外周動(dòng)脈非增強(qiáng)MR血管成像的研究現(xiàn)狀

劉 新

非增強(qiáng)MR血管成像(non-contrast-enhanced MR angiography, NCE-MRA)近期已成為MRA領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]，推動(dòng)NCE-MRA研究的主要原因是MR對比劑在腎功能不全患者的使用開始受到限制。過去認(rèn)為MR含釓類對比劑的副作用很小，對人體不構(gòu)成威脅。但近期大量的研究資料表明，這類對比劑對腎功能有潛在的損害，尤其是腎功能不全的患者可引起一種致命的并發(fā)癥，稱為腎源性系統(tǒng)纖維化(nephrogenic systemic fibrosis, NSF)，其發(fā)生率為4.0%～22.3%[2-4]。該病已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，美國食品藥品管理局(FDA)在2006年6月頒布一項(xiàng)有關(guān)使用含釓對比劑的指南，明確要求腎小球?yàn)V過率在正常值(60 ml/min)以下時(shí)禁止使用該類對比劑。該指南還警告要進(jìn)行肝移植或剛剛完成肝移植的患者或有慢性肝病的患者，如果他們存在任何程度的腎功能不全也會(huì)發(fā)生腎源性系統(tǒng)纖維化。這個(gè)限制對外周血管疾病的患者顯得更為突出，由于周圍動(dòng)脈閉塞性疾病主要是由動(dòng)脈粥樣硬化或糖尿病所致，而這類患者往往合并有腎動(dòng)脈狹窄以及腎功能損害，他們因此而失去了外周動(dòng)脈造影檢查的機(jī)會(huì)。

對于外周血管成像，除了對比劑的潛在危害，增強(qiáng)MRA本身在技術(shù)上還有一定的局限性，尤其是下肢及手部和足部的動(dòng)脈成像，常常會(huì)出現(xiàn)明顯的靜脈污染。盡管一些新的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)血管成像技術(shù)的應(yīng)用，例如西門子的Twist和GE公司的Tricks等可以顯著減少靜脈顯影的機(jī)會(huì)，但較低的空間分辨率仍然限制了細(xì)小血管病變的診斷。

因此，發(fā)展一項(xiàng)有效的外周血管非增強(qiáng)成像技術(shù)，作為增強(qiáng)MRA的補(bǔ)充手段，并將其應(yīng)用于一些特殊的患者(腎功能不全或其他原因不能使用MR對比劑的患者)和特殊的部位(四肢遠(yuǎn)端的血管)，具有重要臨床意義和巨大應(yīng)用潛力。

目前，非增強(qiáng)MRA的研究主要是基于1.5 T MR系統(tǒng)。非增強(qiáng)MRA主要有兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，一是如何消除靜脈和其他軟組織的背景；二是如何獲取穩(wěn)定和高信噪比的動(dòng)脈圖像。筆者從以上兩個(gè)方面對外周血管非增強(qiáng)MRA技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 靜脈和其他軟組織背景的消除

對于非增強(qiáng)MRA技術(shù)而言，消除靜脈和其他軟組織背景的方法主要有兩種，一是利用動(dòng)脈血液的流入增強(qiáng)效應(yīng)來消除靜脈和其他軟組織的信號(hào)。傳統(tǒng)的時(shí)間飛躍法(time-of-flight,TOF)是這種方法的典型代表。成像容積或?qū)用鎯?nèi)的靜止組織受到短TR梯度回波的反復(fù)激發(fā)產(chǎn)生飽和形成低信號(hào)，而成像容積之外未經(jīng)飽和的血液流入成像容積層面時(shí)形成較高的信號(hào)。靜脈的消除則通過預(yù)飽和技術(shù)，在動(dòng)脈血流的反向方向施加厚層塊的飽和帶，使流入的靜脈血液提前飽和。TOF是最古老和經(jīng)典的非增強(qiáng)MRA技術(shù)，目前仍然被用于腦血管的臨床檢查，但由于受血液流入效應(yīng)的限制，TOF的成像范圍或空間分辨率十分有限，因而不適用于大范圍的下肢血管成像[5]。

