氧合敏感性心脏 MRI 联合血管主动呼吸操作用于冠状动脉微血管功能障碍的无创评估

摘要

通过氧合敏感性心脏磁共振成像结合血管主动呼吸动作评估微血管功能的独特之处在于其评估 体内 心肌氧合的快速动态变化的能力，因此可以作为冠状动脉血管功能至关重要的诊断技术。

摘要

氧合敏感心脏磁共振成像 （OS-CMR） 是一种诊断技术，它利用脱氧血红蛋白固有的顺磁特性作为组织造影剂的内源性来源。OS-CMR 与标准化的血管主动呼吸操作（过度通气和呼吸暂停）结合使用，作为一种有效的非药物血管舒缩刺激，可以监测心肌氧合的变化。量化心动周期和整个血管活性操作期间的这种变化可以为冠状动脉大血管和微血管功能提供标志物，从而避免对任何外源性、静脉注射造影剂或药物应激剂的需求。

OS-CMR 使用众所周知的 T2* 加权图像对血氧的敏感性。使用改进的标准临床稳态自由进动 （SSFP） 电影序列，可以在任何心脏 MRI 扫描仪上采集氧合敏感图像，使该技术与供应商无关且易于实施。作为血管主动呼吸动作，我们采用 4 分钟的呼吸方案，即 120 秒的自由呼吸、60 秒的节奏过度通气，然后是至少 30 秒的呼气屏气。可以通过跟踪信号强度变化来评估心肌组织氧合对该动作的区域和整体反应。在健康人群和各种病理学中研究了过度通气后屏气后最初 30 秒的变化，称为呼吸诱导的心肌氧合储备 （B-MORE）。提供了通过血管活性操作进行氧敏感CMR扫描的详细方案。

正如在尚不完全了解的微血管功能障碍患者中所证明的那样，例如无阻塞性冠状动脉狭窄的诱发性缺血 （INOCA）、射血分数保留的心力衰竭 （HFpEF） 或心脏移植后的微血管功能障碍，这种方法提供了关于冠状动脉血管功能的独特、临床重要和补充信息。

引言

氧合敏感心脏磁共振成像 （OS-CMR） 利用脱氧血红蛋白固有的顺磁特性作为 MR 造影剂的内源性来源 ^1,2,3。OS-CMR 与标准化的血管主动呼吸操作（过度通气和呼吸暂停）结合使用，作为一种有效的非药物血管舒缩刺激，可以监测心肌氧合的变化，作为血管功能的标志物，从而避免对任何外源性、静脉内造影剂或药物应激剂的需求 ^4,5,6。

呼吸操作，包括屏气和过度通气，是改变血管运动的高效血管活性措施，并且由于其安全性和简单性，是控制内皮依赖性血管运动的理想选择，作为诊断程序的一部分。研究表明，当过度通气与随后的屏气相结合时，效果会更高^4,7，因为在这样的方案中^，血管收缩（通过相关的血液二氧化碳减少）之后是血管舒张（血液二氧化碳增加）;因此，健康的血管系统在从血管收缩到血管舒张的整个范围内过渡，心肌血流量强烈增加，这反过来又增加了心肌氧合，从而增加了OS-CMR图像中可观察到的信号强度。与腺苷输注相比，使用电影图像进行采集还可以获得具有更好信噪比的心脏相位分辨结果⁸。

呼吸操作可以代替药物应激剂来诱导血管活性变化，可用于评估冠状动脉血管功能。这不仅降低了患者风险、后勤工作和相关成本，还有助于提供更有意义的临床结果。药物应激剂（如腺苷）会触发内皮依赖性反应，从而反映内皮功能本身。到目前为止，这种对内皮功能的特异性评估只能通过冠状动脉内给予乙酰胆碱作为内皮依赖性血管扩张剂来实现。然而，这种手术是高度侵入性的 ^2,9，因此很少进行。

由于无法获得直接的生物标志物，一些诊断技术使用了替代标志物，例如组织对外源性造影剂的摄取。它们受到以下因素的限制:需要一根或两条静脉通路管路、禁忌症（如严重肾脏疾病或房室传导阻滞）以及需要接受过管理潜在严重副作用培训的工作人员在场^10,11。然而，目前冠状动脉功能成像的最显着局限性仍然是心肌灌注作为替代标志物，并不能反映心肌组织氧合是血管功能障碍最重要的下游后果²。

