运动心血管磁共振:发展、现状及未来应用

压力心脏成像是目前冠状动脉疾病诊断和决策的一线调查，也是一系列非缺血性心血管疾病的辅助工具。运动心血管磁共振(Ex-CMR)在过去的25年里发展起来，将CMR的优越图像质量与运动压力的首选方法相结合。目前，存在多种锻炼方法，从在邻近的CMR兼容跑步机上进行压力锻炼到扫描仪内锻炼，最常见的是在仰卧循环ergometer上进行。Ex-CMR研究的心脏疾病范围广泛，通常调查缺血性心脏病和先天性心脏病，但也延伸到肺动脉高压和糖尿病性心脏病。本文介绍了各种Ex-CMR应力方法和各种脉冲序列方法的深入评估，包括那些专门为Ex-CMR设计的方法。强调了图像采集的当前和未来发展，并可能导致Ex-CMR在一系列心血管疾病中的更广泛临床应用。

压力测试是心血管疾病诊断和预后评估的关键工具。历史上，对于冠状动脉疾病(CAD)，跑步机心电图(ECG)是参考标准[1，2］．然而，与单独的运动心电图相比，使用压力心脏成像进行运动测试显著提高了CAD检测的诊断准确性[3.，4，5，6，7，8］．因此，应力成像现在是中等风险患者CAD诊断的首选调查，也是预测和决策的有用工具[9，10］．心血管磁共振(CMR)与其他成像方式相比，具有几个公认的优点，允许非侵入性综合多参数评估，几乎不受身体习惯的限制，没有电离辐射[11]，是双心室容积和功能评估的无创金标准[12，13］．药物应激CMR已被广泛应用于临床，在诊断方面优于单光子发射计算机断层扫描(MPS-SPECT)心肌灌注显像[14，15]和CAD的预后[16]，最近，与分流储备冠状动脉造影指导的CAD管理相比，主要不良心脏事件的血运重建发生率较低，非劣效性[17］．然而，正如应激超声心动图所示，药物应激比运动应激有更多的不良事件[18，19]、患者可能无法忍受的禁忌症及副作用[20.并且不会复制与体育锻炼相关的神经激素和血流动力学变化。因此，目前的指南建议，在可行的情况下，体育锻炼是应力成像的首选方法[21，22］．运动成像研究主要集中于CAD，然而运动测试是许多心脏疾病包括心脏瓣膜病的重要决策工具[23]和先天性心脏病[24］．

尽管CMR作为一种方式和体育锻炼建议的一线优势，但运动CMR (Ex-CMR)在临床上并没有广泛应用。局限性包括图像采集和质量困难，商用CMR兼容运动设备的费用[25]而且从技术上讲，运动测试比施加药物压力更难[26］．本文将重点介绍Ex-CMR作为一种技术的最新发展，其目前的用途和挑战，以及其潜在的未来应用和技术发展。

前CMR可在扫描仪孔外的CMR兼容相邻跑步机上进行[27或在CMR扫描仪中锻炼，最常见的是使用仰卧循环测功仪。在CMR环境下锻炼具有安全隐患，因为在发生心脏骤停时，患者需要迅速离开磁铁孔和扫描仪室，以促进复苏[28］．在与CMR相匹配的相邻跑步机上锻炼，使用Bruce方案跑步机测试，受益于12导联ECG监测的安全性，对于识别可能提示试验终止的ECG变化至关重要，但限制是需要快速转移到CMR等中心进行应激后成像。扫描仪前cmr克服了这一限制，因为运动可以在扫描仪孔中进行，在运动期间或短暂停止运动时进行成像。然而，在运动过程中进行CMR扫描会产生一些问题，包括身体和呼吸运动增加，产生伪影，ECG门控问题，并且不能用12导联ECG监测[29］．的确，在CMR扫描仪孔内精确的ST段监测是不可行的，因为磁流体力学效应扭曲了表面ECG [30.］．ECG门控问题可能发生在最大心率和运动期间。在最大心率时，可以通过停止运动后的实时成像来克服这一问题，如在跑步机Ex-CMR中所使用的[31]，或在最大仰卧自行车运动时进行无门控实时成像[29］．运动本身就会引起运动，这可能导致图像采集偏离最初计划的切片位置。通过在胸部和前线圈周围使用带子和咨询/训练患者可以减少大量运动。然而，细致的图像规划是必要的，以确保适当的应力切片本地化。短轴电影成像用于心室容量分析时，应在基底部和心尖部之外安排足够的切片，以考虑到运动。运动后/运动中重复左室(LV)和右室(RV)流出道视图，并立即进行自由呼吸成像，然后进行主动脉或肺动脉主动脉相位对比成像，以便重新规划在进行扫描仪运动时可能发生的运动。可进行呼吸导航以适应呼吸运动，并可通过使用容积肌描记图迹手动“门控”呼吸，在无门控实时CMR成像的情况下进行回顾性检查[29］．

使用不同的方法进行了大量的运动CMR研究，包括跑步机运动、仰卧循环测功仪或仰卧步进应力、在开放磁铁下的直立循环测功仪、等距握力运动(IHG)以及在电缆或非铁磁性重物的阻力下使用膝屈或膝伸进行俯卧运动。与运动超声心动图相似，Ex-CMR的应用范围超出了CAD，扩展到广泛的心脏疾病。每种锻炼方法都有其固有的优点和缺点1)．迄今为止，跑步机运动已被证明是最具临床效用的，是唯一经过验证的检测缺血的方法，然而，扫描仪仰卧周期测功仪运动在更广泛的心脏疾病中有许多出版物。每种练习方法都将被回顾，包括其优点、局限性、已发表的应用以及为克服执行Ex-CMR所述问题而发生的技术和成像序列的发展。

