通过血管活性呼吸动作进行氧合敏感性心脏磁共振成像以无创评估冠状动脉微血管功能障碍

摘要

通过氧合敏感性心脏磁共振成像结合血管活性呼吸动作评估微血管功能，能够独特地检测心肌氧合的快速动态变化 体内 因此，可能作为冠状血管功能的一项极为重要的诊断技术。

摘要

氧合敏感性心脏磁共振成像（OS-CMR）是一种诊断技术，利用脱氧血红蛋白固有的顺磁特性作为组织对比的内源性来源。该技术结合标准化的血管活性呼吸动作（如过度通气和屏气），作为一种强效的非药物性血管舒缩刺激手段，可监测心肌氧合状态的变化。在心动周期及血管活性操作过程中对这些变化进行定量分析，可为冠状动脉大血管和微血管功能提供评估指标，从而避免使用任何外源性静脉对比剂或药理性应激试剂。

氧敏感心肌磁共振（OS-CMR）利用T2*加权图像对血液氧合状态的已知敏感性。通过在任何心脏磁共振成像仪上使用改良的标准临床稳态自由进动（SSFP）电影序列，即可获取氧敏感图像，使该技术不受设备厂商限制且易于实施。作为一种血管活性呼吸操作，我们采用为期4分钟的呼吸方案：首先120秒自由呼吸，接着60秒节律性过度通气，随后进行至少30秒的呼气屏气。通过追踪信号强度的变化，可评估心肌组织氧合状态的局部及整体反应。在过度通气后屏气的最初30秒内的信号变化，被称为呼吸诱导心肌氧合储备（B-MORE），该指标已在健康人群及多种病理状态下得到研究。本文提供了一套详细的氧敏感心肌磁共振扫描结合血管活性操作的执行方案。

如在一些尚未完全明确的疾病状态下（例如无阻塞性冠状动脉狭窄的可诱导性心肌缺血（INOCA）、射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）或心脏移植后微血管功能障碍）的患者中所证实的，该方法可提供关于冠状动脉血管功能的独特、具有重要临床意义且互补的信息。

引言

基于氧合敏感的心脏磁共振成像（OS-CMR）利用脱氧血红蛋白固有的顺磁性，作为磁共振对比度的内源性来源^1,2,3。结合标准化的血管活性呼吸操作（如过度通气和屏气）作为强效的非药物性血管舒缩刺激，OS-CMR 能够监测心肌氧合状态的变化，以此作为血管功能的指标，从而避免使用任何外源性静脉对比剂或药理性应激试剂^4,5,6。

呼吸动作（包括屏气和过度通气）是高效的血管活性措施，可改变血管运动，因其安全性和简便性，非常适合作为诊断程序中受控的内皮依赖性血管运动调节手段。研究表明，将过度通气与随后的屏气相结合时效果更佳^4,7；在此类方案中，血管收缩（由于血液二氧化碳浓度降低所致）之后紧随血管舒张（血液二氧化碳浓度升高）；因此，健康的血管系统能够从血管收缩到血管舒张完成整个动态变化过程，并显著增加心肌血流量，进而提高心肌氧合水平，从而增强OS-CMR图像中可观察到的信号强度。采用电影成像（cine imaging）进行数据采集还可实现心脏时相分辨的结果，与腺苷灌注相比，具有更高的信噪比⁸。

呼吸动作可替代药理性应激剂，以诱导血管活性变化，从而用于评估冠状血管功能。这不仅降低了患者风险、简化了操作流程并减少了相关成本，还有助于获得更具临床意义的结果。诸如腺苷等药理性应激剂可触发内皮依赖性反应，因此能够直接反映内皮功能本身。迄今为止，对内皮功能的特异性评估仅能通过冠状动脉内注射乙酰胆碱（一种内皮依赖性血管扩张剂）来实现。然而，该操作具有高度侵入性^2,9，因此极少开展。

由于缺乏直接的生物标志物，多种诊断技术采用了替代标志物，例如组织对外源性对比剂的摄取。这些方法受限于需要一至两条静脉通路、存在严重肾病或房室传导阻滞等禁忌证，以及需要配备经过培训的医护人员以应对可能发生的严重不良反应^10,11。然而，当前冠状动脉功能成像最显著的局限性在于，作为替代标志物的心肌灌注并不能反映血管功能障碍最重要的下游后果——心肌组织的氧合状态²。

