4D-Flow-MRI在腹部血管血流動力學(xué)中的潛在應(yīng)用價值

余安定,陳杰,潘靚

四維血流磁共振成像(four dimensional flow MRI,4D-Flow-MRI)又稱為三維速度編碼的時間分辨相位對比(phase contrast,PC)磁共振成像,此項技術(shù)在整個心動周期內(nèi)沿著三個空間維度進(jìn)行速度編碼(velocity encoding,VENC),不僅能提供較好的容量解剖、血管造影和三個方向的血流信息,還能通過使用流線和粒子軌跡實現(xiàn)血流方向和速度的可視化。相較于超聲和傳統(tǒng)2D-PC-MRI,4D-Flow-MRI對操作者的依賴性極小,可提供更為詳細(xì)的腹部血流動力學(xué)信息,且具有較高的性價比[1-2]。4D-Flow-MRI在腹部中的應(yīng)用范圍較廣,不僅可對主動脈及其分支以及門靜脈系統(tǒng)進(jìn)行可視化分析,還可用于定量分析肝、脾和腎等內(nèi)臟血管的血流動力學(xué)狀況。

從2D到4D血流成像

PC-MRI的原理是采用大小相等、方向相反的雙極梯度場對流體進(jìn)行編碼,從兩次采集中減去相位圖像以消除背景的相位效應(yīng),由此產(chǎn)生的相位差圖像可以實現(xiàn)血管的可視化和血流的量化分析。2D-PC-MRI是在屏氣期間使用單向速度編碼,可提供具有單一速度和幅度的圖像。4D-Flow-MRI則是通過三個方向(x,y,z)流速編碼以及單向的流動補償編碼來進(jìn)行四點掃描,從而提供隨時間變化的3D體積集(4D)。每個4D體積包含一個量級體積和三個在三維空間中編碼的速度體積,實現(xiàn)了成像區(qū)域內(nèi)任意位置血流的量化和可視化,可以準(zhǔn)確估計血管的長度和血流動力學(xué)信息[3]。4D-Flow-MRI還可以在后處理期間離線放置分析平面,回顧性分析多個血管的血流參數(shù)。表1詳細(xì)列出了4D-Flow-MRI與傳統(tǒng)2D-PC-MRI的主要差異[4]。

表1 4D-Flow-MRI與2D-PC-MRI的主要差異

技術(shù)特點和參數(shù)

1.速度敏感性

VENC參數(shù)決定了4D-Flow-MRI對流速的敏感性。VENC作為自定義參數(shù),是在不產(chǎn)生速度混疊的情況下設(shè)置的可獲得的最大流速。研究表明VENC設(shè)置值比預(yù)期的最大速度高10%左右較為合理,可以有效避免速度混疊和噪聲[5]。VENC推薦設(shè)置值:正常動脈100～200 cm/s,狹窄或縮窄時250～400 cm/s,靜脈50～80 cm/s;腎動脈150 cm/s,腸系膜上動脈100～150 cm/s;門靜脈、脾靜脈和腸系膜上靜脈50～60 cm/s[6-8]。近年來,4D-Flow-MRI開始使用雙或多VENC進(jìn)行血流編碼[9-10],通過使用額外的速度編碼來避免相位混疊,從而提高速度與噪聲比(velocity-to-noise ratio,VNR),進(jìn)一步改善圖像質(zhì)量及其動態(tài)速度范圍(如收縮前血流的快速峰值和舒張后血流的緩慢峰值)。

2.心電和呼吸門控

為了捕獲整個心動周期的流速,通常需要使用心電門控來進(jìn)行心臟同步,同步必須覆蓋整個心臟周期,并且在R-R間期內(nèi)保持一致。前瞻性心電門控可能會錯過舒張期的最后部分,理想情況下應(yīng)使用回顧性心電門控來覆蓋整個心動周期。

對于該技術(shù)在腹部的應(yīng)用,還需要使用呼吸控制技術(shù)來盡量減少呼吸偽影,包括呼吸波紋管、導(dǎo)航門控或自門控技術(shù)[11]。對于超過15～20 s的掃描,最常用的是導(dǎo)航門控,建議在呼氣末將導(dǎo)航器窗口放置在膈肌與肝臟連接處,門控窗口約為6 mm。常規(guī)呼吸模式的采集效率約為50%,導(dǎo)致掃描時間增加,從而增加了患者的不適感以及掃描成本。

