基于单方向和多方向FSD准备的三维非增强磁共振血管成像在足动脉的应用价值比较

赵均雄，戚玉龙，冯飞，刘阳，张娜

作者单位：

1. 中山大学附属第八医院影像科，深圳 518033

2. 北京大学深圳医院影像科，深圳 518036

3. 中国科学院深圳先进院生物医学成像研究中心，深圳 518055

诊断成像是前瞻性地了解足动脉狭窄及闭塞的程度和位置的关键因素，有助于手术决策和手术干预程度的确定。近年来，基于三维快速自旋回波(turbo spin echo，TSE)或者稳态自由进动(steady-state free precession，SSFP)序列的非增强磁共振血管成像(noncontrast enhanced magnetic resonance angiography，NCE-MRA)已作为一种非侵入性的成像手段，广泛应用于外周血管疾病的评估上[1]。SSFP结合流动敏感散相(flow-sensitive dephasing，FSD)梯度(FSD-SSFP)已被证明是一种非常有前景的外周血管成像方法，不仅可以避免因对比剂引起的严重并发症，而且能延长扫描时间，增加图像空间分辨率[2-3]。与其它基于TSE序列的NCE-MRA方法相比，FSD-SSFP序列不依赖于血流速度和方向，能达到更高的各向同性空间分辨率和足够干净的背景，利于观察相对更为曲折更小口径的动脉，例如足部和手部的动脉。

使用FSD梯度磁场作为准备模块来抑制血流信号，具有流动独立性的优点，其在方向和强度上均可灵活配置，使多方向的流动抑制成为可能。FSD模块可以施加在一个(针对一维血流)或者两个(针对二维血流)或者三个(针对三维血流)方向上，在两个或三个方向上施加FSD模块比仅在一个方向上施加能更有效彻底地抑制动脉血流信号，从而提高减影后的图像质量。然而，目前还没有研究评估多方向施加FSD模块对足动脉成像的应用价值。本研究针对FSD-SSFP技术，提出一个新的FSD准备模块来实现多方向血流信号抑制，以最终实现多方向复杂血管的NCE-MRA成像，并比较在单方向和在双方向上施加FSD准备模块的FSD-SSFP在足动脉诊断的临床应用价值。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究经中山大学附属第八医院医学伦理委员会批准。35名被试者包括32名健康志愿者(19名男性，13名女性，年龄范围24～77岁，平均年龄45岁，无动脉疾病或心律失常史)和3例Ⅱ型糖尿病患者(2例男性，年龄范围45～72岁，平均年龄59岁)。所有对象均为连续招募，对于磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)无禁忌证。行MRI前，所有被试者均签署了知情同意书。

1.2 图像采集

MRI扫描在德国西门子一体化1.5 T磁共振系统(型号：Avanto)上进行。该系统配备高性能梯度系统，其强度和转换速率分别达到45 Tesla/m/s和200 Tesla/m/s。集成在扫描仪上的体线圈用于发射射频信号。圆柱体形状的12通道相控阵头部线圈用于接收信号。所有被试者均为脚先入的仰卧位，以使脚位于整个磁场的的中心。对每一个被试者，先采集一个低分辨率的3D图像，用于延迟时间(time delay，TD)和FSD梯度磁场一阶矩(first-order moment，m1)测量的2D成像平面定位。然后分别使用2D turbo-FLASH (fast low angle shot)和ture-fisp (true fast imaging with steady state precession)序列进行TD和m1搜索扫描用以估计TD和m1值。接下来使用ECG触发的FSD-SSFP序列采集足动脉的NCEMRA图像，由在心脏收缩期使用FSD准备(最佳m1值由m1搜索扫描测得)获取的“黑动脉血”图像和在心脏舒张期使用T2准备获取的“亮动脉血”图像减影获得。成像层面为斜冠状位采集，其中上-下(superiorinferior，SI)方向位读出方向、左右(left-right，L-R)方向为相位编码方向。从2D m1搜索扫描测得的FSD梯度磁场m1值分别仅施加在读出方向和同时施加在读出和层面编码(前-后)方向上。两次NCE-MRA扫描的其他相同成像参数包括：TR (repeat time)/TE (echo time)=3.9 ms/1.8 ms；反转角90°；成像视野300 mm×200 mm×80 mm～300 mm×200 mm×90 mm；体素大小0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm (没有进行插值)；接收带宽965 Hz/像素；广义自动校准部分并行采集(generalized autocalibrating partial parallel acquisition，GRAPPA)成像加速因子为2；采集时间根据受试者的心率每次扫描3～4 min，包括两个连续测量(亮动脉血和黑动脉血采集)。