OS-CMR 与血管主动呼吸操作已被用于评估多种情况下的血管功能，包括健康个体、冠状动脉疾病 （CAD） 患者的大血管疾病，以及阻塞性睡眠呼吸暂停 （OSA） 患者的微血管功能障碍、心脏移植后无阻塞性冠状动脉狭窄缺血 （INOCA） 和射血分数保留型心力衰竭 （HFpEF）^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） 方案被证明是安全、可行且敏感的，可识别冠状动脉灌注的心肌区域的氧合反应受损，具有显着狭窄¹³。

在微血管功能障碍中，OS-CMR 在阻塞性睡眠呼吸暂停患者中显示出延迟的心肌氧合反应，并且在 HFpEF 患者和心脏移植后发现 B-MORE 减弱^12,14,16。在患有 INOCA 的女性中，呼吸动作导致异常异质的心肌氧合反应，突出了 OS-CMR¹⁵ 高空间分辨率的优势。本文综述了通过血管主动呼吸动作进行 OS-CMR 的基本原理和方法，并讨论了其在评估微血管功能障碍患者群体血管病理生理学方面的临床效用，特别是与内皮功能障碍相关的疾病。

呼吸增强氧合敏感性 MRI 的生理背景
在正常生理条件下，氧需求的增加与血流量增加的氧气供应等效增加相匹配，导致局部脱氧血红蛋白浓度没有变化。相反，诱导的血管舒张导致含氧血液"过量"流入，而需氧量没有变化。因此，更多的组织血红蛋白被氧合，因此脱氧血红蛋白较少，导致OS-CMR信号强度相对增加^4,17。如果血管功能受损，它就无法对改变的代谢需求或刺激做出适当的反应，以增加心肌血流量。

在诱发血管运动的刺激下，例如引起血管收缩的有节奏的过度通气或引起二氧化碳介导的血管舒张的长时间屏气，血管舒缩活动受损将导致局部脱氧血红蛋白浓度与其他区域相比相对增加，随后，OS-CMR 信号强度的变化减少。在诱发性缺血的情况下，即使没有心外膜冠状动脉狭窄，血管功能受损也会导致局部需求增加，而局部心肌血流量增加无法满足。在OS-CMR图像中，脱氧血红蛋白浓度的局部净增加导致局部信号强度降低2,18,19,20。

在冠状动脉微血管功能障碍患者中，内皮依赖性和非依赖性血管扩张剂（包括腺苷）的血管平滑肌松弛减弱 21,22,23,24,25,26,27.内皮非依赖性功能障碍被认为是由于微血管肥大或周围心肌病变引起的结构异常所致。相反，内皮功能障碍导致血管收缩不足和血管舒张受损（内皮依赖性），通常是由血管壁中一氧化氮生物活性的丧失引起的^21,28。内皮功能障碍与许多心血管疾病的发病机制有关，包括高胆固醇血症、高血压、糖尿病、冠心病、阻塞性睡眠呼吸暂停、INOCA 和 HF²³、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³³。内皮功能成像具有非常强的潜力，因为它是不良心血管事件和长期结果的重要预测因子，对心血管疾病状态具有深远的预后影响23,29,30,31,34,35。

与灌注成像相比，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的相对增加，可以可视化这种血管活性触发因素对整体或区域氧合本身的影响 ^2,36。因此，作为血管功能的准确下游标志物，B-MORE不仅可以识别血管功能障碍，还可以识别实际的诱导性缺血，表明存在更严重的局部灌注或氧合问题^18,19,37。这是通过OS-CMR可视化脱氧血红蛋白相对减少的能力来实现的，脱氧血红蛋白在心肌的毛细血管系统中很丰富，而心肌毛细血管系统本身就占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） 序列是在两个短轴切片中采集的前瞻性门控、修正、平衡、稳态、自由进动 （bSSFP） 序列。该 bSSFP 序列是所有执行心脏 MRI 的 MRI 扫描仪上可用（且可修改）的标准临床序列，使该技术与供应商无关且易于实施。在常规的bSSFP电影序列中，回波时间、重复时间和翻转角度被修改，以使产生的信号强度对BOLD效应敏感，从而创建一个氧合敏感序列。与之前用于 BOLD 成像的梯度回波技术相比，这种方法是 T2 制备的 bSSFP 读数，先前已被证明适用于采集具有更高信噪比、更高图像质量和更快扫描时间的氧敏感图像³⁸。使用这种方法进行呼吸增强的OS-CMR可以应用，副作用很小，很轻微（表1）。值得注意的是，超过 90% 的参与者以足够长的屏气时间完成该协议⁴、¹²、^13、16。