跑步机运动CMR

与跑步机压力超声心动图直接类似，进行跑步机Ex-CMR是为了达到所需的运动强度/目标心率(THR)。然后患者迅速转入CMR扫描仪进行应激后成像。跑步机前cmr已由在扫描仪室外运动发展而来[33]，以至研发与CMR兼容的跑步机，以便在扫描室内进行运动[34]并最终在CMR扫描仪附近进行[27(图。1)．对于缺血研究，这一进展缩短了从峰值应激到图像采集的“冷却期”，因为即使在进行应激超声心动图图像采集时延迟60-90秒，也证明了缺血区域壁异常的恢复，从而降低了缺血检测的敏感性[35，36］．大量运动超声心动图研究已经证明了峰值和后应激成像之间的差异，特别是表明峰值应激成像在检测缺血方面比后应激成像具有更高的灵敏度和准确性[35，37，38，39，40］．应力超声心动图的直接“面对面”比较表明，仰卧自行车超声心动图峰值应力在缺血检测方面优于应激后跑步机超声心动图[41］．因此，应激超声心动图指南建议应激后成像应在60秒内完成[26］．然而，由于CMR除了可以评估壁运动异常外，还可以通过评估心肌灌注来检测缺血，跑步机前CMR在运动停止后的时间敏感性可能不如跑步机超声心动图。在跑步机前cmr研究中，已经实现了不同的转移时间(表2) [27，31，33，34，42，43，44，45］．由于进展到与扫描仪相邻的CMR兼容跑步机，所有研究都表明扫描启动时间在30秒以内，如视频1所示(La Fountain等人除外，在该研究中，去除面罩评估氧气摄取延长了转移时间[44])及在60秒内完成电影成像[42，43，45］．

锻炼协议

目前的跑步机前cmr方案需要进行初始静息调查成像和LV电影成像。将患者从扫描仪孔中移出，进行仰卧位12导联心电图，然后转移到扫描仪相邻的CMR兼容跑步机进行初始站立式12导联心电图，随后进行症状受限的Bruce方案跑步机测试。在达到THR > 0.85 x(220岁)后，患者迅速转移到CMR扫描仪进行自由呼吸多平面电影成像。在应力灌注成像前注射0.1 mmol/kg钆造影剂，之后将CMR扫描台从磁铁孔中取出，允许恢复6-8分钟，并进行12导联心电图和血压监测。在静息灌注和晚期钆增强序列下完成成像[45］．该方案与图中腺苷/多巴酚丁胺药理学应激CMR成像进行比较。2［20.，45，46］．

在跑步机运动后使用的CMR成像序列已经开发出来，以加速获得和消除屏气。最初，回顾性门控序列与短屏气相结合，获得短轴电影成像，用于区域壁运动异常评估[33］．使用TSENSE或GRAPPA加速的实时平衡稳态自由进动(bSSFP)成像，允许进行短轴和长轴LV电影图像的自由呼吸采集，用于区域壁运动评估[31，34，42，44，45］．此外，在几项研究中，在电影图像采集后，使用饱和恢复混合梯度回波，回波平面成像[31，45］．

跑步机压力CMR比其他前CMR方式有几个好处(表1)．患者对跑步机运动的耐受性通常大于骑行，因为跑步机是一种更自然的运动形式[47]而有些病人无法进行循环[26］．与非负重运动相比，患者在跑步机上更容易达到> 85%年龄预测THR [41，48］．跑步机试验本身提供独立于影像学的诊断和预后信息[31，49，50，51]而在CMR扫描仪室内进行跑步机运动时，传统的最大摄氧量评估是可行的[44］．跑步机压力包括12导联心电图运动测试，与在CMR扫描仪内运动时进行的非诊断性ECG监测相比，即使在CMR相邻的跑步机上也可诊断[52］．这种监测对于评估ST段改变或心律失常至关重要，这可能是在缺血测试期间终止运动测试的绝对指示[53］．因此，跑步机前cmr可以说是评估CAD最安全的前cmr方法。跑步机前cmr有局限性。在许多运动强度下成像在逻辑上是困难的，压力后成像限制了心率下降前的可用时间，因此限制了应用于那些在几分钟内可以实现的成像。传输过程也会中断建议的运动后心电图观察期[53］．然而，虽然CMR应力灌注在健康受试者中使用仰卧循环测功仪是可行的[54]，跑步机前cmr是目前唯一证明在CAD患者的缺血检测中有用的前cmr方式，临床证据来自单中心和多中心研究[31，33，43，45］．

扫描式CMR

扫描式Ex-CMR可通过仰卧式循环或步进式运动计进行，在打开的磁铁中进行直立循环，俯卧位或使用等距手柄进行锻炼;每种方法见表1．扫描运动克服了跑步机Ex-CMR在运动停止和图像采集之间心率降低的主要限制。然而，运动中的成像确实有困难。运动必然引起运动，呼吸运动增加，体表心电图受到干扰，这些都随着工作量的增加而增加。使用背带或背带可以减少运动，但不能完全减少，特别是在高水平的运动中。屏住呼吸的图像可以在运动中进行，但在较高的运动强度下是非生理性的和困难的[29］．自由呼吸时的成像可引起明显的平面运动，使获得可靠的流量测量变得困难，尤其具有挑战性的是肺动脉干在分叉前的长度很短[55］．运动过程中的ECG干扰会产生带有门控图像的鬼影伪影，如前所述，在扫描仪运动过程中无法进行精确的12导联心电图监测和ST段分析[29，30.，52］．最后，仰卧运动比直立运动更难达到最大心率;压力超声心动图对跑步机和仰卧周期运动的比较充分证明了这一点[41，48，56，57］．一种解释是由于腿部疲劳而提前终止[41，53]，因此VO_2马克斯通常仰卧循环运动比跑步机运动低10-20%。尽管如此，来自压力超声心动图的证据表明，与压力后跑步机运动相比，在检测缺血方面具有同等或优势[41，48，56］．的确，仰卧测功时血压相对较高[41，48，57，58]，结果与跑步机运动相似，例如，与相同强度的直立姿势运动相比，仰卧姿势运动时的THR通常较低。尽管所述的进行扫描仪内运动CMR的困难，但已采用了技术，使用仰卧循环测功仪，这样就有可能在运动期间进行扫描仪内Ex-CMR至最大强度心率成像，以评估双心室功能或大血管流量[29，55]，但通常不是两者都有，因为在锻炼期间或锻炼后立即进行增量扫描的时间限制。

