基于高時間分辨率的平衡穩(wěn)態(tài)自由進動MRI進行主動脈根部流型研究

高 偉 GAO Wei孫 堯 SUN Yao凌雪英 LING Xueying黃 力 HUANG Li

作者單位暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心 廣東廣州 510623

基于高時間分辨率的平衡穩(wěn)態(tài)自由進動MRI進行主動脈根部流型研究

高 偉 GAO Wei孫 堯 SUN Yao凌雪英 LING Xueying黃 力 HUANG Li

作者單位暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心 廣東廣州 510623

Center of Clinical Imaging， the First Affiliated Hospital of Jinan University， Guangzhou 510623， China

Address Correspondence to： HUANG Li E-mail： cjr.huangli@vip.163.com

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志2016年 第24卷 第8期：637-640

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24 （8）： 637-640

目的 應(yīng)用快速平衡穩(wěn)態(tài)自由進動（SSFP）序列，對主動脈根部行高時間分辨率的三維相位對比血流成像，測定健康人主動脈根部流型，為主動脈瓣膜置換術(shù)及移植物的設(shè)計等提供臨床依據(jù)。資料與方法 對16例健康志愿者主動脈根部進行流型測定，采用高時間分辨率，快速3D平衡SSFP序列行相位對比MRI（PC-MRI），而且這一新設(shè)計的快速平衡 SSFP序列采用臨近血管的靜態(tài)組織圖像作為背景，而不再采集參考相，使成像時間縮短50%。所用后處理在專用4D Flow模塊下完成。結(jié)果 改進后的平衡 SSFP適合主動脈根部流型測定。在收縮峰期后，正常人主動脈根部的渦流在收縮峰期后的各個動脈竇清晰顯示，渦流填充于瓣膜后方的全部空間，直達舒張期，在動脈瓣關(guān)閉后擴展并在動脈瓣關(guān)閉過程中向內(nèi)移動，提示使用該方法能夠?qū)φＨ酥鲃用}根部流型進行定量描述。結(jié)論 采用快速平衡SSFP所獲取的高時間分辨率三維PC-MRI能夠有效顯示主動脈上方血流流型，而具有高時間分辨率、空間分辨率的數(shù)據(jù)化定量描述的結(jié)果可能對于主動脈根部手術(shù)具有重要的參考價值。

磁共振成像；主動脈

相位對比MRI（phase-contrast MRI，PC-MRI）能夠在體測量血流速度大小及方向，已經(jīng)廣泛用于臨床［1］。傳統(tǒng)的PC-MRI圖像數(shù)據(jù)的采集主要基于擾相梯度回波脈沖序列，該方法能夠提供穩(wěn)定的圖像質(zhì)量；而應(yīng)用穩(wěn)態(tài)自由進動（steady state free process，SSFP）序列也能夠提供準確度的流速測定，且具有更高的信噪比［2］。SSFP速度快，特別適合動態(tài)成像，尤其用于心血管系統(tǒng)成像時具有獨特的優(yōu)勢［3］。SSFP是在一個動態(tài)平衡態(tài)下采集數(shù)據(jù)，即所謂的“穩(wěn)態(tài)”，由于SSFP序列對掃描儀系統(tǒng)的要求高，直至最近，由于MR掃描儀的軟件及硬件設(shè)備的革新，使得該序列的應(yīng)用得到快速發(fā)展。

目前應(yīng)用PC-MRI法進行流速測定時要求采集2相或更多相完整數(shù)據(jù)，其中必須要額外掃描參考相；但是正因為要完成多次數(shù)據(jù)采集，大大限制了時間-空間分辨率，阻礙了實時成像的發(fā)展，尤其是帶有時間分辨率的3D PC-MRI，又稱為4D Flow成像?；谄胶夥€(wěn)態(tài)自由進動（balanced steady state free process，bSSFP）序列，即在3個方向上的完成梯度重聚相，能在極短的TR內(nèi)使矢量和保持為“零”，即所謂的“平衡態(tài)”，進而用于4D Flow成像，并保證較高的時間分辨率［4］。