通过结合血管活性呼吸动作的氧敏感心血管磁共振成像（OS-CMR）已应用于多种情况下的血管功能评估，包括健康个体、冠状动脉疾病（CAD）患者的宏观血管病变，以及阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）患者、无阻塞性冠状动脉狭窄的缺血（INOCA）患者、心脏移植术后患者和射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）患者中的微血管功能障碍^{4,7,12,13,14,15,16}。在CAD人群中，源自OS-CMR的呼吸诱导心肌氧合储备（B-MORE）方案已被证实安全、可行，并能敏感地识别由存在显著狭窄的冠状动脉灌注的心肌区域中受损的氧合反应¹³。

在微血管功能障碍中，氧敏感心血管磁共振（OS-CMR）显示，阻塞性睡眠呼吸暂停患者的心肌氧合反应延迟，而在射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）患者及心脏移植术后患者中观察到B-MORE反应减弱^12,14,16。在患有缺血伴非阻塞性冠状动脉疾病（INOCA）的女性中，呼吸动作诱发了异常异质的心肌氧合反应，凸显了OS-CMR高空间分辨率的优势¹⁵。本文综述了结合血管活性呼吸动作进行OS-CMR的理论依据与方法学，并探讨其在评估微血管功能障碍患者群体（特别是与内皮功能障碍相关）的血管病理生理学中的临床应用价值。

呼吸增强的氧敏感 MRI 的生理学背景
在正常的生理条件下，氧气需求的增加会通过血流量的相应增加来匹配氧气供应，从而导致局部脱氧血红蛋白浓度无变化。相反，诱导性血管扩张会导致氧合血液的"过量"流入，而氧气需求并未改变。因此，组织中的血红蛋白氧合程度更高，脱氧血红蛋白减少，从而引起氧敏感-心肌血流（OS-CMR）信号强度的相对升高^4,17。如果血管功能受损，则无法对代谢需求或刺激的改变作出适当反应，以增加心肌血流量。

在给予诱发血管运动的刺激时（例如，通过控制性过度通气诱发血管收缩，或通过长时间屏气诱发二氧化碳介导的血管扩张），若血管运动功能受损，则与其他区域相比，局部去氧血红蛋白浓度会相对升高，进而导致氧敏感心血管磁共振（OS-CMR）信号强度的变化减小。在可诱发心肌缺血的情况下，即使不存在心外膜冠状动脉狭窄，血管功能障碍也会导致局部心肌血流无法相应增加，从而无法满足增高的局部代谢需求。在OS-CMR图像中，局部去氧血红蛋白浓度的净增加将引起局部信号强度下降^2,18,19,20。

在冠状动脉微血管功能障碍患者中，已证实其对内皮依赖性和非依赖性血管扩张剂（包括腺苷）引起的血管平滑肌舒张反应减弱^{21,22,23,24,25,26,27}。内皮非依赖性功能障碍被认为是由微血管肥厚或周围心肌病变引起的结构异常所致。相反，内皮功能障碍会导致血管收缩调节不足以及内皮依赖性血管舒张功能受损，通常由血管壁内一氧化氮生物活性丧失引起^21,28。内皮功能障碍已被认为是多种心血管疾病发病机制中的关键因素，包括高胆固醇血症、高血压、糖尿病、冠状动脉疾病（CAD）、阻塞性睡眠呼吸暂停、缺血伴非阻塞性冠状动脉疾病（INOCA）和心力衰竭（HF）^{23,24,28,29,30,31,32}。事实上，内皮功能障碍是冠状动脉粥样硬化的最早表现形式³³。鉴于内皮功能在预测不良心血管事件及长期预后方面具有重要价值，其成像技术具有极高的潜力，并在心血管疾病状态下具有深远的预后意义^{23,29,30,31,34,35}。

