3.0TMR快速电影相位对比成像对稳态流体模型的定量测量研究

尚华 刘怀军 闫乐卡 耿左军 崔彩霞 李晖 雷建明 刘素霞

MR相位对比成像(phase contrast imaging)技术是一种能无创显示流体的流速及流向的技术，最初应用于血流的研究［1］。20世纪80年代首次应用于脑脊液流动的研究［2］。快速电影相位对比成像属于相位对比成像的一种形式，它能够在十几秒内连续快速提供一个心动周期中流体的实时流速、流向。为了保证研究定量测量的准确性，避免由于不同扫描设备及扫描参数带来的误差，首先在体外流体模型实验中验证流体的真实流速、流向与所测流速、流向的一致性。本研究通过自制的稳态流体模型，改变不同的预设流速值、流体的流向、流速编码值来验证真实值与所测量值的吻合程度，从而为以后的脑脊液流动分析研究提供真实可靠地依据，同时优化扫描参数，选择合适的流速编码值，建立适合脑脊液流动分析的最佳扫描方案。

1 资料与方法

1.1 材料 双筒高压注射器一台(Optistar LE，MALLINCKRODTWZS-50F2)。自制水模，大小为18 cm×12 cm×10 cm的塑料盒内充满约2/3容积稀释的钆喷酸葡胺造影剂(广州康臣药业生产)。医用一次性塑料输液管1根，直径3.0 mm，长1.3 m。0.9%的氯化钠溶液1 000 ml。塑料容器(1 000 ml)1个。

1.2 实验设备 使用美国GE公司Signa Excite HD 3.0T高场强磁共振(MR)扫描仪进行扫描。实验中使用标准头部8通道线圈(8HR BRAIN)。

1.3 流体模型的制备 选用全新医用一次性塑料型输液管1根，检查管腔密闭完整，应用塑料胶带将其悬浮固定在水模中央，不沉于底部或悬浮于水面(图1)。长轴与磁体长轴一致，将流体模型中心置于标准头部8通道线圈中心。将2个高压注射器针筒内充满0.9%氯化钠溶液，塑料输液管的一端连接高压注射器，然后打开高压注射器分别以不同的预置流速向塑料输液管内注射0.9%氯化钠溶液，塑料输液管的另一端连接一个塑料容器用于回收0.9%氯化钠溶液。

图1 稳态流体模型

1.4 实验方法 磁共振扫描采用美国GE公司Signa Excite HD 3.0 T磁共振(MR)高场强扫描仪快速电影相位对比(Fast CINE PC)序列。扫描层面与液体流动方向垂直。调节高压注射器分别以不同的流量 (0.1 ml/s、0.2 m l/s、0.3 ml/s、0.4 m l/s、0.5 m l/s、0.6 ml/s、0.7 ml/s、0.8 m l/s、0.9 m l/s)向塑料输液管内注射0.9%氯化钠溶液，这些流量对应的流速范围［流速(cm/s)=流量(ml/s)/横截面积(mm2)］接近人体脑脊液的流速。在注射5 s后开始扫描，以利于充分排空气泡，MR扫描梯度场40 mT/m，切换率150 mT/m/ms，采用无相位卷折技术及流动补偿。扫描参数为 TR=16.5ms，TE=5.8ms，层厚=4 mm，层间隔=0 mm，视野(FOV)=16 cm×16 cm，矩阵=256 ×128，激励次数(NEX)=1，带宽(bandwidth)=31.25，翻转角(flip angle)=20°。流速编码方向设置为slice。采用外周脉搏门控，以获得随时间变化的单位时间内的流速值，人为将一个心动周期分为30个时相。将扫描中心定位于塑料输液管水膜中央的位置，每次只能扫描一层，每个序列重复6次。通过后处理软件测得该层0.9%氯化钠溶液流动的实时速率，将该测量值与高压注射器预设的流速(真实值)作比较，验证快速电影相位对比序列测量液体实时流速的准确性。然后改变流体模型中塑料输液管内0.9%氯化钠溶液流动方向，重复上述实验，观察反方向时快速电影相位对比序列测量液体实时流速的准确性。最后将流体模型中的塑料输液管分别给以不同的角度(水平倾斜 0°、20°、30°、45°，垂直抬高 0°、20°、30°、45°)重复上述实验，扫描层面仍保证与液体流动方向垂直，观察流体角度发生改变时快速电影相位对比序列测量液体实时流速的准确性。

1.5 流速编码(Velocity Encoding，VENC)的选择 在电影相位对比序列中测定流动液体的准确流速，流速编码的设定至关重要。为了选择合适的流速编码，实验中以不同流速注射时分别设定不同的流速编码(5 cm/s、10 cm/s、15 cm/s、20 cm/s、25 cm/s、30 cm/s、40 cm/s、50 cm/s、60 cm/s)，通过后处理得到每一个测量的实时流速值与预设的真实流速值作对比，以获得不同流速时对应选择的最佳流速编码值。