3.采集時間

由于心率、解剖覆蓋范圍、時間及空間分辨率等因素,4D-Flow-MRI應(yīng)用于心血管系統(tǒng)時掃描時間一般為5～20 min。對于胸部和腹部血管,因為通常需要使用呼吸控制技術(shù),掃描時間可長達(dá)15～20 min。近年來各種加速技術(shù)如徑向欠采樣、螺旋采樣、并行成像或壓縮感知等的應(yīng)用明顯縮短了4D-Flow-MRI的掃描時間,可在8～20 min內(nèi)完成胸部和腹部血管的掃描[12-13]。其中,最常見的加速技術(shù)是徑向欠采樣。徑向欠采樣各向同性投影重建相位對比(phase contrast with vastly under sampled isotropic projection reconstruction,PC-VIPR)技術(shù)是在4D-Flow-MRI的基礎(chǔ)上運用了徑向欠采樣加速技術(shù),能夠在更短的掃描時間內(nèi)采集更大范圍的數(shù)據(jù),且提供了更高的時間和空間分辨率,有利于分析較小血管(如腎動脈)中的流場[14]。

4.時間和空間分辨率

時間分辨率應(yīng)準(zhǔn)確表明流速隨時間的變化,從而可以正確評估峰值速度。理想情況下,時間分辨率應(yīng)盡可能短,應(yīng)設(shè)置在40 ms以下,以準(zhǔn)確識別脈動血流的時間變化。為了縮短采集時間,可適當(dāng)增加時間分辨率(推薦設(shè)置值:主動脈40～50 ms;肝動脈40～50 ms;腎動脈40～80 ms;肝靜脈40～60 ms;門靜脈/脾靜脈/腸系膜上靜脈40～80 ms)[15]。

空間分辨率應(yīng)盡可能高,較高的空間分辨率可更準(zhǔn)確的量化血流量,并有助于識別較小比例的流量現(xiàn)象。但是體素越小,掃描時間越長,信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)越低。因此,掃描需要在空間分辨率、掃描時間和SNR之間進(jìn)行平衡。推薦用于成人大血管和胸腹區(qū)域的各向同性空間分辨率為1.5～3.0 mm(推薦設(shè)置值:主動脈2.0～2.5 mm;肝動脈/腎動脈/腸系膜上動脈1.50～2.00 mm;移植腎動脈1.25 mm;子宮動脈1.25 mm;肝靜脈2.00～2.50 mm;門靜脈/脾靜脈/腸系膜上靜脈:1.25～1.40 mm)[5,6,15]。

4D-Flow-MRI可視化和量化

4D-Flow-MRI數(shù)據(jù)在進(jìn)行分析和可視化之前需要進(jìn)行預(yù)處理,以克服磁場不均勻性、伴隨磁場(麥克斯韋項)和渦流造成的系統(tǒng)速度編碼誤差。糾錯后,使用本地或在線軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,可通過矢量圖、流線圖和路徑圖等對血流進(jìn)行可視化(圖1)[16]。

圖1 4D Flow MRI對健康志愿者主動脈血流進(jìn)行可視化分析。a)流速圖,可識別血流速度升高的區(qū)域;b)流線圖,顯示在指定時間內(nèi)與血流速度矢量相切的曲線集;c)路徑圖,顯示流體粒子在動態(tài)速度場中的軌跡;d)矢量圖:血管內(nèi)箭頭顯示血流的速度和方向。

4D-Flow-MRI不僅可在2D圖像上量化感興趣血管的標(biāo)準(zhǔn)流量參數(shù),還可獲得一些額外的血流參數(shù)如渦度、壁剪切應(yīng)力(wall shear stress,WSS)、振蕩剪切指數(shù)(oscillatory shear index,OSI)、脈搏波速度(pulse wave velocity,PWV)和湍流動能(turbulent kinetic energy,TKE)等。4D-Flow-MRI可獲得的典型血流動力學(xué)參數(shù)的定義及臨床意義詳見表2[16,18,19]。

表2 4D-Flow-MRI血流動力學(xué)參數(shù)的定義及臨床意義

4D-Flow-MRI的腹部應(yīng)用

1.肝臟

門靜脈高壓是肝硬化患者晚期并發(fā)癥,門靜脈高壓伴隨肝臟血流動力學(xué)的改變會導(dǎo)致高動力綜合征如心輸出量增加、門靜脈血流量增加和門體壓力梯度升高。4D-Flow-MRI不僅可以對肝臟進(jìn)行全面的三維體積評估,還可評估肝臟動靜脈及門靜脈(portal vein,PV)血流[20],對臨床診斷和治療具有指導(dǎo)意義(圖2)。Bane等[21]發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)笛卡爾4D-Flow-MRI相比,螺旋4D-Flow-MRI序列可通過單次屏氣測量腹部血流,具有較好的觀察者間重復(fù)性及試驗重復(fù)性,可以較好的反映肝硬化和門靜脈高壓引起的血管病變。