針對主動脈根部流型的測定對于主動脈瓣膜置換術(shù)及移植物的設(shè)計等具有重要價值，而以往由于未實現(xiàn)高時間分辨的高精度3D PC-MRI，使得該項技術(shù)在主動脈根部成像的研究成為盲區(qū)；現(xiàn)有的4D Flow成像時間仍無法滿足對時間分辨率和空間分辨率要求均高的主動脈根部流型測定。本研究探索應(yīng)用改進后的快速bSSFP序列進行PC-MRI，通過無參考相采集數(shù)據(jù)，縮短50%的總成像時間，成功用于測定健康志愿者的主動脈根部流型。

1 資料與方法

1.1研究對象 納入16例健康志愿者，年齡25～61歲，平均（44±9）歲，所有受試者檢查前均簽署知情同意書，均無高血壓，超聲心動圖提示主動脈功能正常，主動脈定量測定均提示正常。觀察范圍為主動脈根部至降主動脈，流速矢量數(shù)據(jù)為回顧性心電門控的快速bSSFP序列，采集PC-MRI原始數(shù)據(jù)。

1.2儀器與方法 采用GE Discovery MR750 3.0T MR掃描儀，所用接收線圈為8通道心臟專用線圈，掃描參數(shù)：TR 18 ms，TE 9 ms，流速編碼范圍100 cm/s，視野300 mm（上下）×300 mm（前后）×128 mm（左右），對應(yīng)的空間分辨率1 mm×4 mm×4 mm，重建32幀/心動周期，并行加速因子=4，并行加速技術(shù)為自校準加速成像。所獲得數(shù)據(jù)后處理在GE workstation 4D Flow模塊下完成。單幀流線圖及流速信息是通過收縮期的瞬時三維流場獲得，采用4階Runge-Kutta數(shù)值擬合技術(shù)［5］。

所用快速bSSFP序列進行3D PC-MRI數(shù)據(jù)采集的時序圖見圖1、2。

1.3圖像分析 圖像在后處理工作站的主要流程見圖3。每搏輸出量是通過與主動脈走行垂直的流速矢量估計。整個心臟收縮期被分為S1期和S2期，S1為收縮期開始至峰值流速期間，S2為收縮期峰值回歸至收縮前期。全部數(shù)據(jù)由2名具有10年MRI經(jīng)驗的主治醫(yī)師采用雙盲法完成測定。

圖1　2D FT序列，沿著讀出梯度方向（Gx）采集單層1D流速。Gx：相位編碼梯度；Gy：讀出梯度；Gz：層梯度；RF：射頻脈沖；TR：重復(fù)時間；TE：回波時間

圖2　3D FT序列，用于全部速度矢量的容積參數(shù)，A、B、C分別對應(yīng)在相位編碼方向、頻率編碼方向和選層方向上完成1D流速圖采集的掃描時序

圖3　應(yīng)用快速bSSFP法采集無參考相流速圖的圖像數(shù)據(jù)處理流程

2 結(jié)果

2.1主動脈根部血流測量值 16例健康志愿者中，收縮峰期流線起始于近主動脈瓣水平（圖4），收縮期測定的結(jié)果包括近主動脈瓣的峰值流速、收縮期主動脈流量、S1期、S2期，結(jié)果見表1。

2.2主動脈瓣上方的渦流 正常主動脈的3個Valsalva竇流速顯示，起始于左心室射血峰值期，渦流在各自的冠狀竇內(nèi)均清晰可見，持續(xù)達到舒張早期；在收縮晚期，渦流范圍擴展，逐漸占據(jù)整個主動脈根部，中心區(qū)的前向流速減低（圖5）。

圖4　健康志愿者由主動脈瓣起始至頸血管近端收縮峰值期的流型

表1　采用快速bSSFP序列獲取PC-MRI所測定健康志愿者收縮期主動脈根部流速（n=16）

圖5　男，35歲，主動脈根部采用快速bSSFP序列的PC-MRI所獲流型。第一幅圖像中黑色點線示主動脈弓的外形與流速數(shù)據(jù)疊加的結(jié)果，從左至右，第一幅為等張收縮期（流速峰值期），其后每幅對應(yīng)時間延后30 ms對應(yīng)各期流速矢量（A）；對應(yīng)的時相為收縮末期至收縮期結(jié)束，各幅圖像中黑色點線示主動脈根部的外形與流速數(shù)據(jù)疊加的結(jié)果，左側(cè)第一幅為等張收縮末期其后每幅對應(yīng)時間延后30 ms對應(yīng)各期流速矢量（B）。RPA：肺動脈右干；NC：無冠竇；RC：右冠竇；LC：左冠竇

