基于單方向和多方向FSD準(zhǔn)備的三維非增強(qiáng)磁共振血管成像在足動(dòng)脈的應(yīng)用價(jià)值比較

趙均雄，戚玉龍，馮飛，劉陽(yáng)，張娜

作者單位：

1. 中山大學(xué)附屬第八醫(yī)院影像科，深圳 518033

2. 北京大學(xué)深圳醫(yī)院影像科，深圳 518036

3. 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院生物醫(yī)學(xué)成像研究中心，深圳 518055

診斷成像是前瞻性地了解足動(dòng)脈狹窄及閉塞的程度和位置的關(guān)鍵因素，有助于手術(shù)決策和手術(shù)干預(yù)程度的確定。近年來(lái)，基于三維快速自旋回波(turbo spin echo，TSE)或者穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)(steady-state free precession，SSFP)序列的非增強(qiáng)磁共振血管成像(noncontrast enhanced magnetic resonance angiography，NCE-MRA)已作為一種非侵入性的成像手段，廣泛應(yīng)用于外周血管疾病的評(píng)估上[1]。SSFP結(jié)合流動(dòng)敏感散相(flow-sensitive dephasing，F(xiàn)SD)梯度(FSD-SSFP)已被證明是一種非常有前景的外周血管成像方法，不僅可以避免因?qū)Ρ葎┮鸬膰?yán)重并發(fā)癥，而且能延長(zhǎng)掃描時(shí)間，增加圖像空間分辨率[2-3]。與其它基于TSE序列的NCE-MRA方法相比，F(xiàn)SD-SSFP序列不依賴(lài)于血流速度和方向，能達(dá)到更高的各向同性空間分辨率和足夠干凈的背景，利于觀(guān)察相對(duì)更為曲折更小口徑的動(dòng)脈，例如足部和手部的動(dòng)脈。

使用FSD梯度磁場(chǎng)作為準(zhǔn)備模塊來(lái)抑制血流信號(hào)，具有流動(dòng)獨(dú)立性的優(yōu)點(diǎn)，其在方向和強(qiáng)度上均可靈活配置，使多方向的流動(dòng)抑制成為可能。FSD模塊可以施加在一個(gè)(針對(duì)一維血流)或者兩個(gè)(針對(duì)二維血流)或者三個(gè)(針對(duì)三維血流)方向上，在兩個(gè)或三個(gè)方向上施加FSD模塊比僅在一個(gè)方向上施加能更有效徹底地抑制動(dòng)脈血流信號(hào)，從而提高減影后的圖像質(zhì)量。然而，目前還沒(méi)有研究評(píng)估多方向施加FSD模塊對(duì)足動(dòng)脈成像的應(yīng)用價(jià)值。本研究針對(duì)FSD-SSFP技術(shù)，提出一個(gè)新的FSD準(zhǔn)備模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)多方向血流信號(hào)抑制，以最終實(shí)現(xiàn)多方向復(fù)雜血管的NCE-MRA成像，并比較在單方向和在雙方向上施加FSD準(zhǔn)備模塊的FSD-SSFP在足動(dòng)脈診斷的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究經(jīng)中山大學(xué)附屬第八醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。35名被試者包括32名健康志愿者(19名男性，13名女性，年齡范圍24～77歲，平均年齡45歲，無(wú)動(dòng)脈疾病或心律失常史)和3例Ⅱ型糖尿病患者(2例男性，年齡范圍45～72歲，平均年齡59歲)。所有對(duì)象均為連續(xù)招募，對(duì)于磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)無(wú)禁忌證。行MRI前，所有被試者均簽署了知情同意書(shū)。

