期单次采集数据。施加饱和脉冲至数据采集的时间（Tsat）是固定的，而施加反转脉冲至数据采集的时间（Tinv）不同，从而产生不同T1 权重的对比。

在有关SAPPHIRE技术对心律失常患者成像的研究中表明，与MOLLI及ShMOLLI相比，图像受心律不齐所致的运动伪影干扰小，没有磁化矢量的丢失，且对T2依赖性、磁化传递、反转效率等影响不敏感，评估T1值准确度较高，是一种很有潜力的T1 mappping技术。

综上所述，CMR T1 mapping技术从最早的LL，到应用广泛的MOLLI、ShMOLLI再到近年来新兴的SASHA、MLLSR、SAPPHIRE等新技术，已经能够比较准确且无创性定量评估心肌T1值。目前的T1 mapping技术都有一些各自的优缺点，虽然MOLLI和ShMOLLI已得到广泛应用，但这类序列存在T2依赖性、磁化传递、反转效率及磁化矢量丢失等因素的影响，需通过后处理对T1 值校正。

而新兴的SASHA、MLLSR、SAPPHIRE 技术虽然评估T1 准确性较MOLLI 和ShMOLLI高，但临床应用较少，对其定量T1值是否存在误差或不足尚不清楚，仍需更多研究来验证这些序列的准确性。国内关于T1 mapping的系统研究仍然数量有限，仍有很大发展空间[18]。相信随着CMR T1 mapping技术的发展和成熟，以及进一步优化和规范化该序列在心脏的应用，它将在指导临床的预后判断和治疗抉择上发挥更大的作用。

来源：中华放射学杂志2016年1月第50卷第1期