走进“内心世界”心脏MR序列介绍之四
T1-Mapping技术原理及临床应用
T1 mapping是高分辨率纵向弛豫时间定量成像的简称，T1 mapping 技术的原理是在多个心动周期同一时相的不同反转时间（Inversion Time，TI）下采集图像，定量测定心肌每个体素的T1 值，计算心肌组织的平扫T1值（Native T1）及细胞外间质容积分数(Extracellular Volume ,ECV)，可定量地评估心肌病弥漫性病变过程，在心脏疾病诊断方面表现出独特的优势。
心肌T1-Mapping根据打药和不打药分为：
Native T1：初始T1，增强前T1值，指心肌组织未给予对比剂情况下的纵向弛豫时间。
Enhancement T1：增强后T1，指心肌组织给予对比剂后的纵向弛豫时间。
T1 Mapping序列: 临床上心肌T1mapping扫描序列主要有反转恢复（inversion recover，IR）、饱和恢复（saturation recovery，SR）及两者联用的序列、多重复反转恢复时间成像技术（look locker）、多回波时间成像技术（multi-time of echo）和多翻转角（multi-flip angle）T1加权成像技术。
反转恢复法（Inversion Recovery, IR）：根据不同的TI（Inversion Time）组织的信号强度不同, 进行数据采集。在一个TR内，采集多个TI值的信号强度，在根据公式解方程，计算出组织的T1值。扫描通过多次激发获得完整的3D数据集，每一次激发都是在相同的心脏周期阶段进行的,因此比较耗时间。
反转恢复多激发脉冲序列采集模式
Look locker: 这个序列是由Look和Locker两个学者在1970年发明的单脉冲序列，后人以他们的名字命名，首先施加一个反转恢复IR脉冲，然后在多个反转时间点TI（Inversion Time）上采集信号。
在心脏T1 mapping序列中，目前主要有这几个序列：
MOLLI（Modified Look-Locker Inversion Recovery）
shMOLLI（ shortened Modified Look-Locker Inversion Recovery）
SASHA（Saturation Recovery Single-Shot Acquisiton）
SAPPHIRE
Modified Look-Locker Imaging（MOLLI）序列：MOLLI序列是英国利兹综合医院的Daniel R. Messroghli等于2004提出的，改进了Look-Locker反转恢复。通过心电门控（ECG），由R波触发180°脉冲，随后在心脏舒张末期进行图像采集,由三个连续的心电门控反转恢复准备LL序列(L1、LL2、LL3)在一次闭气内扫描完成，这三个序列在反转脉冲之后的连续心脏跳动的舒张末期分别进行3-3-5个单次采集（这个为常用的MOLLI序列采集模式）,每个L序列的T时间为反转脉冲到采集k空间第一幅图像的时间,根据有效T时间重新排列，使得图像类似于一次采集得出的在每两个L序列之间有3个无数据采集的心动周期，从而使得向磁化矢量完全恢复平衡。与LL序列相比，MOLLI序列在心动周期固定时相采集数据，并且可以将不同LL序列的数据集融合成一个数据集来分析，不但缩短了扫描时间，使其测得的 T1值更加精确、重复性高。心脏增强后的T1值测量采用MOLLI序列4s（1s）3s（1s）2s的模式扫描。
如上图解释一下MOLLI序列采集模式为（3-3-5）,使用180°脉冲与35°（或50°）脉冲组合，在17次心动周期中的三次反转中分别采集3、3、5共11幅图像。多次反转的策略使得采样结果更加稳定，从而使T1值更加精确。
ShMOLLI序列：针对MOLLI序列采集时间较长的问题，牛津大学临床磁共振研究中心的Stefan K Piechnik等于2010年提出了shMOLLI序列。shMOLLI序列与MOLLI相同，采用反转恢复序列。SHMOLLI序列仅进行5-1-1次采集，并且第1个L序列之后仅有1个无数据采集的心动周期，此时纵向磁化矢量可能并未完全恢复平衡状态，因此需根据进一步的线性估计来确定第2、3个L序列中获得的数据是否有效。若有效，则3个L序列中采集的数据均可以用来做T1值的计算:反之，只有前5次采集的数据用来做T1值的计算。
SASHA（Saturation Recovery Single Shot Acquisition序列：是由加拿大艾伯塔大学的Kelvin Chow等于2014年提出的一种饱和恢复序列（Saturation Recovery, SR），可在多次心动周期内对图像进行连续采集。SAHA序列是在饱和脉冲之前添加可变的触发延迟（Trigger Delay ，TD），使所有图像的心脏相位保持一致，饱和射频脉冲到图像采集之间为饱和恢复时间（Saturation Recovery Time，TS），SASHA序列由1次屏气过程中的10个心电门控单次采集平衡稳态自由进动图像组成。第1幅图像无磁化准备脉冲，采集平衡状态下的信号强度(即M0)，而余下的9幅图像均由不同的饱和恢复时间(TS)的饱和脉冲激发，从而产生不同T1权重的对比。