1.2 圖像采集

MRI掃描在德國(guó)西門(mén)子一體化1.5 T磁共振系統(tǒng)(型號(hào)：Avanto)上進(jìn)行。該系統(tǒng)配備高性能梯度系統(tǒng)，其強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換速率分別達(dá)到45 Tesla/m/s和200 Tesla/m/s。集成在掃描儀上的體線(xiàn)圈用于發(fā)射射頻信號(hào)。圓柱體形狀的12通道相控陣頭部線(xiàn)圈用于接收信號(hào)。所有被試者均為腳先入的仰臥位，以使腳位于整個(gè)磁場(chǎng)的的中心。對(duì)每一個(gè)被試者，先采集一個(gè)低分辨率的3D圖像，用于延遲時(shí)間(time delay，TD)和FSD梯度磁場(chǎng)一階矩(first-order moment，m1)測(cè)量的2D成像平面定位。然后分別使用2D turbo-FLASH (fast low angle shot)和ture-fisp (true fast imaging with steady state precession)序列進(jìn)行TD和m1搜索掃描用以估計(jì)TD和m1值。接下來(lái)使用ECG觸發(fā)的FSD-SSFP序列采集足動(dòng)脈的NCEMRA圖像，由在心臟收縮期使用FSD準(zhǔn)備(最佳m1值由m1搜索掃描測(cè)得)獲取的“黑動(dòng)脈血”圖像和在心臟舒張期使用T2準(zhǔn)備獲取的“亮動(dòng)脈血”圖像減影獲得。成像層面為斜冠狀位采集，其中上-下(superiorinferior，SI)方向位讀出方向、左右(left-right，L-R)方向?yàn)橄辔痪幋a方向。從2D m1搜索掃描測(cè)得的FSD梯度磁場(chǎng)m1值分別僅施加在讀出方向和同時(shí)施加在讀出和層面編碼(前-后)方向上。兩次NCE-MRA掃描的其他相同成像參數(shù)包括：TR (repeat time)/TE (echo time)=3.9 ms/1.8 ms；反轉(zhuǎn)角90°；成像視野300 mm×200 mm×80 mm～300 mm×200 mm×90 mm；體素大小0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm (沒(méi)有進(jìn)行插值)；接收帶寬965 Hz/像素；廣義自動(dòng)校準(zhǔn)部分并行采集(generalized autocalibrating partial parallel acquisition，GRAPPA)成像加速因子為2；采集時(shí)間根據(jù)受試者的心率每次掃描3～4 min，包括兩個(gè)連續(xù)測(cè)量(亮動(dòng)脈血和黑動(dòng)脈血采集)。

1.3 圖像處理

所有采集的圖像都被傳輸?shù)轿鏖T(mén)子高性能工作站進(jìn)行后處理。首先重建出整個(gè)足部的最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)圖像，并調(diào)節(jié)合適的窗寬窗位保證得到動(dòng)脈和周?chē)浗M織之間最好的對(duì)比度來(lái)評(píng)估圖像質(zhì)量，由2名有經(jīng)驗(yàn)的放射學(xué)專(zhuān)家，在不知道患者臨床資料及影像學(xué)診斷的前提下，使用四分法對(duì)足部五個(gè)主要?jiǎng)用}節(jié)段(足背動(dòng)脈、足底外側(cè)動(dòng)脈、足底內(nèi)側(cè)動(dòng)脈、足弓動(dòng)脈和跖骨動(dòng)脈)以隨機(jī)順序進(jìn)行共識(shí)打分：4分：足動(dòng)脈顯示清晰、動(dòng)脈邊緣銳利；3分：足動(dòng)脈顯示良好、血管結(jié)構(gòu)完整；2分：足動(dòng)脈顯示一般、但仍舊能檢測(cè)病變；1分：足動(dòng)脈顯示差、無(wú)法診斷病變。根據(jù)先前描述的方法，截取動(dòng)脈節(jié)段的橫截面用來(lái)計(jì)算足動(dòng)脈的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)、與周?chē)∪庵g的對(duì)比度噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)以及三個(gè)主要?jiǎng)用}節(jié)段(足背動(dòng)脈、足底外動(dòng)脈和足弓動(dòng)脈)的血管清晰度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 25.0對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。使用非參數(shù)Wilcoxon秩和檢驗(yàn)比較兩次NCE-MRA掃描得到的圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SNR、CNR和血管銳利度，P＜0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖1 基于單方向施加FSD模塊和雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像質(zhì)量評(píng)分比較，圖示顯示為均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。星號(hào)表示兩者之間具有顯著性差異(P＜0.05)Fig. 1 Comparison of the image quality scores of NCE-MRA with single directional and two directional FSD modules. The illustrations are shown as mean and standard deviation. The asterisk indicates a significant difference between the two (P＜0.05).

2 結(jié)果

所有被試者均成功完成所有掃描。35名被試者共獲得350根足動(dòng)脈節(jié)段?；趦H在單方向施加FSD模塊和雙方向都施加FSD模塊的足動(dòng)脈NCE-MRA的平均采集時(shí)間分別為(5.49±1.26) min和(5.44±1.34) min，兩者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。

