4D Flow MRI血流動(dòng)力學(xué)成像概述及其臨床應(yīng)用

張歸玲，周銥然，吳迪，魯君，閻肅，張順，湯翔宇，覃媛媛，朱文珍

4D Flow MRI是一項(xiàng)新型的磁共振血管成像技術(shù)，它可以顯示血管的形態(tài)學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)，與傳統(tǒng)的3D血管成像相比，增加了時(shí)間維度，以展示不同心動(dòng)周期血流動(dòng)力學(xué)的變化。4D Flow MRI可在活體內(nèi)測量管壁剪切力(wall sheer stress,WSS)、管壁壓力(pressure)、壓力梯度(pressure gradient，PG)、脈波速度(pulse wave velocity,PWV)等參數(shù)，可為血管疾病提供全面豐富的信息。常見的測量血流動(dòng)力學(xué)的方法還有計(jì)算流體力學(xué)(computation fluid dynamics，CFD)，CFD可達(dá)到較高的空間和時(shí)間分辨率，但它是用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)流體模型計(jì)算得到的，其準(zhǔn)確性與流體模型的設(shè)定、管壁邊界的假設(shè)及函數(shù)的準(zhǔn)確性有關(guān)，而4D Flow MRI是活體內(nèi)直接測量，其準(zhǔn)確性和真實(shí)性更高。4D Flow MRI自提出以來，在各個(gè)系統(tǒng)均有初步應(yīng)用。本文將對4D Flow MRI的原理及處理進(jìn)行概述并討論其臨床應(yīng)用。

4DFlowMRI的原理

4D Flow MRI是基于磁共振相位對比法成像(phase contrast magnetic resonance imaging，PC-MRI)的影像學(xué)技術(shù)。PC-MRI的原理是采用梯度回波序列，基于流體內(nèi)質(zhì)子相位變化進(jìn)行成像，在流體的流動(dòng)方向上施加一對幅度和間期相同、方向相反的雙極梯度脈沖，靜止的質(zhì)子受到大小相等、方向相反的脈沖作用后，相位回復(fù)到原位，相位變化為零，而運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子在梯度場中的位置發(fā)生變化，產(chǎn)生了相位變化，根據(jù)此原理將靜止與運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子相位差異顯示出來。

在4D Flow MRI中，為實(shí)現(xiàn)三向速度編碼，通常使用標(biāo)準(zhǔn)笛卡爾坐標(biāo)或徑向圖像采集技術(shù)。與傳統(tǒng)2D PC-MRI相比，采集4D Flow數(shù)據(jù)需要更長的掃描時(shí)間。笛卡爾4D Flow MRI采集使用“K空間分割”和“交錯(cuò)四點(diǎn)速度編碼”獲得3D數(shù)據(jù)，笛卡爾4D Flow MRI采集與2D PC MRI類似，使用K空間分割技術(shù)，在多個(gè)心動(dòng)周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。三維方向的速度測量使用“交錯(cuò)四點(diǎn)速度編碼”方法，即對每個(gè)原始數(shù)據(jù)，連續(xù)采集四個(gè)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)在所有三個(gè)維度上的速度編碼：包括一個(gè)參考掃描和沿三個(gè)正交方向上的速度編碼采集(分別在x、y、z上增加雙極梯度場實(shí)現(xiàn))；最后通過圖像重建，得到3D電影幅度圖像和表示三個(gè)正交方向上血流速度vx、vy和vz的時(shí)間序列(相位差圖像)[1]。

4DFlowMRI掃描及處理概述

4D Flow MRI掃描需要使用心電門控或指脈實(shí)時(shí)捕捉心動(dòng)周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，采集需要在多個(gè)心動(dòng)周期中完成來得到一系列不同時(shí)間的圖像。掃描參數(shù)在不同部位時(shí)間分辨率、空間分辨率和流速編碼不盡相同，表1列出了常見部位的參數(shù)[1]。

表1 4D Flow MRI掃描參數(shù)

掃描后得到一個(gè)幅度圖像和表示三個(gè)方向的時(shí)間序列，通過后處理軟件分析，包括預(yù)處理、分割等，圖1以CVI42工作站處理頸部血管為例，介紹其處理流程。