SAPPHIRE序列
由于SASHA序列采用的是饱和脉冲，导致信号在恢复过程中动态范围较小，因而不利于T1的计算。针对该问题，美国哈佛大学医学院的Sebastian Weingartner等提出了SAPPHIRE序列。该序列将饱和恢复与反转恢复相结合，在心电门控R波之后立即施加饱和脉冲以消除之前的磁化，随后施加反转脉冲使信号反转，并在反转恢复的过程中进行采集。每次反转脉冲的施加时间不同，从而得到不同反转时间的9幅图像。
Combined Saturation/Inversion Recovery Sequences for Improved Evaluation of Scar and Diffuse Fibrosis in Patients with Arrhythmia or Heart Rate Variability
四种T1 mapping序列比较
几种常见T1mapping序列中，改进的Look-Locker反转恢复（modified Look-Locker inversion recovery，MOLLI）序列是最可靠的常规应用序列,可重复性和稳定性都很高。shMOLLI序列（shortened modified Look-Locker inversion recovery，ShMOLLI）是基于MOLLI序列的改进序列，对于心率以及屏息时间的要求减低，测量精确度也有所下降，适用于心律不齐或者不能长时间屏息者. 与MOLLI和shMOLLI序列相比，SHSHA序列的准确性更高，不受心率及T2值的影响，但精确性和信噪比较低. 与SASHA相比，SAPPHIRE序列的准确性更高，计算所得的Native T1值相似。
下面这篇文章研究了这四种方法MOLLI、ShMOLLI、SASHA和SAPPHIRET1值的准确性、精密度和重复性的比较，大家有兴趣可以阅读全文。
Roujol S, Weingärtner S, Foppa M, Chow K, Kawaji K, Ngo LH, et al. Accuracy, precision, and reproducibility of four T1 mapping sequences: a head-to-head comparison of MOLLI, ShMOLLI, SASHA, and SAPPHIRE. Radiology 2014;272:683–689.
影响增强T1 mapping图像质量的因素，除了心律及扫描相关因素外，还与被检查者身体脂肪含量、肾功能、血细胞比容、增强后扫描时间及对比剂（剂量，浓度，水交换率）有关。增强T1值的测量还会受到钆基的肾清除率和血流量的影响，因此需要对血液T1值进行校正。
ECV（Extracellular Volume）是指细胞外基质容积占整个心肌组织容积的百分比，是一种对细胞外空间钆基（Gd3+）的直接测量，获得心肌及血液在对比剂注射前及以后的T1值，并且从血液标本中获得血细胞比容(HCT，当对比剂在血液和心肌细胞外间隙中的浓度达到平衡时，通过公式就可以来计算心肌ECV，正常人心肌ECV在0.21-0.25(15T&3.0T)左右。
ECV = （ΔR1myocardium / ΔR1blood） × （1 − Hct）
正常人体心肌细胞外基质主要由胶原支架构成(8C％ I型胶原和11％III型胶原)，内有蛋白聚糖、黏多糖及其他纤 维母细胞与免疫细胞间的基质。
影响ECV的因素：磁场强度、序列、对比剂、病人因素（比如年龄、性别、运动、心率等）疾病类型和图像后处理细节等因素的影响。
ECV的正常值
延迟强化与T1 mapping的对比
心脏磁共振成像（cardiac magnetic resonance imaging，CMR）技术发展迅速， 在评估心功能及显示心肌组织特性上具有独特优势，LGE技术用于评价心肌疾病到T1mapping定量测量心肌组织信号的改变，再到反映细胞外容积改变的ECV测量，磁共振对心肌病变的组织学改变的定量判断有了显著进步。与常规的LGE-CMR相比，T1mapping和ECV更具有量化细胞外基质扩展程度的优势，在于能评估心肌纤维化程度，且更早、更灵敏。
1）T1 mapping 技术最主要的优势是通过定量的T1 值和细胞外容积（Extracellular Volume，ECV）的改变来反映心肌损伤的程度，而延迟强化技术虽可测量心肌梗死的范围，但始终无法对其损伤程度进行定量评估。
2）损伤心肌的纤维化程度必须达到一定的阈值，才能表现出明确的延迟强化，因此，延迟强化技术对早期心肌纤维化的显示欠佳；而T1 mapping 技术可通过T1 值的改变敏感检测到处于早期纤维化的心肌。
