4D Flow MRI 在主動(dòng)脈瓣疾病中的研究進(jìn)展

劉峰，曹亮，胡瑞，李瑞，陳梓嫻，郭順林*

1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院放射科，甘肅 蘭州 730000；*通信作者 郭順林 guoshunlin@msn.com

主動(dòng)脈瓣疾?。╝ortic valve disease，AVD）患者占世界總?cè)丝诘?.9%[1]，隨著老年人患病率升高，AVD的死亡率也不斷上升。影像學(xué)檢查可以對(duì)AVD進(jìn)行初步評(píng)估，對(duì)于治療及預(yù)后具有重要作用。四維血流磁共振成像（four-dimensional flow cardiovascular magnetic resonance imaging，4D Flow MRI）是一種新型的非侵入性、無(wú)對(duì)比劑、無(wú)電離輻射的掃描方式，能夠?qū)M斷面血流進(jìn)行評(píng)估和量化[2]，從不同方面對(duì)瓣膜疾病進(jìn)行綜合評(píng)估。本文對(duì)4D Flow MRI在AVD中的應(yīng)用進(jìn)展做一綜述。

1 磁共振血流成像：從二維到四維

相位對(duì)比磁共振成像（phase contrast MRI，PC MRI）利用流動(dòng)質(zhì)子產(chǎn)生相位變化的原理，在梯度磁場(chǎng)的作用下，磁矩產(chǎn)生位移從而得到相位旋轉(zhuǎn)與固定自旋2個(gè)對(duì)比數(shù)據(jù)，通過雙極速度編碼梯度排除其他序列參數(shù)的影響后，得到的2個(gè)數(shù)據(jù)的差值即是相位差，相位差在三維像素上計(jì)算出的速度即為PC MRI[3]。

4D Flow MRI指在3個(gè)空間方向上進(jìn)行速度編碼的PC MRI技術(shù)，可以進(jìn)行更全面的血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估[4]。在整個(gè)心臟周期中，它可以將三維體積圖像與三維速度編碼相結(jié)合，從而對(duì)整個(gè)體積上的速度進(jìn)行定性和定量，而傳統(tǒng)的2D PC MRI只能在單個(gè)二維平面的某一個(gè)方向上測(cè)量基本的速度參數(shù)。近年來(lái)，4D Flow MRI的采集時(shí)間、空間分辨率和數(shù)據(jù)分析時(shí)間達(dá)到實(shí)驗(yàn)及臨床可接受的水平，其典型的空間分辨率為1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm～3 mm×3 mm×3 mm，時(shí)間分辨率為30～40 ms，采集時(shí)間為5～25 min，但是所需的分析時(shí)間差別很大，取決于所使用的軟件、操作員熟練程度和所需的測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)量。與2D PC MRI測(cè)量類似，4D Flow MRI測(cè)量具有可重復(fù)性，不同觀察者之間的可變性很低[5-6]。

為規(guī)范4D Flow MRI操作流程及使用范圍，Dyverfeldt等[7]發(fā)表共識(shí)聲明，詳細(xì)描述了該技術(shù)采集的方法，并給出身體不同部位的采集參數(shù)，明確了針對(duì)兒童等不同患者群體的優(yōu)化參數(shù)。

2 4D Flow MRI：三維血流的可視化與量化

4D Flow MRI原始數(shù)據(jù)通常會(huì)受到偽影的影響，偽影由麥克斯韋項(xiàng)、渦流和速度混疊引起，為了提高流量量化和可視化的準(zhǔn)確性，必須將去噪技術(shù)作為預(yù)處理的首要步驟[8]。去除噪聲后，就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，根據(jù)靜態(tài)組織和血管腔中流動(dòng)血液的對(duì)比度，在圖像上繪制血管壁，提取基礎(chǔ)對(duì)象（心臟或血管）的幾何表示圖；隨后可以通過4D Flow MRI數(shù)據(jù)量化潛在有用的臨床參數(shù)用于評(píng)估心血管功能，包括基本參數(shù)動(dòng)能、流量、反流流速和峰值流速，以及先進(jìn)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如能量損失、黏性能量損失率、壁面切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）、脈搏波速、湍流動(dòng)能和壓力梯度差等[9-10]。