圖1 4D Flow MRI處理流程，以CVI42處理頸動(dòng)脈狹窄為例。a)數(shù)據(jù)采集：采集包括時(shí)間維度的三向速度信息的PC-MRI；b)預(yù)處理：糾正由于噪聲、混疊和渦流導(dǎo)致的誤差；c)分割：將目標(biāo)血管進(jìn)行分割，并平行目標(biāo)血管流動(dòng)方向追蹤中心線；d)數(shù)據(jù)分析：將平面垂直于中心線放置在管腔狹窄的位置(以頸動(dòng)脈狹窄為例，可根據(jù)研究目的自由調(diào)整)，手動(dòng)調(diào)整幅度圖像中的管腔輪廓使測量更精準(zhǔn)，這時(shí)可以直觀看到顏色編碼的橫截面和矢狀面的參數(shù)圖像，以及各參數(shù)的量化值，導(dǎo)出定量分析值；e)可視化：4D Flow MRI可以動(dòng)態(tài)直觀地顯示不同心動(dòng)周期的血流動(dòng)力學(xué)變化[2]。

4DFlowMRI參數(shù)及其意義

4D Flow MRI可以動(dòng)態(tài)顯示血流動(dòng)力學(xué)的變化，可對選定的任意層面血液的流速與方向進(jìn)行不同顏色的編碼，通過不同的顏色顯示速度的大小、方向及瞬時(shí)速度場的信息，可調(diào)節(jié)流線數(shù)量以整體和局部細(xì)致觀察血流狀態(tài)，也可以調(diào)整切面從任意方向和角度進(jìn)行測量等；可全面評估流入道流出道是否存在反流及渦流等異常狀態(tài)。同時(shí)，4D Flow MRI可以定量測量多個(gè)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，其參數(shù)及意義見表2。

表2 血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)及意義

4DFlowMRI在頭頸部血管中的應(yīng)用

4D Flow MRI中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要研究動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形及頭頸部血管狹窄等血管疾病，探究其血流動(dòng)力學(xué)的變化及其在疾病中的意義。

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤(intracranial aneurysms，IAs)是顱內(nèi)常見的血管疾病，一旦破裂會(huì)導(dǎo)致蛛網(wǎng)膜下腔出血危機(jī)生命，但并非所有的動(dòng)脈瘤都需要手術(shù)治療，需綜合評估動(dòng)脈瘤大小、位置、血流動(dòng)力學(xué)等影響因素。陳宇等[3]采用了4D Flow MRI與CFD兩種方法來評估動(dòng)脈瘤，發(fā)現(xiàn)血液在載瘤動(dòng)脈和瘤體內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)相似，但在局部瘤體橫截面內(nèi)速度分布的整體差異較大。Schnell等[4]研究了不同大小和形態(tài)的動(dòng)脈瘤(大囊形動(dòng)脈瘤、小囊形動(dòng)脈瘤、梭形動(dòng)脈瘤)血流動(dòng)力學(xué)的分布，發(fā)現(xiàn)瘤體內(nèi)囊形動(dòng)脈瘤較梭形動(dòng)脈瘤的最大血流速度更高，而小囊形動(dòng)脈瘤的WSS和渦度更大(圖2)。以上研究都表明4D Flow MRI技術(shù)可對動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行有效評估，對疾病的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測有較高的參考價(jià)值，但缺乏預(yù)測動(dòng)脈瘤破裂風(fēng)險(xiǎn)的研究。Jou等[5]采用CFD的方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)頸內(nèi)動(dòng)脈瘤體內(nèi)的WSS降低可能與動(dòng)脈瘤破裂有關(guān)，但這項(xiàng)研究僅限于小樣本特定部位的動(dòng)脈瘤，需要更多的研究來重復(fù)和證實(shí)。因此，采用4D Flow MRI的方法預(yù)測其破裂風(fēng)險(xiǎn)，為治療措施提供參考依據(jù)有重要的臨床意義，也是未來研究的重點(diǎn)。

圖2 不同類型動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)改變。a～c)大囊形動(dòng)脈瘤，表現(xiàn)為沿瘤壁小范圍的高速血流通道，伴有較大范圍的中央慢流區(qū)；d～f)小囊形動(dòng)脈瘤，動(dòng)脈瘤周邊較大范圍高速血流通道，中央慢流區(qū)較??；g～i)梭形動(dòng)脈瘤，血流速度較其他組明顯減慢[5]。