1.3 图像处理

所有采集的图像都被传输到西门子高性能工作站进行后处理。首先重建出整个足部的最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)图像，并调节合适的窗宽窗位保证得到动脉和周围软组织之间最好的对比度来评估图像质量，由2名有经验的放射学专家，在不知道患者临床资料及影像学诊断的前提下，使用四分法对足部五个主要动脉节段(足背动脉、足底外侧动脉、足底内侧动脉、足弓动脉和跖骨动脉)以随机顺序进行共识打分：4分：足动脉显示清晰、动脉边缘锐利；3分：足动脉显示良好、血管结构完整；2分：足动脉显示一般、但仍旧能检测病变；1分：足动脉显示差、无法诊断病变。根据先前描述的方法，截取动脉节段的横截面用来计算足动脉的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)、与周围肌肉之间的对比度噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)以及三个主要动脉节段(足背动脉、足底外动脉和足弓动脉)的血管清晰度。

1.4 统计分析

使用SPSS 25.0对所有数据进行统计分析，结果使用平均值±标准差的形式表示。使用非参数Wilcoxon秩和检验比较两次NCE-MRA扫描得到的图像质量分数、SNR、CNR和血管锐利度，P＜0.05被认为具有统计学差异。

图1 基于单方向施加FSD模块和双方向施加FSD模块的NCE-MRA图像质量评分比较，图示显示为均值和标准偏差。星号表示两者之间具有显著性差异(P＜0.05)Fig. 1 Comparison of the image quality scores of NCE-MRA with single directional and two directional FSD modules. The illustrations are shown as mean and standard deviation. The asterisk indicates a significant difference between the two (P＜0.05).

2 结果

所有被试者均成功完成所有扫描。35名被试者共获得350根足动脉节段。基于仅在单方向施加FSD模块和双方向都施加FSD模块的足动脉NCE-MRA的平均采集时间分别为(5.49±1.26) min和(5.44±1.34) min，两者间差异无统计学意义(P＞0.05)。

在可诊断动脉节段数量上，基于单方向施加FSD模块的NCE-MRA可诊断327 (93.43%)根足动脉节段，基于双方向施加FSD模块的NCE-MRA可诊断330 (94.29%)根足动脉节段，两者间差异无统计学意义(P=0.64)。对于图像质量评分，基于单方向和基于双方向施加FSD模块获得的NCE-MRA图像质量评分分别为(3.61±0.54)分和(3.55±0.61)分，具体而言，除了足背动脉和跖骨动脉，其他三根动脉的基于单方向施加FSD模块的NCE-MRA图像质量均高于基于双方向施加FSD模块的NCE-MRA图像(图1)。然而基于单方向施加FSD模块采集的一些NCE-MRA足动脉图像中，足弓动脉未能完全显示，而在基于双方向施加FSD模块采集的NCE-MRA图像均能很好的显示这些足弓动脉，图2、3为在基于单方向施加FSD模块的NCE-MRA图像中由于足弓动脉信号丢失引起的假性狭窄。

对于图像的SNR、CNR和血管锐利度，基于单方向施加FSD模块采集的NCE-MRA的图像SNR、CNR和血管锐利度分别73.21±26.69、65.53±20.60和1.16±0.16，基于双方向施加FSD模块采集的NCE-MRA的图像SNR、CNR和血管锐利度分别70.88±25.66、63.29±19.95和1.18±0.14。仅在单方向施加FSD模块和在两个方向都施加FSD模块采集的NCE-MRA图像在这三个指标上没有显著性差异，其比较结果见图4。

图2 男性志愿者，28岁，足动脉NCE-MRA最大密度投影图，左图为基于单方向施加FSD准备模块的SSFP序列采集的图像，右图为基于双方向施加FSD准备模块的SSFP序列采集的图像。可见左图的右侧足弓动脉由于信号丢失引起假性狭窄(箭) 图3 男性志愿者，29岁，足动脉NCE-MRA最大密度投影图，左图为基于单方向施加FSD准备模块的SSFP序列采集的图像，右图为基于双方向施加FSD准备模块的SSFP序列采集的图像。可见左图的右侧足弓动脉由于信号丢失引起假性狭窄(箭)Fig. 2 MIP images of SSFP based NCE-MRA with single directional (left) and two directional FSD modules (right) preparation of the pedal arteries in a 28-yearold male health volunteer. A false stenosis caused by signal loss is seen at the right pedal arch (arrow) on the MIP image of SSFP with FSD module applied in only superior-inferior direction. Fig. 3 MIP images of SSFP based NCE-MRA with single directional (left) and two directional FSD modules (right) preparation of the pedal arteries in a 29-year-old male health volunteer. A false stenosis caused by signal loss is seen at the right pedal arch (arrow) on the MIP image of SSFP with FSD module applied in only superior-inferior direction.