近期發(fā)展的一些非增強(qiáng)MRA方法也采用了類似TOF的成像原理。例如反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)空標(biāo)記血管成像技術(shù)(time-spatial labeling inversion preparation, Time-SLIP)[6]，其基本原理是用反轉(zhuǎn)脈沖標(biāo)記掃描層面上游動(dòng)脈血中的質(zhì)子，使血液中質(zhì)子的磁化矢量發(fā)生反轉(zhuǎn)，經(jīng)過一定的延遲時(shí)間（反轉(zhuǎn)時(shí)間）后，被標(biāo)記的質(zhì)子流入掃描層面，得到標(biāo)記后的圖像，然后在其他參數(shù)不變的情況下不施加反轉(zhuǎn)脈沖對同一層面進(jìn)行信號(hào)采集，得到未標(biāo)記的圖像。通過選擇合適的反轉(zhuǎn)時(shí)間并進(jìn)行重復(fù)間斷采集，可明顯抑制背景組織信號(hào)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)越的動(dòng)脈信噪比和對比度，缺點(diǎn)是最佳反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間隨患者的心率和心臟輸出量的變化而變化，血流信號(hào)容易受到影響。由于受反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間的限制，成像范圍有限，目前該方法主要用于腹部、腎動(dòng)脈以及頸動(dòng)脈的血管成像[7-9]。

非增強(qiáng)MRA消除靜脈和周圍軟組織背景的另一種方法是減影。這種方法需要采集2次圖像，一次是動(dòng)脈和靜脈均為高信號(hào)的動(dòng)脈“亮血”圖像，另一次是動(dòng)脈為低信號(hào)而靜脈為高信號(hào)的動(dòng)脈“黑血”圖像，兩者相減，即可得到僅有動(dòng)脈的血管圖像。具體方法是通過心電門控技術(shù)，在心臟舒張期利用“亮血”序列(例如快速自旋回波、穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)等)采集動(dòng)脈和靜脈的信號(hào)，此時(shí)由于動(dòng)脈和靜脈流速比較慢而均呈現(xiàn)高信號(hào)。收縮期動(dòng)脈血流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜脈，此時(shí)在“亮血”序列采集血流信號(hào)前加上一個(gè)血流敏感梯度脈沖，對流速較快的動(dòng)脈血流信號(hào)產(chǎn)生抑制，就會(huì)得到動(dòng)脈低信號(hào)而靜脈仍為高信號(hào)的動(dòng)脈“黑血”圖像。這種方法的技術(shù)關(guān)鍵是在最大程度抑制動(dòng)脈血流信號(hào)的同時(shí)，盡量保持2種圖像中靜脈的信號(hào)接近。減影法不依賴血液的流入，圖像采集時(shí)間、成像范圍和空間分辨率均可以得到顯著提高。此外，外周血管位置相對固定，不受呼吸和心跳運(yùn)動(dòng)的影響。因此，目前大部分外周血管非增強(qiáng)MRA所采用的方法是減影法。