4D Flow MRI的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)之一是通過時(shí)相分辨方式獲取心血管整體流速數(shù)據(jù)，可以重復(fù)對(duì)視野內(nèi)的任何血管進(jìn)行回顧性測(cè)量[11-12]。目前，所有主要MRI供應(yīng)商（如Siemens、GE、Philips）均可以使用4D Flow MRI采集序列，各種綜合分析工具應(yīng)運(yùn)而生，提供各種參數(shù)的可視化和量化，包括Segment-Medviso、Mass、GT Flow、Arterys、CAAS MR、cvi42等，這些分析工具通常用于校正技術(shù)偽影，如背景相位偏移誤差、可視化和感興趣區(qū)的分割[11-12]。但是目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，4D Flow MRI向臨床常規(guī)使用的過渡較緩慢，但其在心血管疾病診斷中具有無(wú)可替代的潛力，相信將來(lái)會(huì)建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而輔助臨床醫(yī)師做出迅速、準(zhǔn)確的臨床決策。

3 4D Flow MRI 在AVD 的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

利用4D Flow MRI研究心血管正常血流模式及其在先天性和獲得性疾病的變化中已取得一定進(jìn)展，使用多平面可視化、靈活的回溯性血流定量（正向流動(dòng)、反向流動(dòng)、反流分?jǐn)?shù)和峰值速度）和高級(jí)的血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)（流動(dòng)位移、WSS和湍流動(dòng)能）簡(jiǎn)化了對(duì)AVD的評(píng)估。

3.1 主動(dòng)脈瓣狹窄（aortic valve stenosis，AS） AS是較常見的心臟瓣膜疾病，與AS相關(guān)的壓力超負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致左心室向心性肥厚、左心室舒張和收縮功能受損，最終誘發(fā)心力衰竭[13]。在缺乏治療的情況下，嚴(yán)重的、有癥狀的AS預(yù)后較差，準(zhǔn)確評(píng)估疾病嚴(yán)重程度對(duì)于確定是否需要瓣膜置換或干預(yù)治療至關(guān)重要[14]。

AS 的診斷“金標(biāo)準(zhǔn)”是經(jīng)胸超聲心動(dòng)圖（transthoracic echocardiography，TTE）[15]，包括評(píng)估主動(dòng)脈瓣膜面積、平均跨瓣壓差和主動(dòng)脈峰值噴射速度，最新研究證實(shí)4D Flow MRI為測(cè)量主動(dòng)脈峰值收縮流速可靠且準(zhǔn)確的技術(shù)[16]。Adriaans等[17]通過20例AS患者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)4D Flow MRI測(cè)量AS患者具有更高的主動(dòng)脈峰值噴射速度［（16.4±10.7）%，P＜0.001］和平均跨瓣壓差［（14.9±16.0）%，P=0.013］，進(jìn)一步分析，二者產(chǎn)生主動(dòng)脈峰值噴射速度差異較大的原因與射流偏心程度密切相關(guān)；與TTE相比，4D Flow MRI提高了主動(dòng)脈峰值噴射速度、平均跨瓣壓差與主動(dòng)脈瓣膜面積的一致性，表明4D Flow MRI對(duì)主動(dòng)脈峰值速度和派生的壓力梯度的量化可能更好，這些參數(shù)是評(píng)估AS嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)。

