基于高时间分辨率的平衡稳态自由进动MRI进行主动脉根部流型研究

高 伟 GAO Wei孙 尧 SUN Yao凌雪英 LING Xueying黄 力 HUANG Li

作者单位暨南大学附属第一医院医学影像中心 广东广州 510623

基于高时间分辨率的平衡稳态自由进动MRI进行主动脉根部流型研究

高 伟 GAO Wei孙 尧 SUN Yao凌雪英 LING Xueying黄 力 HUANG Li

作者单位暨南大学附属第一医院医学影像中心 广东广州 510623

Center of Clinical Imaging， the First Affiliated Hospital of Jinan University， Guangzhou 510623， China

Address Correspondence to： HUANG Li E-mail： cjr.huangli@vip.163.com

中国医学影像学杂志2016年 第24卷 第8期：637-640

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24 （8）： 637-640

目的 应用快速平衡稳态自由进动（SSFP）序列，对主动脉根部行高时间分辨率的三维相位对比血流成像，测定健康人主动脉根部流型，为主动脉瓣膜置换术及移植物的设计等提供临床依据。资料与方法 对16例健康志愿者主动脉根部进行流型测定，采用高时间分辨率，快速3D平衡SSFP序列行相位对比MRI（PC-MRI），而且这一新设计的快速平衡 SSFP序列采用临近血管的静态组织图像作为背景，而不再采集参考相，使成像时间缩短50%。所用后处理在专用4D Flow模块下完成。结果 改进后的平衡 SSFP适合主动脉根部流型测定。在收缩峰期后，正常人主动脉根部的涡流在收缩峰期后的各个动脉窦清晰显示，涡流填充于瓣膜后方的全部空间，直达舒张期，在动脉瓣关闭后扩展并在动脉瓣关闭过程中向内移动，提示使用该方法能够对正常人主动脉根部流型进行定量描述。结论 采用快速平衡SSFP所获取的高时间分辨率三维PC-MRI能够有效显示主动脉上方血流流型，而具有高时间分辨率、空间分辨率的数据化定量描述的结果可能对于主动脉根部手术具有重要的参考价值。

磁共振成像；主动脉

相位对比MRI（phase-contrast MRI，PC-MRI）能够在体测量血流速度大小及方向，已经广泛用于临床［1］。传统的PC-MRI图像数据的采集主要基于扰相梯度回波脉冲序列，该方法能够提供稳定的图像质量；而应用稳态自由进动（steady state free process，SSFP）序列也能够提供准确度的流速测定，且具有更高的信噪比［2］。SSFP速度快，特别适合动态成像，尤其用于心血管系统成像时具有独特的优势［3］。SSFP是在一个动态平衡态下采集数据，即所谓的“稳态”，由于SSFP序列对扫描仪系统的要求高，直至最近，由于MR扫描仪的软件及硬件设备的革新，使得该序列的应用得到快速发展。

目前应用PC-MRI法进行流速测定时要求采集2相或更多相完整数据，其中必须要额外扫描参考相；但是正因为要完成多次数据采集，大大限制了时间-空间分辨率，阻碍了实时成像的发展，尤其是带有时间分辨率的3D PC-MRI，又称为4D Flow成像。基于平衡稳态自由进动（balanced steady state free process，bSSFP）序列，即在3个方向上的完成梯度重聚相，能在极短的TR内使矢量和保持为“零”，即所谓的“平衡态”，进而用于4D Flow成像，并保证较高的时间分辨率［4］。

针对主动脉根部流型的测定对于主动脉瓣膜置换术及移植物的设计等具有重要价值，而以往由于未实现高时间分辨的高精度3D PC-MRI，使得该项技术在主动脉根部成像的研究成为盲区；现有的4D Flow成像时间仍无法满足对时间分辨率和空间分辨率要求均高的主动脉根部流型测定。本研究探索应用改进后的快速bSSFP序列进行PC-MRI，通过无参考相采集数据，缩短50%的总成像时间，成功用于测定健康志愿者的主动脉根部流型。

1 资料与方法

1.1研究对象 纳入16例健康志愿者，年龄25～61岁，平均（44±9）岁，所有受试者检查前均签署知情同意书，均无高血压，超声心动图提示主动脉功能正常，主动脉定量测定均提示正常。观察范围为主动脉根部至降主动脉，流速矢量数据为回顾性心电门控的快速bSSFP序列，采集PC-MRI原始数据。