3）延迟强化对弥漫性心肌纤维化的诊断效能不高， T1 mapping技术无论损伤是局限性还是弥漫性，通过测得的增强前后心肌T1 值更加客观且有临床价值。
T1-Mapping的部分重要参数
间隔类型：可以自定义系统将在一个间隔内采集相应的拍数，一个间隔的采集将持续指定的秒数。
暂停间隔类型：可以自定义暂停间隔，系统将在一个间隔内暂停指定的拍数（秒）。
T1-Mapping后处理：心脏扫描完T1 mapping后，对角滚动屏幕会自动生成T1值的图，另外我们可以添加伪彩图。定量分析T1 mapping图像，手动勾画ROI分别勾画增强前、后基底段、乳头肌水平和心尖段图像左心室心内膜和心外膜边界，软件自动计算并输出该层面勾画的闭合范围内增强前、后心肌的平均T1值，测量时尽量避开左心室血池（接近心内膜）及心包脂肪（接近心外膜）等可能产生部分容积效应的区域，计算ECV，需要在软件上进行处理。
通过感兴趣区域（ROI）得到数据，在任务栏中，单击“更多”下拉菜单“时间强度显示”，然后选择平滑多边形或徒手画。在测量的区域上绘制调整ROI，这样更加精准。
如果绘制ROI后强度窗口未打开，可以右键单击ROI并选择强度Intensity window打开。在Intensity窗口的右下角，单击下拉箭头并选择TI（毫秒）。将显示每个TI图像的ROI测量值和T1松弛曲线。
ECV值必须要在ISP上处理计算得，需要输入患者的红细胞压积来计算ECV分数（%）
T1Mapping 的临床应用
用于检测局部和弥漫性心肌纤维化、肥厚性心肌病、心肌炎、缺血性心肌病，扩张型心肌病，主动脉瓣狭窄，先天性心脏病及肺动脉高压等。
传统心脏核磁共振图像计算心肌梗死范围
急性前壁心肌梗死患者（A）心肌危险区（围手术期）（B）最终心梗范围（3个月）
T1Mapping图像计算心肌梗死范围
左图白色箭头为心肌梗死区，红色箭头为心肌梗死周边损伤区，黑色箭头为远离心肌梗死区，心肌危险区和最终心梗范围可通过不同的T1Mapping值定量分析，并可计算ECV。右图为LGE图像可见心内膜下延迟强化，
Jeremy R. Burt, MD2 Stefan L. Zimmerman, MD Ihab R. Kamel, MD, PhD Marc Halushka, MD, PhD David A. Bluemke, MD, PhD RadioGraphics 2014; 34:377–395
这篇文章探讨应用心脏磁共振（CMR）评估先天性心脏病相关肺动脉高压（PAH-CHD）患者左心室重塑的价值。采用LGE和T1mapping的方法，结论显示 PAH-CHD发生心肌纤维化后左心室射血分数更低，且采用值诊断心肌纤维化效能较高；而ECV可早期发现及定量分析左心室非LGE区心肌结构变化。
T1 mapping成像T1值测量。 LGE 前、下RVIP区典型的心肌中层三角形LGE（箭），B.向室间隔中部蔓延的心肌中层线样LGE（箭）
MRI延迟增强及T1 mapping技术评估先天性心脏病相关肺动脉高压左心室重塑的价值中国医学影像学杂志2019年第27卷第8期
这篇文章研究目前新冠肺炎治愈后心电图和心脏生物标记物表现正常的患者是否仍然可能存在心脏方面的问题。结论：新冠肺炎治愈后的患者即使无心脏异常表现，仍然可能存在潜在的心肌损伤，可通过心肌ECV检查及心肌应力成像检测发现。
实验组为40例患者，分三组（健康对照组、中度COVID-19组和重度COVID-19组），分为两个亚组，中度新冠肺炎组24例，重症新冠肺炎组16例，全部无心脏病史，无心脏症状，心电图无异常，心肌酶无异常。对照组为25例健康志愿者。研究结果:两个实验组的心肌细胞外容积与对照组相比都显著升高，同时心肌应力都显著降低。
发表在Radiology上的文章Elevated Extracellular Volume Fraction and Reduced Global Longitudinal Strains in Patients Recovered from COVID-19 without Clinical Cardiac Findings
参考文献
1.Coniglio A, Renzi P D, Freixas G V, et al.Multiple 3D Inversion Recovery Imaging for Volume T1 Mapping of the Heart[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2013,69(1).
2.Chow K, Flewitt J A, Green J D, et al. Saturation recovery single-shot acquisition (SASHA) for myocardial T 1, mapping[J]. Magnetic Resonance in Medicine Official Journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine, 2014, 71(6):2082-2095.
