利用4D-Flow技术定量分析肺动脉血流和相对压力的可重复性研究

马 珂 MA Ke岳云龙 YUE Yunlong周赜辰 ZHOU Zechen孙爱琦 SUN Aiqi陈 硕 CHEN Shuo李 睿 LI Rui



利用4D-Flow技术定量分析肺动脉血流和相对压力的可重复性研究

马 珂 MA Ke
岳云龙 YUE Yunlong
周赜辰 ZHOU Zechen
孙爱琦 SUN Aiqi
陈 硕 CHEN Shuo
李 睿 LI Rui

Department of Biomedical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Address Correspondence to： LI Rui E-mail： leerui@tsinghua.edu.cn

修回日期：2015-09-06

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷3期：215-217，222

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24（3）： 215-217, 222

【摘要】目的 肺动脉血流动力学参数的无创测量，对于肺动脉高压的诊断、预后评估和跟踪研究有重要意义。本文主要基于4D-Flow技术对肺动脉血流定量测量和相对压力计算的可重复性进行研究。资料与方法 对8例健康志愿者1周内进行2次独立的肺动脉4D-Flow成像，在肺动脉干、左肺动脉和右肺动脉取3个截面，定量分析每个截面的最大流速、每搏输出量、最大流量和平均相对压力等参数，分析各参数的相关性和可重复性。结果 利用2次扫描结果成功测量了肺动脉最大流速、每搏输出量、最大流量和平均相对压力，2次扫描结果相关性较好（r=0.880 0.988、0.958、0.953，P＜0.001）。Bland-Altman分析结果表明，最大流速、最大流量、每搏输出量和峰值压力结果有较好的可重复性（d=1.30、4.60、1.00、0.04 σd=±8.90、±29.30、±9.20、±0.35）。结论 利用4D-Flow技术可以对肺动脉血流及相对压力进行定量分析，并且有较好的可重复性。

【关键词】高血压，肺性；磁共振成像；肺动脉；血流动力学；图像处理，计算机辅助

肺动脉高压是一种死亡率较高的恶性疾病，其特点是肺动脉压力升高和近端肺动脉硬化，并伴随血流动力学变化，最终导致右心衰竭［1-2］。目前，右心导管术是诊断肺动脉高压的“金标准”，尽管具有较高的可靠性和较低的风险，但仍为有创检查。近年，随时间变化的三维三方向相位对比MRI，即4D-Flow技术［3］得到迅速发展，利用该方法可进行大范围感兴趣区的血流定量分析、复杂血流的三维可视化和高级血流动力学参数计算［4-5］。4D-Flow技术使肺动脉血流动力学参数的无创测量成为可能，但在临床应用之前需要对这种测量方法的可重复性进行验证，以保证参数测量的稳定性。因此，本研究基于4D-Flow技术对肺动脉流速、流量、每搏输出量和相对压力进行测量，并对其进行可重复性研究。

1　资料与方法

1.1 研究对象 对8例健康志愿者1周内进行2 次独立的肺动脉4D-Flow成像，其中男6例，女2例；年龄23～30岁，平均（25.0±2.5）岁。本研究经本院医学伦理委员会批准，所有受检者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用 Philips Achieva TX 3.0T MRI仪和32通道心脏线圈分别进行2次肺动脉成像，采用斜横断面扫描，并使用回顾式心电门控，每心动周期采集20个时相，扫描参数：采集视野200 mm×200 mm ×80 mm，采集体素2 mm×2 mm×4 mm，翻转角10°，3个梯度方向上的流速编码范围均设定为150 cm/s，TR 5 ms，TE 3 ms，时间分辨率40～50 ms。

1.3 数据分析 4D-Flow数据经过涡流矫正和噪声去除后［6］，生成幅值加权的时间平均3D相位对比MR血管造影数据，即3D PC-MRA数据［7］，并将此数据输入三维可视化软件（EnSight，CEI，USA），在肺动脉干、右肺动脉、左肺动脉分别截取截面，对于每个截面使用Matlab（Matlab，the Mathworks，USA）程序手工绘制所有时间帧的肺动脉管腔轮廓，进行最大流速、每搏输出量、最大流量的定量分析［8］，截面具体位置见图1A。

图1 男，27岁。A.不同时间肺动脉迹线（pathline）可视化及分析血流的截面位置；B.血流流量分析结果

相对压力的计算流程见图2，使用3D PC-MRA数据可得到三维的动脉结构信息，并利用三维区域生长算法对肺动脉进行半自动分割，可获得肺动脉三维结构模型。将血液假设为不可压缩的黏性液体，压力的梯度可通过纳维叶-斯托克斯公式（Navier-Stokes）计算，见公式（1）。

其中，P为相对压力，μ为血液的黏滞系数，ρ为血液的密度，g为重力加速度。在实际扫描中，志愿者位于水平位，其血液重力可忽略。

对于每个给定的体素，其速度的时间和空间一阶导数以及空间的二阶导数可由其相邻的时间上和空间上的速度值中心差分法求出［9］。基于所得的压力梯度结果，将区域生长种子点相对压力设为0，压力的初始值为区域生长路径上每点的压力梯度总和，相对压力可通过迭代压力泊松方程法［10］得出，其迭代过程见公式（2）。

图2 相对压力计算流程。A. PC-MRA数据的最大密度投影图；B. PC-MRA数据二值化后的结果；C.分割后的肺动脉；D.相对压力的计算结果

其中，Pk为第k次迭代结果，i确定了6个相邻的体素，Pi为第i个相邻体素的压力梯度，α值取0.5，当平均压力值变化小于0.1%时迭代结束，可以得到每个体素相对于参考点的压力值。在肺动脉干、右肺动脉、左肺动脉分别截取与分析肺动脉血流相同的截面（图3A），并计算相对压力在截面上的均值，可得收缩期和舒张期平均相对压力的峰值。

