應(yīng)用磁共振4D flow 成像對(duì)正常顱內(nèi)前循環(huán)動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)定量評(píng)估的可重復(fù)性研究

隋濱濱 高培毅* 林 燕 趙海清 宋立剛

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院放射科 磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100050；2. 清華大學(xué)附屬垂楊柳醫(yī)院放射科，北京 100021；3. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院介入神經(jīng)病科，北京 100050)

四維血流磁共振成像(four dimentional flow magnetic resonance imaging, 4D flow MRI)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新的磁共振成像技術(shù)，能夠無創(chuàng)在體測定三維血流速度，評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)[1-3]。準(zhǔn)確的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)測量和計(jì)算是對(duì)血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)。作為一種血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估的新技術(shù)，對(duì)其可重復(fù)性校驗(yàn)非常重要。本研究選取正常志愿者，探討應(yīng)用4D flow MR成像對(duì)顱內(nèi)Willis環(huán)血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)在體評(píng)估的可重復(fù)性，為4D flow MR 成像技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估方面的應(yīng)用提供可行性依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

自2015年5月至7月收集正常志愿者4例，其中男性2例，女性2例，年齡24～26歲，平均年齡(25.25±0.96)歲。入組正常志愿者經(jīng)臨床評(píng)估證實(shí)無心血管疾病病史或危險(xiǎn)因素，無顱頸動(dòng)脈粥樣硬化性病變。顱內(nèi)MRI平掃及磁共振血管檢查(magnetic resonance angiography, MRA)未見異常。研究方案經(jīng)首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有志愿者均給予書面簽署的知情同意書。

1.2 MR檢查

MR檢查應(yīng)用3.0T MR (Trio-Tim, Siemens Healthcare, Erlangen公司,德國)，32通道頭線圈。先應(yīng)用三維時(shí)間飛躍法MRA (three dimensional time of flight MRA, 3D TOF MRA)成像觀察顱內(nèi)動(dòng)脈Willis環(huán)基本結(jié)構(gòu)。然后應(yīng)用三維 T1 可變翻轉(zhuǎn)角加權(quán)快速自旋回波成像技術(shù)(three dimensional T1 sampling perfection with application-optimized contrast using different flip angle evolutions, 3D T1SPACE)序列針對(duì)顱內(nèi)Willis環(huán)區(qū)域進(jìn)行高分辨黑血成像，成像參數(shù)如下：重復(fù)時(shí)間(repetition time, TR)/回波時(shí)間(echo time, TE)= 800/22 ms，掃描野 (field of vision, FOV) = 180 mm×160 mm，矩陣(matrix)=256×208，層厚為0.7 mm, 共采集52層。體素大小為0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm。顱內(nèi)4D flow 成像應(yīng)用TOF MRA重建圖像為定位像，掃描范圍包括顱內(nèi)Willis環(huán)區(qū)域，冠狀位采集三維方向血流。具體成像參數(shù)如下：TR/TE= 54.96/3.13 ms，F(xiàn)OV= 200 mm×140 mm，矩陣(matrix)=208×140，加速因子 2，層厚為1 mm，共采集36層。速度編碼值(velocity encoding)=120 cm/s。血流成像采用指脈門控，掃描時(shí)間為11～13 min，與被試者心率相關(guān)。首次檢查結(jié)束后，在15～30 d之內(nèi)對(duì)其進(jìn)行第二次重復(fù)掃描，掃描序列及參數(shù)同首次檢查。記錄每個(gè)志愿者兩次檢查時(shí)的平均心率。

1.3 圖像后處理

掃描完成后將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用后處理工作站，應(yīng)用圖像后處理軟件4D Flow V2.4 (Siemens Healthcare, Erlangen公司, 德國)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。后處理過程包括數(shù)據(jù)校正，對(duì)感興趣血管進(jìn)行分割及計(jì)算血管中心線后，提取血管三維結(jié)構(gòu)。然后選取雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈(internal carotid artery, ICA)入顱段、虹吸段、末端、大腦中動(dòng)脈 (middle cerebral artery, MCA) 起始部及近中段、大腦前動(dòng)脈(anterior cerebral artery, ACA) 起始部層面，計(jì)算各層面的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，記錄在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)相的平均血管面積、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬時(shí)血流率參數(shù)值。通過后處理生成血流矢量圖、流線圖及粒子圖，顯示顱內(nèi)前循環(huán)大動(dòng)脈的血流分布。重建圖像由一名有5年以上血流動(dòng)力學(xué)分析經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)醫(yī)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析不同部位血流的分布特點(diǎn)，以及在心動(dòng)周期不同時(shí)相中的變化。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 正常志愿者的顱內(nèi)Willis環(huán)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的可重復(fù)性結(jié)果