3. Taylor A J, Salerno M, Dharmakumar R, et al. T1 Mapping: Basic Techniques and Clinical Applications[J]. Jacc Cardiovascular Imaging, 2016, 9(1):67-81.
4.Piechnik S K, Ferreira V M, Dall'Armellina E, et al. Shortened Modified Look-Locker Inversion recovery (ShMOLLI) for clinical myocardial T1-mapping at 1.5 and 3 T within a 9 heartbeat breathhold[J]. J Cardiovasc Magn Reson, 2010, 12(1):1-11.
5.Roujol S, Weingartner S, Foppa M, et al. Accuracy and reproducibility of four T 1 mapping sequences: a head-to-head comparison of MOLLI, ShMOLLI, SASHA, and SAPPHIRE[J]. Radiology, 2014, 272(3):683-9.
6.Weingärtner S, Akçakaya M, Roujol S, BashaT, Stehning C, Kissinger KV, Goddu B, Berg S, Manning WJ, Nezafat R. Free breathing post contrast three dimensional T1 mapping: Volumetric assessment of myocardial T1 values. Magn. Reson. Med., 2015;73(1):214-22.
7.Nordio G, Henningsson M, Chiribiri A, etal. 3D myocardial T1 mapping using saturation recovery. Journal of Magnetic Resonance Imaging, 2017, 46(1).
8. Messroghli D R, Radjenovic A, Kozerke S, et al. Modified Look-Locker inversion recovery (MOLLI) for high-resolution T1 mapping of the heart[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2004, 52(1):141.
9.Weingärtner S, Akçakaya M, Basha T, et al. Combined saturation/inversion recovery sequences for improved evaluation of scar and diffuse fibrosis in patients with arrhythmia or heart rate variability[J]. Magnetic Resonance in Medicine, 2014, 71(3):1024-1034.
10.Kellman P, Hansen M S. T1-mapping in the heart: accuracy and precision[J]. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance,16,1(2014-01-04), 2014, 16(1):2.
11.Weingärtner S, Meßner N M, Budjan J, et al. Myocardial T 1 -mapping at 3T using saturation-recovery: reference values, precision and comparison with MOLLI[J]. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance, 2017, 18(1):84.
12.Roujol S, Weingartner S, Foppa M, et al. Accuracy and reproducibility of four T 1 mapping sequences: a head-to-head comparison of MOLLI, ShMOLLI, SASHA, and SAPPHIRE[J]. Radiology, 2014, 272(3):683-9.