3 討論

Bellhouse等［6-7］于1968年通過體外流型擬合實驗，提出了Valsalva竇及主動脈竇對維持主動脈瓣正常功能具有重要作用。該研究表明冠狀竇內(nèi)存在渦流，而且利于動脈瓣的開啟及平滑關(guān)閉，促進冠狀動脈的血流。Grande-Allen等［8］通過數(shù)值模擬的方法推測，主動脈根部的流型可能影響主動脈瓣的功能，主要原理是導(dǎo)致瓣葉與主動脈壁之間存在適當?shù)膽?yīng)力差。

目前常規(guī)使用的2D PC-MRI盡管也能夠在二維上觀察Valsalva竇的流速，但由于掃描時間-空間分辨率的限制，未能很好地實現(xiàn)高時間分辨率的3D PC-MRI。目前已有的應(yīng)用PC-MRI反映主動脈血流的研究其時間分辨率均在72 ms以上，由于時間分辨率的限制，準確評估血流的快速加速及瞬時事件尤為困難。本研究中采用最新的bSSFP序列，將3D PC-MRI測定的時間分辨率提高1倍，而不損失空間分辨率，能夠準確獲取主動脈收縮期的峰值流速，而且有效地優(yōu)化了測定流速的范圍。本研究通過新近開發(fā)的無參考像的基于bSSFP序列的PC-MRI，真正實現(xiàn)了具有時間分辨率的3D PC-MRI，即4D Flow成像，并將其成功用于健康志愿者收縮期主動脈根部流型成像。

本研究發(fā)現(xiàn)，竇內(nèi)的流速矢量隨著主動脈流速降低，其所占面積增加，并持續(xù)到舒張期；竇內(nèi)血流的旋轉(zhuǎn)方向是自上而下沿著竇的側(cè)壁，而后向中心轉(zhuǎn)向，直達竇的基底部。收縮末期竇內(nèi)的渦流方向可能造成對主動脈瓣葉的內(nèi)向壓力，而利于瓣膜的快速關(guān)閉，而且渦流的體積大小與3個瓣膜體積不同，右冠竇和無冠竇所對應(yīng)的渦流體積相對較大，這可能反映了主動脈根部的非對稱性及所射出血流的旋動流屬性。本課題組推測，這一結(jié)果提示在設(shè)計人工主動脈瓣時應(yīng)該更加充分地考慮到主動脈根部可能存在的個體化差異。

Leyh等［9］研究發(fā)現(xiàn)在主動脈根部置換術(shù)中，在采用直管不帶有竇樣結(jié)構(gòu)的主動脈移植物時，收縮期主動脈瓣內(nèi)向運動明顯受限。Schmitto等［10］的研究也證實帶有冠狀竇的主動脈移植物利于瓣膜的正常功能。此外，主動脈瓣平滑而快速關(guān)閉能夠最大程度地減少瓣膜的應(yīng)力［11］；而瓣膜關(guān)閉機制失常可能導(dǎo)致瓣葉的蛻變［12］。正常的主動脈根部由主動脈瓣、冠狀竇及半月結(jié)組成，共同形成了“收-放”功能，缺少這一功能的主動脈根部移植物很可能導(dǎo)致主動脈瓣的應(yīng)力過載，進而造成瓣膜的纖維化及鈣化等［13］。

總之，本研究結(jié)果為主動脈竇功能及內(nèi)部血流的研究提供了新思路，已有的理論支持主動脈瓣快速、平滑的關(guān)閉依賴于正常主動脈根部的渦流。本研究發(fā)現(xiàn)在健康人中，渦流的范圍不會超過主動脈瓣，這一結(jié)果可能為主動脈瓣及主動脈根部手術(shù)移植物及瓣膜的設(shè)計提供有力依據(jù)。同時，將該技術(shù)應(yīng)用于存在主動脈根部病變患者可能得到超出主動脈瓣范圍的渦流，而且這一渦流的范圍及強度可能為主動脈手術(shù)提供必要的數(shù)據(jù)支持。本研究中所使用的快速無參考相的bSSFP獲取真正的4D Flow圖像，為在體研究主動脈根部冠狀竇血流動力學(xué)提供了有力工具。