1.6 图像评价 将所得图像传到工作站，由3位至少有5年MRI诊断经验的影像医师每隔1周分别在ADW4.2工作站上应用FuncTool2软件对图像进行后处理。一个Fast CINE PC序列可以得到60幅图像，前30幅称为相位图，后30幅称为幅值图。每位医师在测量过程中每次在幅值图上勾画出2次塑料输液管的面积即感兴趣区(ROI)的面积，使所测管腔横截面积与管腔实际面积(7 mm2)最接近。应用后处理软件即可得到该感兴趣区对应的一个心动周期内30个时相的实时流速。

1.7 统计学分析 应用 SAS V8(SAS Institute Inc，Cary，NC，USA)统计软件，不同流速、不同流速编码值、不同方向、不同倾斜角度对应的所测流速值与真实值之间的比较采用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 流体模型中塑料输液管的横截面积及实际流速 流体模型中应用的医用塑料输液管直径为3.0mm，对应的横截面积约为7.1 mm2。流速(cm/s)=流量(ml/s)/横截面积(mm2)。实验中不同的预设流量对应的实际流速见表1。

2.2 流体流动方向与磁共振信号的关系、流速的测量 实验中，应用MR快速电影相位对比序列扫描时，将流速编码方向设置为头向足方向。当塑料输液管中液体的流动与流速编码同向时，在相位图上表现为高信号(呈白色)(图2A)，相反流向时，在相位图上表现为低信号(呈黑色)(图2B)。幅值图上不带有流动方向及流速信息，但显示解剖结构清晰。根据幅值图上划出的感兴趣区即可获得塑料输液管中30个时相内每一个时相的实时流速。

图2 快速电影相位对比图像

2.3 流速编码的选择 不同预设流速、不同流速编码值、足向头方向流动对应的测量值与真实流速的关系见表2。当流体流速在1.41～12.74 cm/s时，流速编码置于20 cm/s时所测得流速与真实流速最接近，差异无统计学意义(P＞0.05)。

2.4 不同流动方向 不同预设流速、不同流速编码值、头向足方向流动对应的测量值与真实流速的关系见表3。与足向头方向流动所测数值差异无统计学意义(P＞0.05)。反向流动时，当流体流速在 1.41～12.74 cm/s时，流速编码同样置于20 cm/s时所测得流速与真实流速最接近，差异无统计学意义(P ＞0.05)。

2.5 不同倾斜角度 将流速编码固定在20 cm/s，塑料输液管内预置流速分别为 0.1 ml/s、0.3 m l/s、0.5 ml/s、0.7 ml/s、0.9 m l/s，将塑料管分别沿水平、垂直方向倾斜 0°、20°、30°、45°时测得流速见表4。不同的倾斜角度，所测流速与真实流速之间差异无统计学意义(P＞0.05)。

表1 流体模型中不同预设流量分别对应的实际流速

表2 流体足向头方向流动，不同预设流速下对应的真实流速(“－”代表伪影)

表3 流体头向足方向流动，不同预设流速下对应的真实流速(“－”代表伪影)

表4 不同预设S流速时不同角度下对应测量得到的真实流速

3 讨论

目前临床上应用于流体分析的技术主要有超声多普勒、氙CT、PET和磁共振技术。超声多普勒、氙CT和PET只应用于血流分析的研究，其中超声多普勒可以得到流速信息，时间分辨率高，但不能评估血管的流量率;氙CT和PET可以得到某一脏器的局部或全部的血流灌注量，不能评估个体的血管。磁共振流体分析技术包括TOF和PC技术两种。TOF技术适合于研究快速流动的血液，不能定量分析流动信息。PC技术适合于研究缓慢的流体，主要优点是可以得到流体的定量分析，为目前临床上唯一无创最全面最先进的定量研究流体分析的技术。近些年除了应用于血流的定量测量以外，还逐渐扩展到应用于脑脊液的定量分析研究中。

PC技术应用双极梯度磁场，由位相相反的正负两叶组成。当第一叶正叶采集时，静止和流动组织的自旋都进行相位重聚，随之第二叶负叶采集，静止组织丧失相位，总相位为零;而流动的组织在两个梯度之间，经过不同的正负梯度，累加后产生相位位移。该相位位移与流速成正比，从而通过相位位移的改变可以获得流速的信息，同时还能显示流体的方向［3］。这种方法可以在单一方向或三维方向上进行速度编码。因此PC法可以分为二维相位对比法(2D PC法)、三维相位对比法(3D PC法)和电影相位对比法(CINE PC法)。MR相位对比(phase contrast PC)序列为目前临床唯一的无创流体测量技术。

