相位對(duì)比磁共振血流測(cè)量的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

宋燕燕， 趙世華

近年來，隨著磁共振技術(shù)發(fā)展及后處理軟件的開發(fā)應(yīng)用，無創(chuàng)且無電離輻射的心血管磁共振(cardiovascular magnetic resonance,CMR)技術(shù)不僅可以提供心血管系統(tǒng)形態(tài)和功能信息，在心臟及大動(dòng)脈血流測(cè)量的相關(guān)研究上也取得了巨大進(jìn)展。

在心血管功能的研究及對(duì)心血管疾病的臨床評(píng)價(jià)中，血流參數(shù)的評(píng)估起著舉足輕重的作用。磁共振血流成像技術(shù)不僅可通過識(shí)別狹窄部位及量化返流量來評(píng)估心臟瓣膜功能，在先天性心臟病中還可對(duì)異常分流進(jìn)行定量分析[1,2]。因此在臨床實(shí)踐中CMR已經(jīng)成為多普勒超聲的重要補(bǔ)充手段，不僅如此，隨著CMR的不斷發(fā)展，磁共振血流成像發(fā)展了一系列可用于評(píng)價(jià)血管壁及心肌運(yùn)動(dòng)等的新興技術(shù)[3]。本文旨在綜述磁共振血流成像的基本原理、臨床應(yīng)用及其應(yīng)用前景。

磁共振血流測(cè)量方法的基本原理

MR血流測(cè)量有時(shí)間飛躍(time of flight,TOF)和相位對(duì)比(phase contrast,PC)兩種基本技術(shù)，由于前者難以對(duì)血流進(jìn)行準(zhǔn)確定量評(píng)估，臨床只用于顯示血管解剖；后者又稱速度編碼電影磁共振成像 (velocity encoded cine magnetic resonance imaging,VEC-MRI)，該技術(shù)可以同時(shí)完成對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的顯示和血流參數(shù)的分析，因此廣泛應(yīng)用于臨床工作中[4]。

1.PC法磁共振血流測(cè)量的基本原理

在PC法磁共振血流成像(phase contrast magnetic resonance imaging,PC-MRI)中施加一對(duì)大小相等、方向相反的梯度脈沖，在靜止組織中這兩個(gè)反向梯度脈沖互相抵消，靜止組織失相位自旋相位位移為零。倘若質(zhì)子存在一個(gè)前進(jìn)速度，運(yùn)動(dòng)組織的自旋質(zhì)子由于位置發(fā)生了移動(dòng)，在被這一對(duì)大小相等、方向相反的梯度場激發(fā)后，其相位變化無法回到零，故流動(dòng)質(zhì)子群的相位變化得到保留，與靜止組織存在相位差異，該技術(shù)利用這種相位差進(jìn)行成像[5]。PC-MRI正是利用了速度-相位移動(dòng)的比例關(guān)系進(jìn)行血流速度的定量測(cè)量[6]。

2.影響PC-MRI血流測(cè)量準(zhǔn)確性的因素

PC-MRI血流測(cè)量的準(zhǔn)確性受許多不確定因素的影響，在臨床應(yīng)用中需要綜合考慮這些影響因素，從而減少測(cè)量誤差，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度：①空間分辨率。當(dāng)層厚過大、血管傾斜或太細(xì)時(shí)均可導(dǎo)致部分容積效應(yīng)。Rodrigues等[7]對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)單個(gè)體素內(nèi)所測(cè)得的速度峰值較平均體素所測(cè)的速度峰值高7.1%(P<0.0001)，故使用平均體素不僅降低了空間分辨率還會(huì)低估峰值流速。②呼吸及心電門控技術(shù)的影響。Ley等[8]通過對(duì)20例無任何基礎(chǔ)疾病的健康志愿者進(jìn)行研究，采用自由呼吸的前瞻性門控、自由呼吸的回顧性門控及呼氣時(shí)屏氣的回顧性門控分別對(duì)血流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)采用回顧性門控測(cè)得的每分血流量要高于前瞻性門控(高達(dá)0.9 L/min)，且回顧性門控的時(shí)間分辨率明顯更高，故回顧性門控引起的誤差更小。又因回顧性門控屏氣掃描時(shí)會(huì)導(dǎo)致血流動(dòng)力學(xué)明顯改變，通常不用于臨床。所以自由呼吸回顧性門控技術(shù)的實(shí)用性及準(zhǔn)確性更高。③其它如時(shí)間分辨率[9]、流速編碼的方向[10]及磁場不均勻等因素均可影響血流測(cè)量結(jié)果，在參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)盡量減少其帶來的影響。