仰卧式测功运动CMR

首次发表使用CMR兼容循环测功仪是在1995年，使用0.5 T全身扫描仪测量主动脉流量的运动变化[59］．1998年，利用商业生产的循环功率计进行了研究，并使用了Lode BV MR兼容功率计(图2)。3.)在1.5 T CMR扫描仪上[60］．虽然大多数Ex-CMR循环测功仪研究使用该系统[29，54，55，60，61，62，63，64，65，66，67，68，69，70，71，72，73，74，75，76，77，78，79，80]，一些机构已经定制了CMR兼容的循环功率计[25，81，82］．其他方法包括仰卧CMR兼容的“步进式”测功仪，它利用了上下运动，如Lode BV上/下测功仪[83，84，85]， Ergospect心脏步进器[86]和定制的仰卧步进，如图所示。4［87］．使用步进系统的研究报告了减少上半身运动的好处，从而减少了运动人工效应，与循环ergmeter相比，腿部运动的限制更少。然而，上下运动比循环运动消耗的肌肉量少。因此，没有研究证明仰卧“步进式”测功仪Ex-CMR达到最大强度，而仰卧周期测功仪已经证明了这一点(视频2) [29］．

锻炼协议

仰卧循环测功仪Ex-CMR使用的锻炼方案因研究/调查的目的而异。图中给出了一个协议示例。5．运动阶段的数量根据目标的不同而不同。一个典型的方案通常包括一段时间的仰卧骑自行车，无阻力(0 W)在测力计上，以使患者习惯骑自行车的位置和建议的节奏。随后电阻逐步增加，例如每2分钟增加25w，直到达到THR。然而，对于运动员，建议更快地增加抵抗力。然后在特定的运动强度和心率下保持阻力。事实上，如果需要，可以对电阻进行微小的改变，以确保在扫描过程中严格控制心率。一旦THR维持60秒，CMR成像将开始。在完成指定的运动强度阶段后，“增加”阻力、成像前获得稳定的THR并在成像期间保持THR的过程在所需的每个运动阶段重复进行。

心室卷

循环测功仪Ex-CMR心室容积评估已从停止运动并屏气期间的成像进展[25，67，70，71，72，81]、运动时屏气[82，86]，停止运动后自由呼吸[54，64，66]，以便在持续运动中自由呼吸[29，83］．最初的研究利用涡轮场回声平面成像(EPI)和回顾性门控来获取运动期间双心室容积的短轴电影成像[67，70，71］．后续使用回顾性心电门控的研究使用了平衡稳态自由精度(bSSFP)序列[25，81，82，88，89］．最近，一项Ex-CMR研究使用3t扫描仪评估左室容积，类似地使用bSSFP序列获得4室和2室cine，通过Simpson的双平面方法计算左室功能[86］．

迄今为止，已发表的回顾性门控技术尚未在运动期间进行自由呼吸的图像采集;这是通过实时技术实现的。Lurz等人首次证明了连续运动时自由呼吸成像的可行性，评估了健康受试者的双心室容量和功能。径向k - t大在锻炼到次最大强度的患者中，SENSE实时序列显示出比标准供应商提供的实时序列更高的时间分辨率短轴电影图像[83］．最近，一个带有自动运动校正的重箱实时序列显示出类似的LV体积，但在Ex-CMR至中等强度期间，比传统实时技术提高了信噪比(SNR)和时间分辨率[90］．在Ex-CMR期间，实时成像可以实现自由呼吸，但是由于ECG需要回顾性重建图像，因此在最大运动强度时仍然存在门控问题。事实上，由于ECG干扰，图像无法重建，重新装箱研究中的患者被排除在外[90］．Le等人倾向于采用实时序列的运动停止，以克服ECG干扰，评估运动到疲劳的患者[66］．

La Gerche等人开发了一种无门控实时序列，在最大限度运动期间实现了可靠的双心室评估(图2)。6)．视频2演示了用这种技术在扫描仪中进行的练习和由此产生的电影成像。该技术利用专门的内部软件来补偿呼吸运动，克服了在高强度运动中使用比较器门控序列所遇到的过度ECG人工干扰的问题。该技术得到的心排血量与直接菲克法的结果非常吻合[29］．尽管这种方法的局限性是后处理时间较长，并且需要定制的内部分析软件将ECG和呼吸运动与图像同步，但它是迄今为止允许在最大运动期间精确定量双心室的唯一方法，并已用于许多临床研究[62，63，65，73，76，77，80］．

需要注意的是，对运动的生理反应会因运动类型(有氧/无氧/动力)和体位(直立/半仰卧/仰卧)而有所不同[53］．先前的非cmr运动研究已经发表了与左室舒张末期容积(EDV)对仰卧运动的反应相矛盾的文章，表明仰卧运动增加了[91]，减少[92]或没有显著变化[93，94，95]在EDV中锻炼。然而，最近一项关于仰卧位Ex-CMR期间左室功能的荟萃分析(涉及16项研究的汇总分析)表明，由于收缩末期容积(ESV)下降，运动后左室射血分数(EF)显著升高，而EDV保持不变[86］．