CINE PC法是2D PC法的一种，它将1个心动周期不同点上的2D PC数据采集起来，连续获得多帧时间间隔相等的图像，即得到CINE PC图像，可以观察1个心动周期内连续的流体流速的变化。传统的CINE PC法完成1个扫描序列成像时间约3分50多秒，如果要采集多个部位的流体信息，所需扫描时间相对较长。本研究应用Fast CINE PC法克服了CINE PC法的上述缺点，完成1个序列仅需17 s左右，很短时间内即可获得多个部位的1个心动周期内流体运动信息的变化。

应用Fast CINE PC序列对流体进行扫描后，图像信息经过计算机流体分析软件后处理，在工作站可以得到两种图像:第一种图称为“幅值图”，该图能比较清晰的显示扫描流体的解剖结构;第二种图称为“相位图”，该图上可显示流体的流速和流向信息。相位图上的信号强度与流速成比例关系，通过后处理软件处理后可得到相应的流体实时流速值。当流体方向与预设的流速编码方向一致时，呈白色亮信号，流速值为正值;方向相反时呈黑色暗信号，流速值为负值。这样就得到了流体的实时流速和流向，除了用数值显示外，还可通过波形图表现出来。

磁共振相位对比法扫描参数复杂，所测量结果的准确性是流动分析测量的关键。由于不同的扫描设备，设置的扫描参数不同，可能会得到不同的测量结果。前人应用相位对比法进行流体的流动分析大多数是在1.5T磁共振设备上完成的，应用3.0T磁共振设备研究的很少，所以没有现成的扫描参数可以参考。除此之外，相位对比法测量结果还与每台磁共振本身的性能有关，即使是同一厂家的机器，不同的机型自身测量系数可能也有区别。为了验证我院3.0TMR Fast CINE PC序列测量流体运动信息的准确性，首先制作了一个稳态流体模型，以确定实验中相位对比法测量结果与真实结果之间的吻合程度。

在流体模型实验中，将医用塑料管浸泡在稀释的钆喷酸葡胺造影剂中是为了避免空气噪声的影响［4］。应用双筒高压注射器，它既是一个动力装置，同时还可以根据需要设定不同的流速。在已知流速的情况下，将应用Fast CINE PC序列得到的测量值与真实值作对比，以验证Fast CINE PC序列的准确性，同时优化扫描参数，为以后的实验研究设计合理的扫描方案。

本研究将来探讨的是人体脑脊液的流速问题，故将流体模型中预设流速的范围设定在0.1～0.9 ml/s，根据医用塑料管管径得出单位横截面积的流速范围在1.41～12.74 cm/s，接近人体脑脊液的流速［4－6］。

由于PC序列中流速编码的选择对流体流速测量的准确性至关重要，在预实验中就发现这个问题。研究报道，所选择的流速编码应尽可能接近并稍高于感兴趣区的峰值流速［7，8］，但绝不要小于它。为了后面研究更准确地测得人体脑脊液的流速，故在流体模型实验中分别选用不同的流速编码，以为将来测定脑脊液的流速时选择最佳流速编码。

由于无论是颈椎管还是导水管内脑脊液的流动都不是完全平行于磁体长轴的，实验通过改变流体方向、流体各种倾斜角度后继续应用MR FAST CINE PC序列测量流速，发现测量值与真实值无显著性差别，这为以后在临床实际中的测量提供了可靠依据。

总之，本研究应用简单的稳态流体模型初步验证了3.0T MR FASTCINE PC序列对流体定量流动分析的可靠性，在选择合理的扫描参数的情况下，所测量值与真实值差异无统计学意义，为以后人体脑脊液流体动力学的检测提供了可靠的实验依据。

1 Bradley WG，Whittemort AR，Kortman KE，et al.Marked cerebrospinal fluid void:indicator of successful shunt in patientswith suspected normalpressure hydrocphaluses.Radiology，1991，178:459-466.

2 Feinberg DA，Mark AS.Human brain motion and cerebrospinal fluid circulation demonstrated with MR velocity imaging.Radiology，1987，163:793-799.

3 刘小林，肖湘生.磁共振相位对比电影方法对导水管脑脊液流动测量.中国医疗器械信息，1999，5:34-37.

4 刘晓琳，罗志刚，宋历，等.磁共振相位对比方法测量导水管脑脊液流量.放射学实践，2003，18:120-122.

5 朱晓黎，沈天真，陈星荣.正常中脑导水管脑脊液流动磁共振定量研究.医学影像学杂志，2004，14:875-878.

6 姚伟武，陈星荣，沈天真.交通性脑积水脑室分流前后的脑脊液MRI定量研究.中国医学计算机成像杂志，2003，9:12-16.

7 Van Goethem JW，van den Hauwe L，Ozsarlak O，et al.Phase-contrast magnetic resonance angiography.JBR-BTR，2003，86:340-344.

8 Buonocore MH.Blood flow measurement using variable velocity encoding in the RR interval.Magn Reson Med，1993，29:790-795.