相位对比磁共振成像技术的原理及应用*

胥巧丽，张健康，刘亚，郑罡△

（1.南京航空航天大学民航学院，南京210016；2.南京军区南京总医院医学影像科，南京大学医学院，南京210002）

1 引 言

相位对比磁共振成像（phase contrast MRI，PC-MRI）技术是通过对流体相位编码成像的技术，可以测量流体的流速、流量及方向等信息，自上世纪80年代开始用于定量流量测量［1］。PC-MRI技术在临床上通过血液流动产生的相位变化来测量血液速度，能提供直接测量的三维分布，是一种既能显示血管解剖结构又能提供血流方向、血流速度及流量等血液动力学参数的磁共振成像技术。由于单方向编码与扫描时间限制，二维相位对比（two dimensional phase contrast，2D PC）与三维相位对比（three dimensional phase contrast，3D PC）磁共振成像技术的局限性进一步显现。随着技术的发展，随时间变化的多方向编码的4D Flow MRI技术逐步应用于临床。4D Flow MRI技术允许动态采集，可以多方向采集血流数据。4D Flow MRI技术可用于颅内动脉血流评估及腹部血管血流动力学评价以及各种流量相关参数计算，如脉搏波速度（pulse wave velocity，PWV）以及壁面剪切应力（wall shear stress，WSS）等［2-3］。通过最近的各项研究可以发现，4D Flow MRI将成为PC-MRI技术发展的新动力。各种PC序列在临床中应用广泛，本研究简述PC-MRI技术的不同技术亚型及其典型应用。

2 相位对比磁共振成像技术原理及影响因素

PC序列利用流动质子产生相位变化的原理获得图像。磁矩（也可称自旋）沿着磁场梯度移动，可得到相位旋转与固定自旋的对比数据。见图1，在双极梯度（即大小和持续时间相等、方向相反）磁场的作用下，固定组织的相位改变得以补偿。通过重复两个相反方向的急性梯度，来消除其它序列参数引起的相位位移，用两个数据相减得到的相位差进行三维像素上的速度计算。在线性梯度场中，相移量φ与血流速度成比例。

图1 双极梯度脉冲及相移变化图Fig 1 Bipolar gradient pulse and phase shift diagram

相移量的具体测量公式为：

Δφ为相移量，r为磁旋比，ν为血流速度，m可表示为梯度场面积与施加双极梯度场的时间间隔的乘积，Δm为第一时刻的梯度-时间曲线。

将每个像素的血流速度叠加得到平均流速，用平均流速乘以血管横截面积，可以得到特定时间内通过血管截面的平均血流量。公式为：

F为平均血流量，V为平均流速，A为血管横截面积。

MRI通常表现为幅度图像，通过旋转的横向磁化矢量得到信号。尽管矢量方向旋转，MRI依然可以检测出质子前后的位移量，即相位（相移），MRI中相移用于位置编码。每个矢量受不可控因素影响，包括主电场的不均匀性和化学位移等。如果受到这些因素影响，相位图则不能准确显示［4］。相位图的流速数据经过处理，可以得到相应的血液动力学参数。

流速编码（Venc）指质子达到180°相位位移时的速度，正确选择Venc对测量的准确性至关重要。Venc与编码梯度流的面积成反比，成像时间保持不变，要得到更强的梯度幅度需要更小的Venc。Chai等［5］指出Venc不能小于峰值流速，理想的Venc设定应为感兴趣区实际血流最大速度的125%内。而Negahdar等［6］经过一系列研究得出使用较小流速虽然可能会导致缠绕，但它提供了更精确的流速轮廓。然而，如果 Venc设置过低的话，相位解卷绕（unphasewrapping）就变得难以确定。所以Negahdar指出Venc设置应为最高流速的三分之一，即：