流收购

用于流量评估的前cmr研究开始于运动停止期间的成像，并已发展到持续运动期间的自由呼吸获取。前cmr研究主要评估主动脉和/或肺动脉的流量，然而，上腔静脉(SVC)、左右肺动脉和所有四条肺静脉的流量评估是可行的[96］．通过Ex-CMR评估下腔静脉(IVC)流量具有挑战性，因为运动时膈肌运动明显，然而，使用实时相位对比成像和一种新的呼吸代偿方案，可以通过评估胸壁运动准确评估呼吸周期[97］．1995年首次在0.5 T时进行前cmr流量评估，在停止运动后使用螺旋EPI并屏住呼吸，以证明降胸主动脉流量增加，图像分辨率低，心率相当于低运动强度[59］．采用更快的成像技术以减少屏气时间，允许在高强度运动停止后进行血流成像，最初在健康受试者中使用EPI [68]及随后患有先天性心脏病的病人[67，98］．

Niezen等人于1998年首次在低强度运动中使用回顾性门控相位对比速度编码进行运动期间自由呼吸的前cmr血流采集[60]，然后在中等强度的运动中[69，74]及运动停止后[96］．通过脉搏血氧测量的回顾性门控通常用于克服高强度运动时ECG门控假象[60，69］．

实时流成像技术已经在Ex-CMR中成功应用，辅助了事后分析，使用了开源软件的内部插件或内部开发的专业软件。Steeden等人在Lode BV (Up/Down)测功仪上进行轻度/中度运动时，使用灵敏度编码加速的螺旋相位对比实时序列(SENSE)获取主动脉流量，并使用径向KT SENSE序列评估左室容积。采用实时技术采集的主动脉流量在休息时与标准2D回顾性自由呼吸流量采集技术吻合良好，在休息时和运动时与左室容积的每搏量吻合良好[99］．同一研究小组随后在后续研究中使用傅立叶编码重叠部分，使用时间维度和灵敏度编码螺旋相位对比磁共振序列(unfold - sense)进行实时反混叠。最初，unfold - sense主动脉血流序列被用于CMR增强心肺运动试验(CMR- cpet)，以证明CMR- cpet在健康成人受试者中的可行性[84]，随后联合实时k-t SENSE短轴cpet对儿童健康对照组、修复法洛四联症(ToF)和肺动脉高压患者进行CMR-CPET [85］．作者强调了这种连续流量技术的局限性，即需要连续测量流量以确保在峰值运动时获得数据。这导致获得≤25,000帧的流图像，因此产生了重大的重建和后处理问题。因此，重建需要一个在线图形处理单元重建系统和内部的后期处理工具来处理大量的数据[85］．Aschenfeldt和Heiberg等人的研究同样使用了实时流量采集，但具有快速EPI和0.6的半扫描因子，并使用内部开发的专业软件进行分析。该技术允许在大量运动水平下获得主动脉和肺流量，并达到“真正的”次最大强度(> 85%年龄预测的最大心率)，已用于评估健康受试者和手术修复室间隔缺损(VSD)患者[55，61］．最近，对健康受试者和肺动脉高压患者在中等强度运动期间进行无门控实时双心室容积和主动脉、肺流量的测定，所得的流量与从双心室容积获得的卒中量相似[One hundred.］．

直立式循环测功仪

Cheng等人用0.5 T垂直开膛扫描仪证明了评估成人和儿童中等强度连续运动期间肺动脉流量的可行性[101］．虽然直立骑行可能比仰卧运动更耐受性，但它需要使用开放式低场CMR扫描仪，具有缓解幽闭恐怖症的好处，但固有的低信噪比问题。CMR在较低场强下是可行的[102]，然而，尽管这种扫描仪在商业上可以买到，但它们并不是主流使用，因此很少有前cmr研究使用这种方式。

等距握把应力CMR

等距运动是指骨骼肌在不拉伸的情况下收缩，因此亦称为静态运动[103］．这在通过IHG或等长二头肌运动进行CMR时是可行的[104］．IHG训练包括不断挤压手动测功机上的杠杆，通常是受试者最大力量的一个百分比。这项技术只允许心率适度增加，通常比静息率高10-20次/分钟，但引起的运动很少。因此，该技术主要用于CMR光谱(MRS)或冠状动脉血流成像，其中最小的运动人工干扰是关键的，最小的心率增加是可以接受的。Weiss等人使用IHG-Ex CMR进行了开创性的工作，开发了³¹P CMR光谱(CMRS)压力测试，可以显著地检测到CAD患者的缺血，尽管压力很小，心率增加[105］．

俯卧运动CMR

Conway等人首先采用俯卧前cmr，他们使用膝关节伸展和定制的肩带、电缆、滑轮和重物系统进行前cmr研究[106］．许多后续的前cmr研究同样使用俯卧前cmr进行膝关节屈曲和踝关节负重[107，108，109］．通过这种方法，中低强度运动是可行的，Conway等人定制的膝关节伸展系统反应最显著，平均应激心率为119 bpm。这种技术有其他固有的局限性;俯卧运动是一种不自然的运动形式，它使用重物或阻力带绑在腿上，增加阻力可能是劳动密集型的，需要在运动/扫描或停止运动期间进行改变。倾向型前cmr通常需要节拍器的听觉提示来确定工作速度，但如果不严格遵守这一点，那么确切的工作量就不得而知了。因此，只有Conway等人通过增加滑轮系统的附加重量来增加阻力。因此，倾向前cmr不适合评估运动强度的增量水平或需要严格的心率增加或水平。