動(dòng)靜脈畸形(arteriovenous malformations，AVM)具有很高的出血風(fēng)險(xiǎn)，但手術(shù)治療具有較高的致殘率和死亡率，包括永久性神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥。Chang等[6]采用4D Flow檢查了癥狀穩(wěn)定的患者和出現(xiàn)急性癥狀的患者的供血?jiǎng)用}血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常對側(cè)血管相比，無癥狀或癥狀輕微的患者在供血?jiǎng)用}中的WSS無顯著差異，而出現(xiàn)出血、嚴(yán)重頭痛/癲癇發(fā)作或局灶性神經(jīng)功能缺損者與對側(cè)血管相比，供血?jiǎng)用}的WSS更高。因此，該研究證明了采用4D Flow可以在臨床無創(chuàng)地獲得AVM患者的WSS和其他血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)值,供血?jiǎng)用}和正常血管之間的WSS變化與患者的病情嚴(yán)重程度有關(guān)。

Li等[7]采用4D Flow MRI來研究靜脈搏動(dòng)性耳鳴(pulsatile tinnitus，PT)患者的橫竇和乙狀竇血流動(dòng)力學(xué)，并比較其與健康對照者的差異；該研究共測量了PT組與對照組之間的平面速度、最大通過平面速度、平均速度、最大速度、平均血流量；結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組相比，PT組所有參數(shù)均高于對照組，且在血管內(nèi)觀察到湍流(圖3)。因此，4D Flow MRI獲得的血流動(dòng)力學(xué)信息可作為靜脈PT診斷和治療評估的非侵入性生物標(biāo)志物。

圖3 4D Flow MRI觀察到靜脈性搏動(dòng)耳鳴患者血流速度顯著升高，并觀察到局部的湍流等異常血流狀態(tài)[7]。a～b)靜脈性搏動(dòng)耳鳴患者；c)健康對照者。 圖4 4D Flow MRI顯示各參數(shù)值均隨著患者年齡的增長而降低，頸動(dòng)脈分叉處的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)較其他部位明顯降低[8]。a～d)分別為健康對照者、青年人、中年人、老年人的血流速度；e～h)分別為健康對照者、青年人、中年人、老年人的剪切力。

本課題組前期研究了4D Flow MRI在頸部血管中的應(yīng)用，首先探究了20～75歲志愿者不同部位頸動(dòng)脈血流速度、WSS和PG的變化，筆者發(fā)現(xiàn)血流動(dòng)力學(xué)各參數(shù)值均隨著年齡的增長而降低(圖4)，且頸動(dòng)脈分叉處的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)較其他部位明顯降低。由于年齡和頸動(dòng)脈分叉部是動(dòng)脈粥樣斑塊發(fā)生的重要內(nèi)在因素，因此筆者認(rèn)為低的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)與動(dòng)脈粥樣斑塊的發(fā)生有密切關(guān)系[8]。在此基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步研究了高低風(fēng)險(xiǎn)斑塊WSS的改變，結(jié)合DWI、高分辨率MRI和臨床癥狀，將斑塊進(jìn)行分類，并測量狹窄處WSS的改變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)斑塊處的WSS明顯高于低風(fēng)險(xiǎn)斑塊，而在不同的心動(dòng)周期，WSS的變化不同，舒張期較收縮期變化更明顯，軸向WSS較環(huán)向WSS的差異更顯著[2]。本課題組的研究發(fā)現(xiàn)在早期斑塊形成的過程中，WSS等血流動(dòng)力學(xué)降低會(huì)促進(jìn)斑塊的發(fā)生，但在斑塊形成后，高WSS容易促進(jìn)其成為高風(fēng)險(xiǎn)斑塊，在不同的心動(dòng)周期和不同的方向上，WSS的細(xì)微變化也不盡相同，4D Flow MRI可全面且細(xì)致地顯示斑塊血流動(dòng)力學(xué)的改變。