目前用于抑制血流的技術(shù)有2種，分別是血流擾相梯度脈沖(flow-spoiled gradient pulses)[9]和血流敏感散相脈沖(flow-sensitive dephasing, FSD)[10-11]。血流擾相梯度脈沖對收縮期流速較快的動(dòng)脈血流信號(hào)有明顯的抑制作用，而對舒張期流速較慢的動(dòng)脈血和靜脈血影響不大。因此在收縮期采集血流信號(hào)前施加血流擾相準(zhǔn)備脈沖，即可獲取動(dòng)脈“黑血”、靜脈“亮血”的圖像。它的缺點(diǎn)是擾相梯度必須施加在讀出梯度的方向，即必須與血管平行的方向，這種特性限制了它在走向復(fù)雜的手部和足部動(dòng)脈的應(yīng)用。FSD是近年血管壁成像中用于抑制動(dòng)脈血流信號(hào)產(chǎn)生“黑血”效果的技術(shù)[11]，它基于血流敏感梯度，離散流體中運(yùn)動(dòng)自旋的相位，使血流失去信號(hào)。FSD的一個(gè)顯著特性是它對血流信號(hào)的抑制能力取決于磁場梯度一階矩[first-order gradient moment (m1)]和血流速度。因此，只要找出一個(gè)適當(dāng)?shù)膍1值，就能利用動(dòng)靜脈血流速度的差別，最大程度抑制動(dòng)脈血流信號(hào)的同時(shí)盡量保留靜脈的血流信號(hào)。FSD具有速度快，視野大，對復(fù)雜血流抑制徹底等特點(diǎn)，非常適用于下肢動(dòng)脈成像。此外，F(xiàn)SD可以同時(shí)在3個(gè)梯度方向上施加，因而也適用于手部和足部的血管[12-13]。

2 穩(wěn)定和高信噪比血流信號(hào)的產(chǎn)生

要獲取穩(wěn)定和高信噪比的外周動(dòng)脈圖像，除了增加提高血流信號(hào)的補(bǔ)償脈沖(例如T2準(zhǔn)備脈沖)和減低運(yùn)動(dòng)偽影的技術(shù)外，采集動(dòng)脈血流信號(hào)的脈沖序列是其中的關(guān)鍵。早期研究者采用的成像序列是基于半傅立葉轉(zhuǎn)換的三維快速自旋回波[9，14-15]。該方法以血流擾相梯度脈沖作為準(zhǔn)備脈沖，分別在心臟舒張期和收縮期采集動(dòng)脈“亮血”和“黑血”圖像。該方法的優(yōu)勢是快速自旋回波采集血流信號(hào)具有良好的信噪比，而且不依賴于血液的流入效應(yīng)，因而可用于行程較長的下肢動(dòng)脈和流速較慢的末梢血管。其缺點(diǎn)是，自旋回波在血流速度過快或血流紊亂時(shí)，可發(fā)生信號(hào)丟失，導(dǎo)致對血管狹窄程度的高估，對下肢動(dòng)脈50.0%以上顯著性狹窄診斷的敏感度、特異度和準(zhǔn)確度分別為85.4%、75.8%和79.4%[15]。此外，較長的成像時(shí)間也限制了該技術(shù)在臨床上的應(yīng)用。

針對上述方法采集時(shí)間長的問題，西門子公司對該技術(shù)進(jìn)行了改良，推出了一種用于下肢血管的非增強(qiáng)MRA序列，稱為Native-Space[16]。該方法采集血流信號(hào)的序列仍然是快速自旋回波，最主要的改進(jìn)是采用可變反轉(zhuǎn)角技術(shù)，在掃描速度和空間分辨率上較前有了較大的提高。國內(nèi)某醫(yī)院與西門子公司聯(lián)合開展了Native-space下肢動(dòng)脈成像的臨床測試，從目前的應(yīng)用來看，該方法在健康志愿者或下肢血管沒有顯著病變的患者中，Native-space的成像效果非常理想，但對有嚴(yán)重狹窄的下肢血管，狹窄遠(yuǎn)端血流信號(hào)丟失嚴(yán)重，下肢遠(yuǎn)端血管（包括手部和足部的動(dòng)脈）的圖像質(zhì)量仍然不十分理想，其核心問題仍然是Native-space采用的自旋回波對血流速度和模式比較敏感[9，14，16]。