［1］ Petersen SE， Jung BA， Wiesmann F， et al. Myocardial tissue phase mapping with cine phase-contrast MR imaging： regional wall motion analysis in healthy volunteers. J Radiology， 2006，238（3）： 816-826.

［2］ Grinstead J， Sinha S. In-plane velocity encoding with coherent steady-state imaging. Magn Reson Med， 2005， 54（1）： 138-145.［3］ Xu J， Mcgorty KA， Lim RP， et al. Single breathhold noncontrast thoracic MRA using highly accelerated parallel imaging with a 32-element coil array. J Magn Reson Imaging，2012， 35（4）： 963-968.

［4］ Bangerter NK， Cukur T， Hargreaves BA， et al. Threedimensional fluid-suppressed T2-prep flow-independent peripheral angiography using balanced SSFP. Magn Reson Imaging， 2011， 29（8）： 1119-1124.

［5］ Lambert JD， Lambert DC. Numerical methods for ordinary differential systems： the initial value problem. New York：Wiley， 1991.

［6］ Bellhouse BJ， Bellhouse FH. Mechanism of closure of the aortic valve. Nature， 1968， 217（5123）： 86-87.

［7］ Bellhouse BJ， Bellhouse FH， Reid KG. Fluid mechanics of the aortic root with application to coronary flow. Nature， 1968，219（5158）： 1059-1061.

［8］ Grande-Allen KJ， Cochran RP， Reinhall PG， et al. Re-creation of sinuses is important for sparing the aortic valve： a finite element study. J Thorac Cardiovasc Surg， 2000， 119（4）： 753-763.

［9］ Leyh RG， Schmidtke C， Sievers HH， et al. Opening and closing characteristics of the aortic valve after different types of valvepreserving surgery. Circulation， 1999， 100（21）： 2153-2160.

［10］ Schmitto JD， Mokashi SA， Chen FY， et al. Aortic valve-sparing operations： state of the art. Curr Opin Cardiol， 2010， 25（2）：102-106.

［11］ Marom G. Numerical methods for fluid-structure interaction models of aortic valves. Archives of Computational Methods in Engineering， 2015， 22（4）： 1-26.

［12］ Jasinski MJ， Gocol R， Malinowski M， et al. Predictors of early and medium-term outcome of 200 consecutive aortic valve and root repairs. J Thorac Cardiovasc Surg， 2015， 149（1）： 123-129.

［13］ Robicsek F， Thubrikar MJ， Fokin AA. Cause of degenerative disease of the trileaflet aortic valve： review of subject and presentation of a new theory. Ann Thorac Surg， 2002， 73（4）：1346-1354.

（本文編輯 張春輝）

Flow Patterns in the Aortic Root Studied Using High Time-resolved Balanced Steady State Free Procession

Purpose Flow patterns of aortic root in the healthy were studied by accelerated balanced steady state free process technique， to provide clinical evidence for the design of aortic valve replacement. Materials and Methods Flow patterns of aortic root of 16 healthy volunteers were measured. The time-resolved， three-dimensional，balanced SSFP MRI was used to acquire aortic blood velocity， resulting in up to approximately 50% reduction in total scan time. All post-process were completed on the work station with 4D Flow analysis tools. Results The accelerated balanced SSFP was well suited to acquire the time-resolved 3D flow pattern imaging of aortas root. Vortical flow of the healthy aortas became apparent after the systolic. The vortices filled available space behind the valve leaflets until diastole. The vortices expanded and moved inward during valve closure. Conclusion Accelerated balanced SSFP is useful to reveal the flow pattern above the aorta by acquiring the high time-resolved 3D phase-contrast MRI.

Magnetic resonance imaging； Aorta

黃 力

R445.2

2016-03-19

2016-05-03

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.08.021