PC-MRI在臨床中的應(yīng)用

1.傳統(tǒng)2D PC-MRI的臨床應(yīng)用

2D PC-MRI是對(duì)一個(gè)或多個(gè)單層面進(jìn)行成像，每次只激發(fā)一個(gè)特定層面，在先天性或后天性心臟病中，2D PC-MRI可用來測(cè)量心輸出量、瓣膜返流量(或返流分?jǐn)?shù))及分流量(肺循環(huán)與體循環(huán)血流量之比)等血流參數(shù)[11]。然而，瓣膜出現(xiàn)狹窄時(shí)會(huì)引起血流加速，若此時(shí)峰值流速層面定位不準(zhǔn)確，則會(huì)導(dǎo)致低估峰值流速。除此之外，瓣膜異常還會(huì)引起復(fù)雜血流(如渦流、返流及湍流等)，如果掃描層面沒有完全垂直于感興趣區(qū)的血流方向，也將導(dǎo)致該層面流速測(cè)量不準(zhǔn)確，難以對(duì)最佳層面進(jìn)行準(zhǔn)確定位[12,13]，也很難精確測(cè)量血流量[14]。Lotz等[15]研究發(fā)現(xiàn)有多種因素可導(dǎo)致2D PC-MRI低估峰值流速，如復(fù)雜血流引起的信號(hào)丟失、背景噪聲過大、部分容積效應(yīng)(層厚過大)、血流過快加速引起的相移誤差及時(shí)間分辨率低(20～25 ms)等都會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)無法捕捉到峰值流速的層面而低估峰值流速。O'Brien等[12]的研究中證實(shí)瓣膜狹窄中湍流引起的信號(hào)丟失是導(dǎo)致2D PC-MRI測(cè)量心輸出量偏低的原因。

所以，為避免二維層面成像時(shí)低估血流速度，需要考慮到所有方向?qū)用娴难餍畔ⅲ?D Flow MRI能同時(shí)對(duì)興趣區(qū)內(nèi)三個(gè)互相垂直的維度進(jìn)行編碼，有望克服上述技術(shù)的缺陷。

2.4D Flow MRI的臨床應(yīng)用

4D Flow MRI可以同時(shí)對(duì)三個(gè)相互垂直的維度進(jìn)行編碼，并獲得相位流速編碼電影，該技術(shù)可以動(dòng)態(tài)三維顯示心腔和大、中動(dòng)脈的血流動(dòng)力學(xué)特征，并且能夠準(zhǔn)確測(cè)量掃描范圍束內(nèi)各個(gè)位置血流的方向和速度，這樣不僅能進(jìn)行常規(guī)參數(shù)如血流量及返流分?jǐn)?shù)的測(cè)量，還能計(jì)算血流能量及評(píng)價(jià)對(duì)動(dòng)脈管壁的切應(yīng)力等高級(jí)參數(shù)，從而清晰顯示心動(dòng)周期不同時(shí)間血流模式的細(xì)節(jié)，如渦流或湍流等復(fù)雜血流[16,17]。

由于4D Flow MRI為三維空間成像，可以根據(jù)峰值速度位置來選擇量化平面，并且對(duì)復(fù)雜血流可以在三維空間內(nèi)任何方向上實(shí)現(xiàn)可視化及回顧性量化，克服了上述2D方法的不足。很多學(xué)者對(duì)比研究了4D Flow MRI與2D PC-MRI 兩種技術(shù)對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的評(píng)估效果。Nordmeyer等[18]采用2D及4D Flow MRI分別測(cè)量7例健康志愿者及18例瓣膜狹窄患者的升主動(dòng)脈及肺動(dòng)脈干的峰值流速及血流量，并且與多普勒超聲的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)在測(cè)量健康志愿者的峰值流速及血流量時(shí)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；而在瓣膜狹窄患者中，4D Flow MRI所測(cè)峰值流速明顯高于2D PC-MRI，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(平均高14%，P=0.025)，且與多普勒超聲無明顯差異(P>0.05)；此外還發(fā)現(xiàn)血容量測(cè)量的差異與所選層面有關(guān)(P=0.004)，而該測(cè)量值在層流模式志愿者中的差異可忽略不計(jì)。所以二維與三維成像相比，二維成像往往會(huì)低估主動(dòng)脈或肺動(dòng)脈的血流量及流速等血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。Bollache等[19]采用2D PC-MRI技術(shù)分別在1個(gè)方向(2D-1d)及3個(gè)方向上(2D-3d)測(cè)量升主動(dòng)脈及降主動(dòng)脈上的血流參數(shù)，并與4D Flow MRI技術(shù)測(cè)量所得值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)三維成像的結(jié)果均明顯高于2D-1d PC-MRI成像(P<0.05)，且4D Flow MRI與2D-3d PC-MRI兩者間有很好的相關(guān)性(平均差異<10%)。最近，da Silveira等[20]對(duì)23例主動(dòng)脈狹窄患者分別采用2D PC-MRI和4D Flow MRI來測(cè)量其血流參數(shù)，并與經(jīng)胸超聲心動(dòng)圖所測(cè)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)4D Flow MRI、2D PC-MRI與經(jīng)胸超聲心動(dòng)圖的相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.81，進(jìn)一步證實(shí)了4D Flow MRI對(duì)主動(dòng)脈狹窄患者的血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估更為精準(zhǔn)。