在可診斷動(dòng)脈節(jié)段數(shù)量上，基于單方向施加FSD模塊的NCE-MRA可診斷327 (93.43%)根足動(dòng)脈節(jié)段，基于雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA可診斷330 (94.29%)根足動(dòng)脈節(jié)段，兩者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.64)。對(duì)于圖像質(zhì)量評(píng)分，基于單方向和基于雙方向施加FSD模塊獲得的NCE-MRA圖像質(zhì)量評(píng)分分別為(3.61±0.54)分和(3.55±0.61)分，具體而言，除了足背動(dòng)脈和跖骨動(dòng)脈，其他三根動(dòng)脈的基于單方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像質(zhì)量均高于基于雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像(圖1)。然而基于單方向施加FSD模塊采集的一些NCE-MRA足動(dòng)脈圖像中，足弓動(dòng)脈未能完全顯示，而在基于雙方向施加FSD模塊采集的NCE-MRA圖像均能很好的顯示這些足弓動(dòng)脈，圖2、3為在基于單方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像中由于足弓動(dòng)脈信號(hào)丟失引起的假性狹窄。

對(duì)于圖像的SNR、CNR和血管銳利度，基于單方向施加FSD模塊采集的NCE-MRA的圖像SNR、CNR和血管銳利度分別73.21±26.69、65.53±20.60和1.16±0.16，基于雙方向施加FSD模塊采集的NCE-MRA的圖像SNR、CNR和血管銳利度分別70.88±25.66、63.29±19.95和1.18±0.14。僅在單方向施加FSD模塊和在兩個(gè)方向都施加FSD模塊采集的NCE-MRA圖像在這三個(gè)指標(biāo)上沒(méi)有顯著性差異，其比較結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖2 男性志愿者，28歲，足動(dòng)脈NCE-MRA最大密度投影圖，左圖為基于單方向施加FSD準(zhǔn)備模塊的SSFP序列采集的圖像，右圖為基于雙方向施加FSD準(zhǔn)備模塊的SSFP序列采集的圖像?？梢?jiàn)左圖的右側(cè)足弓動(dòng)脈由于信號(hào)丟失引起假性狹窄(箭) 圖3 男性志愿者，29歲，足動(dòng)脈NCE-MRA最大密度投影圖，左圖為基于單方向施加FSD準(zhǔn)備模塊的SSFP序列采集的圖像，右圖為基于雙方向施加FSD準(zhǔn)備模塊的SSFP序列采集的圖像。可見(jiàn)左圖的右側(cè)足弓動(dòng)脈由于信號(hào)丟失引起假性狹窄(箭)Fig. 2 MIP images of SSFP based NCE-MRA with single directional (left) and two directional FSD modules (right) preparation of the pedal arteries in a 28-yearold male health volunteer. A false stenosis caused by signal loss is seen at the right pedal arch (arrow) on the MIP image of SSFP with FSD module applied in only superior-inferior direction. Fig. 3 MIP images of SSFP based NCE-MRA with single directional (left) and two directional FSD modules (right) preparation of the pedal arteries in a 29-year-old male health volunteer. A false stenosis caused by signal loss is seen at the right pedal arch (arrow) on the MIP image of SSFP with FSD module applied in only superior-inferior direction.

圖4 基于單方向施加FSD模塊和雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像在SNR、CNR和血管銳利度三個(gè)指標(biāo)的比較結(jié)果，圖示顯示為均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig. 4 Comparison of the SNR, CNR and vessel sharpness of NCE-MRA with single directional and two directional FSD modules. The illustrations are shown as mean and standard deviation.

3 討論

周邊動(dòng)脈疾病是一個(gè)比較普遍的老年性疾病，通常嚴(yán)重威脅到病人的肢體活動(dòng)能力和生活品質(zhì)，而且常伴隨其他可能導(dǎo)致嚴(yán)重心血管病(譬如中風(fēng)和心臟病)的危險(xiǎn)因素，因而對(duì)于該病的及早并準(zhǔn)確診斷具有非常重要的意義[4-5]。盡管數(shù)字減影血管造影仍是診斷該病的金標(biāo)準(zhǔn)，MRA因?yàn)闊o(wú)創(chuàng)傷，無(wú)輻射的特點(diǎn)已逐漸成為一個(gè)常規(guī)的臨床檢查手段。最常用的MRA技術(shù)是基于含釓對(duì)比劑的CE-MRA技術(shù)，該技術(shù)的一個(gè)最主要的缺點(diǎn)在于含釓對(duì)比劑可能會(huì)在腎功能不全的病人中引發(fā)致命的NSF。另外，對(duì)比劑在動(dòng)脈中短暫的停留時(shí)間會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的空間分辨率和成像范圍，尤其會(huì)在肢體遠(yuǎn)端部位造成靜脈信號(hào)污染[6-7]。近年來(lái)無(wú)需使用對(duì)比劑的NCE-MRA技術(shù)又逐漸成為研究熱點(diǎn)。總體來(lái)說(shuō)，該技術(shù)具有可多次采集、高空間分辨率和低成本的特點(diǎn)[8-10]。