4DFlowMRI在心血管系統(tǒng)的應(yīng)用

心血管系統(tǒng)是4D Flow MRI應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，心臟和大血管由于血管管徑大，能清楚顯示血流軌跡和異常流動(dòng)，非常適合做血流動(dòng)力學(xué)研究。

Callaghan等[9]采用4D Flow MRI研究了247例健康成人主動(dòng)脈的形狀和血流動(dòng)力學(xué)變化與年齡的關(guān)系，測量了主動(dòng)脈彎曲度、弓形度、升主動(dòng)脈角、升主動(dòng)脈直徑、由主動(dòng)脈體積歸一化的每搏輸出量以及血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)(速度、渦度和螺旋度)，測量方法如圖5所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)主動(dòng)脈彎曲度、弓形程度、升主動(dòng)脈角、升主動(dòng)脈直徑隨年齡增長而增大，而胸主動(dòng)脈速度、渦度和螺旋度隨著年齡的增大而減小。因此，主動(dòng)脈的形狀和血流動(dòng)力學(xué)與年齡密切相關(guān)，在主動(dòng)脈的疾病中應(yīng)根據(jù)不同的年齡選擇不同的對照。

圖5 主動(dòng)脈弓各形狀和血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)測量方法[9]，a～d為形狀參數(shù)，e～i為血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。a)彎曲度(aortic curvature)；b)主動(dòng)脈弓角度(arch shape)；c～d)升主動(dòng)脈角(ascending aortic angle)；e～f)流速(velocity)；g)渦度(vorticity)；h～i)螺旋度(helicity)。 圖6 TOF早期修復(fù)術(shù)后，仍在不同的心動(dòng)周期內(nèi)出現(xiàn)異常螺旋流動(dòng)，4D flow MRI 可以直觀展示[10]。

法洛四聯(lián)癥患者由于進(jìn)行性主動(dòng)脈根部擴(kuò)張和主動(dòng)脈順應(yīng)性降低，存在發(fā)生晚期主動(dòng)脈并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。青春期前早期修復(fù)可以使主動(dòng)脈直徑正?；?，但目前尚不清楚早期修復(fù)能否使主動(dòng)脈壁組織學(xué)和順應(yīng)性正?；蚪档屯砥谥鲃?dòng)脈并發(fā)癥的發(fā)生率。Schafer等[10]采用4D flow MRI來確定法洛四聯(lián)癥患者在嬰兒期進(jìn)行修復(fù)后，主動(dòng)脈直徑的變化及主動(dòng)脈壁血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和管腔流量參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各組之間的胸主動(dòng)脈直徑無明顯差異，所有法洛四聯(lián)癥患者的主動(dòng)脈直徑均在正常范圍內(nèi)。在法洛四聯(lián)癥組中，升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈的相對面積變化和擴(kuò)張性顯著降低，并且在整個(gè)主動(dòng)脈中，收縮期峰值WSS和平均WSS均升高，超生理收縮螺旋形成(圖6)。因此，盡管早期修復(fù)恢復(fù)了正常的主動(dòng)脈尺寸，法洛四聯(lián)癥術(shù)后患者在青春期前和青少年期在近端主動(dòng)脈中仍具有高的壁切應(yīng)力、較高的僵硬度和病理性收縮流形成，因此仍然存在發(fā)生晚期主動(dòng)脈并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

胡立偉等[11]采用4D Flow研究主動(dòng)脈縮窄(coarctation of aorta，CoA)術(shù)后患兒與正常兒童志愿者血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，探討4D Flow在CoA術(shù)后的評估價(jià)值，對PWV、能量損失(Energy Loss，EL)和WSS等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行定量評價(jià)。研究結(jié)果顯示與對照組相比，病變組狹窄部位遠(yuǎn)端層面的WSS和PWV明顯升高，因此，4D Flow可用于定量評價(jià)CoA術(shù)后血流動(dòng)力學(xué)變化。主動(dòng)脈EL與狹窄段近端的渦流大小有關(guān)。狹窄段部位渦流大小和WSS升高是早期影響CoA術(shù)后血管順應(yīng)性下降的重要因素。

