T1ρ Mapping技术原理及其在心肌定量应用中的进展

Principles of T1ρ Mapping Technique and Its Progress in Myocardial Quantification Application

摘要: 心脏磁共振内源性对比纵向弛豫时间成像(T1ρ mapping)技术主要用于检测和量化心肌损伤，该技术对心肌纤维化的评估具有不需要造影剂的优势，但该技术的研究仍处于初级阶段。本文对其成像原理及发展、在检测和量化心肌损伤的临床应用及未来展望进行综述。

Abstract: Cardiac magnetic resonance endogenous contrast longitudinal relaxation time imaging (T1ρ mapping) is mainly used for the detection and quantification of myocardial injury, and the technique has the advantage of not requiring a contrast agent for the assessment of myocardial fibrosis; however, the study of this technique is still in its infancy. This article provides an overview of its imaging principles and development, clinical applications in detecting and quantifying myocardial injury, and future perspectives.

1. 引言

心脏磁共振成像(CMR)作为一种先进的无创影像技术，在心血管疾病的诊断、治疗和随访中发挥着越来越重要的作用。CMR以其多序列、多参数、多平面成像的特点，能够实现对心脏结构、功能、血流灌注及组织学特征的综合性评估，被誉为“一站式”心脏检查手段[1]。在心肌纤维化的检测中，传统检测方法例如钆对比剂延迟强化(late gadolinium enhancement, LGE)技术往往依赖于造影剂的使用，这不仅增加了患者的经济负担和潜在风险，还限制了部分特殊人群(如造影剂过敏者、肾功能不全者)的应用[2] [3]。

近年来，CMR-T1ρ mapping技术作为一种新兴的参数定量成像方法，逐渐引起研究者的关注。该技术无需造影剂即可实现对心肌组织特性的量化评估。已有研究表明，T1ρ mapping技术在关节软骨[4]、椎间盘[5] [6]、肝纤维[7]化等领域取得了显著成果，为其在心肌评估中的应用奠定了坚实基础。然而，目前关于T1ρ mapping技术在心肌纤维化检测中的研究仍处于初级阶段，尚存在诸多未知和挑战[3]。

因此，本文旨在系统总结T1ρ mapping技术的成像原理、发展现状及在心肌纤维化检测中的应用进展，通过深入分析其在不同心肌疾病中的表现，探讨该技术的临床潜力和优势。同时，针对当前研究中存在的问题和不足，提出未来研究的方向和重点，以期为该技术的进一步发展和临床推广提供有力支持。

2. CMR-T1ρ Mapping技术原理

T1ρ弛豫时间，测量的是旋转坐标系下的磁共振自旋–晶格弛豫时间(spin-lattice relaxation time)，与其他弛豫时间不同，其不仅取决于生理和主磁场，还取决于外加的自旋锁定脉冲(spin-lock, SL)，自旋锁脉冲是一种低频率、共振连续波的射频脉冲，持续的时间较长。T1ρ成像原理是先发射一个90˚ (尖端朝下)的射频脉冲，使位于y轴(纵轴)方向的磁化矢量翻转到x轴(横轴)方向，然后，与磁化平行方向施加振幅为B₁的自旋锁定射频脉冲，实现自选锁定，然后再施加一个90˚ (尖端朝上)的射频脉冲，将磁化翻转回纵向平面[8] [9]。

CMR-T1ρ mapping技术使用屏气平衡稳态自由进动序列(balanced steady-state free precession, bSSFP)序列获取图像，在快速采集图像前，添加一个T1ρ准备模块，该准备模块是由向下、重新聚焦和向上的射频脉冲组成，穿插着连续的低频率的SL，同时利用心电图(electrocardiogram, ECG)触发的脉冲序列，在舒张中期获取图像，沿T1ρ衰减曲线在不同的自旋锁定时间获取三个短轴层面(基底部、中腔部、心尖部)的多幅图像，后将获得的图像拟合到单指数松弛模型上，形成T1ρ mapping伪彩图(见图1) [10] [11]。

Figure 1. T1ρ magnetization signal evolution (left) and data fitting (right). ECG: electrocardiogram, TSL: spin-lock time