以上研究結(jié)果均表明，與2D PC-MRI相比較而言，新興的4D Flow MRI在評(píng)估復(fù)雜血流的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)尤其是峰值流速及血流量測(cè)量中的準(zhǔn)確性及價(jià)值更高。

4D Flow MRI不僅在對(duì)復(fù)雜血流的血流參數(shù)測(cè)量中的準(zhǔn)確性較2D PC-MRI更高，還能測(cè)量很多高級(jí)參數(shù)如管壁應(yīng)切力(wall shear stress，WSS)、脈搏波速度(pulse wave velocity，PWV)及能量損耗等[21-23]，這些高級(jí)參數(shù)可以量化主動(dòng)脈或肺動(dòng)脈的血流模式[24]。Burk等[25]研究發(fā)現(xiàn)升主動(dòng)脈擴(kuò)張患者更易產(chǎn)生渦流(P<0.05)，同時(shí)其收縮期WSS峰值會(huì)顯著降低。在肺循環(huán)系統(tǒng)中，WSS可用于評(píng)估肺動(dòng)脈高壓[26]。Reiter等[27]通過評(píng)估肺動(dòng)脈主干渦流持續(xù)時(shí)間來判斷肺動(dòng)脈高壓程度，發(fā)現(xiàn)4D Flow MRI與其它評(píng)估方法高度相關(guān)(r=0.98)。故可利用4D Flow MRI對(duì)復(fù)雜血流的評(píng)估，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)診斷肺動(dòng)脈高壓。

此外，4D Flow MRI的另一應(yīng)用前景是用于評(píng)估大血管的動(dòng)脈粥樣硬化及復(fù)雜動(dòng)脈斑塊(易引起栓塞或直徑>4 mm的斑塊)。Harloff等[28]在對(duì)多位瓣膜關(guān)閉良好的中風(fēng)患者進(jìn)行的研究中發(fā)現(xiàn)，降主動(dòng)脈嚴(yán)重動(dòng)脈粥樣硬化的患者仍可發(fā)生舒張期返流，該研究表明4D Flow MRI可以提高對(duì)降主動(dòng)脈復(fù)雜斑塊的識(shí)別從而降低腦中風(fēng)的發(fā)病率。

PC-MRI臨床應(yīng)用的不足與展望

不可否認(rèn)，每項(xiàng)新技術(shù)在存在諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有著不足和諸多有待評(píng)估的附帶影響。與2D PC-MRI相比較而言，4D Flow MRI的最大不足是掃描時(shí)間太長，一般長達(dá)10～15 min，具體時(shí)間取決于心率及呼吸控制頻率，而2D PC-MRI一般用時(shí)2～5 min。很多學(xué)者針對(duì)減少掃描時(shí)間的策略進(jìn)行了大量研究，其中，最主要的方法是改變數(shù)據(jù)采樣策略，例如將數(shù)據(jù)通過徑向或螺旋向的方式讀出可進(jìn)一步減少掃描次數(shù)[29]。Dyvorne等[30]研究證實(shí)將高效螺旋采樣與動(dòng)態(tài)壓縮感知結(jié)合起來可以加速4D Flow MRI的數(shù)據(jù)采集，有望將掃描時(shí)間減到5 min以內(nèi)。

總之，磁共振血流成像技術(shù)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的轉(zhuǎn)變，從二維單方向成像到三維容積成像，實(shí)現(xiàn)了三維動(dòng)態(tài)顯示血流動(dòng)力學(xué)特征，甚至可獲得壓力梯度和WSS等評(píng)估動(dòng)脈管壁的高級(jí)參數(shù)。磁共振血流成像技術(shù)的不斷完善，使對(duì)臨床疾病的認(rèn)識(shí)不僅僅限于解剖形態(tài)，更具有能量化心血管疾病的功能。通過進(jìn)一步提高圖像信噪比及血池心肌對(duì)比度，減少掃描時(shí)間并降低運(yùn)動(dòng)偽影，相信4D Flow MRI在心血管系統(tǒng)疾病的檢查中能發(fā)揮更大的作用，成為一種無創(chuàng)、準(zhǔn)確、高效的血流測(cè)量技術(shù)。