图3 男，27岁。A.计算平均相对压力截面位置；B～D分别为右肺动脉、左肺动脉、肺动脉干各截面平均相对压力结果。MPA：肺动脉干；RPA：右肺动脉；LPA：左肺动脉

1.4 统计学方法 采用SPSS 16.0软件，2次扫描测得的最大流速、最大流量、每搏输出量和峰值压力值的相关性采用Pearson相关分析，采用Bland-Altman分析法评价2次扫描获得结果的差异和一致性，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2　结果

本组8例受试者均成功完成2次扫描，并成功测定了肺动脉流量及相对压力，图1B和图3B～D分别给出了其中1例受试者1个心动周期内右肺动脉、左肺动脉、肺动脉干的血流流量和平均相对压力的变化曲线。2次扫描所得最大流速、最大流量、每搏输出量和峰值压力均有较好的相关性（r=0.880、0.988、0.958、0.953，P＜0.001），见表1。Bland-Altman分析结果见表1及图4，结果显示2次扫描所得最大流速、最大流量、每搏输出量和峰值压力的结果具有较好的可重复性。

表1 2次扫描所得各参数的相关性和Bland-Altman分析结果

图4 2次扫描所得各参数的Bland-Altman分析。A～D分别为最大流速、最大流量、每搏输出量、峰值压力的Bland-Altman分析结果

3　讨论

本研究通过健康志愿者肺动脉4D-Flow成像获得了流速、流量、每搏输出量、相对压力等血流动力学参数，并具有较高的稳定性和可重复性。由最大流速、最大流量、每搏输出量的相关性分析结果可见，最大流量和每搏输出量的相关性高于最大流速，其原因在于最大流速为分析截面中速度的最大值，相对于流量和每搏输出量对于截面内流速面积上和流量时间上的积分，容易产生误差，但总体上3个参数均有较好的相关性和可重复性，可以应用于相关临床研究。

在相对压力计算方面，本研究采用纳维叶-斯托克斯（Navier-Stokes）方程计算压力梯度，与简化的伯努利方程通过速度峰值计算相对压力［11］相比，纳维叶斯托克斯方程可提供血管内相对压力关于时间或空间的变化信息，而通过迭代压力泊松方程法可以避免相对压力计算结果受到积分路径的影响［12］，并且其准确性已经在水模上得到验证［13］。在计算压力的过程中本研究采用了3D PC-MRA技术进行血管的分割，只能提供血管内流动的区域范围，并不能提供血管壁的确切位置，并且图像噪声及血液流动的部分容积效应使得速度场并非完全符合散度为0的条件，因此在计算血压时并未考虑流体的边界条件和散度为0的条件后续研究中，基于不同时间帧的分割以及利用散度为0条件对速度场进行噪声去除可能会解决上述问题。

目前对于肺动脉高压相关血流动力学参数的无创测量研究多集中在利用超声［14］及二维相位对比技术尽管4D-Flow技术采集时间较长，但其定位较为简单可以在一次扫描中提供所扫描的三维容积内任意位置及截面的血流速度信息，非常适合多截面或血管空间内血流动力学参数的计算和分析，并且可以提供包括向量、流线、迹线的三维可视化信息［15］。在后续研究中，可以利用4D-Flow技术对肺动脉高压患者进行肺动脉血流、相对压力、三维可视化等多种血流动力学参数的综合评价，并与右心导管术数据及健康志愿者结果进行对比，进行肺动脉高压的无创评估。4D-Flow技术也为主动脉、颅内动脉、颈动脉等相关血管疾病研究提供了新的研究手段［16］，如先天性心脏病［17］、主动脉夹层［18］、颅内动脉瘤［19］等。

总之，本研究采用4D-Flow技术，完成了对肺动脉血流和相对压力的测量和定量分析，并验证了测量的可重复性，有望应用于多血流动力学参数的肺动脉高压的评估。

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（本文编辑 张春辉）

作者单位清华大学生物医学工程系 北京 100084

Doi：10.3969/j.issn.1005-5185.2016.03.018

通讯作者李 睿

基金项目

北京市科技计划课题（Z131100005213001）。

中图分类号R445.2

收稿日期：2015-07-10

Reproducibility of Pulmonary Artery Flow and Pressure Difference Measurements Using 4D-Flow MRI

【Abstract】Purpose to investigate the reproducibility of blood flow and pressure differenc measurements for pulmonary artery using 4D-Flow MRI.Materials and Methods Eigh healthy volunteers were scanned twice within a week using 4D-Flow MRI for pulmonary artery segment. Three 2D cross-sectional views including main pulmonary artery right pulmonary artery and left pulmonary artery were manually chosen to evaluat local hemodynamic parameters such as peak velocity, stroke volume, peak flow and mean pressure difference as well as the reproducibility between two measurements.Results Th evaluation of peak velocity, stroke volume, peak flow and mean pressure differenc were successfully implemented in all volunteers and a significant correlation between two scans was also found for every measured parameter with correlation coefficient of 0.880, 0.988, 0.958 and 0.953 （P＜0.001） respectively. The Bland-Altman results furthe demonstrated good reproducibility in the measurements for peak velocity, stroke volume peak flow and mean pressure difference （d=1.30, 4.60, 1.00 and 0.04, σd=±8.90, ±29.30 ±9.20 and ±0.35）.Conclusion Blood flow and PD can be quantitatively measured in pulmonary artery using 4D-Flow MRI with good reproducibility.

【Key words】Hypertension, pulmonary； Magnetic resonance imaging； Pulmonary artery Hemodynamics； Image processing, computer-assisted