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呼吸导航门控三维延迟增强MR序列在梗死心肌成像中的应用价值

时间:2024-07-28

具海月

蔡祖龙 CAI Zulong

杨 立 YANG Li

程流泉 CHENG Liuquan

呼吸导航门控三维延迟增强MR序列在梗死心肌成像中的应用价值

具海月JU Haiyue

蔡祖龙CAI Zulong

杨 立YANG Li

程流泉CHENG Liuquan

目的以屏气二维序列作为对照,探讨相位排序自动门控窗选择(PAWS)算法呼吸导航门控三维延迟增强(3DNAV DE)MR序列在梗死心肌成像中的应用价值及可行性。材料与方法 3只犬急性心肌梗死模型心脏DEMRI:分别行常规2DBH及PAWS算法3DNAV DE-MR序列扫描,采用半定性及定量方法对比评价两个序列短轴位包含心肌梗死延迟强化灶的对应层面图像质量。结果2位医师评价3DNAV序列图像质量一致性较好(Kappa=0.532,P<0.05);2位医师对于两个序列图像的相对诊断可行性评分呈显著正相关(r=0.609,P<0.05),3DNAV序列图像质量及相对诊断可信性好于2DBH序列;两个序列图像所测得梗死体积大小呈显著正相关(r=0.998,P<0.05);3DNAV序列图像梗死心肌信噪比SNR1(t=-5.691,P<0.01)、活性心肌SNR0(t=-3.317,P<0.01)及其梗死-活性心肌对比噪声比CNR1-0(t=-6.005,P<0.01)较2DBH序列明显提高。结论与2DBH序列相比,PAWS算法呼吸导航门控3DNAV DE-MR序列在提高成像效率的前提下,可获得更高的图像质量及心肌梗死诊断可信性。

心肌梗死;磁共振成像;呼吸导航门控三维延迟增强MR序列;疾病模型,动物;狗

对比剂延迟增强MRI(delayed enhanced MRI,DE-MRI)对梗死心肌的检出及其轮廓的准确勾画具有良好的准确性,是识别心肌梗死以及判定缺血性心肌病患者存活心肌的无创性影像学诊断标准[1-4]。目

解放军总医院放射科 北京 100853

Department of Radiology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Address Correspondence to:CHENG LiuquanE-mail: cheng.liuquan@gmail.com

中国图书资料分类法分类号R542.2+2

中国医学影像学杂志2012年 第20卷 第12期:881-886

Chinese Journal of Medical Imaging 2012 Volume 20(12): 881-886前,DE-MR成像多采用IR二维(2D)快速梯度回波(fast gradient echo, FGRE)序列。该序列在图像采集过程中要求反复屏气(BH),且在空间分辨率上具有局限性。因此,基于相位排序自动门控窗选择(phase ordering with automatic window selection, PAWS)算法[5]的3D呼吸导航门控(navigator-gated, NAV)序列,不仅可以避免反复长时间屏气,且可以三维采样,具有广阔的应用前景。本研究拟建立犬心肌梗死模型,以2DBH DE-MR序列作为对照,评价基于PAWS算法的呼吸导航门控3DNAV DE-MR序列在显示梗死心肌方面的价值及其可行性,为实验和临床研究选择更为合理的扫描序列奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验犬心肌梗死模型建立 健康杂种雄性实验犬3只,体重约17~20kg,犬龄2~3岁(经检验符合实验动物标准)。静脉注射3%戊巴比妥钠0.8~1.0ml/kg进行麻醉后,将犬右侧位卧于V形手术台上,左侧胸部剃毛备皮。前肢静脉穿刺置管并输液,气管插管,静脉给予氯琥珀胆碱注射液1mg/kg后接麻醉机辅助呼吸。四肢局部剃毛后粘贴电极片连接心电图仪,连续监测心电变化。经左前胸第四肋间进胸,探查冠状动脉走行,结扎通向预定梗死区的主要对角支血管,在第1、2对角支或第2、3对角支之间结扎前降支主干。结扎前给予盐酸利多卡因2mg/kg静脉推注,然后持续静脉滴注1h[1mg/(kg·min)]。若无室颤或室速,充分膨肺后逐层关胸,经手术切口放置胸腔引流管,待2~3周后进行MR扫描。