4DFlowMRI在腹部的應(yīng)用

腹部4D Flow MRI主要研究的是肝動(dòng)靜脈和門脈系統(tǒng)，在肝硬化導(dǎo)致的靜脈曲張中體現(xiàn)了重要價(jià)值。為了探究4D Flow MRI是否可用于無創(chuàng)性縱向監(jiān)測經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門體分流術(shù)(transjugular intrahepatic portosystemic shunt，TIPS)前后肝血流的血流動(dòng)力學(xué)，Stankovic等[12]在早期的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了4D Flow技術(shù)評估肝動(dòng)靜脈和門靜脈系統(tǒng)的可行性。Bannas等[13]采用4D Flow MRI測量了術(shù)前、術(shù)后4周、術(shù)后12周腸系膜上靜脈(superior mesenteric vein，SMV)、脾靜脈(spleen vein,SV)、門靜脈(portal vein,PV)和TIPS分流血管的血流量和峰值速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SMV和PV的流量顯著增加(圖7)，術(shù)后4周與12周之間沒有明顯差異。7例患者中6例出現(xiàn)腹水消退。在解決了腹水的患者中，TIPS/PV術(shù)后兩次的血流量比為(0.8±0.2)和(0.9±0.2)，而難治性腹水患者的比例分別為4.6和4.3。

圖7 4D Flow MRI門脈系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)了可視化和量化。a)TIPS置入前與置入后2周的4D-Flow血管造影顯示動(dòng)脈(紅色)、靜脈(藍(lán)色)、門靜脈(黃色)和TIPS(灰色)；b) TIPS放置術(shù)前與術(shù)后2周顯示門脈循環(huán)中的血流速度，可見TIPS術(shù)后SMV、SV和PV中的血流速度顯著增加[13]。

Motosugi等[14]采用4D Flow研究肝硬化患者靜脈曲張出血的風(fēng)險(xiǎn)。在內(nèi)鏡檢查中將靜脈曲張分為三種：無靜脈曲張、低風(fēng)險(xiǎn)和需要治療的高風(fēng)險(xiǎn)。采用4D Flow MRI測量PV、SMV、SV和奇靜脈的流量，計(jì)算PV和SV的分?jǐn)?shù)流量變化以量化從PV和SV到靜脈曲張的分流(流出)。 結(jié)果顯示高風(fēng)險(xiǎn)靜脈曲張的獨(dú)立指標(biāo)是奇靜脈血流量大于0.1L/min和PV中的分?jǐn)?shù)流量變化小于0；說明奇靜脈流量大于0.1L/min、門靜脈血流量小于脾臟和腸系膜上靜脈血流總和，是分層肝硬化患者胃食管靜脈曲張出血風(fēng)險(xiǎn)的有效指標(biāo)。

除此之外，Lebenatus等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)4D Flow MRI可直觀顯示腹主動(dòng)脈瘺連接點(diǎn)噴射(圖8)，并可測量近端主動(dòng)脈血流量和每個(gè)心動(dòng)周期到瘺管的流量；表明4D Flow MRI能可視化血流方向，并幫助量化主動(dòng)脈瘺中的血流量。

圖8 a)腹主動(dòng)脈CTA；b)腹主動(dòng)脈流速編碼圖像：可直接顯示連接點(diǎn)噴射，并可測量出近端主動(dòng)脈血流量為50mL/心動(dòng)周期，每個(gè)心動(dòng)周期到瘺管的流量為30mL[15]。

4D Flow MRI在過去幾年中不斷發(fā)展，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及腹部中得到了初步應(yīng)用。4D Flow MRI前期因?yàn)閽呙杓夹g(shù)和后處理復(fù)雜等原因在國內(nèi)的研究還較少，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有各種平臺(tái)可以成熟處理。4D Flow MRI能在體直接評估血液的血流動(dòng)力學(xué)，可以在心動(dòng)周期的任意時(shí)刻沿著任意方向從任意角度測量血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并可對流速的方向和大小進(jìn)行彩色編碼，直觀展示血管內(nèi)血流狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。血管疾病的研究可分為形態(tài)學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)，形態(tài)學(xué)上由于高分辨血管壁成像的出現(xiàn)有重要進(jìn)展，4D Flow MRI的出現(xiàn)有望從血流動(dòng)力學(xué)上實(shí)現(xiàn)另一項(xiàng)突破并成為臨床及科研中的重要工具。