針對基于自旋回波血管成像技術(shù)存在的問題，有學(xué)者于2008年提出了一種以FSD為準(zhǔn)備脈沖的平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)序列(balanced steady-state free procession，SSFP或bSSFP)進(jìn)行下肢動(dòng)脈成像的方法[11]，力圖克服自旋回波技術(shù)對血流模式敏感的問題。該方法的基本原理與自旋回波血管成像技術(shù)相似，利用減影的方法消除靜脈和其他靜止軟組織的背景。最大的區(qū)別是用SSFP序列代替快速自旋回波采集血流信號(hào)，并加以T2準(zhǔn)備脈沖增強(qiáng)血流信號(hào)。SSFP序列早在1986年由Oppelt等提出，但由于當(dāng)時(shí)MR硬件的不足使其應(yīng)用受到限制。近年來，隨著梯度線圈切換率不斷提高，SSFP的應(yīng)用逐漸增多，例如膽管成像、胸腹血管成像等采用一個(gè)擾相位梯度回波，適用10°～15°脈沖角[17-20]。SSFP使用較大的反轉(zhuǎn)角(65°～90°)，在3個(gè)梯度方向上施加穩(wěn)態(tài)平衡梯度重聚磁化矢量，血流以較大的T2/T1比值呈現(xiàn)高信號(hào)。因此，SSFP不受血流速度和方向的影響，無論是血流復(fù)雜的病變血管，或者是血流緩慢的末梢血管均可獲取高信噪比的血管圖像，對血管狹窄具有很高的診斷準(zhǔn)確性[8，21-22]。此外，SSFP成像速度快，技術(shù)成熟，具有很好的臨床實(shí)用性。大量的報(bào)道證實(shí)了SSFP用于血管成像所表現(xiàn)的優(yōu)異信噪比和穩(wěn)定性[21-23]。采用FSD作為獲取動(dòng)脈“黑血”的準(zhǔn)備脈沖，由于FSD可以在多個(gè)方向上施加血流抑制梯度，因而FSD-SSFP法可以用于血管走行比較復(fù)雜的手部和足部動(dòng)脈成像[12-13]。

靜態(tài)間隔單次激發(fā)血管成像技術(shù)(quiescentinterval single-shot，QISS)是西門子公司近期提出的另一種下肢動(dòng)脈非增強(qiáng)成像方法[24-25]。，它采用心電圖門控，于收縮期施加一個(gè)90°飽和脈沖和隨后的90°靜脈血流抑制脈沖之后，在舒張期利用單次激發(fā)的飽和脈沖和隨后的90°靜脈血流抑制脈沖之后，在舒張期利用單次激發(fā)的2D SSFP采集動(dòng)脈血流信號(hào)。這種方法的特點(diǎn)是采集速度超快，不需要減影，血流信號(hào)不受血流模式、速度及運(yùn)動(dòng)偽影的干擾。缺點(diǎn)是靜脈血流抑制脈沖需要與血管走行方向平行，不能用于手部和足部的動(dòng)脈成像。由于是2D采集，層面間空間分辨率較低，對病變細(xì)節(jié)顯示不夠。

筆者比較了FSD-SSFP和CE-MRA用于42例糖尿病患者下肢動(dòng)脈成像的臨床價(jià)值[26-27]，42例患者均成功實(shí)施FSD-SSFP檢查，平均成像時(shí)間為(4.0±0.7)min。42例83條患肢共獲取249個(gè)節(jié)段，其中1例6個(gè)節(jié)段的圖像輪廓不清，信號(hào)不均勻，不符合診斷要求。具有診斷價(jià)值的血管節(jié)段共243個(gè)(98%)。243個(gè)動(dòng)脈節(jié)段中，CE-MRA共顯示87個(gè)顯著性狹窄，其中FSD-SSFP圖像上觀察者甲醫(yī)師和乙醫(yī)師對這些狹窄高估分別有5個(gè)和4個(gè)，低估分別有8個(gè)和5個(gè)，F(xiàn)SD-SSFP非增強(qiáng)MRA診斷50%動(dòng)脈狹窄的平均敏感度、特異度、準(zhǔn)確度分別為93.1%、96.8%和95.5%，2名觀察者Kappa分析值為0.91，具有高度的一致性。結(jié)果表明，F(xiàn)SD-SSFP非增強(qiáng)MRA在臨床上可以作為腎功能不全或其他原因不能使用對比劑患者進(jìn)行下肢動(dòng)脈成像的補(bǔ)充檢查方法。