1.2仪器与方法 采用GE Discovery MR750 3.0T MR扫描仪，所用接收线圈为8通道心脏专用线圈，扫描参数：TR 18 ms，TE 9 ms，流速编码范围100 cm/s，视野300 mm（上下）×300 mm（前后）×128 mm（左右），对应的空间分辨率1 mm×4 mm×4 mm，重建32帧/心动周期，并行加速因子=4，并行加速技术为自校准加速成像。所获得数据后处理在GE workstation 4D Flow模块下完成。单帧流线图及流速信息是通过收缩期的瞬时三维流场获得，采用4阶Runge-Kutta数值拟合技术［5］。

所用快速bSSFP序列进行3D PC-MRI数据采集的时序图见图1、2。

1.3图像分析 图像在后处理工作站的主要流程见图3。每搏输出量是通过与主动脉走行垂直的流速矢量估计。整个心脏收缩期被分为S1期和S2期，S1为收缩期开始至峰值流速期间，S2为收缩期峰值回归至收缩前期。全部数据由2名具有10年MRI经验的主治医师采用双盲法完成测定。

图1　2D FT序列，沿着读出梯度方向（Gx）采集单层1D流速。Gx：相位编码梯度；Gy：读出梯度；Gz：层梯度；RF：射频脉冲；TR：重复时间；TE：回波时间

图2　3D FT序列，用于全部速度矢量的容积参数，A、B、C分别对应在相位编码方向、频率编码方向和选层方向上完成1D流速图采集的扫描时序

图3　应用快速bSSFP法采集无参考相流速图的图像数据处理流程

2 结果

2.1主动脉根部血流测量值 16例健康志愿者中，收缩峰期流线起始于近主动脉瓣水平（图4），收缩期测定的结果包括近主动脉瓣的峰值流速、收缩期主动脉流量、S1期、S2期，结果见表1。

2.2主动脉瓣上方的涡流 正常主动脉的3个Valsalva窦流速显示，起始于左心室射血峰值期，涡流在各自的冠状窦内均清晰可见，持续达到舒张早期；在收缩晚期，涡流范围扩展，逐渐占据整个主动脉根部，中心区的前向流速减低（图5）。

图4　健康志愿者由主动脉瓣起始至颈血管近端收缩峰值期的流型

表1　采用快速bSSFP序列获取PC-MRI所测定健康志愿者收缩期主动脉根部流速（n=16）

图5　男，35岁，主动脉根部采用快速bSSFP序列的PC-MRI所获流型。第一幅图像中黑色点线示主动脉弓的外形与流速数据叠加的结果，从左至右，第一幅为等张收缩期（流速峰值期），其后每幅对应时间延后30 ms对应各期流速矢量（A）；对应的时相为收缩末期至收缩期结束，各幅图像中黑色点线示主动脉根部的外形与流速数据叠加的结果，左侧第一幅为等张收缩末期其后每幅对应时间延后30 ms对应各期流速矢量（B）。RPA：肺动脉右干；NC：无冠窦；RC：右冠窦；LC：左冠窦

3 讨论

Bellhouse等［6-7］于1968年通过体外流型拟合实验，提出了Valsalva窦及主动脉窦对维持主动脉瓣正常功能具有重要作用。该研究表明冠状窦内存在涡流，而且利于动脉瓣的开启及平滑关闭，促进冠状动脉的血流。Grande-Allen等［8］通过数值模拟的方法推测，主动脉根部的流型可能影响主动脉瓣的功能，主要原理是导致瓣叶与主动脉壁之间存在适当的应力差。

目前常规使用的2D PC-MRI尽管也能够在二维上观察Valsalva窦的流速，但由于扫描时间-空间分辨率的限制，未能很好地实现高时间分辨率的3D PC-MRI。目前已有的应用PC-MRI反映主动脉血流的研究其时间分辨率均在72 ms以上，由于时间分辨率的限制，准确评估血流的快速加速及瞬时事件尤为困难。本研究中采用最新的bSSFP序列，将3D PC-MRI测定的时间分辨率提高1倍，而不损失空间分辨率，能够准确获取主动脉收缩期的峰值流速，而且有效地优化了测定流速的范围。本研究通过新近开发的无参考像的基于bSSFP序列的PC-MRI，真正实现了具有时间分辨率的3D PC-MRI，即4D Flow成像，并将其成功用于健康志愿者收缩期主动脉根部流型成像。