研究方案

所有利用 OS-CMR 和血管主动呼吸动作的 MRI 扫描都应按照当地机构指南进行。下面概述的协议已用于几个机构人类研究伦理委员会批准的研究。对于本协议和手稿中描述的所有人类参与者数据和结果，均已获得书面同意。

1. 广泛的概述

1. 根据感兴趣的研究人群改变纳入和排除标准。对于具有血管主动呼吸操作方案的 OS-CMR，使用以下一般的常见排除标准:一般 MRI 禁忌症（例如，起搏器或除颤器等 MRI 不兼容设备、植入材料或异物）、在 MRI 前 12 小时内摄入咖啡因或血管活性药物，以及年龄 <18 岁。
2. 首先，在获取 OS 采集之前，获取标准的临床定位器侦察器以及心室结构和功能图像。使用bSSFP长轴电影图像来规划OS采集的切片定位。
   注:标准化临床CMR方案的综述详见其他专题³⁹。
3. 基线屏气
   1. 获取第一个OS-CMR系列作为简短的基线屏气采集，以评估图像质量和切片位置，检查伪影，并作为信号强度基线。
   2. 在参与者正常呼吸后进行短时间（~10 秒）的单心动周期采集。确保在呼气结束时屏气。
4. 通过血管主动呼吸动作进行连续采集
   1. 以 4 分钟的连续采集方式获取第二个 OS-CMR 系列，包括 2 分钟的自由呼吸和 1 分钟的节奏过度换气，然后是自愿的最大屏气（~1 分钟）。由于连续采集在 4 分钟内获得多个心动周期，因此修改一个附加参数（采集采集的心动周期数）以使该系列成为重复测量采集
      注意: 所需的最短屏气时间为 30 秒，但屏气时间为 60 秒被认为是标准的。
   2. 通过连接到 MRI 扬声器系统的麦克风或通过可通过 MRI 扬声器系统为参与者播放的预先录制的 .mp3 文件（补充文件 1），手动指导参与者完成整个呼吸操作，从而将血管主动呼吸操作的指令传达给 MRI 扫描仪中的参与者。
   3. 通过自由呼吸开始血管主动呼吸动作（自由呼吸 120 秒后，开始过度通气）。使用节拍器以 30 次/分钟的频率发出可听见的哔哔声（一声哔哔表示吸气，一声哔声表示呼气）引导参与者进行有节奏的呼吸。在过度换气的 55 秒标记处，发出最后的语音命令"深吸一口气，然后呼气并屏住呼吸"，以确保屏气在呼气结束时进行。
      注意:呼气末屏气时血液 CO 2 的变化更为明显（肺表面较小，最大限度地减少 CO₂ 向肺泡的残留扩散）。
5. 图像分析
   1. 要测量 B-MORE，请考虑屏气期间的第一个收缩末期图像作为时间 0 秒。将最接近屏气 30 秒时间点的收缩末期图像的全局或区域信号强度值与 0 秒时间点的图像信号强度进行比较。将 BMORE 报告为 30 秒时信号强度与屏气时间 0 秒相比的百分比变化。

2. 预扫描程序

1. 确保每个参与者都通过当地机构的 MRI 安全性和兼容性问卷（MRI 一般禁忌症表），其中应包括有关过去医疗和手术史的问题，并确定参与者内部或手术部位是否存在任何植入物、装置或金属异物⁴⁰。
2. 如果适用，请进行妊娠试验。
3. 验证患者在 MRI 扫描前 12 小时内是否戒掉了血管活性药物和咖啡因。
4. 向参与者展示指导性呼吸动作视频（补充视频 S1）。
   1. 进行 60 秒的有节奏过度通气的练习，然后在 MRI 扫描室外与每位参与者进行最大程度的自主屏气，并提供有关过度通气表现的反馈。
   2. 指导参与者，当他们有强烈的呼吸冲动时，他们可以简单地恢复呼吸。
      注意:请参阅讨论，了解需要注意的要点，并向参与者提供反馈。