图4 基于单方向施加FSD模块和双方向施加FSD模块的NCE-MRA图像在SNR、CNR和血管锐利度三个指标的比较结果，图示显示为均值和标准偏差Fig. 4 Comparison of the SNR, CNR and vessel sharpness of NCE-MRA with single directional and two directional FSD modules. The illustrations are shown as mean and standard deviation.

3 讨论

周边动脉疾病是一个比较普遍的老年性疾病，通常严重威胁到病人的肢体活动能力和生活品质，而且常伴随其他可能导致严重心血管病(譬如中风和心脏病)的危险因素，因而对于该病的及早并准确诊断具有非常重要的意义[4-5]。尽管数字减影血管造影仍是诊断该病的金标准，MRA因为无创伤，无辐射的特点已逐渐成为一个常规的临床检查手段。最常用的MRA技术是基于含钆对比剂的CE-MRA技术，该技术的一个最主要的缺点在于含钆对比剂可能会在肾功能不全的病人中引发致命的NSF。另外，对比剂在动脉中短暂的停留时间会限制可实现的空间分辨率和成像范围，尤其会在肢体远端部位造成静脉信号污染[6-7]。近年来无需使用对比剂的NCE-MRA技术又逐渐成为研究热点。总体来说，该技术具有可多次采集、高空间分辨率和低成本的特点[8-10]。

基于FSD准备的血管成像技术是一个具有临床应用前景的周边动脉NCE-MRA检查方案[11-15]。该技术利用动、静脉血流流速差异以及FSD模块对血流的敏感性，通过将一个使用FSD模块的“黑动脉血”采集与另一个不使用FSD模块的“亮动脉血”采集做减影来获得最终的动脉血管图像。然而传统的FSD准备模块仅能够充分抑制单一方向上的血流信号，一个与该单一方向完全垂直的血流是不会被FSD梯度磁场抑制信号的，从而无法实现该血管的“黑动脉血”成像，于是在最终的减影图象中出现血管描绘不完全，这很可能对临床诊断具有致命的影响，在周边动脉的远端部位，包括小腿、足和手，同时存在沿不同方向的血管分支，在这些部位的血管成像时，有可能会出现由于血流信号抑制不完全导致的减影图像上的动脉管腔信号缺失的问题。

本研究提出一个新的FSD准备模块，该模块由两个传统的FSD准备模块串联而成。与过去的FSD模块不同，新模块中FSD梯度磁场被依次加载在读出方向和相位编码方向以独立抑制不同正交方向上的血流信号。我们在志愿者中比较了在单方向和双方向施加FSD梯度磁场采集的足动脉NCE-MRA图像的图像质量评分、足动脉的SNR及与周围组织的CNR、血管锐利度等指标。两次扫描的SNR、CNR和血管锐利度均和之前的研究结果相近[1-3]，两次扫描之间的这三个指标没有显著性差异。基于双方向施加FSD梯度磁场的NCE-MRA，由于在前后方向上增加施加了FSD磁场，对足弓动脉的显示要比基于单方向施加FSD梯度磁场的NCE-MRA更好。基于双方向施加FSD梯度磁场的NCE-MRA的图像质量评分比基于单方向施加FSD梯度磁场的NCE-MRA稍低，这是由于脚趾上的软组织污染造成的，但是它对勾画动脉并无影响(图2，3)，而且还会补偿由基于单方向施加FSD梯度引起的足弓动脉信号丢失。

本研究还存在一些不足之处：(1)研究对象主要为健康志愿者，仅纳入了3例外周动脉疾病患者验证本研究所用采集方式用于临床患者的有效性，还需要在大样本量的临床患者中对两种采集方式进行比较，并验证基于双方向施加FSD梯度磁场的NCE-MRA用于临床外周血管壁患者的可重复性。(2)由于本研究是健康志愿者实验，没有扫描DSA或者CE-MRA作为对照，但是本研究是基于以前的研究方法[2-3]进行两种FSD模块施加的比较，之前的研究已经进行了NCE-MRA和CE-MRA的对照实验，表明本研究中使用的NCE-MRA是临床有效的。我们将在进一步的临床患者比较实验中进行CEMRA的扫描作为参考标准。

总之，本研究提出的基于双方向施加FSD准备模块能够在“黑动脉血”采集中可靠抑制多方向的血流信号，保证在NCE-MRA中，不规则血管或者有湍流血流的血管仍能够保持高亮信号，从而降低误诊率。

利益冲突：无。