VH（highest velocity）为最高流速。

3 PC序列分类

随着技术的发展，PC序列先后出现过2D PC，3D PC，电影相位对比（cine phase contrast，Cine PC），4D PC等技术。2D PC序列扫描只能得到平均流量和平均速度值，但成像时间较短。3D PC图像信噪比较高，能用很小体素扫描，但扫描时间较长。Cine PC序列以2D PC为基础，采集需要心电及脉搏门控。4D PC是随时间变化的三维三方向相位对比 MRI，也叫四维流 MRI（4D Flow MRI）。在 PC系列的临床应用中，2D PC序列与Cine PC序列应用最为广泛。然而，2D PC技术被单方向速度编码限制，使之不足以评估复杂的三维血流动力学。3D PC序列虽然可以多方向编码、多个视角对血管进行投影，但扫描时间较长，而且3D PC幅度图像不如2D PC精确［7］，因而临床上应用较少。随着技术发展，4D Flow MRI在临床中的应用优势将逐渐显现。4D Flow MRI为能够全面分析人类体内血流动力学提供了一定的条件。此外，其大容量覆盖为研究系统血流动力学的影响因素提供了多种选择。4D Flow MRI可用于计算与流量相关的血管壁参数，并可能成为早期预测血管类疾病的诊断方法［8］。虽然4D Flow MRI技术在临床上得到进一步应用，但由于技术的限制依然存在一些不足，如分辨率不高、受噪声和磁共振设备涡流影响较大，可能导致测量结果与真值之间存在误差等。这些问题将成为未来技术研究以及克服的重点。见表1，Markl［9］等指出不同区域组织四维流序列参数。

表1 不同区域组织四维流序列参数Table 1 4D Flow sequence parameters for different anatomic regions

4 PC-MRI应用

PC-MRI技术在头颈部、心血管、胸部、腹部等各方面血流成像应用广泛，为临床诊断及术后检测提供重要依据。

Ozkan等［10］认为在颅内血管狭窄性病变的评价中，2D PC-MRA或2D TOF-MRA可作为静脉狭窄评价的首选方法。Hsieh等［11］同时应用2D PC-MRA与彩色多普勒测量了24例动脉狭窄患者的血流量。结果表明，PC-MRA是强大的、标准化的磁共振技术，可能成为对患者分层血管重建治疗的最有价值的诊断工具。Zheng等［12］用2D PC-MRI技术得到的相位图确定了33名患者与27名正常志愿者双侧颈内动脉和椎动脉的血流量、速度和横截面面积，从而研究年轻血液透析患者脑血流、贫血以及高血压之间的关系。Lagana等［13］运用PC-MRI在颈部C2-C3水平检测脑脊液和大血管（包括颈内动脉和颈总动脉）流动，研究了92例多发性硬化患者的脑脊液血流动力学和颈内静脉血流动力学，并将得到的流变曲线用于预测脑积水等疾病的治疗效果中。Akay等［14］招募19例特发性颅内高压患者和11名健康志愿者，应用2D PC-MRI评估动态脑脊液，首次研究了特发性颅内高压患者的脑脊液流动状况。此外，PC-MRI技术还可以测出不同年龄脑导水管脑脊液流动的差异情况。

