王鹤王成彦课题组发表基于心脏磁共振成像的表型研究的标准探讨成果

　　

近日，《表型组学》(Phenomics)在线发表了复旦大学王鹤和王成彦课题组题为Recommendation for Cardiac Magnetic Resonance Imaging-based Phenotypic Study: Imaging Part的综述文章。该综述梳理了目前临床上多版心脏磁共振成像(Cardiac magnetic resonance，CMR)扫描共识，并参考UK Biobank和本中心的队列研究经验，从结构表型、功能表型、组织特征、血流动力学和分子代谢表型层面提出了一套针对心脏影像表型的标准化提取方案。

心脏磁共振成像以其无辐射、高对比度和高重复度等特点成为心血管疾病首选的无创评估手段，已被广泛应用于病因诊断、疗效评估和预后预测等各个方面。心脏磁共振成像可以一站式评价心血管的解剖、功能、心肌灌注和病变的组织特性，而准确、可重复的表型测量对于队列研究的开展是至关重要的。

图一 心脏成像视图选择举例

目前，已有的心脏扫描共识主要针对的是心血管疾病的临床诊断，并不完全适用于生命科学领域的研究。而面向大型队列的表型组学研究，还具有以下三个特点：1)以人群研究为目标，入组对象通常为志愿者，以非对比剂增强的扫描方案为佳;2)强调影像的定量化，对表型参数的定量准确性和重复性要求较高;3)对扫描时间和内容的需求弹性较大，需要提供多样化的方案供选择。

图二 带有时间分辨率的三维相位对比磁共振成像(4D-flow imaging)举例

本文列举了一些常用的心脏磁共振成像技术和基于现有心脏磁共振成像方案的现成的心脏表型。由于心脏功能的复杂性，以及提取标准化的表型，和标准化的心脏磁共振成像，课题组将常用的心脏磁共振成像衍生表型(CMR Derived Phenotypes)分为了以下五种类型：1)形态表型(Morphological Phenotypes)、2)功能表型(Functional Phenotypes)、3)组织特征表型(Tissue Characteristics Phenotypes)、4)血流动力学表型(Hemodynamic Phenotypes)、5)代谢表型(Metabolic Phenotypes)。

图三 磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)举例和人类胎心在不同发育时间的肌纤维结构

本文综合了多版心脏磁共振扫描共识以及队列研究的特点，从影像表型采集时间、稳定性和可重复性等角度建立了一套标准的技术方案，以期为研究心血管疾病危险因素和发现早期生物标志物提供重要的研究手段。

人类表型组计划是继人类基因组计划(HGP)之后的一个大型项目，面临着比HGP更大的挑战，人类表型组学研究还具有多尺度、多维度、高异质性的特点。尽管这一研究工作的挑战是巨大的，但其潜在的收获也将是无穷的。心脏磁共振成像可为心血管的结构、功能和组织特征信息提供一站式评估，并为队列研究提供更多可重复的表型。鉴于心脏磁共振成像定量表征的多样性和差异性，需要对这些图像处理和解释进行标准化，以确保心脏磁共振成像研究的质量一致性和可重复性。

可以预见的是，随着心脏磁共振成像技术的发展，心脏表型数量将不断增加。然而，心脏成像仍存在诸多技术层面的挑战，比如，如何处理权衡新技术和标准化扫描、如何减少操作流程之间的不一致，以及如何让成像和分析过程自动化等。

采访答疑

• 针对心脏影像表型的标准化提取方案，能否再稍微详细地介绍一下呢?比如，如何界定这个“标准”?

标准包含标准化扫描方案和参数，标准化影像质控和矫正，以及标准化标注和表型提取。我们通过综合多个版本的扫描共识并考量精准表型测量的需求，提供了一整套合适的心脏表型提取方案。

在该方案下，可有效提取心脏影像表型超过1000条。同时，我们提供了可满足不同实验条件的扫描方案，这些弹性且标准的方案更能满足科研需求。

• 这套标准化提取方案对疾病诊断的速度和准确率以及对大型队列的人类表型组学研究有什么作用?

临床医学影像多用于定性诊断，现有的临床扫描方案主要关注疾病类型和对比度，而本论文提出的标准化方案面向的是队列研究中的表型参数提取，强调定量的准确性和可重复性，不能取代临床诊断决策。

本方案首次从结构表型、功能表型、组织特征、血流动力学和分子代谢表型五个层次重新归类了扫描方案，将为人类表型组学研究提供大量的影像学表征。

• 能否简要介绍下您借鉴了UK Biobank的哪些方面?本研究有哪些优势和不足?

本论文借鉴了UK Biobank在1.5T磁场强度下扫描方案中的部分结构、功能和组织定量成像参数，并将该方案扩充至同时适应1.5T和3.0T设备。

在成像模态和表型特征方面，本论文提供的解决方案可以在有限的扫描时间内获取更多的参数指标，尤其是4D flow成像、波谱成像和DTI成像等影像模态在UK Biobank并未涉及，我们通过综述其它多篇文章进行了扩充。

复旦大学青年副研究员王成彦为该论文的第一作者，王鹤教授为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、上海市科技重大专项人类表型组计划项目和上海市青年科技英才扬帆计划的资助。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-021-00018-x

论文作者简介

王鹤，博士生导师，1998-2007年华东师范大学本硕博，获得无线电物理专业博士以后留校任讲师;2008年在美国Emory大学从事博士后研究;2009-2013年在通用电气(GE)任磁共振科学家;2013-2016年在飞利浦亚洲研究院任高级研究员;2016年作为青年研究员加入复旦大学，并任复旦大学张江国际脑影像中心执行主任。

主要研究方向：磁共振成像技术与重建方法、脑影像分析处理、人工智能在医学影像中的应用和计算机辅助诊断软件。

王成彦，复旦大学人类表型组研究院青年副研究员，硕士生导师。长期从事磁共振成像序列研发、图像重建、深度学习和影像组学等方面的研究。在JCBFM、MRM、JMRI、MRI、NMR in Medicine等杂志发表论文30余篇，现承担国家自然科学基金青年项目和上海市青年科技英才扬帆计划项目。

目前课题组的研究方向包括：1)心脏高分辨率组织定量成像及其临床应用;2)基于深度学习的高分辨率图像重建和伪影矫正;3)心脏弥散张量成像。