前cmr已被用于研究广泛的心血管病理，从CAD到潜在的心肌病和结构性/先天性心脏病。以下概述了所调查的更常见的疾病领域。

冠状动脉疾病

许多研究用Ex-CMR评估了区域壁运动和/或心肌灌注，所有研究都利用平板运动和应激后成像来实现这一点(表3.) [27，31，33，34，42，44，45］．仰卧周期测功仪心肌应力灌注在健康受试者中已被证明是可行的[54]但尚未被用于评估CAD患者。最初的跑步机研究评估了27例采用跑步机应激CMR进行冠状动脉造影的患者，结果表明，在检测狭窄方面，跑步机应激CMR的敏感性和特异性分别为79%和85%(>为70%)[33］．俄亥俄州立大学的研究小组开发了一种CMR兼容跑步机。34]并将其用于EXACT试验[45］．EXACT试验(运动CMR对心血管压力测试的准确性)是一项多中心前瞻性观察研究。四个参与中心招募了210名临床转诊进行跑步机放射性核素单光子发射计算机断层扫描(SPECT)的患者，并直接将其与跑步机应激CMR进行比较。病人休息了一下^99米Tc SPECT静息扫描，CMR静息成像。然后进行室内跑步机压力测试^99米在峰值应力下注入Tc示踪剂。然后患者迅速转移到CMR扫描仪进行CMR应力图像，包括电影和心肌灌注成像。随后在邻近的伽玛照相机中进行应力SPECT图像。所有图像都是在同一天从相同的跑步机压力中获得的。94例患者进行了冠状动脉造影(x线或CT冠状动脉造影)。这项多中心试验表明，在冠状动脉造影中，Ex-CMR比运动SPECT在识别> 70%方面具有优势。Ex-CMR的敏感性、特异性、阳性和阴性预测值分别为78.6、98.7、91.7和96.3%，而运动SPECT的敏感性、特异性、阳性和阴性预测值分别为50、93.7、58.3和91.5%。EXACT试验是第一个，也是迄今为止唯一的多中心Ex-CMR试验，并证明了跑步机Ex-CMR在CAD中的诊断能力和临床应用。最近完成并正在审查的多中心精确成本试验评估了跑步机前cmr的初始和下游成本，该试验将患者随机分为跑步机应激SPECT组或跑步机前cmr组。在一项涉及28例患者的初步研究中，跑步机Ex-CMR与运动超声心动图有相似的比较，Ex-CMR显示比运动回波能充分显示更多的心肌段[42］．除了CAD诊断外，跑步机应激Ex-CMR在预测已知或疑似CAD患者的不良事件方面具有潜在的预后效用。在一项对115例有应激成像指征的患者的研究中，通过Ex-CMR评估休息时和跑步机应激后壁运动异常。与单独运动心电图相比，在跑步机上出现应激诱导的区域壁运动异常Ex-CMR能更好地识别那些有未来事件(死亡、心肌梗死和不稳定性心绞痛促使入院)风险的患者[43］．

最近的一项仰卧周期Ex-CMR可行性研究表明，运动后T1映射可以作为检测心肌血流的替代标记。在14例CAD患者中，运动后T1反应性与MPS-SPECT心肌灌注缺损的严重程度相关。因此，Ex-CMR T1测图显示出检测心肌缺血的潜力[110］．

使用IHG应激的前CMR研究可以通过速度编码CMR评估冠状动脉横截面积变化和冠状动脉流量，从而重复评估冠状动脉内皮功能[111］．研究表明，冠心病的内皮功能障碍表现为运动引起的矛盾血管收缩[112]，评估了该技术的重现性[113]并表明健康冠状动脉的正常血管舒张反应是由一氧化氮介导的[114］．仰卧自行车运动后的冠状动脉血流评估也是可行的，与侵入性措施有很好的相关性[115]，并已用于在一项随机双盲交叉试验中证明，激素替代疗法和高剂量他汀类药物可增加无冠心病的绝经后患者的冠状动脉血流[116］．因此，Ex-CMR可能在研究低风险人群CAD发病机制的研究中发挥作用。

运动性心脏病

前cmr研究有望提供一种额外的工具来区分运动心脏适应与心肌病，并对耐力运动员与RV心律失常进行风险分层。14名耐力运动员在150公里自行车比赛后的前cmr达到最大强度，表明先前在耐力运动中表现出的急性右心室扩张和右心室射血分数(RVEF)在进一步的运动中恶化，而不是混杂的比赛后变量(如后负荷增加和自主激活)的结果[75］．使用Ex-CMR，尽管右心室静息功能正常，但患有右心室心律失常的耐力运动员在运动中比没有右心室心律失常的运动员和健康对照组表现出更多的右心室功能障碍[65］．在运动心脏与心肌病的鉴别方面，当10名健康耐力运动员与9名心外膜下纤维化耐力运动员和5名扩张型心肌病患者进行比较时，他们在运动过程中左室射血分数(LVEF)明显增加14±3%，分别高于4±3%和5±6%。患有心外膜下纤维化的耐力运动员与健康的耐力运动员具有相似的静息血流动力学和运动能力，这表明前cmr可能有助于区分健康的耐力运动员与纤维化的耐力运动员[63］．

先天性心脏病

CMR在评估先天性心脏病，特别是复杂病变和右心病变方面比其他非侵入性成像方式有显著的好处。这些益处已与仰卧测功仪Ex-CMR一起用于评估在各种条件下运动的生理反应(表2)4)．

尽管静息双心室功能正常，但与健康对照组相比，既往进行大动脉转位心房矫正(TGA)的患者在Ex-CMR上EF和卒中容量(SV)几乎没有增加或没有增加。这些患者右心室对运动的异常反应与运动不耐受相关[71］．随后的一项比较Ex-CMR和多巴酚丁胺应激CMR之间血流动力学反应的研究也表明，在经心房矫正的TGA患者中，运动时SV和EF没有增加，但对照组和两组在多巴酚丁胺应激CMR期间SV和EF显著增加。这项研究表明，这两种应激技术在这组患者中不能互换使用，并再次确认了心房矫正TGA患者的异常运动反应。多巴酚丁胺和运动之间应激反应的差异可能是由于对前负荷和后负荷的不同影响，并且可能存在于其他心脏病过程中。因此，在解释不同的方法时，必须考虑到压力源的类型[67］．随后的一项Ex-CMR研究表明，在Ex-CMR期间，心房校正TGA和先天性校正TGA (CC-TGA)患者之间存在不同的心脏反应，这表明在对全体性RV (s-RV)患者进行汇总分析时需要谨慎。静息时，心房矫正TGA患者整体周向应变显著升高，但整体纵向应变、s-RVEDVi和射血分数相似。CC-TGA患者中隔间质扩张更为明显。在Ex-CMR中，与CC-TGA患者的s-RVEDVi不变和RV SV增大相比，心房校正TGA患者在运动中表现出s-RVEDVi和RV SV恶化[80］．