4例正常志愿者中，3D TOF MRA和高分辨3D SPACE T1WI均未見血管狹窄。兩次MR檢查顱內(nèi)血管結(jié)構(gòu)相未見明顯區(qū)別。表1列出了4例正常志愿者兩次掃描的雙側(cè)血管的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)值(包括平均血管面積、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬時(shí)血流率)。首次掃描和重復(fù)掃描比較，ICA虹吸段左側(cè)最大血流速度及右側(cè)各項(xiàng)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)兩次掃描之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；ICA入顱段、MCA起始部及ACA起始部雙側(cè)及MCA近段右側(cè)最大血流速度之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；MCA近段雙側(cè)平均血管面積之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；ACA起始部左側(cè)平均血管面積及平均血流速度之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 正常志愿者兩次檢查雙側(cè)ICA、MCA及ACA的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)值Tab.1 Hemodynamic parameters at bilateral ICA, MCA and ACA of scan-rescan in healthy volunteers

2.2 兩次掃描獲取血流動(dòng)力學(xué)圖像分析顱內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)分布狀態(tài)比較

對(duì)4例志愿者兩次掃描的16支血管分別重建血流矢量圖、流線圖及粒子圖(圖1、2)。結(jié)果顯示，兩次掃描顱內(nèi)血流分布趨勢(shì)基本相同。心動(dòng)周期的收縮峰值期，血流速度分布比較均勻，最大峰值速度出現(xiàn)在海綿竇段垂直段。進(jìn)入收縮晚期及舒張?jiān)缙诤?，由于血流速度的迅速下降，局部血流分布不?guī)則，以血流狀態(tài)比較復(fù)雜的虹吸段最為明顯，顯示局部血流矢量方向分離及偏離血管主軸方向，并可見極少量返流現(xiàn)象。

圖1 1例志愿者首次掃描(A)和重復(fù)掃描(B)的流線圖Fig.1 Streamline maps of the first (A) and rescan (B) of one volunteer

圖2 1例志愿者右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈、大腦中動(dòng)脈及大腦前動(dòng)脈收縮晚期的血流矢量圖Fig.2 Velocity vector map of RICA, RMCA and RACA of one volunteer in the late systolic phase

2.3 心率及相關(guān)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化

4例志愿者兩次的心率記錄如表2所示。其中1例志愿者(編號(hào)2)兩次心率差別很大，這例志愿者兩次的最大血流速度變化十分明顯，如表3所示。在左側(cè)ICA虹吸段，兩次的最大血流速度分別為114.62 cm·s-1和69.48 cm·s-1，右側(cè)ICA虹吸段的最大血流速度分別為67.32 cm·s-1和93.33 cm·s-1。一些其他血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如瞬時(shí)血流率、平均血流速度等，在不同位置的數(shù)值兩次之間出現(xiàn)了較大的變化。

表3 1例心率變化大的志愿者兩次檢查的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)比較Tab.3 Hemodynamic parameters of one volunteer with obvious variance in heartbeats of two tests

3 討論

3.1 4D flow MR成像技術(shù)在動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估中的應(yīng)用

顱頸動(dòng)脈粥樣硬化病變是缺血性腦血管病的重要原因。近年來，血流動(dòng)力學(xué)方面的研究[4-5]顯示血流動(dòng)力學(xué)因素與動(dòng)脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。磁共振4D血流成像，也稱為時(shí)間分辨的三維相位對(duì)比磁共振成像，是最近幾年發(fā)展起來的新成像技術(shù)，可以無創(chuàng)性對(duì)心血管系統(tǒng)的血流狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在體的評(píng)估和定量分析。此技術(shù)在其他位置血流成像定量評(píng)估的研究[6-8]已經(jīng)被證實(shí)顯示了良好的應(yīng)用價(jià)值，準(zhǔn)確性和可行性也已經(jīng)在不同部位得到了一定的驗(yàn)證。有研究者[8]比較了4D flow MR成像和超聲成像測定的頸動(dòng)脈血流速度值，發(fā)現(xiàn)在收縮期，4D flow MR測定的速度稍低于超聲，舒張期速度值二者近似，而且4D flow MR成像顯示了較好的可重復(fù)性和閱片者一致性。對(duì)于顱內(nèi)動(dòng)脈評(píng)價(jià)，顱內(nèi)多普勒超聲檢查的應(yīng)用存在一定局限性，在骨或空氣腔存在的情況下容易受到干擾，流速測定只能在一定區(qū)域進(jìn)行[9]。4D flow MRI提供的是心動(dòng)周期內(nèi)血管內(nèi)整體的速度分布數(shù)據(jù)，可以反映感興趣血管內(nèi)復(fù)雜的血流速度及流量分布，這對(duì)于在體復(fù)雜的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)評(píng)估尤其具有優(yōu)勢(shì)。目前應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行顱內(nèi)動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估的研究尚處于起步階段[10-11]，可重復(fù)性評(píng)價(jià)是對(duì)此項(xiàng)技術(shù)評(píng)估的重要方面,目前國內(nèi)外尚無對(duì)此項(xiàng)技術(shù)在顱內(nèi)動(dòng)脈評(píng)估的可重復(fù)性研究報(bào)道。