与灌注成像不同，呼吸诱导的心肌氧合储备（B-MORE）定义为过度通气后屏气期间心肌氧合水平的相对升高，可用于直观显示此类血管活性刺激对整体或局部氧合状态的影响^2,36。作为血管功能的准确下游标志物，B-MORE不仅能够识别血管功能障碍，还能检测实际可诱发的缺血，提示更严重的心肌局部灌注或氧合问题^18,19,37。这一能力得益于氧敏感心血管磁共振（OS-CMR）可对去氧血红蛋白的相对减少进行可视化成像，而去氧血红蛋白在心肌毛细血管系统中含量丰富，而毛细血管本身构成了心肌组织的很大一部分²⁴。

OS-CMR 序列
用于 OS-CMR 成像的磁共振成像（MRI）序列为前瞻性门控、改良的平衡稳态自由进动（bSSFP）序列，采集两个短轴切面图像。该 bSSFP 序列是所有可进行心脏 MRI 的 MRI 扫描仪上均具备（且可调整）的标准临床序列，因此该技术不依赖特定厂商，易于实施。在常规 bSSFP 动态序列中，通过调整回波时间、重复时间及翻转角，使所得信号强度对血氧水平依赖（BOLD）效应敏感，从而构建出氧合敏感序列。这种采用 T2 准备 bSSFP 读出的方法，与既往用于 BOLD 成像的梯度回波技术相比，已被证明更适合获取具有更高信噪比、更优图像质量及更短扫描时间的氧合敏感图像³⁸。采用此方法进行呼吸增强型 OS-CMR 检查时，仅伴随极少且轻微的不良反应（表 1）。值得注意的是，超过 90% 的受试者能够顺利完成该方案，并保持足够长的屏气时间^4,12,13,16。

方案

所有利用血管活性呼吸动作的OS-CMR MRI扫描均应遵循当地机构的指导原则。下述方案已在多个机构的人体研究伦理委员会批准的研究中使用。本方案及论文中描述的所有人体受试者数据和结果均已获得书面知情同意。

1. 概述

1. 根据研究目标人群的不同，调整纳入和排除标准。以下为采用血管活性呼吸动作方案进行心肌应激磁共振成像（OS-CMR）时常用的通用排除标准：常规磁共振成像（MRI）禁忌证（例如与MRI不兼容的装置，如起搏器或除颤器、植入性材料或异物）、在MRI检查前12小时内摄入咖啡因或血管活性药物，以及年龄小于18岁。 <18年
2. 首先，在进行OS序列采集之前，获取标准的临床定位像以及心室结构和功能图像。使用bSSFP长轴电影图像规划OS序列采集的层面位置。
   注：标准化的临床心脏磁共振成像（CMR）方案的综述见其他文献³⁹.
3. 基线屏气
   1. 获取第一组OS-CMR序列，采用短暂的屏气扫描作为基线，用于评估图像质量与层面位置，检查是否存在伪影，并作为信号强度的基线参考。
   2. 在受试者正常呼吸后，进行一次短暂（约10秒）的单心动周期数据采集。确保屏气动作在呼气末期进行。
4. 持续采集结合血管活性呼吸操作
   1. 获取第二组OS-CMR序列，进行为期2分钟的连续采集，包括短暂的15秒屏气、随后1分钟的节律性过度通气，最后进行一次自愿的最大限度屏气（约45秒）。由于该连续采集过程在2分钟内获取多个心动周期，需调整一个额外参数（即采集的心动周期数），使该序列成为重复测量采集。
      注意：所需的最短屏气时间为30秒，但45–60秒的屏气时间被视为标准。
   2. 通过连接至MRI扬声器系统的麦克风手动指导MRI扫描仪中的受试者，或通过预先录制的.mp3文件，向受试者传达血管活性呼吸动作的指令补充文件 1可通过MRI扬声器系统向受试者播放的音频。
   3. 以一次短暂的15秒呼吸动作为开始，在呼气末屏气以获取一个心动周期。随后，使用节拍器以每分钟30次呼吸的频率（一次蜂鸣表示吸气，一次蜂鸣表示呼气）引导受试者进行节律性呼吸。在过度通气进行至55秒时，发出最后的语音指令：“深吸一口气，然后呼气并屏住呼吸”，以确保屏气动作在呼气末水平进行。
      注意：血液中CO含量的变化₂ 在呼气末屏气时更为显著（肺表面较小，可使一氧化碳的残余扩散最小化）₂ 进入肺泡）。
5. 图像分析
   1. 测量B-MORE时，将屏气期间的第一个收缩末期图像设为0秒时间点。将屏气过程中最接近30秒时间点所获取的收缩末期图像的全局或局部信号强度值，与0秒时间点的图像信号强度进行比较。以屏气30秒时信号强度相对于0秒时间点的百分比变化来报告B-MORE。