本研究发现，窦内的流速矢量随着主动脉流速降低，其所占面积增加，并持续到舒张期；窦内血流的旋转方向是自上而下沿着窦的侧壁，而后向中心转向，直达窦的基底部。收缩末期窦内的涡流方向可能造成对主动脉瓣叶的内向压力，而利于瓣膜的快速关闭，而且涡流的体积大小与3个瓣膜体积不同，右冠窦和无冠窦所对应的涡流体积相对较大，这可能反映了主动脉根部的非对称性及所射出血流的旋动流属性。本课题组推测，这一结果提示在设计人工主动脉瓣时应该更加充分地考虑到主动脉根部可能存在的个体化差异。

Leyh等［9］研究发现在主动脉根部置换术中，在采用直管不带有窦样结构的主动脉移植物时，收缩期主动脉瓣内向运动明显受限。Schmitto等［10］的研究也证实带有冠状窦的主动脉移植物利于瓣膜的正常功能。此外，主动脉瓣平滑而快速关闭能够最大程度地减少瓣膜的应力［11］；而瓣膜关闭机制失常可能导致瓣叶的蜕变［12］。正常的主动脉根部由主动脉瓣、冠状窦及半月结组成，共同形成了“收-放”功能，缺少这一功能的主动脉根部移植物很可能导致主动脉瓣的应力过载，进而造成瓣膜的纤维化及钙化等［13］。

总之，本研究结果为主动脉窦功能及内部血流的研究提供了新思路，已有的理论支持主动脉瓣快速、平滑的关闭依赖于正常主动脉根部的涡流。本研究发现在健康人中，涡流的范围不会超过主动脉瓣，这一结果可能为主动脉瓣及主动脉根部手术移植物及瓣膜的设计提供有力依据。同时，将该技术应用于存在主动脉根部病变患者可能得到超出主动脉瓣范围的涡流，而且这一涡流的范围及强度可能为主动脉手术提供必要的数据支持。本研究中所使用的快速无参考相的bSSFP获取真正的4D Flow图像，为在体研究主动脉根部冠状窦血流动力学提供了有力工具。

［1］ Petersen SE， Jung BA， Wiesmann F， et al. Myocardial tissue phase mapping with cine phase-contrast MR imaging： regional wall motion analysis in healthy volunteers. J Radiology， 2006，238（3）： 816-826.

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［4］ Bangerter NK， Cukur T， Hargreaves BA， et al. Threedimensional fluid-suppressed T2-prep flow-independent peripheral angiography using balanced SSFP. Magn Reson Imaging， 2011， 29（8）： 1119-1124.

［5］ Lambert JD， Lambert DC. Numerical methods for ordinary differential systems： the initial value problem. New York：Wiley， 1991.

［6］ Bellhouse BJ， Bellhouse FH. Mechanism of closure of the aortic valve. Nature， 1968， 217（5123）： 86-87.

［7］ Bellhouse BJ， Bellhouse FH， Reid KG. Fluid mechanics of the aortic root with application to coronary flow. Nature， 1968，219（5158）： 1059-1061.

［8］ Grande-Allen KJ， Cochran RP， Reinhall PG， et al. Re-creation of sinuses is important for sparing the aortic valve： a finite element study. J Thorac Cardiovasc Surg， 2000， 119（4）： 753-763.

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［12］ Jasinski MJ， Gocol R， Malinowski M， et al. Predictors of early and medium-term outcome of 200 consecutive aortic valve and root repairs. J Thorac Cardiovasc Surg， 2015， 149（1）： 123-129.

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（本文编辑 张春辉）

Flow Patterns in the Aortic Root Studied Using High Time-resolved Balanced Steady State Free Procession

Purpose Flow patterns of aortic root in the healthy were studied by accelerated balanced steady state free process technique， to provide clinical evidence for the design of aortic valve replacement. Materials and Methods Flow patterns of aortic root of 16 healthy volunteers were measured. The time-resolved， three-dimensional，balanced SSFP MRI was used to acquire aortic blood velocity， resulting in up to approximately 50% reduction in total scan time. All post-process were completed on the work station with 4D Flow analysis tools. Results The accelerated balanced SSFP was well suited to acquire the time-resolved 3D flow pattern imaging of aortas root. Vortical flow of the healthy aortas became apparent after the systolic. The vortices filled available space behind the valve leaflets until diastole. The vortices expanded and moved inward during valve closure. Conclusion Accelerated balanced SSFP is useful to reveal the flow pattern above the aorta by acquiring the high time-resolved 3D phase-contrast MRI.

Magnetic resonance imaging； Aorta

黄 力

R445.2

2016-03-19

2016-05-03

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.08.021