图1. T1ρ磁化信号演化(左)和数据拟合(右)。ECG：心电图，TSL：自旋锁时间

现临床使用的2D T1ρ mapping技术需要多次屏气，且覆盖范围也有限；同时如果采集过程中磁化恢复时间不足，测得的T1ρ值将更依赖于对心率的控制，这使得采集图像的信噪比减低，同时采集的图像质量也会受到影响[12]。为解决这些问题，Qi H [13]等人在原有基础上进行了改良，具体步骤如下：1) 施加一个饱和预脉冲以重置磁化强度；2) 使用图像导航器进行心脏的二维平移和呼吸运动校正；3) 进行三维配准和低秩重建。改良后的技术具有高呼吸扫描效率、扫描时间短、消除心跳纵向磁化等优点，确保了高质量的T1ρ加权图像生成。

3. TIρ Mapping技术的临床应用基础

T1ρ弛豫率(R1ρ, R1ρ = 1/T1ρ)的变化对化学交换、pH和大分子浓度很敏感．由于自旋锁定频率远小于拉莫尔频率，因此R1ρ对细胞外水与复杂大分子(如蛋白质)之间的低频交互作用非常敏感，随分子浓度和质量的增加而增加，能够体现组织成分之间的相互作用，反映细胞的密集程度，在分子水平上检测含水组织的代谢和生化信息的改变，能够无创、准确地早期监测并诊断疾病[14]，T1ρ mapping不仅在在心肌纤维化的检测中显示出不需要外源性造影剂的独特优势[15] [16]，还在其他临床应用中展现出广泛潜力。例如，在关节软骨损伤评估中[4] [17]，T1ρ成像能够反映软骨的组织特性变化；在肝纤维化的诊断中，T1ρ成像技术可以评估肝脏纤维化的严重程度[18]。此外，T1ρ成像还可用于脑组织[19] [20]、肾脏疾病[21]等其他领域的研究和诊断。

4. T1ρ Mapping技术在心肌成像中的应用

4.1. 左心室心肌正常T1ρ值

不同的机器供应商、场强、脉冲序列、SL频率、心率和成像位置获得的左心室正常T1ρ值有所差异，虽然多项研究报告在1.5 T和3.0 T时左心室正常的T1ρ值约为50 ms [3] [22]，其中一项针对健康志愿者心肌T1ρ的相关研究表明[23]，女性的T1ρ值(49.72 ms)显著高于男性(46.21 ms)，且T1ρ值从心脏基底部到心尖部呈显著的渐进式增加。采集数据的多变性，阻碍了该技术在临床中的广泛应用，这就需要对其采集方式进行规范，还应在标准化的模型和健康志愿者中进行重复测量，以确定健康和病变组织分化的稳定临界值。

4.2. 缺血性心肌病

缺血性心脏病(ischemic heart disease, IHD)，主要病理过程包括缺血后心肌细胞水肿、坏死、出血、瘢痕形成和纤维化[24] [25]。van Oorschot等人先后在两项研究针对首次在关注ST段抬高型心肌梗死患者的研究中发现，第一组9例患者[26]中，与远处组织相比，梗死区域T1ρ值显著更高(82.4 ± 5.2 ms vs 54.2 ± 2.8 ms, P < 0.0001)；在第二组21名患者[27]中，也报告了类似的结果(79 ± 11 ms vs 54 ± 6 ms, P < 0.0005)，并发现LGE图像与T1ρ mapping上测量的节段性疤痕分布的一致性为72%。近期一项利用T1ρ评估缺血性和非缺血性心肌病的心肌损伤研究中表明，缺血性心脏病患者的T1ρ值增加了45%，非缺血心脏病患者增加了34%，表明该技术对于两种疾病心肌损伤的检测同样敏感，且损伤部位与远处组织无重叠；同时发现急性心肌损伤患者T2值是唯一与T1ρ值独立相关的因素(β = 1.44, P = 0.004)，作者认为因于心肌梗塞后导致心肌细胞水肿死亡有关[28]。以上研究表明，T1ρ技术对缺血性心肌病患者的心肌损伤检测存在潜力。

4.3. 肥厚型心肌病

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy, HCM)是临床上常见的心血管疾病，在成人人群中的患病率约为1:200~1:500，是心源性猝死常见原因之一[29]。DONG等[30]对40名HCM患者进行T1ρ成像，并将其与初始T1值和LGE进行比较，作者观察到HCM患者的T1ρ值(72.2 ms)比对照组(65.4 ms, P = 0.618)升高，T1ρ值与初始T1值呈正相关，初始T1值及T1ρ值与LGE程度呈中等正相关。王可颜等[31]用对60例成年HCM患者以及20例年龄及性别匹配的健康对照者的研究中发现对照组、室壁厚度正常组和室壁肥厚组的T1ρ值依次增加(38.4 ± 1.5 ms vs 41.6 ± 5.1 ms vs 47.4 ± 7.9 ms, F = 81.399, P < 0.001)，且3组间ECV、T1ρ值的组间两两比较差异均有统计学意义(P < 0.001)，ECV与T1ρ的一致性较好(P = 0.054)，且T1ρ在HCM心肌纤维化检测方面具有较高的敏感性(82.9%)和特异性(96.7%)。以上研究证明T1ρ mapping能够识别HCM患者早期心肌纤维化。

