3特斯拉实时电影MRI运动负荷测试：稳态骑行中双心室功能与主动脉血流的精准量化

《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》：Exercise MRI stress testing of the human heart at 3 Tesla: measurement precision of biventricular function and aortic blood flow during steady-state bicycling exercise

　　本研究针对运动状态下心脏功能评估的临床挑战，开发了基于3特斯拉磁共振的实时电影MRI运动负荷测试方案。研究人员通过72通道接收线圈阵列和并行成像加速技术，实现了运动中双心室容积和主动脉血流的同步量化，证实了通过降低收缩末期容积提升每搏量的生理机制。该方案为心力衰竭保留射血分数（HFpEF）等复杂疾病的运动不耐受评估提供了非侵入性量化工具，测量精度达40%-58%，为心血管功能动态评估建立了新标准。

　　

在心血管疾病诊疗中，运动耐量是评估整体健康水平的关键指标，而心脏泵血功能在运动中的动态变化更是诊断心力衰竭保留射血分数（HFpEF）等复杂疾病的重要依据。然而，传统超声心动图在运动过程中受图像质量下降、操作者依赖性高及右心室显示不清的限制，难以实现精准评估。虽然心脏磁共振成像（MRI）在静息状态下的评估已成熟，但运动状态下因心率增快、呼吸干扰等因素，实现高时空分辨率的动态成像仍面临巨大挑战。

为突破这一技术瓶颈，荷兰阿姆斯特丹大学医学中心Hugo Klarenberg团队在《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》发表研究，建立了基于3特斯拉超高场强磁共振的实时电影MRI运动负荷测试方案。该研究通过定制化72通道接收线圈阵列和并行成像加速因子5的技术组合，首次实现了稳态骑行运动中双心室容积与主动脉血流的同步精准量化，为运动生理学研究及临床诊断提供了全新工具。

关键技术方法

研究招募12名健康志愿者，采用3特斯拉磁共振系统（Philips Ingenia）结合MR兼容自行车测功仪，进行静息、中度（61%最大心率）及剧烈强度（78%最大心率）稳态骑行。通过实时电影MRI序列（时间分辨率33毫秒）获取短轴影像，并开发MATLAB算法对呼吸与心动周期进行 retrospective 同步处理。双心室容积分析采用Medis Suite软件半自动勾画，同时以2D相位对比MRI量化主动脉血流验证准确性。6名志愿者接受间隔1周的重测以评估精度。

研究结果

实时电影MRI与心电门控电影MRI的容积比较

静息状态下，实时电影MRI较传统心电门冠MRI系统性低估左心室舒张末期容积（EDV）（偏倚-13±33 mL）和右心室EDV（偏倚-16±24 mL），导致每搏量（SV）降低约13%。但收缩末期容积（ESV）与左心室质量无显著差异，证实实时成像虽存在容积低估，但能有效捕捉基本生理参数。

呼吸对心腔容积的影响

通过 retrospective 呼吸同步算法，研究发现呼气末与吸气末的双心室容积参数无统计学差异，且自由呼吸下的呼气末数据与屏气状态一致，证明该同步策略可有效消除呼吸运动干扰。

稳态运动中的心脏功能

随着运动强度提升，左心室SV从静息86±14 mL增至剧烈运动116±23 mL，右心室SV从81±14 mL升至104±17 mL。这一变化主要由ESV下降驱动（左心室ESV剧烈运动时降幅达20%），而非EDV增加。心脏输出量（CO）呈现近三倍增长（左心室CO达15.8±3.6 L/min）。2D相位对比MRI显示主动脉前向血流与SV变化趋势一致，且运动中降主动脉/升主动脉血流比值升高，证实血流向下肢的重新分布。

运动MRI负荷测试的重测精度

左心室SV在剧烈运动下的重复性系数为41%，右心室SV为42%，虽略低于静息状态（37%-39%），但表明该方案具备临床可接受的稳定性。所有运动强度下的心率与负荷量重复性无显著差异，证实协议可可靠诱导稳态运动状态。

结论与展望

本研究首次在3特斯拉场强下实现了运动中双心室功能的实时精准量化，通过收缩末期容积降低介导的每搏量提升机制，清晰揭示了运动增强心肌收缩力的生理效应。所开发的呼吸-心动周期同步算法有效解决了自由呼吸下的影像错位问题，而40%-58%的测量精度为个体化疾病进展监测提供了可行性阈值。尽管实时电影MRI存在轻度容积低估，但其与主动脉血流数据的一致性验证了生理可靠性。未来通过机器学习重建、压缩感知等技术进一步提升时空分辨率，该方案有望成为非侵入性替代运动右心导管检查的工具，为HFpEF等疾病的运动不耐受病理机制研究开辟新途径。