2. 扫描前准备步骤

1. 确保每位受试者通过当地机构的磁共振成像（MRI）安全性和兼容性问卷调查（MRI一般禁忌症表格），问卷内容应包括既往病史和手术史，并明确受试者体内或手术部位是否存在任何植入物、装置或金属异物⁴⁰。
2. 如适用，需获取妊娠检测结果。
3. 确认受试者在MRI扫描前12小时内未使用血管活性药物及含咖啡因物质。
4. 向受试者展示呼吸操作指导视频（补充视频S1）。
   1. 在MRI扫描室外，为每位受试者进行一次持续60秒的节律性过度通气练习，随后进行最大自主屏气练习，并对其过度通气操作表现给予反馈。
   2. 指导受试者，当产生强烈呼吸欲望时，可立即恢复呼吸。
      注：详见讨论部分中需注意的事项以及应向受试者提供的反馈要点。

3. 氧敏感序列的磁共振成像采集

1. 在MRI控制台上修改标准bSSFP序列的三个参数：增加重复时间（TR）、增加回波时间（TE）、降低翻转角（FA）。
   注意：修改后的数值取决于MRI扫描仪的磁场强度（表2）。增加TR和TE并降低FA可提高MRI序列的T2*或氧合敏感性。这些修改将导致序列的带宽和基础分辨率提高。
2. 创建两个OS序列：一个为基线序列（标记为：OS_base），另一个为执行呼吸操作期间的连续采集序列（标记为：OS_cont_acq）。保持基线OS序列不变。在OS连续采集序列中，将重复测量次数从1次增加至约15–40次（根据扫描仪型号而定）。增加心动周期（测量次数）直至采集时间约为2.5分钟。
   注意：需要两个OS-CMR序列：OS基线采集和结合血管活性呼吸操作的OS连续采集。以下章节将描述这些步骤。

4. 氧化应激基线数据采集

1. 进行层面定位时，选择长轴切面（两腔或四腔心图像）的舒张末期静止帧进行规划。设定两个短轴切面，一个位于心室中段至基底部水平，另一个位于心室中段至心尖部水平。有关层面位置选择的注意事项，请参见讨论部分。
2. 序列参数调整
   1. 根据受试者的具体情况调整序列参数。可调整或不可调整的序列参数详见表3。
   2. 根据受试者心脏的大小调整层间平均间隙/间距，并确保层面位置准确。
   3. 必要时调整视野（FOV）以避免卷褶伪影。应尽可能将视野保持在360 mm至400 mm之间。
3. 匀场体积
   1. 在长轴和短轴图像上，将匀场体积调整至紧贴左心室周围。
4. 序列采集
   1. 确认序列设置后，在呼气末屏气期间进行扫描。根据心率和MRI设备的不同，确保该基线OS序列持续时间约为10 s。
5. 图像质量检查
   1. 检查所采集序列的两个切面图像，观察是否存在呼吸运动伪影、层面位置不佳或其它伪影。重复基线OS序列扫描，直至获得满意的图像质量。
6. 如遇问题需进行故障排查：若层面位置过于偏基底或偏心尖，应调整预设的层面位置，使其更接近心室中段水平。若出现伪影，请按以下步骤处理：
   1. 检查相位编码方向。
   2. 增大视野（FOV）。
   3. 调整左心室周围的匀场体积。