Duane等［15］采用2D PC-MRI对二尖瓣及肺静脉血流进行评价，进而判断左室舒张功能状态，并说明了不同程度的舒张功能障碍。由于多普勒测量流量是假设整个血管面积速度恒定，用在相对较小的血管面积中所测得到的流速评估整个血管面积流速，而PC-MRI在整个血管面积内评估流量，所以PC-MRI流量测量较多普勒更精确。Lawton等［16］应用PC技术分析了25例心脏瓣膜病变患者在几年中的血流量变化情况，结果显示，通过PC技术成像的瓣膜流量将会更加准确。Gabbour等［17］对MRI数据库及通信系统中的50名儿童或年轻成人心脏病患者进行回访，这些患者接受过相同的2D PCMRI和4D Flow MRI检查。结果表明4D Flow MRI可以定性和定量分析心脏和大动脉内的复杂血流。Chu等［18］采用一种基于导航门控梯度回波脉冲序列的三维流编码和前瞻性心电门控在自由呼吸下获得4D Flow MRI序列。以回波作为参考标准，用4D Flow MRI技术评估了肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy，HCM）患者中的左心室流出道（left ventricular outflow tract，LVOT）堵塞情况。Charlotta等［19］选取40名冠心病患者，所有患者都接受相同的心电门控心脏MRI成像包括屏气2D PC-MR、自由呼吸导航PC-MRI以及胸超心动图等。结果显示，屏气2D PC-MRI测量的流量及心输出量与自由呼吸导航PC-MRI以及胸超心动图测量结果一致，而且成像时间较短。此外，应用PC-MRI可以无创地量化所有流入流出血流速度及血流量，在探讨新生儿先天性心脏病与脑血流关系等方面具有重大意义［20］。

郭立等［21］选取31例健康志愿者采用2D PCMRI测量心动周期内主动脉与肺动脉起始部静血流量。通过进行比较，验证主、肺动脉起始部静血流量的准确性及可重复性。通过得到的主、肺动脉起始部时间-静血流量曲线图证明了PC-MRI是研究主、肺动脉起始部静血流量的好方法。Goel等［22］用2D PC-MRI测量升主动脉与降主动脉血流量，得到一种基于大人群的全自动主动脉定位方法，提供了一种新的主动脉血流量测量方法。Mori等［23］通过实验验证了在主动脉假体辅助下获得的平均和最大流速、流量面以及WSS，并将4D Flow MRI技术用于临床应用，尽管所用模型是一个非常简单的直管稳流，Mori等证实了用主动脉幻像4D Flow MRI得到的WSS以及血液流速的准确性。超声心动图是测量主动脉和肺动脉血流速度的基本成像模式，2D PC-MRI提供了更好评价主动脉和肺动脉血流的方法，而且已经成为测量其血流速度的标准。但超声心动图与血流2D PC-MRI都受到单方向编码限制不足以准确测量先天性心脏病患者血流动力学状况。Gabbour等对32名先天性心脏病患者同时进行2D PC-MRI和4D Flow MRI检查，测试4D Flow MRI与标准方式相比测量主动脉与肺动脉血流的准确性。结果显示，与参考标准2D PC-MRI相比，4D Flow MRI呈现了很好的相关性与准确性［24］。随着技术的发展，4D Flow MRI可以成为临床上主动脉与肺动脉血流量的潜在测量方式。

此外，PC技术还应用于测量门静脉平均血流速度，可以作为临床上预测慢性肝病患者（chronic liver disease，CLD）胃食管静脉曲张（gastroesophagealvarices，GEV）发生的重要参数［25］。

5 总结

多普勒超声心动图（doppler echocardiography）是血流速度分析的参考标准，2D PC-MRI是定量流量评估的参考标准。2D PC-MRI因为单方向编码限制不能测量复杂血流动力学模式，而4D Flow MRI能够无创地获得多方向的流速信息，可以评估壁面剪切应力（WSS）等血流动力学参数，从而在预测人类血管疾病的发生中起到非常重要的作用。4D Flow MRI作为定量分析区域水流和速度的新兴技术，能够提供全方位的3D流量覆盖以及在任何位置、任何成像平面上灵活的回顾性血流分析。4D Flow MRI与2D PC序列流动参数的一致性及4D Flow分析与回波接近性的提高表明四维流已经成为临床替代2D PC序列的潜在技术。

此外，近期的大量研究表明4D Flow MRI在正常和病理性血流动力学复杂流动模式可视化方面存在极大的潜力。随时间变化，三维三方向采集等表明4D Flow MRI可以提供更加精确的定量血流速度与血管壁参数。作为一种新兴的相位对比磁共振技术，4D Flow MRI技术与其它PC-MRI技术结合可以成为临床上更为全面的检测手段。