前cmr在证实方坦循环患者运动不耐受的原因方面很重要。Pedersen等人使用仰卧自行车Ex-CMR研究了全腔肺连接(TCPC)患者，这是一种姑息性Fontan型手术。休息时，小左肺血流量较低。运动时流量随全身静脉回流成比例增加，下腔静脉流量增加一倍，下腔静脉流量略有增加。与早期静息研究相反，运动时肺的流量分配比例没有变化，早期静息研究显示下腔静脉流量优先流入左肺动脉(LPA)， SVC流量优先流入右肺动脉(RPA) [122，123］．研究得出结论，肺血管阻力，而不是吻合口的几何形状，是影响运动流量分布的主要因素，从而导致运动不耐受[98］．这一论断在10名Fontan患者的Ex-CMR研究中得到了进一步证实，该研究在西地那非前后，通过同时测量有侵袭性桡动脉和肺动脉压力来评估休息和运动系统容量。西地那非改善运动时的心脏指数，降低总肺阻力指数，增加卒中容量指数[78］．Fontan循环理论中的“呼吸泵”已在10例Fontan患者中得到证实，这些患者在前cmr期间持续表现出吸气时心室充盈增加。这可能为该患者组的呼吸肌训练提供了理论依据[79］．随后，Wei等研究了TCPC解剖结构中不同呼吸影响对血流的意义，通过实时相位对比成像评估屏气、自由呼吸和运动条件下的SVC、IVC、升主动脉和降主动脉血流。研究表明，虽然呼吸影响下腔静脉和SVC波形，但对平均流量没有显著影响。因此，该研究验证了使用屏气图像对TCPC解剖患者的常规平均流量评估的有效性，该图像受益于较少的图像伪影。此外，该研究还证明了下腔静脉和降主动脉之间的平均流量是可互换的，证明了在TCPC解剖患者中，由于膈肌运动，在运动中难以评估下腔静脉流量时，使用降主动脉流量作为下腔静脉流量的替代品是合理的[97］．Khiabani等人在对30例Fontan循环患者进行Ex-CMR研究时，证明了TCPC解剖结构中运动表现与动力损失的相关性。通过计算流体动力学模拟对体内TCPC解剖结构和获得的流量进行功率损失计算，证明随着运动期间心输出量的增加，功率损失呈指数级增加[119］．随后的一项Ex-CMR研究表明，说明TCPC血管狭窄的TCPC直径指数与Ex-CMR期间的功率损失与通气无氧阈值呈负相关，从而表明减少血管狭窄和提高功率损失可以改善TCPC患者的运动能力和生活质量[120］．最近的一项Ex-CMR研究调查了Fontan患者经常出现的心率储备减少，并证明这可能是一种继发性现象，而不是由于窦房结功能障碍。与20名健康对照组相比，10名Fontan患者表现出对运动的变时性反应增加，但心排血量出现早期平台，这是由心室充盈和搏量过早减少引起的。因此，这项Ex-CMR研究确定，Fontan患者中观察到的心率储备减少是心脏充盈异常的结果，而不是窦房结功能障碍导致的变时功能不全[77］．

既往手术修复室间隔缺损的患者通常功能能力下降，常表现为静息性升主动脉逆行血流。最近的一项前cmr研究表明，在次最大强度运动的年轻人中，心脏指数会下降。这是继发于先前未被发现的运动导致逆行肺流量增加以及先前证实的时变性功能不全[61］．

前cmr已被证明在两个成人的修复ToF中是可行的[121]和儿童[85］．Roest等人对修复的ToF患者进行的精液Ex-CMR研究表明，与对照组相比，RV对运动的反应异常，但肺反流减少[117］．最近的一项研究表明，与健康受试者相比，修复ToF患者在前cmr中双心室收缩储备和主动脉扩张能力降低，这可能是主动脉刚性增加的早期迹象[121］．

一项Ex-CMR研究评估了异源性先天性肺返流或肺狭窄患者经皮肺动脉瓣植入(PPVI)的运动双心室反应，表明PPVI可导致肺狭窄患者RVEF运动储备的恢复，但肺返流患者PPVI后运动SV仅轻度增加[118］．

肺动脉高压

与健康受试者相比，特发性PAH患者在前cmr中表现出右心室功能恶化和双心室卒中容量未增加[64］．最近的一项研究发现，健康对照组和多环芳烃患者之间存在类似的差异，但此外，当健康对照组在与短暂性急性肺动脉高压相关的缺氧(呼吸12%的氧气)期间运动时，会导致右心室收缩储备下降，但不如多环芳烃患者在常氧状态下运动时明显[One hundred.］．特发性PAH患者运动时肺动脉压进一步升高可能是右心室收缩储备功能恶化的原因;15例慢性血栓栓塞性肺动脉高压(CTEPH)患者、7例肺内膜切除术(PEA)患者和14例健康对照的Ex-CMR研究证实了这一点。尽管PEA后的静息RVEF和平均肺动脉压正常，但在CTEPH组中，RVEF和肺顺应性随运动而降低。这与健康受试者相反，他们的RVEF随着运动而增加，肺顺应性仅轻微下降。在pea后组用西地那非治疗没有改变静息RVEF或血流动力学，但显著降低运动平均肺动脉压和增加运动RVEF。因此，这项Ex-CMR研究表明，pea后患者表现出异常的肺血管储备，西地那非可部分逆转[76］．

