应用磁共振4D flow 成像对正常颅内前循环动脉血流动力学参数定量评估的可重复性研究

隋滨滨 高培毅* 林 燕 赵海清 宋立刚

(1.首都医科大学附属北京天坛医院放射科 磁共振成像脑信息学北京市重点实验室,北京 100050；2. 清华大学附属垂杨柳医院放射科，北京 100021；3. 首都医科大学附属北京天坛医院介入神经病科，北京 100050)

四维血流磁共振成像(four dimentional flow magnetic resonance imaging, 4D flow MRI)是近几年发展起来的一项新的磁共振成像技术，能够无创在体测定三维血流速度，评估血流动力学状态[1-3]。准确的血流动力学参数测量和计算是对血流动力学状态评估的基础。作为一种血流动力学评估的新技术，对其可重复性校验非常重要。本研究选取正常志愿者，探讨应用4D flow MR成像对颅内Willis环血流动力学状态在体评估的可重复性，为4D flow MR 成像技术在颅内动脉血流动力学评估方面的应用提供可行性依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

自2015年5月至7月收集正常志愿者4例，其中男性2例，女性2例，年龄24～26岁，平均年龄(25.25±0.96)岁。入组正常志愿者经临床评估证实无心血管疾病病史或危险因素，无颅颈动脉粥样硬化性病变。颅内MRI平扫及磁共振血管检查(magnetic resonance angiography, MRA)未见异常。研究方案经首都医科大学附属北京天坛医院伦理委员会批准，所有志愿者均给予书面签署的知情同意书。

1.2 MR检查

MR检查应用3.0T MR (Trio-Tim, Siemens Healthcare, Erlangen公司,德国)，32通道头线圈。先应用三维时间飞跃法MRA (three dimensional time of flight MRA, 3D TOF MRA)成像观察颅内动脉Willis环基本结构。然后应用三维 T1 可变翻转角加权快速自旋回波成像技术(three dimensional T1 sampling perfection with application-optimized contrast using different flip angle evolutions, 3D T1SPACE)序列针对颅内Willis环区域进行高分辨黑血成像，成像参数如下：重复时间(repetition time, TR)/回波时间(echo time, TE)= 800/22 ms，扫描野 (field of vision, FOV) = 180 mm×160 mm，矩阵(matrix)=256×208，层厚为0.7 mm, 共采集52层。体素大小为0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm。颅内4D flow 成像应用TOF MRA重建图像为定位像，扫描范围包括颅内Willis环区域，冠状位采集三维方向血流。具体成像参数如下：TR/TE= 54.96/3.13 ms，FOV= 200 mm×140 mm，矩阵(matrix)=208×140，加速因子 2，层厚为1 mm，共采集36层。速度编码值(velocity encoding)=120 cm/s。血流成像采用指脉门控，扫描时间为11～13 min，与被试者心率相关。首次检查结束后，在15～30 d之内对其进行第二次重复扫描，扫描序列及参数同首次检查。记录每个志愿者两次检查时的平均心率。

1.3 图像后处理

扫描完成后将原始数据导入专用后处理工作站，应用图像后处理软件4D Flow V2.4 (Siemens Healthcare, Erlangen公司, 德国)对数据进行后处理。后处理过程包括数据校正，对感兴趣血管进行分割及计算血管中心线后，提取血管三维结构。然后选取双侧颈内动脉(internal carotid artery, ICA)入颅段、虹吸段、末端、大脑中动脉 (middle cerebral artery, MCA) 起始部及近中段、大脑前动脉(anterior cerebral artery, ACA) 起始部层面，计算各层面的血流动力学参数，记录在一个心动周期内不同时相的平均血管面积、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬时血流率参数值。通过后处理生成血流矢量图、流线图及粒子图，显示颅内前循环大动脉的血流分布。重建图像由一名有5年以上血流动力学分析经验的高级医生进行评价，分析不同部位血流的分布特点，以及在心动周期不同时相中的变化。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 正常志愿者的颅内Willis环血流动力学参数的可重复性结果

4例正常志愿者中，3D TOF MRA和高分辨3D SPACE T1WI均未见血管狭窄。两次MR检查颅内血管结构相未见明显区别。表1列出了4例正常志愿者两次扫描的双侧血管的血流动力学参数值(包括平均血管面积、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬时血流率)。首次扫描和重复扫描比较，ICA虹吸段左侧最大血流速度及右侧各项血流动力学参数两次扫描之间的差异有统计学意义；ICA入颅段、MCA起始部及ACA起始部双侧及MCA近段右侧最大血流速度之间的差异有统计学意义；MCA近段双侧平均血管面积之间的差异有统计学意义；ACA起始部左侧平均血管面积及平均血流速度之间的差异有统计学意义。

表1 正常志愿者两次检查双侧ICA、MCA及ACA的血流动力学参数值Tab.1 Hemodynamic parameters at bilateral ICA, MCA and ACA of scan-rescan in healthy volunteers

2.2 两次扫描获取血流动力学图像分析颅内血流动力学分布状态比较

对4例志愿者两次扫描的16支血管分别重建血流矢量图、流线图及粒子图(图1、2)。结果显示，两次扫描颅内血流分布趋势基本相同。心动周期的收缩峰值期，血流速度分布比较均匀，最大峰值速度出现在海绵窦段垂直段。进入收缩晚期及舒张早期后，由于血流速度的迅速下降，局部血流分布不规则，以血流状态比较复杂的虹吸段最为明显，显示局部血流矢量方向分离及偏离血管主轴方向，并可见极少量返流现象。

图1 1例志愿者首次扫描(A)和重复扫描(B)的流线图Fig.1 Streamline maps of the first (A) and rescan (B) of one volunteer