圖2 4D-Flow-MRI對健康志愿者門靜脈血流進(jìn)行可視化分析(*:門靜脈;#:腸系膜上靜脈;△:脾靜脈)。a)流速圖;b)流線圖。 圖3 4D-Flow-MRI對移植腎的腎動脈的可視化分析。a)流速圖,顯示移植腎的腎動脈流速正常;b)相應(yīng)的腎動脈MIP圖。 圖4 4D-Flow-MRI對移植腎動脈的可視化分析。a)流速圖,顯示移植腎的腎動脈狹窄(箭);b)相應(yīng)的腎動脈MIP圖。

肝硬化門體靜脈系統(tǒng)分流(portosystemic shunt,PSS)會導(dǎo)致嚴(yán)重的肝性腦病,臨床上診斷及評估PSS的嚴(yán)重程度具有重要意義。4D-Flow-MRI能夠客觀地預(yù)測PSS治療后肝性腦病的改善,評價PSS的早期治療效果。Hyodo等[22]通過分析2例PSS相關(guān)的肝性腦病患者的4D Flow MRI結(jié)果后發(fā)現(xiàn),患者在行分流管栓塞介入術(shù)前腸系膜上靜脈(superior mesenteric vein,SMV)主干存在逆行血流,大部分血液從腸道血管流入了體循環(huán),這可能是導(dǎo)致肝性腦病的主要原因;介入術(shù)后側(cè)支循環(huán)明顯減少或消失,SMV血流順行,脾靜脈(splenic vein,SV)主干血流增加。

肝硬化患者每年發(fā)生靜脈曲張的風(fēng)險是7%,需要重復(fù)進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查來檢測是否存在食管胃底靜脈曲張并評估其嚴(yán)重程度。但內(nèi)窺鏡檢查具有侵入性,伴有各種潛在的并發(fā)癥如穿孔、感染等。4D-Flow-MRI作為一種非侵入性檢查手段,測得的奇靜脈流量和PV的流量變化分?jǐn)?shù)可能有助于高危靜脈曲張患者的篩選。Motosugi等[23]發(fā)現(xiàn)4D4D-Flow-MRI測量的奇靜脈流量大于0.1 L/min,PV中的流量變化分?jǐn)?shù)小于0,PV流量小于SV和SMV流量總和可能與高風(fēng)險靜脈曲張有關(guān)。

經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門體靜脈支架分流術(shù)(transjugular intrahepatic portosystemic shunt,TIPS)可以有效治療肝硬化門脈高壓患者靜脈曲張出血和難治性腹水等并發(fā)癥。4D-Flow-MRI可以利用矢量圖和粒子追蹤電影成像可視化支架內(nèi)血流,對支架內(nèi)湍流、非層流、混疊等進(jìn)行定性分析,并針對異常區(qū)域進(jìn)行定量分析,無創(chuàng)性監(jiān)測TIPS支架放置前后肝血流變化。在TIPS支架放置前4D-Flow-MRI可以綜合評估門靜脈高壓引起的一系列病理學(xué)變化,用于指導(dǎo)TIPS支架的放置;TIPS支架放置后,可監(jiān)測TIPS支架的功能。Stankovic等[24]通過定量分析4D Flow MRI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)TIPS支架放置4周后門靜脈系統(tǒng)血流速度增加38%,流量增加284%,肝動脈和腸系膜上動脈血流分別增加50%和43%;其中有2例患者的TIPS支架出現(xiàn)功能障礙,支架內(nèi)血流峰值流速<50 cm/s。Bannas等[25]對7例門脈高壓伴腹水患者進(jìn)行4D-Flow-MRI分析,縱向無創(chuàng)性檢測TIPS支架放置前及放置后2周和12周時肝血管內(nèi)的血流變化,發(fā)現(xiàn)所有患者在TIPS支架放置后2周及12周時SMV、SV和PV的血流峰值速度和流量均明顯增加;研究者們還在其中1例患者中發(fā)現(xiàn)了肝動脈-門靜脈分流,分流的血流最后流入了TIPS支架內(nèi),這可能解釋了TIPS支架放置后患者仍出現(xiàn)頑固性腹水的原因。