糖尿病

糖尿病前cmr研究表明，与非糖尿病对照组相比，患有1型糖尿病(T1DM)的青少年运动能力、静息和运动左室卒中量(与血糖控制相关)降低[88］．与不运动的T1DM对照组相比，同一组进行定期高强度运动20周的T1DM青少年的LVEF有所改善，但未恢复正常，这表明定期高强度运动可部分逆转舒张功能障碍[89］．与肥胖的非糖尿病患者和对照组相比，青少年2型糖尿病(T2DM)患者在运动过程中心功能受损也有相似的表现[81］．与T1DM的研究相似，T2DM青少年在休息和运动时表现出较小的左室SV、EDV和ESV, EF的增加也小于非糖尿病对照组。因此，所有3项研究都表明，与非糖尿病对照组相比，青少年糖尿病患者(无论是T1DM还是T2DM)在运动期间心脏储备能力下降[81，88，89］．

瓣膜疾病

对主动脉反流(AR)的前CMR研究表明，在“稳态次最大运动”CMR中，儿童和成人的孤立性AR减少，这相当于在定制设备上进行长时间的轻度扫描运动[124］．Roberts等人在一项交叉研究中评估了美托洛尔和氯沙坦对慢性AR患者仰卧运动后运动血流动力学的短期影响，结果显示与氯沙坦的Ex-CMR相比，美托洛尔有更低的心率、更大的AR反流分数、更低的主动脉扩张性和更大的左室EDV和ESV指数[125］．

磷cmr (³¹P-CMRS是一种非侵入性评估心肌磷酸肌酸与三磷酸腺苷(ATP)浓度比(PCr/ATP)的方法，是心肌能量状态的敏感指标。大量的锻炼³¹已经进行了P-CMRS研究。由于最低限度的运动是必不可少的，大多数研究采用IHG或俯卧运动。虽然仰卧循环运动的可行性³¹P-CMRS于1994年在健康受试者中得到证实，但该技术此后一直未发展到心脏病的评估[126］．

等距握把³¹P-CMRS

Weiss等人对运动CMRS进行了初步研究，开发了³¹对冠心病、非缺血性心脏病患者和健康对照组在等距握力运动前、中、后进行CMRS压力测试。研究表明，左冠状动脉前降支(LAD)或左冠状动脉主干狭窄为> 70%的患者在运动过程中区域PCr/ATP比值下降，而健康对照组和非缺血性心脏病患者没有变化。在停止运动2分钟后，降低的PCr/ATP比值得到改善，并且在随后进行血运重建的患者中没有复发[105］．Yabe等人进一步验证了该技术是一种敏感的检测心肌缺血的可逆缺陷的方法²⁰¹T1 mps-spect [127]，随后被用于证明心脏移植患者运动时PCr/ATP比值降低[128]和恰加斯心脏病患者[129］．

容易锻炼³¹P-CMRS

容易锻炼³¹P-CMRS已用于调查T2DM患者和肥厚性心肌病(HCM)患者。休息³¹P-CMRS研究表明，在功能正常的T2DM患者中，通过降低PCr/ATP比值来降低能量代谢[130］．Levelt等人的一项研究采用俯卧屈膝运动来进行压力测试³¹p -CMR和腺苷应激CMR评估心肌灌注和氧合。T2DM患者表现出较低的静息PCr/ATP比值，与对照组相比，随着运动进一步降低，心肌灌注和氧合下降。运动时心肌灌注、氧合和PCr/ATP比值的相关性提示冠脉微血管功能障碍加重了运动时心脏能量变化[109］．

Dass等人使用俯卧屈膝运动压力来进行³¹p -CMR和腺苷应激CMR用于评估HCM患者和健康对照组的心肌灌注和峰值充盈率。与对照组相比，HCM患者表现出较低的静息PCr/ATP比值，随运动进一步降低，峰值填充率随运动降低，但心肌灌注无变化。在HCM组中，PCr/ATP比值和峰值充盈率在休息和运动时具有很强的相关性，这表明HCM患者心脏能量异常是运动诱导舒张功能障碍的关键中介因素，常见于该疾病[108］．

在这篇综述中，介绍了所有可用的/以前研究过的Ex-CMR方法，每种方法都有优点和缺点，如表所示1．迄今为止，在多中心EXACT试验中，跑步机Ex-CMR已显示出最大的临床效用，在CAD中显示出卓越的诊断价值，优于运动SPECT [45］．此外，对于疑似CAD患者来说，跑步机前cmr可以说是最安全的前cmr技术，因为在12导联心电图监测下进行运动，这在扫描仪方法中是不可行的。因此，目前跑步机Ex-CMR无疑是诊断CAD和评估缺血的首选Ex-CMR方法。比较跑步机Ex-CMR和药物应激CMR的研究，以腺苷/再腺苷子应激灌注或多巴酚丁胺应激cine CMR的形式进行。跑步机前cmr也受益于同时进行布鲁斯方案跑步机试验，这提供了额外的预后和诊断信息。然而，如图所示。2在美国，平均的跑步机前CMR测试可能比药物应激CMR花费更长的时间，并且需要额外的专业设备和技术人员培训。如前所述，扫描仪前CMR允许在连续运动的多个阶段进行CMR成像。因此，仰卧单车前cmr最适合用于研究非cad患者的双心室反应和/或血流变化。随着进一步的发展，在运动中进行双心室容积、主动脉和肺流量评估的能力将允许对主动脉和肺动脉流量进行准确的直接量化，并间接评估二尖瓣反流和三尖瓣反流。考虑到静息CMR量化瓣膜反流已证明优于TTE的重现性和预后价值[131，132，133]而压力超声心动图的异常反应可提示对无症状瓣膜疾病的干预[134]， Ex-CMR可能成为评估瓣膜性和先天性心脏病的重要临床工具。然而，市售的CMR兼容仰卧循环测功仪价格昂贵，因此，希望进行前CMR研究的机构，在其中不需要达到最大心率，可以选择创建一个定制的设备或使用更便宜的替代品，如脚踝负重或阻力带俯卧锻炼。的确，等距握法可能更适合于进行运动CMRS，因为它产生最小的运动伪影，并且达到适度的心率增加足以检测许多心脏疾病的变化。