图2 1例志愿者右侧颈内动脉、大脑中动脉及大脑前动脉收缩晚期的血流矢量图Fig.2 Velocity vector map of RICA, RMCA and RACA of one volunteer in the late systolic phase

2.3 心率及相关血流动力学参数的变化

4例志愿者两次的心率记录如表2所示。其中1例志愿者(编号2)两次心率差别很大，这例志愿者两次的最大血流速度变化十分明显，如表3所示。在左侧ICA虹吸段，两次的最大血流速度分别为114.62 cm·s-1和69.48 cm·s-1，右侧ICA虹吸段的最大血流速度分别为67.32 cm·s-1和93.33 cm·s-1。一些其他血流动力学参数，如瞬时血流率、平均血流速度等，在不同位置的数值两次之间出现了较大的变化。

表3 1例心率变化大的志愿者两次检查的血流动力学参数比较Tab.3 Hemodynamic parameters of one volunteer with obvious variance in heartbeats of two tests

3 讨论

3.1 4D flow MR成像技术在动脉血流动力学评估中的应用

颅颈动脉粥样硬化病变是缺血性脑血管病的重要原因。近年来，血流动力学方面的研究[4-5]显示血流动力学因素与动脉粥样硬化病变的发生发展密切相关。磁共振4D血流成像，也称为时间分辨的三维相位对比磁共振成像，是最近几年发展起来的新成像技术，可以无创性对心血管系统的血流状态进行实时在体的评估和定量分析。此技术在其他位置血流成像定量评估的研究[6-8]已经被证实显示了良好的应用价值，准确性和可行性也已经在不同部位得到了一定的验证。有研究者[8]比较了4D flow MR成像和超声成像测定的颈动脉血流速度值，发现在收缩期，4D flow MR测定的速度稍低于超声，舒张期速度值二者近似，而且4D flow MR成像显示了较好的可重复性和阅片者一致性。对于颅内动脉评价，颅内多普勒超声检查的应用存在一定局限性，在骨或空气腔存在的情况下容易受到干扰，流速测定只能在一定区域进行[9]。4D flow MRI提供的是心动周期内血管内整体的速度分布数据，可以反映感兴趣血管内复杂的血流速度及流量分布，这对于在体复杂的血流动力学状态评估尤其具有优势。目前应用此技术进行颅内动脉血流动力学评估的研究尚处于起步阶段[10-11]，可重复性评价是对此项技术评估的重要方面,目前国内外尚无对此项技术在颅内动脉评估的可重复性研究报道。

3.2 颅内动脉血流动力学评估的临床意义

高血压、高血脂、吸烟等作为全身高危因素，会增加动脉粥样硬化病变发生的危险性。但病理和临床研究[5,12]显示，在这些全身危险因素的影响下，动脉粥样硬化病变几乎均发生于血管分叉、分支、弯曲或狭窄等血流动力学状态复杂或突然发生变化的区域，提示血流动力学因素可能是动脉粥样硬化病变的首选决定因素。现有公认与动脉粥样硬化病变的发生发展相关的血流动力学因素包括血流状态不规则、异常或波动的血管壁切应力等。动脉粥样硬化引起血管狭窄后，也会继发局部血流动力学状态的变化及异常分布[13-15]。与西方人不同，中国人群颅内动脉狭窄的发生率较高[16]，颅内血管病变与高危因素及脑梗死病灶的相关研究已成为本领域的热点问题[17-18]。对颅内动脉血流动力学因素的研究,可能有助于对颅内动脉粥样硬化病变的发生发展机制进行深入分析。

3.3 颅内动脉血流动力学可重复性评估与心率和部位之间的相关性

血流速度和血流率的数值存在个体差异，局部的血流状态，包括血管内血流速度的分布，以及血流速度和血流率在一个心动周期内不同时相的变化，在动脉粥样硬化病变的发生发展中起到一定作用。本研究结果提示此项技术对于颅内大部分血流动力学参数的定量分析的可重复性较好，但多个位置的最大血流速度两次检查之间出现了明显差别。对每个志愿者的数据进行分析后，发现其中一名志愿者，两次检查的心率变化很大，而这名志愿者的血流动力学参数中，最大血流速度的变化最为明显。这可能提示，最大血流速度受心率的影响较大。4D flow成像检查需要应用指脉或者心电门控监测心率，血流数据的采集依靠心电图波信号激发磁共振成像，使其在心动周期的特定时相采集数据或进行回顾性重建。因此，此序列结果受到心率的影响是可以解释的。这提示在4D flow成像检查中，可能需要注意受试者的心率变化。但由于本组样本数较少，之后会进一步对此方面进行研究，以验证此假设。

另外，本组结果显示ICA虹吸段的血流动力学参数两次检查之间的差别较大。ICA虹吸段血管走行迂曲，局部血流动力学状态复杂。本组结果显示两次检查之间，双侧血流速度分布不对称，首次检查左侧高于右侧，而重复检查结果正好相反。可能提示在不同时间或不同情况下，血流动力学状态复杂的部位可能出现血流的不对称分布，此部位血流定量评估的可重复性还需要今后进一步的大样本量研究予以确认。另外，对于MCA近段及ICA起始部位血管面积及平均血流速度在两次检查中的变化，由于颅内动脉管径纤细，可能与局部压力导致的血管扩张相关，也需要进一步增加样本量予以研究。

本研究的主要局限性是样本量太小，今后会增加样本量继续进一步研究。研究结果显示，应用磁共振4D flow 成像对颅内动脉血流动力学参数的评估的可重复性较好，但不同心率下的血流动力学状态评估还需要进一步研究；对于血流状态复杂的部位如颈内动脉虹吸段，4D flow成像测量的可重复性可能还需要进一步验证。

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