2.脾臟

脾功能亢進(jìn)是肝硬化和門靜脈高壓的常見并發(fā)癥,可導(dǎo)致血小板和白細(xì)胞減少等嚴(yán)重后果。4D-Flow-MRI可通過血管成像及脾流量指數(shù)提高對脾功能亢進(jìn)的診斷評估。Keller等[26]研究發(fā)現(xiàn)脾臟體積、動靜脈血流量及門靜脈分流百分比均與血小板計數(shù)相關(guān),計算脾流量指數(shù)[(脾臟體積+脾動脈血流量+脾靜脈血流量×門靜脈分流量百分比)/體表面積]。可同時聯(lián)合這些指標(biāo)使臨床醫(yī)師更好地確定脾大是否是血小板減少的主要原因,使患者能在脾切除術(shù)或部分脾栓塞等治療中選擇更優(yōu)方案。

3.腎臟

腎動脈狹窄(renal artery stenosis,RAS)是繼發(fā)性高血壓和進(jìn)行性腎功能不全的原因,在外周血管疾病患者中發(fā)生率高達(dá)45%。MRA可用于評估腎動脈狹窄程度,但無法描述狹窄存在時的血流動力學(xué)變化。4D-Flow-MRI技術(shù)不僅可以無創(chuàng)地測量RAS中的壓力梯度,還可以測量輕至中度腎動脈狹窄的血流動力學(xué)變化,有助于腎動脈狹窄患者的早期診斷及治療后的療效評估(圖3)。Fran?ois等[27]通過VIPR-PC-MRI和MRA技術(shù)評估狹窄腎動脈,結(jié)果顯示采用PC-VIPR-MRI測量的腎動脈血管直徑略大于MRA上的測量值。PC-VIPR-MRI和MRA產(chǎn)生的平均偽影、腎動脈血管近端圖像質(zhì)量評分和整體圖像質(zhì)量評分均無明顯差異,而且PC-VIPR-MRI上腎動脈節(jié)段的圖像質(zhì)量評分高于MRA。Ishikawa等[28]通過觀察一例經(jīng)皮腎腔內(nèi)血管成形術(shù)(percutaneous transluminal renal angioplasty,PTRA)后癥狀得到明顯改善的腎動脈狹窄患者的PC-VIPR-MRI,發(fā)現(xiàn)PTRA前腎動脈狹窄后擴(kuò)張段出現(xiàn)渦流;PTRA后腎動脈仍有部分狹窄,但狹窄后擴(kuò)張段大部分異常渦流轉(zhuǎn)化為層流,血流模式得到了明顯改善。最近一項研究發(fā)現(xiàn)PC-VIPR-MRI測得的血流動力學(xué)和形態(tài)學(xué)信息可以對移植腎動脈進(jìn)行評估,最大限度地測量移植腎動脈各分支的血流[29]。

4.腸系膜血管

慢性腸系膜缺血(chronic mesenteric ischaemia,CMI)主要由潛在的血管狹窄或閉塞性疾病引起(常與動脈粥樣硬化有關(guān)),近年來發(fā)病率呈上升趨勢。CMI通常影響腸系膜血管近端-腹腔動脈(coeliac artery,CA)、腸系膜上動脈(superior mesenteric artery,SMA)和腸系膜下動脈(inferior mesenteric artery,IMA)內(nèi)的血流,導(dǎo)致進(jìn)食后流向小腸供血血管的血流量不足,最終會導(dǎo)致與死亡率高度相關(guān)的CMI急性發(fā)作。Roberts等[31]通過分析4D-Flow-MRI數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)與健康個體相比,CMI患者進(jìn)餐后SMA、SMV和PV的血流量變化率顯著減小(健康志愿者餐后SMA血流量增加99%±81%,SMV血流量增加132%±81%,PV血流量增加57%±48%;二CMI患者SMA的血流量僅增加25%±30%,SMV的血流量僅增加49%±56%,PV的血流量僅增加20%±36%)。Hall Barrientos等[32]發(fā)現(xiàn)與CMI患者相比,正常對照組的PV和SMA在餐后有顯著的血流動力學(xué)改變,并且在餐后60 min仍可通過4D-Flow-MRI監(jiān)測到這些血流變化。綜上所述,4D-Flow-MRI測量腸系膜動、靜脈及門靜脈血流是評估CMI患者餐后小腸血流量變化的一種可行方法。