但4D Flow MRI難以評(píng)估低峰值流速、低壓力梯度AS患者的嚴(yán)重程度。H?lv?等[18]前瞻性地招募90例因重癥AS行主動(dòng)脈瓣置換術(shù)患者，同時(shí)行TTE、2D PC MRI及4D Flow MRI檢查，結(jié)果表明4D Flow MRI顯著低估了重度AS患者的收縮峰值流速，將部分重度AS歸類為中度。4D Flow MRI能夠無(wú)創(chuàng)且精準(zhǔn)地評(píng)估輕中度AS患者的主動(dòng)脈峰值噴射速度和平均跨瓣壓差等參數(shù)，但對(duì)于重癥AS患者的評(píng)估仍需要進(jìn)一步研究。Johnson等[19]的一項(xiàng)4D Flow MRI研究發(fā)現(xiàn)，在281例不同AS嚴(yán)重程度的主動(dòng)脈瓣二瓣化畸形（bicuspid aortic valve，BAV）患者中，BAV患者的AS嚴(yán)重程度和年齡與脈搏波速增加直接相關(guān)，提示可以通過定量新的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)評(píng)估AS的嚴(yán)重程度，相信在對(duì)4D Flow MRI的不斷探索及改進(jìn)后，可以為AS患者提供更加精準(zhǔn)的評(píng)估。

3.2 主動(dòng)脈瓣反流（aortic valve regurgitation，AR）AR最常見的原因是BAV、感染性心內(nèi)膜炎或結(jié)締組織病引起的主動(dòng)脈根部擴(kuò)張[20]。AR的定量MRI評(píng)估包括左心室容積評(píng)估和主動(dòng)脈血流測(cè)量，治療方法主要為手術(shù)治療，包括主動(dòng)脈瓣置換術(shù)、主動(dòng)脈瓣修復(fù)術(shù)和保留瓣膜的主動(dòng)脈根部置換術(shù)。治療時(shí)機(jī)主要取決于左心室射血分?jǐn)?shù)、左心室內(nèi)徑和表現(xiàn)癥狀[21]。

目前，4D Flow MRI在AR中的研究有限。MRI衍生的反流量可能為AR患者提供重要的預(yù)后信息[22]，并取代TTE衍生的反流量與預(yù)后的關(guān)系。Alvarez等[23]研究證實(shí)，4D Flow MRI與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)2D PC MRI對(duì)AR分級(jí)有很好的相關(guān)性。Chelu等[24]納入54例患者進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在輕到中度AR中，4D Flow MRI可以很好地對(duì)AR進(jìn)行視覺、定性分級(jí)，并與基于TTE的嚴(yán)重程度分級(jí)非常吻合（κ=0.73）。瓣膜跟蹤的4D Flow MRI已用作二維和三維多普勒超聲心動(dòng)圖定量AR的參考方法，2D TTE與4D Flow MRI定性AR嚴(yán)重程度分級(jí)中度一致（κ=0.53），部分原因是偏心射流與基于4D Flow MRI的定量相關(guān)性較弱（r=0.66，P＜0.05）[22]。以上結(jié)果表明，對(duì)于偏心射流和非圓形瓣膜孔的AR患者，4D Flow MRI不受幾何假設(shè)和與流動(dòng)射流的限制，可以比2D TTE更好地捕獲反流信息。

Elbaz等[25]對(duì)57例BAV患者行4D Flow MRI檢查，發(fā)現(xiàn)重度AR組的動(dòng)能值、黏性能量損失率值及峰值渦度均明顯高于輕度AR組和無(wú)AR組；Guala等[26]通過4D Flow MRI衍生的WSS，預(yù)測(cè)了BAV患者升主動(dòng)脈的進(jìn)行性擴(kuò)張。以上研究表明4D Flow MRI不僅可以有效評(píng)估AR患者反流信息，并可以通過定量除反流量以外的參數(shù)，幫助臨床醫(yī)師更精準(zhǔn)地了解AR進(jìn)展過程中的血流動(dòng)力學(xué)改變，為AR預(yù)后及隨訪提供更多信息。

3.3 主動(dòng)脈瓣置換術(shù) 主動(dòng)脈瓣置換術(shù)能夠顯著改善AS患者的癥狀、提高生存質(zhì)量并延長(zhǎng)生存期，經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）是不能耐受外科主動(dòng)脈瓣置換術(shù)的重癥AS患者和中高手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)患者的一種微創(chuàng)治療，并正在擴(kuò)展到更年輕、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)更低的患者。雖然接受TAVR治療的患者可以改善左心室舒張功能障礙并進(jìn)行左心室反向重構(gòu)，但TAVR術(shù)后殘余舒張功能障礙和左心室反向重構(gòu)不足可能會(huì)對(duì)預(yù)后產(chǎn)生不利影響[27-29]。