基于FSD準(zhǔn)備的血管成像技術(shù)是一個(gè)具有臨床應(yīng)用前景的周邊動(dòng)脈NCE-MRA檢查方案[11-15]。該技術(shù)利用動(dòng)、靜脈血流流速差異以及FSD模塊對(duì)血流的敏感性，通過(guò)將一個(gè)使用FSD模塊的“黑動(dòng)脈血”采集與另一個(gè)不使用FSD模塊的“亮動(dòng)脈血”采集做減影來(lái)獲得最終的動(dòng)脈血管圖像。然而傳統(tǒng)的FSD準(zhǔn)備模塊僅能夠充分抑制單一方向上的血流信號(hào)，一個(gè)與該單一方向完全垂直的血流是不會(huì)被FSD梯度磁場(chǎng)抑制信號(hào)的，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)該血管的“黑動(dòng)脈血”成像，于是在最終的減影圖象中出現(xiàn)血管描繪不完全，這很可能對(duì)臨床診斷具有致命的影響，在周邊動(dòng)脈的遠(yuǎn)端部位，包括小腿、足和手，同時(shí)存在沿不同方向的血管分支，在這些部位的血管成像時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)由于血流信號(hào)抑制不完全導(dǎo)致的減影圖像上的動(dòng)脈管腔信號(hào)缺失的問(wèn)題。

本研究提出一個(gè)新的FSD準(zhǔn)備模塊，該模塊由兩個(gè)傳統(tǒng)的FSD準(zhǔn)備模塊串聯(lián)而成。與過(guò)去的FSD模塊不同，新模塊中FSD梯度磁場(chǎng)被依次加載在讀出方向和相位編碼方向以獨(dú)立抑制不同正交方向上的血流信號(hào)。我們?cè)谥驹刚咧斜容^了在單方向和雙方向施加FSD梯度磁場(chǎng)采集的足動(dòng)脈NCE-MRA圖像的圖像質(zhì)量評(píng)分、足動(dòng)脈的SNR及與周?chē)M織的CNR、血管銳利度等指標(biāo)。兩次掃描的SNR、CNR和血管銳利度均和之前的研究結(jié)果相近[1-3]，兩次掃描之間的這三個(gè)指標(biāo)沒(méi)有顯著性差異?；陔p方向施加FSD梯度磁場(chǎng)的NCE-MRA，由于在前后方向上增加施加了FSD磁場(chǎng)，對(duì)足弓動(dòng)脈的顯示要比基于單方向施加FSD梯度磁場(chǎng)的NCE-MRA更好。基于雙方向施加FSD梯度磁場(chǎng)的NCE-MRA的圖像質(zhì)量評(píng)分比基于單方向施加FSD梯度磁場(chǎng)的NCE-MRA稍低，這是由于腳趾上的軟組織污染造成的，但是它對(duì)勾畫(huà)動(dòng)脈并無(wú)影響(圖2，3)，而且還會(huì)補(bǔ)償由基于單方向施加FSD梯度引起的足弓動(dòng)脈信號(hào)丟失。

本研究還存在一些不足之處：(1)研究對(duì)象主要為健康志愿者，僅納入了3例外周動(dòng)脈疾病患者驗(yàn)證本研究所用采集方式用于臨床患者的有效性，還需要在大樣本量的臨床患者中對(duì)兩種采集方式進(jìn)行比較，并驗(yàn)證基于雙方向施加FSD梯度磁場(chǎng)的NCE-MRA用于臨床外周血管壁患者的可重復(fù)性。(2)由于本研究是健康志愿者實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有掃描DSA或者CE-MRA作為對(duì)照，但是本研究是基于以前的研究方法[2-3]進(jìn)行兩種FSD模塊施加的比較，之前的研究已經(jīng)進(jìn)行了NCE-MRA和CE-MRA的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，表明本研究中使用的NCE-MRA是臨床有效的。我們將在進(jìn)一步的臨床患者比較實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行CEMRA的掃描作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

總之，本研究提出的基于雙方向施加FSD準(zhǔn)備模塊能夠在“黑動(dòng)脈血”采集中可靠抑制多方向的血流信號(hào)，保證在NCE-MRA中，不規(guī)則血管或者有湍流血流的血管仍能夠保持高亮信號(hào)，從而降低誤診率。

利益沖突：無(wú)。