5.腹主動脈

4D-Flow-MRI可對動脈粥樣硬化、動脈瘤、主動脈夾層等腹主動脈病變進(jìn)行量化及可視化分析,預(yù)測病變的發(fā)生發(fā)展,有望取代其它具有侵入性和放射性的血管功能成像方法。有研究發(fā)現(xiàn)在動脈粥樣硬化的發(fā)展過程中,斑塊會隨著時間的推移而逐漸增大,WSS最低處并不是位于血管管腔最狹窄處,而是在血管狹窄處的近端和遠(yuǎn)端[33],有助于預(yù)測粥樣硬化斑塊的未來發(fā)展方向。4D-Flow-MRI還允許直接在內(nèi)皮附近測量WSS和OSI,進(jìn)一步了解動脈瘤的進(jìn)展情況。Takehara等[34]的研究中發(fā)現(xiàn)與未擴(kuò)張的腹主動脈相比,擴(kuò)張的主動脈存在非層流(即渦流或螺旋流),從而導(dǎo)致WSS較低和OSI較高,增加了動脈粥樣硬化的風(fēng)險。4D-Flow-MRI也可用于評估主動脈夾層患者中真、假腔內(nèi)的血流改變,并根據(jù)血流的定量信息預(yù)測夾層的進(jìn)展[35]。未來需進(jìn)一步研究4D-Flow-MRI技術(shù)提供的各項流量參數(shù)在動脈瘤形成和主動脈夾層風(fēng)險分層中的潛力。

6.胎兒和子宮胎盤

4D-Flow-MRI已在動物研究中用于評估懷孕期間子宮胎盤和胎兒的血流動力學(xué)信息。Macdonald等[36]研究發(fā)現(xiàn)4D-Flow-MRI可對恒河猴子宮胎盤和胎兒血管進(jìn)行血流測量,可重復(fù)性高,并能夠在妊娠早期末顯示子宮動脈和卵巢靜脈,但較低的空間分辨率限制了其對直徑較小、流速較慢的子宮靜脈和卵巢動脈的顯示。Schrauben等[37]通過4D-Flow-MRI評估懷孕綿羊模型中的胎兒循環(huán),可直接測量所有心臟和大血管的流量,與2D-PC-MRI的測量結(jié)果之間具有良好的相關(guān)性。雖然呼吸門控可用于代償母體呼吸引起的運動,但難以對胎兒運動進(jìn)行心臟觸發(fā)補償[36],未來需要改進(jìn)心臟門控,更好地對胎兒血流動力學(xué)進(jìn)行評估。

不足與展望

首先,由于4D-Flow-MRI的時間及空間分辨率較低,降低了所測量的血流最大速度和平均速度(尤其是腹部小血管如肝腎動脈等),因此需進(jìn)一步提高分辨率,提高測量準(zhǔn)確性和可靠性。其次,4D-Flow-MRI后處理時間較長(表1),不太適用于緊急情況如活動性出血等。因此,今后需要進(jìn)一步改進(jìn)其分析工作流程,如引入自動化處理技術(shù)計算管腔內(nèi)的中心線和自動分析與中心線正交的平面,從而減少人工優(yōu)化平面定位的時間等。最后,4D-Flow-MRI在腹部的應(yīng)用目前還局限于學(xué)術(shù)研究,未來需要多中心臨床研究來進(jìn)一步驗證和標(biāo)準(zhǔn)化。

近年來,利用心臟相位和呼吸運動維度相關(guān)數(shù)據(jù)開發(fā)了5D血流磁共振框架,該框架具有連續(xù)、自由運行的三維徑向序列,交錯的三向速度編碼以及內(nèi)在的自門控投影,在沒有外部門控信號的情況下編碼心臟和呼吸運動,保持圖像質(zhì)量的同時減少了掃描時間[38]。該技術(shù)可在腹部血管中進(jìn)行應(yīng)用和推廣,進(jìn)一步擴(kuò)寬4D-Flow-MRI的臨床應(yīng)用范圍。

4D-Flow-MRI不僅可提供腹部血管的形態(tài)學(xué)特征,還可對血管血流動力學(xué)進(jìn)行功能性評估,為診斷不同血管疾病以及監(jiān)測疾病治療反應(yīng)提供了可能。此外,隨著對序列優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理自動化以及新流量指標(biāo)的開發(fā)等方面的深入研究,4D-Flow-MRI在腹部的應(yīng)用有望整合到臨床常規(guī)工作中。