準(zhǔn)確評(píng)估TAVR患者的血流模式可以預(yù)估TAVR相關(guān)不良事件的風(fēng)險(xiǎn)，4D Flow MRI有助于精確評(píng)估TAVR術(shù)后患者的血流模式。Komoriyama等[30]納入32例接受TAVR的重癥AS患者，TAVR術(shù)后半定量螺旋血流較術(shù)前明顯減少，而渦流和偏心距無(wú)明顯變化（P＜0.05），沿升主動(dòng)脈周長(zhǎng)測(cè)量得到的WSS顯著降低，主動(dòng)脈的能量損失顯著降低，此外，TAVR術(shù)后能量損失與有效瓣口面積指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（r=0.38，P=0.034）；有效瓣口面積是反映TAVR療效的重要指標(biāo)，4D Flow MRI通過定量血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)能夠準(zhǔn)確評(píng)估TAVR的療效。

Farag等[31]設(shè)計(jì)了一項(xiàng)TAVR、外科主動(dòng)脈瓣置換術(shù)患者和健康對(duì)照組的研究，通過4D Flow MRI揭示了主動(dòng)脈瓣置換術(shù)對(duì)人體的影響，TAVR會(huì)導(dǎo)致升主動(dòng)脈血流速度和WSS增加，并引起升主動(dòng)脈中段和遠(yuǎn)端的血流偏心率和位移發(fā)生改變。WSS的增加將導(dǎo)致彈性纖維退化和主動(dòng)脈壁細(xì)胞外基質(zhì)的失調(diào)，引起患者的主動(dòng)脈根部和主動(dòng)脈進(jìn)行性擴(kuò)張，增加動(dòng)脈瘤形成或夾層的風(fēng)險(xiǎn)[32]。血流偏心率和位移也是主動(dòng)脈擴(kuò)張的潛在危險(xiǎn)因素，表明長(zhǎng)期縱向隨訪研究、TAVR后升主動(dòng)脈成像和主動(dòng)脈擴(kuò)張?jiān)u估是必要的，4D Flow MRI能無(wú)創(chuàng)定量主動(dòng)脈血流動(dòng)力參數(shù)，了解主動(dòng)脈進(jìn)行性擴(kuò)張、TAVR和主動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)改變的聯(lián)系，在術(shù)后隨訪及評(píng)估過程中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)和展望

應(yīng)用4D Flow MRI可以對(duì)復(fù)雜的AVD進(jìn)行可視化和量化，新的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以提供額外的信息，幫助患者管理，但是目前尚需多中心縱向研究測(cè)試這些實(shí)驗(yàn)成果的臨床有效性并且完善這一新技術(shù)。首先，4D flow MRI數(shù)據(jù)庫(kù)本質(zhì)上是大容量的，集合機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法可以實(shí)現(xiàn)更快地采集和分析，分割的自動(dòng)化也將極大地減少分析時(shí)間；其次，現(xiàn)有的分析軟件在提供的分析區(qū)域、輔助工具（如瓣膜跟蹤和應(yīng)用方法）方面呈現(xiàn)出非標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步開發(fā)和建立統(tǒng)一工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化分析過程將產(chǎn)生可重復(fù)和可比較的量化數(shù)據(jù)；最后，現(xiàn)有的心臟瓣膜疾病的嚴(yán)重程度分級(jí)主要基于超聲心動(dòng)圖和二維血流評(píng)估，4D Flow MRI需要建立并驗(yàn)證心臟瓣膜疾病的最佳嚴(yán)重程度分級(jí)，以此更精準(zhǔn)地了解AVD的潛在發(fā)生機(jī)制。

總之，4D Flow MRI在評(píng)估心臟、血流動(dòng)力學(xué)和血管分析方面具有巨大的潛力，隨著序列優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化、新的流量參數(shù)等方面的深入研究，將會(huì)擁有更廣泛的應(yīng)用前景和更深層次的發(fā)展，相信AVD患者也能從中獲益。