4.4. 扩张型心肌病

扩张型心肌病(Dilated Cardiomyopathy, DCM)是最常见的非缺血性心肌病类型之一，其特点是在没有冠状动脉疾病或异常负荷因素影响下，左心室舒张和收缩功能障碍导致心室泵送能力降低，心肌扩张与心肌供血减少或异常应激无关，而是诸如病毒感染、自身免疫反应、毒素、酒精滥用、遗传原因等因素引发[32]。T1ρ mapping技术在针对DCM方面的研究比较少，2017年Van Oorschotel [27]在对20例终末期DCM患者研究中发现，他们的心肌组织T1ρ值较正常对照组(51.5 ± 1.2 ms, P = 0.0024)显著升高(55.2 ± 2.7 ms)，ECV与T1ρ值之间存在显著相关性(P = 0.66)，可以用来检测DCM心肌纤维化改变。但这一方向还需后续纵向和大规模的多中心研究，以确定DCM患者心肌T1ρ mapping技术的诊断和预后监测能力。

5. 与其他参数定量技术联合应用

尽管现阶段大量研究证明了单一定量参数技术(T1、T1ρ、T2、T2^*以及ECV)的应用价值，但是单独的应用和分析，无法对心肌疾病进行完整的评估，前面也提到了T1ρ mapping技术单独评估时的局限性[28]，多定量参数成像对心肌组织特征的观察具有一定的优越性，可以更为准确地识别心肌改变及损伤，并对各种心脏疾病心肌的特征性改变做出全面的评估[3]。磁共振指纹(Magnetic resonance finger-printing, MRF)技术是一种新兴的定量成像技术，可以允许在一次高效的扫描中同时测量多个定量参数，为心脏提供更为全面的评估[33]，该技术大大地缩短了心肌定量参数的采集时间，提高了采集效率，现在研究中采集时间最长的用时16 s [34]，最短的可以在10.9 s内可以采集24个心脏时相的图[35]，有学者将MRF技术与深度学习结合，可以将屏气时间缩短到5秒，舒张采集窗口缩短到150 ms，大大提高了采集效率[36]。但是该项技术还在起步阶段，还需对其临床实用性进行进一步研究。

6. 人工智能

将人工智能(artificial intelligence, AI)应用于CMR定量参数的采集及后处理分析是近几年新兴起来的。针对心肌T1ρ mapping技术的AI应用进行的比较少，仅限于对左心室进行自动分割，以及对左心室全部及局部T1ρ值进行自动分析和量化[10]，这样的应用不仅将减轻人工分析的负担和操作人员的可变性，还可以推动T1ρ mapping在心脏病领域的应用。

7. 未来展望与结论

综上所述，T1ρ mapping技术作为一种无需造影剂的心肌定量成像方法，在心肌纤维化的早期检测和评估中展现出巨大潜力。然而，当前研究仍存在一些问题和挑战。首先，T1ρ mapping技术的特异性不足，容易受到其他病理生理过程(如心肌水肿、炎症等)的影响，导致误诊或漏诊。其次，不同研究之间的T1ρ值差异较大，缺乏统一的标准和规范，限制了技术的推广和应用。此外，T1ρ mapping技术在心肌成像中的应用仍处于初级阶段，需要更多的临床研究和验证来支持其有效性和可靠性。

本研究通过综述T1ρ mapping技术的原理、应用基础及其在心肌成像中的应用进展，发现该技术具有无需造影剂、对心肌纤维化敏感等优势，但也存在特异性不足、标准化程度不高等局限性。未来研究应致力于提高T1ρ mapping技术的特异性，建立统一的标准和规范，同时探索多参数联合应用的可能性，以更全面地评估心肌损伤和疾病进展。此外，随着人工智能技术的发展，将AI应用于T1ρ mapping图像的采集、分析和解读中，有望进一步提高技术的效率和准确性，推动其在临床实践中的广泛应用。

NOTES

^*通讯作者。