目前，盡管在GE、西門子和飛利浦的1.5 T成像系統(tǒng)上尚無商業(yè)化的外周血管非增強(qiáng)血管成像序列，但隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善和應(yīng)用，外周血管非增強(qiáng)MRA短時(shí)間內(nèi)必將成為臨床MRA大家庭的一員，作為對比增強(qiáng)MRA的一個(gè)補(bǔ)充手段，為腎功能不全和其他不能使用對比劑的患者帶來機(jī)會(huì)。

[References]

[1] Miyazaki M, Lee VS. Nonenhanced MR angiography.Radiology, 2008, 248(1): 20-43.

[2] Marckmann P, Skov L, Rossen K, et al. Nephrogenic systemic fibrosis: suspected causative role of gadodiamide used for contrast-enhanced magnetic resonance imaging. J Am Soc Nephrol, 2006, 17(9):2359-2362.

[3] Rydahl C, Thomsen HS, Marckmann P. High prevalence of nephrogenic systemic fibrosis in chronic renal failure patients exposed to gadodiamide, a gadolinium-containing magnetic resonance contrast agent. Invest Radiol, 2008,43(2): 141-144.

[4] Broome DR, Girguis MS, Baron PW, et al. Gadodi-amide-associated nephrogenic systemic fibrosis：why radiologists should be concerned. AJR Am J Roentgenol,2007, 188(2): 586-592.

[5] Hahn WY, Hecht EM, Friedman B, et al. Distal lower extremity imaging: prospective comparison of 2-dimensional time of flight, 3-dimensional time-resolved contrast-enhanced magnetic resonance angiography, and 3-dimensional bolus chase contrast-enhanced magnetic resonance angiography. J Comput Assist Tomogr, 2007,31(1): 29-36.

[6] Wyttenbach R, Braghetti A, Wyss M, et al. Renal artery assessment with nonenhanced steady-state free precession versus contrast-enhanced MR angiography. Radiology,2007, 245(1): 186-195.

[7] Shonai T, Takahashi T, Ikeguchi H, et al. Improved arterial visibility using short-tau inversion-recovery (STIR) fat suppression in non-contrast-enhanced time-spatial labeling inversion pulse (Time-SLIP) renal MR angiography(MRA). J Magn Reson Imaging, 2009, 29(6): 1471-1477.

[8] Liu X, Berg N, Sheehan J, et al. Non-contrast-enhanced MR angiography using steady state free precession in patients with renal transplant. Radiology, 2009, 251(2):535-542.

[9] Miyazaki M, Takai H, Sugiura S, et al. Peripheral MR angiography: separation of arteries from veins with flowspoiled gradient pulses in electrocardiography-triggered three-dimensional half-Fourier fast spin-echo imaging.Radiology, 2003, 227(3): 890-896.

[10] Fan Z, Sheehan J, Bi X, et al. 3D noncontrast MR angiography of the distal lower extremities using flowsensitive dephasing (FSD)-prepared balanced SSFP. Magn Reson Med, 2009, 62(6): 1523-1532.

[11] Koktzoglou I, Li D. Diffusion-prepared segmented steadystate free precession: Application to 3D black-blood cardiovascular magnetic resonance of the thoracic aorta and carotid artery walls. J Cardiovasc Magn Reson, 2007,9(1): 33-42.

[12] Fan Z, Hodnett PA, Davarpanah AH, et al. Noncontrast magnetic resonance angiography of the hand: improved arterial conspicuity by multidirectional flow-sensitive dephasing magnetization preparation in 3D balanced steady-state free precession imaging. Invest Radiol, 2011,46(8): 515-523.

[13] Sheehan JJ, Fan Z, Davarpanah AH, et al. Nonenhanced MR angiography of the hand with flow-sensitive dephasing-prepared balanced SSFP sequence: initial experience with systemic sclerosis. Radiology, 2011,259(1): 248-256.