5. 采用血管活性呼吸动作进行OS连续采集

注意：确保每位参与者在进入 MRI 扫描仪之前，均已接受过正确执行呼吸动作的指导（参见第 2 节）。

1. 序列设计
   1. 如果可能，复制 切片位置并调整体积 从操作系统基线图像开始，或复制基线操作系统序列，并在重复测量中将次数从1次逐步增加至约15–40次（或接近2.5分钟的采集时间）。
2. 验证图像和切片位置，然后采集循环。
3. 如有可能，打开直播窗口。
4. 在控制室内，将存有呼吸动作指导音频文件（.mp3格式）的设备插入辅助输入接口，或准备将其置于投影至MRI扫描仪的麦克风前播放。或者，使用秒表计时，通过连接至MRI扬声器系统的麦克风，以口头方式向受试者逐次指导呼吸动作。
5. 序列获取
   1. 同时按下 播放 用于MRI扫描仪的OS连续采集序列 播放 对于.mp3呼吸指导文件，或如果参与者接受手动指导，则启动秒表。
   2. 若手动指导受试者进行呼吸操作，应指示其先吸气、呼气，然后屏住呼吸15秒（短时间屏气），并在听到节拍器发出提示音后立即开始过度通气。
   3. 在过度通气开始后40秒（秒表显示2:40）时提醒受试者。
   4. 在过度通气的第55秒时间点（秒表显示2:55），指导受试者“深吸一口气，呼出，然后屏住呼吸”。
      注意：自由呼吸和过度通气的图像会出现运动伪影。这是 预期然而，屏气期间不应出现任何运动伪影。屏气图像必须在呼气后（舒适的呼气末位置）采集，这一点至关重要。仅需屏气一次 之后 呼气导致血液中CO₂迅速增加₂ 在随后的屏气阶段的前30秒内，伴随冠状动脉血流和心肌氧合的变化。
   5. 通过控制室窗口或磁共振成像扫描仪摄像头监测受试者节律性过度通气的表现，以确保其充分完成深呼吸动作。若使用呼吸传感器，则需监测呼吸门控观察界面上的幅度峰值。若在初步指导后仍未充分执行过度通气，应中止数据采集，并重新进行OS连续采集序列。
   6. 在整个屏气过程中监测受试者是否出现任何微小呼吸。可通过MRI控制台上的呼吸带信号曲线，或通过观察窗/摄像头目视监测来完成。
   7. 当受试者在屏气结束后开始呼吸时，停止数据采集。
   8. 数据采集结束后，询问参与者是否出现任何不良反应，并让参与者正常呼吸3分钟。
6. 故障排除：重复采集
   1. 如果需要重复呼吸动作，则重复基线OS序列。
      注意：重复采集数据前需等待 2-3 分钟，以使生理状态恢复至基线水平。既往数据显示，生理状态在 1 分钟内无法恢复至基线。⁴¹.
   2. 如果OS基线序列的图像质量足够，重复OS连续采集并执行呼吸动作。

6. 图像分析

1. 将OS-CMR图像数据集导入具备图像勾画功能的DICOM查看器中，最好选择具有自动分析氧敏感信号强度变化功能的软件。
2. 标记物及其测量
   1. 在过度通气（静息状态）前的短暂基线屏气期间获取基线图像。将屏气阶段的第一幅图像（代表“应激”刺激结束时的状态）与基线图像进行比较。
      注意：过度通气是一种血管收缩刺激，可降低心肌氧合水平（健康人群：%ΔSI ≈ −5% 至 −10%¹³）。
   2. 在屏气期间获取多幅图像（及多个心动周期）。以屏气的第一幅图像作为基线，并将后续所有图像与该基线图像进行比较。
      注意：屏气是一种血管舒张刺激，可增加心肌氧合水平（%ΔSI ≈ +5%–15%^12,13,14,16）。
   3. 心肌轮廓
      手动分析时的心动周期时相选择
      1. 由于一次屏气可能包含超过400幅图像，每个心动周期仅分析一个时相。因此，建议将分析重点放在每个心动周期的收缩末期图像上。
      2. 识别每个心动周期的收缩末期图像。
      3. 围绕心肌绘制心外膜和心内膜轮廓。
      4. 调整图像窗宽以查找伪影，伪影可能表现为心肌区域内的暗区（磁敏感伪影）或亮区（由门控不良引起）。
         注意：避免将来自左心室和右心室血池的部分容积效应像素纳入分析。大多数勾画误差来源于心内膜轮廓，尤其是将左心室血池中具有部分容积效应的像素包含在内，导致信号强度被人为高估。为避免此问题，应将心内膜轮廓绘制在心肌内侧整整一个像素的位置。同理，应确保心外膜轮廓也位于心肌内侧整整一个像素处，以避免来自右心室血池、心外膜脂肪或空气-肺界面的部分容积效应影响。
      5. 将第一个心动周期收缩末期图像中的心内膜和心外膜轮廓复制并粘贴至下一个心动周期的收缩末期图像中，并根据需要调整轮廓。
         自动分析时：
         注意：若具备自动勾画功能，可根据需要对心动周期的所有时相进行勾画与分析。
      6. 检查所有图像，确保轮廓勾画准确。
         注意：一些 commercially available 自动勾画工具是基于用于容积分析的勾画数据集训练而成，其轮廓倾向于紧贴血池与心肌边界，因此容易受到部分容积效应的影响。而OS-CMR的轮廓必须完全位于心肌内部。