3.2 顱內(nèi)動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估的臨床意義

高血壓、高血脂、吸煙等作為全身高危因素，會(huì)增加動(dòng)脈粥樣硬化病變發(fā)生的危險(xiǎn)性。但病理和臨床研究[5,12]顯示，在這些全身危險(xiǎn)因素的影響下，動(dòng)脈粥樣硬化病變幾乎均發(fā)生于血管分叉、分支、彎曲或狹窄等血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜或突然發(fā)生變化的區(qū)域，提示血流動(dòng)力學(xué)因素可能是動(dòng)脈粥樣硬化病變的首選決定因素。現(xiàn)有公認(rèn)與動(dòng)脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展相關(guān)的血流動(dòng)力學(xué)因素包括血流狀態(tài)不規(guī)則、異?；虿▌?dòng)的血管壁切應(yīng)力等。動(dòng)脈粥樣硬化引起血管狹窄后，也會(huì)繼發(fā)局部血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的變化及異常分布[13-15]。與西方人不同，中國人群顱內(nèi)動(dòng)脈狹窄的發(fā)生率較高[16]，顱內(nèi)血管病變與高危因素及腦梗死病灶的相關(guān)研究已成為本領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[17-18]。對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)因素的研究,可能有助于對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展機(jī)制進(jìn)行深入分析。

3.3 顱內(nèi)動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)可重復(fù)性評(píng)估與心率和部位之間的相關(guān)性

血流速度和血流率的數(shù)值存在個(gè)體差異，局部的血流狀態(tài)，包括血管內(nèi)血流速度的分布，以及血流速度和血流率在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)相的變化，在動(dòng)脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展中起到一定作用。本研究結(jié)果提示此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于顱內(nèi)大部分血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的定量分析的可重復(fù)性較好，但多個(gè)位置的最大血流速度兩次檢查之間出現(xiàn)了明顯差別。對(duì)每個(gè)志愿者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)其中一名志愿者，兩次檢查的心率變化很大，而這名志愿者的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)中，最大血流速度的變化最為明顯。這可能提示，最大血流速度受心率的影響較大。4D flow成像檢查需要應(yīng)用指脈或者心電門控監(jiān)測心率，血流數(shù)據(jù)的采集依靠心電圖波信號(hào)激發(fā)磁共振成像，使其在心動(dòng)周期的特定時(shí)相采集數(shù)據(jù)或進(jìn)行回顧性重建。因此，此序列結(jié)果受到心率的影響是可以解釋的。這提示在4D flow成像檢查中，可能需要注意受試者的心率變化。但由于本組樣本數(shù)較少，之后會(huì)進(jìn)一步對(duì)此方面進(jìn)行研究，以驗(yàn)證此假設(shè)。

另外，本組結(jié)果顯示ICA虹吸段的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)兩次檢查之間的差別較大。ICA虹吸段血管走行迂曲，局部血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜。本組結(jié)果顯示兩次檢查之間，雙側(cè)血流速度分布不對(duì)稱，首次檢查左側(cè)高于右側(cè)，而重復(fù)檢查結(jié)果正好相反?？赡芴崾驹诓煌瑫r(shí)間或不同情況下，血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜的部位可能出現(xiàn)血流的不對(duì)稱分布，此部位血流定量評(píng)估的可重復(fù)性還需要今后進(jìn)一步的大樣本量研究予以確認(rèn)。另外，對(duì)于MCA近段及ICA起始部位血管面積及平均血流速度在兩次檢查中的變化，由于顱內(nèi)動(dòng)脈管徑纖細(xì)，可能與局部壓力導(dǎo)致的血管擴(kuò)張相關(guān)，也需要進(jìn)一步增加樣本量予以研究。

本研究的主要局限性是樣本量太小，今后會(huì)增加樣本量繼續(xù)進(jìn)一步研究。研究結(jié)果顯示，應(yīng)用磁共振4D flow 成像對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的評(píng)估的可重復(fù)性較好，但不同心率下的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)評(píng)估還需要進(jìn)一步研究；對(duì)于血流狀態(tài)復(fù)雜的部位如頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段，4D flow成像測量的可重復(fù)性可能還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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