[14] Miyazaki M, Sugiura S, Tateishi F, et al. Non-contrastenhanced MR angiography using 3D ECG-synchronized half-Fourier fast spin echo. J Magn Reson Imaging, 2000,12(5): 776-783.

[15] Lim RP, Hecht EM, Xu J, et al. 3D nongadoliniumenhanced ECG-gated MRA of the distal lower extremities:preliminary clinical experience. J Magn Reson Imaging,2008, 28(1): 181-189.

[16] Xu J, Weale P, Gerhard L, et al. A novel non-contrast MR angiography technique using triggered non-selective refocused SPACE for improved spatial resolution and speed. In: Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. Berkeley: ISMRM,2008:730.

[17] Herborn CU, Watkins DM, Runge VM, et al. Renal arteries: comparison of steady-state free precession MR angiography and contrast-enhanced MR angiography.Radiology, 2006, 239(1): 263-268.

[18] Maki JH, Wilson GJ, Eubank WB, et al. Steady-state free precession MRA of the renal arteries: breath-hold and navigator-gated techniques vs. CE-MRA. J Magn Reson Imaging, 2007, 26(4): 966-973.

[19] Wyttenbach R, Braghetti A, Wyss M, et al. Renal artery assessment with nonenhanced steady-state free precession versus contrast-enhanced MR angiography. Radiology,2007, 245(1): 186-195.

[20] Amano Y, Takahama K, Kumita S. Non-contrast-enhanced MR angiography of the thoracic aorta using cardiac and navigator-gated magnetization-prepared three-dimensional steady-state free precession. J Magn Reson Imaging, 2008,27(3): 504-509.

[21] Sakuma H, Ichikawa Y, Chino S, et al. Detection of coronary artery stenosis with whole-heart coronary magnetic resonance angiography. J Am Coll Cardiol, 2006,48(10): 1946-1950.

[22] Liu X, Zhao X, Huang J, et al. Comparison of 3D freebreathing coronary MRA and 64-slice CTA for detection of coronary stenosis in patients with high calcium score. AJR Am J Roentgenol, 2007, 189(6): 1326-1332.

[23] Bi X, Deshpande V, Carr J, et al. Coronary MR Angiography: A Comparison between the Whole-Heart and Volume-Targeted Methods Using a T2-Prepared SSFP Sequence. J Cardiovasc Magn Reson, 2006, 8(5): 703-707.

[24] Edelman RR, Sheehan JJ, Dunkle E, et aI. Quiescentinterval single-shot unenhanced magnetic resonance angiography of peripheral vascular disease: Technical considerations and clinical feasibility. Magn Reson Med,2010, 63(4): 951-958.

[25] Hodnett PA, Koktzoglou I, Davarpanah AH, et al.Evaluation of peripheral arterial disease with nonenhanced quiescent-interval single-shot MR angiography. Radiology,2011, 260(1): 282-293.

[26] Liu XY, Zou LQ, Liu X, et al Evaluation of non-contrast MR angiography (NC-MRA) using balanced steady-state free precession (bSSFP) and flow sensitive dephasing(FSD) for detecting peripheral arterial disease in patients with diabetes. Radiol Practice, 2011, 26(6): 451-453.劉曉怡, 鄒立秋, 劉新, 等. 非增強(qiáng)MRA診斷糖尿病下肢血管病變的臨床價(jià)值. 放射學(xué)實(shí)踐, 2011, 26(6):451-453.

[27] Zou LQ, Liu XY, Liu X, et al. A study of arteries of foot by flow sensitive dephasing prepared balanced steadystate free precession MR angiography in diabetes. Chin J Radiology, 2011, 45(8): 568-570.鄒立秋, 劉曉怡, 劉新, 等. 平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)序列非增強(qiáng)MR血管成像在糖尿病患者足部動(dòng)脈成像中的應(yīng)用研究. 中華放射學(xué)雜志, 2011, 45(8): 568-570.