7. 区域分析的分割

1. 为了获取区域信息，识别右心室的前间隔和下间隔插入点，以将心肌划分为美国心脏协会（AHA）节段化⁴²。

8. 计算 B-MORE

1. 将 B-MORE 表示为从基线到血管舒张期间信号强度的百分比变化（见公式 1）：
        (1)
2. 通过比较屏气 30 秒时与 0 秒时的全心肌收缩末期图像的平均信号强度，计算全局 B-MORE⁸（见公式 2）：
       (2)

结果

解读 B-MORE
在先前发表的利用血管活性呼吸动作进行 OS-CMR 的研究中，全局或局部 B-MORE 是通过比较屏气期间第一个收缩末期图像与接近屏气 15 秒、30 秒、45 秒等时间点的收缩末期图像来计算的。选择心动周期的收缩末期阶段基于多个原因：收缩末期图像是读者之间和内部识别最为一致的时相；该时相心肌包含的像素数量最多；通常其触发时间相对固定，不受受试者心率变化的影响；并且该时相始终存在于图像采集过程中（而舒张末期在屏气期间因心率变化，可能不会出现在前瞻性门控图像中）。

从生理学角度来看，选择屏气过程中的 0 秒和 30 秒时间点是基于以下原因。0 秒时间点（即屏气期间的第一个舒张末期图像）用于评估经过一段“应激”状态（60 秒过度通气）后的信号强度，因此代表了血管收缩最显著的时刻。从信号强度角度解释，这反映了心肌血流量减少而代谢需求未增加，导致局部去氧血红蛋白浓度升高，与基线相比信号强度降低。在屏气过程中，随着二氧化碳介导的血管扩张，信号强度逐渐上升，从而在局部代谢需求不变的情况下有效增加心肌血流量。在屏气约 15 秒时，信号...

讨论

在已建立的研究或临床 MRI 方案中加入采用标准化血管活性呼吸动作的氧敏感心血管磁共振（OS-CMR）成像，仅需增加很短的扫描时间。通过这一简短的补充，即可获取有关基础大血管和微血管功能的信息（图2）。内皮功能障碍的一个重要后果是血管系统无法对生理刺激产生正常反应，这一点最初通过心脏中异常的血流介导性舒张得到证实⁴³。采用依赖内皮的血管活性呼吸动作进行 OS-CMR，可直接监测呼吸动作期间心肌的氧合状态，从而避免使用外源性对比剂和药理学血管活性应激剂。过度通气和呼吸暂停可通过内皮触发可重复且可测量的血管反应，因此可能为评估微血管功能提供一种比其他方法更具生理相关性的模型。

利用血管活性呼吸动作进行氧敏感心血管磁共振（OS-CMR）的研究发现，对理解无明显冠状动脉狭窄的缺血性疾病患者（特别是微血管功能障碍所致心绞痛[INOCA]、射血分数保留的心力衰竭[HFpEF]以及炎症状态（如心脏移植后））的潜在病理生理机制提供了重要贡献。若将标准化血管活性呼吸动作联合OS-CMR技术用于...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
平衡稳态自由进动 MRI 序列	任意		用于修改以创建 OS-CMR 序列
DICOM/影像查看器	任意		最好具备定量测量功能（例如 Area19 原型软件）
磁共振成像扫描仪	任意		3 特斯拉或 1.5 特斯拉
节拍器	任意		设置为每分钟 30 次呼吸。若需向受试者手动传达呼吸操作指令时使用。
扬声器系统	任意		用于向受试者传达呼吸操作指令
秒表	任意		若需向受试者手动传达呼吸操作指令时使用