1.2 DE-MRI扫描 实验犬麻醉确实后,将其左侧卧位放置于扫描床上。采用GE 1.5T Signa Excite HD TwinSpeed MR扫描仪进行扫描。将8通道心脏专用相控阵线圈置于犬右侧胸部。在左胸剃毛备皮处避开手术切口部位粘贴胸前导联电极片,并于上腹部连接呼吸监测装置。

FIESTA实时成像序列,交互式实时成像方式(iDriveTM),用于心脏的快速搜索定位。

3DNAV DE-MR序列(由美国Cornell大学Thanh D. Nguyen博士设计编写),在四腔心及左室两腔心层面定位像上协同定位,沿垂直于左室心尖及二尖瓣中点连线的平面放置扫描定位框(图1)。再在冠状位定位像的右侧膈肌顶部放置一个圆柱形导航回波定位框,用以监测肺-肝界面的运动,形成呼吸导航回波,采用PAWS算法。主要成像参数:FGRE序列:TR=6.1ms,TE=2.5ms,FA=20°,激励次数(NEX)=0.53,接收带宽(BW)=±31.25kHz,分段k-空间数(views per segment,VPS)=36,视野(FOV)=24cm×19.2cm,相位FOV=0.8,重建矩阵=192×192,平面内分辨率1.3mm×1.0mm,层厚=4mm,层间隔=-2mm,触发延迟时间(TD)为250~300ms,反转时间(TI)为 200~350ms。经前肢静脉套管针注入马根维显0.2mmol/kg,注入速度1.5~2.0ml/s。延迟5min后,沿左室短轴层面反复扫描测试,将心肌信号抑制为0时的TI加上10~20ms,作为最终3DNAV序列扫描的TI,开始采集图像。

图1 3DNAV序列扫描定位。定位框(白色框)方向沿垂直于心尖与二尖瓣中点连线(黑色虚线)方向放置,并在左室两腔心(A)及四腔心(B)层面协同定位,以确保获得与2DBH序列具有可比性的标准左室短轴位图像,调整FOV大小,避免产生卷褶伪影,范围覆盖心尖部至二尖瓣附着处,较2DBH序列范围可适度增大

2DBH DE-MR序列不必放置导航回波定位框,其余定位方法与3DNAV序列相同。主要成像参数:FGRE序列:TR=5.8ms,TE=2.7ms,FA=20°,BW=±31.25kHz,VPS=24,FOV=24cm×24cm,相位FOV=1.0,重建矩阵=192×160,平面内分辨率=1.3mm×1.5mm,层厚=4mm,层间隔=1mm。因实验犬无法屏气,扫描过程中增加激励次数,选择NEX=3或4。TD为325~355ms,TI为 310~350ms,注药后延迟 10~25min开始采集图像。

2DBH与3DNAV序列扫描顺序随机安排。扫描后1~2周处死实验犬,观察心脏大体标本及显微镜下预定梗死区心肌坏死情况。

1.3 图像分析 记录2DBH和3DNAV序列相同覆盖范围左室短轴位的图像采集时间。包含延迟强化层面的图像载入AW4.2后处理工作站进行图像评价及数据测量分析。图像评价参照文献[6,7]中的方法,结合DE-MR序列成像要求和影响图像质量的主要因素,分为半定性和定量分析。

1.3.1 半定性评价 由2位有经验的心血管MR诊断医师进行独立评价。评价内容包括:对同2DBH序列层面对应的3DNAV DE-MR序列的图像质量进行总体印象分级:0级无法诊断,Ⅰ级较差,Ⅱ级较好,Ⅲ级很好。根据下述4个评分项(表1),任何一项为0分,则定为0级,其余3项不再进行评价;4项均为1分定为Ⅰ级;3项1分,1项2分或2项1分,2项2分定为Ⅱ级;1项1分,3项2分或4项均为2分定为Ⅲ级。

根据上述图像质量分级及评分方法,比较同一犬模型对应层面的2DBH序列和3DNAV序列的图像质量,对其诊断相对可信性进行主观评分:-1为2DBH质量更好,0为2DBH与3DNAV质量相同,1为3DNAV质量更好。分别计算2位医师的平均主观评分值。

表1 图像质量分级的评分项及评分标准

1.3.2 定量分析 由2位有经验的心血管MR诊断医师共同分析。测量梗死面积并计算梗死体积,分别在2DBH和3DNAV图像上逐层手动勾画延迟强化病灶轮廓,测量面积并算出局部梗死灶体积:梗死灶体积=累计梗死灶面积×(层厚+层间隔)。

分别计算梗死心肌与有活性心肌的信噪比(SNR)及梗死心肌-有活性心肌对比噪声比(CNR)。分别在两个序列同一层面图像的对应位置,放置相同形状和大小的感兴趣区(ROI),测量并记录ROI内信号强度及其标准差(SD)。计算方法:SNR1=S1/N,SNR0=S0/N,CNR1-0=(S1-S0)/N,其中SNR1为梗死心肌SNR,SNR0为有活性心肌SNR,CNR1-0为梗死心肌-有活性心肌CNR,S1为梗死心肌信号强度,S0为有活性心肌信号强度,N为背景噪声(胸前空气信号强度的标准差)。1.4 统计学方法 采用SPSS 13.0软件,计量资料数据以±s表示,2位医师评价3DNAV图像质量的一致性采用Kappa检验,2位医师对2DBH序列与3DNAV序列图像诊断相对可信性主观评分的相关性采用Spearman等级相关,两个序列之间心肌梗死体积的相关性评价采用Pearson线性相关分析,两个序列SNR与CNR的差异行双尾配对t检验,P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况 3只犬MRI图像上均可见左室前壁延迟强化灶(在2DBH序列上共包含13个可供评价的图像层面),经大体标本及镜下病理结果证实有确切心肌梗死。2DBH扫描时增加NEX以替代屏气,获得图像与屏气扫描质量相似,可作为参照图像,与3DNAV序列图像具有可比性(图2)。

图2 对应层面3DNAV与2DBH DE-MR序列图像对比。3DNAV(A)和2DBH DE-MRI(B)图像层面匹配良好,左室前壁及室间隔形状相似的延迟扫描明显强化的梗死区域。两种序列获得图像均较好,心肌梗死区轮廓清晰,与邻近有活性心肌分界明显,对比良好(该实验犬呼吸缓慢平稳)

2.2 半定性评价结果 2位医师评价3DNAV序列图像质量一致性较好(Kappa=0.532,P<0.05);2位医师对于两个序列图像的相对诊断可行性评分呈显著正相关(r=0.609,P<0.05),3DNAV序列图像质量及相对诊断可信性好于2DBH序列,见表2、3。2.3 定量分析结果 3DNAV序列较2DBH序列的扫描速度明显加快(表4),效率明显提高(3只实验犬3DNAV序列扫描时间分别较2DBH序列缩短88.2%、62.4%和79.5%)。根据两个序列图像所测得梗死体积大小相似,两者呈显著正相关性(r=0.998,P<0.05),3DNAV序列测得值均小于2DBH序列(表4)。在显著提高扫描速度的前提下,3DNAV序列各层面图像的SNR1、SNR0及CNR1-0均较2DBH序列明显提高,差异有统计学意义(t=-5.691、-3.371、-6.005,P<0.01)。3DNAV序列图像细节显示较好(图3),且可进行左室长轴位图像重建多角度观察病变(图4)。

表2 2名医师对3DNAV序列延迟强化层面图像质量分级结果

表3 2DBH与3DNAV序列图像诊断的相对可信性评分比较

3 讨论

冠心病急性心肌梗死患者坏死心肌的评价是一个重要的临床问题,对于指导血运重建术以及准确评估患者预后意义重大。针对心肌梗死检出和心肌活性评价的影像学检查方法的探讨成为国内外学者关注的热点。DE-MRI将有活性心肌信号抑制为0,使梗死区呈现高信号,形成梗死区与非梗死区的良好对比。许多相关的实验和临床研究认为DE-MRI中的亮区代表非活性组织,病理上属缺血损伤所致心肌纤维化,因此认为DE-MRI是识别心肌梗死以及判定缺血性心肌病患者存活心肌的无创性影像学诊断标准[3,4,8],而就如何进一步改进和优化这一有前景的检查技术作出了有价值的探索[9]。

3.1 PAWS算法3DNAV DE-MR序列特点及比较优势作为DE-MRI标准参照序列,2DBH FGRE序列扫描操作过程费时,需要患者反复屏气;此外许多患者屏气时常出现膈肌漂移可导致成像质量下降。另外,由于每次屏气时膈肌位置发生变化,可导致层面校准不良。单次屏气3D DE-MR扫描序列很大程度上消除了层面校准不良的问题,但是该序列空间分辨率不高,且仍需要长时间屏气[10],所以适用范围有限。

表4 2DBH与3DNAV序列扫描时间、图像测得梗死体积、SNR及CNR比较

图3 3DNAV与2DBH DE-MR序列图像质量比较。A和C为不同层面3DNAV序列图像,B和D为分别与A和C相对应层面的2DBH序列图像,均可见左室前壁及室间隔以内膜下为主的线条状延迟强化梗死区域(箭下方的白色区域)。A、C示梗死区外膜为无延迟强化的非梗死区,呈连续细线状低信号(箭),边缘光滑锐利,境界清楚,细节显示良好;B、D示外膜线状低信号有中断(箭),边缘模糊,境界欠清,且图像SNR明显低于3DNAV序列。3DNAV序列优势明显(该实验犬扫描时呼吸快而不均,幅度变化也较大)

图4 3DNAV DE-MR序列左心室长轴位重建图像。3DNAV DE-MR序列左心室短轴位采集原始图像,经多平面重组获得左室长轴位图像。A示近似左心室长轴位两腔心层面;B为近似四腔心层面,可见左心室前壁(箭)近室间隔处延迟强化的心肌梗死区

呼吸导航技术由于克服了屏气带来的种种弊端,其优势引人关注。心血管MR成像中,呼吸导航技术在冠状动脉成像序列的应用较多,技术较成熟[11-13],而在DE-MR序列应用方面研究较少,尚缺乏公认的高效成熟的技术。以往呼吸导航2D和3D DE-MR序列的接受/拒绝导航门控算法[14],需要采用固定门控窗技术,所以也因膈肌漂移而影响数据采集效率。PAWS算法[5,15]允许在最常出现的膈肌位置自动选择门控窗,在最短的时间内有效抑制了运动伪影。当膈肌位置移动到门控窗外时,接受/拒绝算法会去除采集的数据[9],但是PAWS算法会采集所有膈肌位置的数据,进行分类并聚集到不同的数据框内。对于每一个数据框,根据其位置和成像次序进行k-空间填充,只要任意相邻的数据框中的数据能够组成一个完整的k-空间,就完成了高效快速的数据采集。

由于实验犬无法进行屏气配合,在2DBH扫描时采用多次平均,增加NEX,最大程度地保证该序列得以顺利完成,基本可以模拟屏气的效果,从而获得与屏气扫描相似质量的图像,满足作为参照序列的条件。

本研究采用半定性评价与定量分析进行图像质量评价的方法,与传统定性评价方式或单纯定量分析方式相比具有明显优势,不仅考虑到不同研究者之间的可重复性,也考虑到研究序列的成像要求以及影响图像质量的主要因素,因此更实用、更可信。根据该图像质量评价方法,与2DBH序列对比结果显示,自由呼吸状态下基于PAWS算法的3DNAV序列,在显著提高图像SNR与CNR、扩大扫描范围、提高扫描速度以及提高数据采集效率方面均显示出明显优势。同时,由于SNR的显著提高和无间隔的扫描范围,提高了相对诊断可信性。在图像细节显示方面,3DNAV序列由于消除了呼吸伪影的影响,其优势在呼吸状态欠佳的实验犬扫描过程中更显著。

另外,3DNAV与2DBH DE-MR序列测得的梗死心肌体积具有良好的相关性。3只实验犬经3DNAV序列扫描测得的梗死心肌体积均较2D序列小,可能与3DNAV序列采用连续的扫描范围覆盖以及更高的平面内分辨率、梗死轮廓勾画时细节描述更精确有关。该差别是否具有普遍性有待于进一步扩大样本量证实,但至少可以设想,由于3DNAV序列的内在优势,势必会使得测量结果较2DBH序列更具有准确量化梗死心肌体积的潜力。