3. 氧合敏感序列的 MRI 采集

1. 在 MRI 控制台上修改标准 bSSFP 序列中的三个参数:增加重复时间 （TR）、增加回波时间 （TE）、减少翻转角 （FA）。
   注意:修改后的值取决于 MRI 扫描仪场强（表 2）。增加 TR 和 TE 以及降低 FA 会导致 MRI 序列的 T2* 或氧合敏感性增加。然后，这些修改将导致序列的带宽和基本分辨率的增加。
2. 创建两个 OS 系列，一个基线（标记为: OS_base）和执行呼吸操作的连续采集（标记为: OS_cont_acq）。保持基线操作系统序列不变。在操作系统连续采集中，将重复测量值从 1 增加到 ~25-40（取决于扫描仪类型）。增加心动周期（测量）的数量，直到采集时间为~4.5分钟。
   注意:需要两个 OS-CMR 序列:OS 基线采集和带有血管主动呼吸动作的 OS 连续采集。以下各节介绍这些步骤。

4. OS基线采集

1. 对于切片处方，在长轴视图（两腔或四腔图像）的收缩末期静止帧中进行规划。开出两个短轴切片——一个在中基底，另一个在心室中到顶端水平。有关切片位置的注意事项，请参阅讨论。
2. 序列参数调整
   1. 根据需要调整给定参与者的序列参数。有关可以或不能更改的序列参数，请参见 表 3 。
   2. 根据参与者心脏的大小调整切片之间的平均间隙/间距，并确保切片位置正确。
   3. 如有必要，调整视野以避免环绕伪影。尽一切努力将视野保持在 360 毫米到 400 毫米之间。
3. 垫片体积
   1. 在长轴和短轴视图中将垫片体积调整为左心室周围紧绷。
4. 序列采集
   1. 批准序列并在呼气结束时运行它。根据心率和 MRI 扫描仪，确保此基线 OS 序列持续 ~10 秒。
5. 图像质量检查
   1. 检查采集系列的两个切片 - 寻找任何呼吸运动、切片位置不佳或是否存在伪影。重复基线OS序列，直到获得足够的图像质量。
6. 为了排除故障，如果切片位置太基底或太尖，请将规定的切片位置调整为更接近心室中段水平。如果存在项目，请按照以下步骤操作:
   1. 检查相位编码方向。
   2. 使视野更大。
   3. 调整左心室周围的垫片体积。

5. 通过血管主动呼吸动作连续采集 OS

注意: 确保每个参与者在进入 MRI 扫描仪之前都已被告知呼吸动作的正确执行（参见第 2 节）。

1. 序列规划
   1. 如果可能，从 OS 基线图像复制 切片位置并调整音量 或复制基线 OS 序列，并在重复测量中从 1 增加到 ~25-40（或接近 4.5 分钟的采集时间）。
2. 验证图像和切片定位，然后捕获周期。
3. 如果可能，请打开实时流窗口。
4. 在控制室中，将带有呼吸操作指令 .mp3 file 的设备插入辅助输入，或准备将其放在投射到 MRI 扫描仪的麦克风上。或者，使用计时秒表手动引导参与者完成呼吸动作，并通过连接到 MRI 扬声器系统的麦克风口头提供指令。
5. 序列采集
   1. 同时按下 MRI 扫描仪上操作系统连续采集序列的播放键，播放 .mp3 呼吸指令文件，或者如果手动指示参与者，则启动秒表。
   2. 如果手动引导参与者完成呼吸动作，请指导他们吸气和呼气，然后屏住呼吸 10 秒钟，并在听到节拍器哔哔声后立即开始过度换气。
   3. 在换气过度的 40 秒标记处通知参与者（秒表上为 2:40）。
   4. 在过度换气的 55 秒时间点（秒表上为 2:55），指示参与者"深吸气、呼气、屏住呼吸"。
      注意:自由呼吸和过度换气图像会有运动伪影。这是 意料之中的。但是，在屏气期间不应有任何运动伪影。至关重要的是，在呼气后（舒适的呼气末位置）获取屏气图像。只有呼气 后 屏气会导致血液中 CO₂ 在随后屏气的前 30 秒内迅速增加，并伴有冠状动脉血流和心肌氧合的变化。
   5. 通过控制室窗户或 MRI 扫描仪摄像头监测参与者的节奏过度通气表现，以确保深呼吸的充分表现。如果使用波纹管，则在呼吸门控观察器上监测振幅峰值。如果在初始指导后未充分进行过度通气，请中止采集并重复 OS 连续采集序列。
   6. 监测参与者在整个屏气过程中进行的任何小呼吸。通过在 MRI 控制台上或通过窗口/摄像头目视监控呼吸带的跟踪来做到这一点。
   7. 一旦参与者在屏气结束时开始呼吸，停止采集。
   8. 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，请重复基线 OS 序列。
      注意:在重复采集之前需要 2-3 分钟的时间，以使生理机能恢复到基线。先前的数据显示，生理学在 1 分⁴¹ 秒后不会恢复到基线。
   2. 如果 OS 基线序列的图像质量足够，则重复 OS 连续采集和执行呼吸动作。