Ex-CMR的潜在临床应用是相当大的，但还需要进一步的技术发展和多中心试验来证明Ex-CMR的临床应用。由于跑步机前cmr提供了更安全的监测，并且能够在多个运动阶段使用扫描仪前cmr评估双心室容积，因此前cmr可能会分为跑步机前cmr作为CAD的调查，而扫描仪内前cmr用于非CAD适应症。最近完成的多中心EXACT-COST试验，如果有利的话，可能有助于跑步机前cmr在CAD诊断和评估中获得更大的临床应用。扫描前CMR可以受益于新的更快的成像技术，进一步减少扫描和练习时间，充分利用CMR提供的多参数优势。成像技术的发展是提高可达性的另一个重要需求，该技术允许在连续运动期间进行体积和流量评估，并可以在商业软件上进行及时分析。4D流最近成为一种有价值的研究工具[135］．其在Ex-CMR中的应用最近以抽象形式展示了早产儿右心功能低下[136］．如果在连续运动中可行且可重复，则可以在运动中进行全面的容量和流量评估。显然，需要对这些新兴技术进行进一步的研究，以进一步提高Ex-CMR的能力，但随着技术的进一步进步，Ex-CMR可能会彻底改变压力CMR。

Ex-CMR提供了将CMR优越的成像质量与首选的运动应激生理方法相结合的潜力。有许多运动选择，包括CMR扫描仪毗邻跑步机或扫描仪内运动与仰卧循环运动计或步进，俯卧运动或IHG运动。使用无门控实时成像的仰卧循环测功仪进行最大强度扫描运动成像是可行的。需要进一步改进采集技术，缩短扫描时间，以便在运动过程中进行全面的多参数评估，如果可行，这将彻底改变压力CMR。

所有文献综述均可通过PubMed或谷歌Scholar在线搜索获得。本综述中唯一的摘要位于个别期刊的网站上。

基于“增大化现实”技术:

主动脉瓣返流

ATP:

三磷酸腺苷

BH:

呼吸举行

BPM:

每分钟节拍

bSSFP:

平衡稳态自由精度

计算机辅助设计:

冠状动脉疾病

CC-TGA:

先天性大动脉转位

CMR:

心血管磁共振

cmr:

心血管磁共振波谱学

CPET:

心肺运动试验

CTEPH:

慢性血栓栓塞性肺动脉高压

心电图:

心电图

产品类别:

舒张末期容积

英孚:

射血分数

EPI:

回波平面成像

ESV:

收缩期结束容积

Ex-CMR:

运动心血管磁共振

弗拉维奥-布里亚托利:

自由的呼吸

格拉巴酒:

广义自动校准部分并行采集

HCM:

肥厚性心肌病

HRmax:

最大心率

洲际酒店:

等距握把

i-PAH:

特发性肺动脉高压

玛莉:

集成并行成像

印度河流域文明:

下腔静脉

摘要:

左肺动脉

LV:

左心室/左心室

LVEF:

左心室射血分数

LVSV:

左室搏量

MPS-SPECT:

心肌灌注闪烁单光子发射计算机断层扫描

MR-CPET:

磁共振心肺运动试验

解决:

二尖瓣修复

解决:

二尖瓣置换术

NYHA:

纽约心脏协会

多环芳烃:

肺动脉高压

PCMRS:

磷心血管磁共振波谱

聚合酶链反应:

Phosphocreatinine

豌豆:

肺endartectomy

PPVI:

经皮肺动脉瓣植入术

战:

右肺动脉

房车:

右心室/右心室

RVEF:

右心室射血分数

RVSV:

右心室搏量

s-RV:

全身右心室

意义:

敏感性编码

SV:

中风的体积

SVC:

上腔静脉

师:

特斯拉

T1DM:

1型糖尿病

2型糖尿病:

2型糖尿病

TCPC:

全心肺连接

TGA:

大动脉转位

刺:

目标心率

ToF:

法洛四联症

TTE:

经胸廓的超声心动图

最大摄氧量:

最大耗氧量

房间隔缺损:

室间隔缺损

不适用。

这篇文献综述没有具体的资金来源。Connie Tsao资助细节:NIH R03HL145195。奥兰多·西蒙尼蒂(Orlando Simonetti)通过他的机构获得了西门子Healthineers和心肌解决方案(Myocardial Solutions)的研究资助。其余的共同作者都没有资金来源可以披露。

作者及隶属关系

1. 利兹心血管和代谢医学研究所，利兹大学，利兹，英国

   托马斯·p·克雷文和约翰·p·格林伍德

2. 贝斯以色列女执事医疗中心心血管科，330 Brookline Ave, RW-453，马萨诸塞州波士顿，02215，美国

   Connie W.曹

3. 临床研究领域，贝克心脏和糖尿病研究所，墨尔本，澳大利亚

   安德烈·拉·热什

4. 澳大利亚菲茨罗伊圣文森特医院国家运动心脏病学中心

   安德烈·拉·热什

5. 美国俄亥俄州哥伦布市俄亥俄州立大学

   奥兰多·p·西蒙内蒂

贡献

由TPC主导设计，进行文献检索并起草手稿。CT、AG、OS、JPG对稿件进行审核和修改;而JPG则有助于构思，提供智力输入并批准最终版本的手稿。

相应的作者

对应到托马斯·p·克雷文．

伦理批准并同意参与

不适用。

发表同意书

涉及这些图像和视频的所有人都已对出版表示知情同意。

相互竞争的利益

不适用。

出版商的注意

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