3.2 TI时间选择及对延迟增强图像质量的影响 TI时间合理选择是确保扫描成功和保证图像质量的决定因素。2DBH和3DNAV序列正式扫描之前,都需反复进行测试扫描,观察有活性心肌的信号抑制最佳时所对应的TI值,并根据经验适当增加10~30ms作为最终TI值,启动正式扫描。其实,这种方法只能获得相对最佳TI值,容易出现偏差。采用相位敏感反转恢复(phase sensitive inversion recovery, PSIR)[16]技术进行图像采集时,一次屏气中反转恢复图像和相位参照图像间插采集,然后将反转恢复图像与相位参考图像经过匹配重建,以此提高图像的SNR和CNR。与常规DE序列相比,PSIR技术最突出的优势在于对TI时间不敏感,可以避免反复测试寻找最佳TI时间。但目前PSIR技术在3D呼吸导航序列[17]中的应用范围仍有限。

对比剂注入后30min内开始数据采集,心肌梗死范围的测量值就不依赖于扫描时间[18]。因此,研究设计未考虑2DBH及3DNAV序列扫描先后顺序,对于对比剂注入时间、扫描持续时间与梗死心肌强化范围是否存在某种关系也未作考虑。但是,由于对比剂流入流出的动力学不同,随之导致在不同的成像时间,心肌与血液TI有所不同所致,两种扫描序列图像中SNR和CNR结果可能会受影响[19]。至于不同扫描顺序究竟可造成SNR与CNR结果多大程度的偏倚,有待进一步深入探讨。

3.3 空间分辨率的制约 为提高序列之间的可比性,3DNAV与2DBH DE-MR序列的层厚设置相同,均为4mm,所以3DNAV的空间分辨率为1.3mm×1.0mm×4.0mm,基本可以进行左心室长轴位图像重建,从多个角度观察梗死心肌的形态和范围。若要显示更小的梗死灶,可设置更薄的层厚,进一步提高空间分辨率,但必须延长扫描时间。扫描时间过长,由于扫描过程中所设置的TI值不可变,则难以确保最佳的有活性心肌抑制效果。以牺牲有活性心肌抑制效果和降低CNR为代价来获得更高的分辨率是不可取的。

因研究纳入的动物模型较少,为获得更为具体和确切的结论尚需进一步研究,但是至少研究结果已显示出了该序列的可行性。今后不仅可从结合并行成像技术、高效的k-空间采样方式等方面进行探索,以进一步提高扫描效率,最大限度地减少扫描时间,也可在此基础上将高效的3DNAV与PSIR技术结合,进一步优化DE-MR序列。

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Application Value of Respiratory Navigator-gated Three-dimensional Delayed-enhancement MR Sequence in Infarcted Myocardium Imaging

PurposeTo explore the application value and feasibility of respiratory navigator-gated three-dimensional (3DNAV) delayed-enhancement MR (DE-MR)sequence using PAWS algorithm for infarcted myocardium imaging compared with standard breath hold two-dimensional (2DBH) DE-MR sequence.Materials and MethodsThree myocardium infarction dog-models underwent 2DBH and 3DNAV DE-MRI. The image quality of the two sequences were compared and evaluated by using semiqualitative and quantitative analysis.ResultsGood consistency(Kappa=0.532,P<0.05) of the two radiologist' evaluation of 3DNAV image quality was obtained and the correlation of their relatively diagnostic reliability score was statistically significant (r=0.609,P<0.05). The means of relatively diagnostic reliability score of the two radiologists were both beyond 0. And infarct volume measurements obtained based on the two sequences was significantly correlated(r=0.998,P<0.05). Signal-to-noise ratio of infarcted myocardium (SNR1,t= -5.691,P<0.01), SNR of variable myocardium (SNR0,t=-3.317,P<0.01) and their contrast-to-noise ratio (CNR1-0,t= -6.005,P<0.01) of 3DNAV sequence markedly improved than those of 2DBH sequence and their differences were statistically signi fi cant.ConclusionPAWS algorithm 3DNAV DE-MRI of infarcted myocardium provides less scan time, higher imaging efficiency, improved image quality and improved myocardial infarction diagnosis and evaluation con fi dence compared with 2DBH DE-MRI.

Myocardial infarction; Magnetic resonance imaging; Respiratory navigator-gated three-dimensional delayed-enhancement MR sequence; Disease models, animal; Dog

10.3969/j.issn.1005-5185.2012.12.001

程流泉

国家自然科学基金面上项目(309970772)。

2012-07-27

2012-09-14

(责任编辑 张春辉)

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