6. 图像分析

1. 将OS-CMR图像数据集导入具有图像轮廓功能的DICOM查看器中，该查看器具有自动分析氧合敏感信号强度变化的最佳功能。
2. 标记物及其测量
   1. 在 过度通 气（休息）前的短暂基线屏气采集期间获取基线图像。将屏气的第一个图像（代表"压力"刺激的结束）与基线图像进行比较。
      注: 过度通气 是一种血管收缩刺激，可减少心肌氧合（健康:%ΔSI ≈-5% 至 -10%¹³）。
   2. 在屏气期间获得许多图像（和心动周期）。使用屏气的第一张图像作为基线，并将以下所有图像与此图像进行比较。
      注意:屏气是一种血管舒张刺激，可增加心肌氧合（%ΔSI ≈ +5%-15%^12,13,14,16）。
   3. 心肌轮廓
      手动分析:心脏期选择
      1. 由于屏气可以包含超过 400 张图像，因此仅分析每个心动周期的单个阶段。因此，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. 绘制心肌周围的心外膜和心内膜轮廓。
      4. 对图像进行窗口化以查找伪影，由于心肌门控不良，这些伪影将显示为黑暗（易感性）或明亮区域。
         注意:避免包括来自左心室和右心室血池的具有部分体积效应的像素。大多数轮廓错误发生在心内膜轮廓，包括具有部分体积效应的像素，以及由此导致的左心室血池信号强度的人为升高。为避免这种情况，请在心肌内绘制心内膜轮廓一整像素。同样，确保心外膜轮廓在心肌内有一个完整的像素，以避免右心室血池、心外膜脂肪或气肺界面的部分容积效应。
      5. 将心内膜和心外膜轮廓从心动周期的第一个收缩末期图像复制并粘贴到下一个心动周期的收缩末期图像。根据需要调整轮廓。
         对于自动分析:
         注意:如果需要，借助自动轮廓功能，可以对心动周期的所有阶段进行轮廓分析。
      6. 检查所有图像以确保准确的轮廓。
         注:一些市售的自动轮廓分析功能已针对为体积分析而轮廓的数据集进行了训练。这些轮廓容易产生部分体积效应，因为它们旨在与血池和心肌接壤。OS-CMR 轮廓必须完全在心肌内部。

第7章 区域分析的细分

1. 为了获得区域信息，确定右心室的前胸和胸腔插入，将心肌分为美国心脏协会 （AHA） 分割⁴²。

8. 计算B-MORE

1. 将 B-MORE 表示为从基线到血管舒张的信号强度变化百分比（参见公式 1）:
   （一）
2. 计算全局 B-MORE 作为 30 秒收缩末期图像的整体平均心肌信号强度与屏气⁸ 的 0 秒相比（参见公式 2）:
   （二）

结果

解读 B-MORE
在先前发表的利用 OS-CMR 和血管主动呼吸动作的研究中，通过将屏气的第一个收缩末期图像与最接近屏气 15 秒、30 秒、45 秒等的收缩末期图像进行比较来计算整体或区域 B-MORE。选择心动周期的收缩末期有几个原因。收缩末期图像是读者之间和读者之间识别的最一致的阶段:它包含心肌中最多的像素数，它通常发生在与参与者心率无关的大致相同的触发时间，并且它始终存?...

讨论

在已经建立的研究或临床 MRI 方案中增加具有标准化血管活性呼吸操作的 OS-CMR 采集，对整体扫描的时间几乎没有增加。通过这个简短的添加，可以获得有关潜在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脉管系统无法对生理刺激做出反应，正如最初通过心脏中异常血流介导的松弛所证明的那样⁴³.OS-CMR 具有内皮依赖性血管主动呼吸?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
balanced SSFP MRI sequence	Any		To modify to create the OS-CMR sequence
DICOM/ Imaging Viewer	Any		Best if the viewer has the ability for quantitative measurements (i.e., Area19 prototype software)
Magnetic Resonance Imaging scanner	Any		3 Tesla or 1.5 Tesla
Metronome	Any		Set to 30 breaths per minute. To use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants.
Speaker system	Any		To communicate breathing maneuver instrucitons to participants through
Stopwatch	Any		To use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants